Jó reggelt, kollégák!
LirKom II. 4. ea.
Global Positioning System (GPS) és az Augmentation rendszerek
A GNSS világa ma (csak a nagyjelentőségűek)
A GPS lehetővé tesz legkülönfélébb alkalmazásokat
Positioning, Navigation, and Timing (PNT)
Bevezető • Néhány évtized alatt a GPS globális eszközzé vált • Űr-alapú (space-based) helyzetmeghatározás • Navigáció és • Időmérési eszköz
PNT
• Konzisztens, jól előrelátható, megbízható politika és teljesítmény mellett • A kibővítés (augmentation) még jobban növeli a teljesítőképességet
• Az internethez hasonlóan a GPS is a globális információs infrastruktúra összetevő elemévé vált • A méretezhető alkalmazásokon keresztül rendkívül széles képességekkel bíró, új lehetőségeket teremt • Elősegíti a hatékonyságot a (repülés)biztonság, a környezetvédelem és a tudományok innovációs tevékenysége fejlesztésével
6
A jelen anyagban: • Amikor a „jel (signal)” szót használjuk, mindig a kisugárzott információ-csomagot kell érteni alatta… • A „teljesítmény = performance” értelemben használt… • AUGMENTATION = kibővítés
• Nap-nap után új és új alkalmazások jelennek meg • • • • • •
8
Wireless és mobil alkalmazások Gyermek/kisállat/autó követése Automatikus hótakarítás szervezés Űrhajók vezérlése Erőművek vezérlési hálózat menedzselése Földfelszíni bányászat
A GPS, mint globális nyilvános szolgáltatás (- USA: Global Public Service) • A GPS globális nyilvános szolgáltatásként 1993 óta folyamatosan teljesíti a vele szemben támasztott teljesítmény-követelményeket (sőt messze meghaladja azokat; (SPS Performance Standard - 2001) • A polgári célú GPS szolgáltatás mentes a közvetlen használati díjaktól (free of direct user charges)
• Ehhez hasonlóan a kibővítés (augmentation) szolgáltatásai is azok (az USA kormánya birtokában lévőké, pl. NDGPS, WAAS, etc.)
• A nyilvános felhasználás jogi dokumentumában: • A felhasználók és az iparágak számára szabad és egyenlő rendelkezésre állás
• A felhasználói végberendezések fejlesztésének lehetősége mindenki számára egyenlően nyitott, és a világpiaci versenyhelyzetet kívánja
• A GPS tulajdonosa és üzembentartója az USA kormánya • A kormány nevében beszerzi és üzemelteti az USAF
• Belső (USA) nemzeti szinten több felhasználós tulajdonként van nyilvántartva 9
Továbblépés: kétoldalú GPS együttműködések • USA - Japan: Politikai és műszaki konzultációk a GPS együttműködésről 1996-tól • A QZSS rendszer kibővítés a GPS-szel való kompatibilitás • USA - EU GPS-Galileo Együttműködési Megállapodás 2004-tól • 2007 júliusában egyezmény a továbbfejlesztett polgári jelrendszerről (MBOC) • USA - India: Politikai és műszaki konzultációk a GPS együttműködésről 2005-től • Az ionoszférikus torzulásokról/megoldásokról kutatások folytatása • Közös állásfoglalás a GNSS együttműködésről, 2007 február • USA – Russia: tárgyalások a GPS-GLONASS Együttműködési Megállapodásról 2005-től • A nagyobb együttműködési képességű (interoperability) polgári GPSGLONASS jelrendszerekről folytatott megbeszélések • USA - Australia: az Egyesített Delegációs Állásfoglalás a Polgári GPS együttműködésről, aláírva 2007 áprilisában • A GPS műholdak üzemi/üzemeltetési változásairól szóló értesítések továbbfejlesztett mechanizmusának kidolgozásáról
Maga a Global Positioning System (GPS)
A Global Positioning System • 24 működő (operational) műholdból álló rendszer, közepes földkörüli pályán (MEO) - 20200 km oprbit • Globális fedésterület, H24-ben, minden időjárási körülmények között • A műholdak a precíz időt és a röppálya információkat az „L” rádióhullámsáv frekvenciáján továbbítják • Kétféle jelrendszer: • Szabvány (ingyenes a közvetlen díjaktóltól) • Precíziós (USA és szövetségesei MIL)
• Három szegmens:
• ŰR- (space) • FÖLDI IRÁNYÍTÁSI (ground) • Felhasználók eszközei (user)
12
A jelenlegi teljes működési környezet 30 Operational Műhold (24 az alapvető fedéshez)
• Lásd a 2016. március 5-ei állapot szerinti ábrát a köv. slide-on:
2016.III.05.
IIR-15(M) fellövése 2006. szept. 25-én
15
A hullámsáv és frekvenciák Az L sáv használata: A 390 MHz - 1550 MHz frekvenciatartomány. A GPS vivő frekvenciák e sávban: /L2/: 1227, 6 MHz és az /L1/: 1575.42 MHz). L1 frekvencia: ez a GPS műhold által kisugárzott két rádiófrekvencia egyike, ez hordozza az ún. Coarse Acquisition Code-ot (C/A code), a PCode-ot, és a navigációs üzenettartalmat; sugárzása az 1575,42 MHzen történik L2 frekvencia: a kettőből a másik kisugárzott frekvencia, ez csak a PCode-ot hordozza, és csak a 1227,6 MHz-en sugározzák.. Vivő frekvencia (Carrier Frequency) : a rádióadó berendezés modulálatlan kimeneti frekvenciája. C/A kód (Coarse/Acquisition Code) : a GPS szabvány pozíció jele a polgári használatra kisugározva, benne a GPS vevő által vehető pozíció pontosítási jelek (100 m-es pontossági értéken belül) és az időpont. P-Code: a GPS-jel precíziós kódja, csak a MIL által használatos, speciálisan kódolt (encrypted), amit 7-naponta midig módosítanak bármilyen személy hozzáférésének és használatának meggátolására.
A mára modernizált „GPS – Civil” jelek • A Második polgári jel (“L2C”) • A kereskedelmi célok kiszolgálására tervezték • Nagyobb pontosság az ionoszférikus korrekción keresztül • Nagyobb hatásos teljesítmény és feljavított adat-struktúra – ezzel csökken az interferencia, a jel-vétel meggyorsul, és lehetővé teszi a vevő egységek további miniatürizálását, ezzel lehetővé teszi a helyiségeken belüli használatot • A GPS Block IIR-M műholdaktól már csak e sávba, 2014-ben valamennyi (a 24+tartalék) műholdak mindegyike
• A Harmadik polgári jel (“L5”) • A közlekedés biztonságának követelményei (safety-of-life) teljesítésére tervezték • A magas biztonsági védettségű Légiforgalmi Rádiónavigációs Szolgálatok ARNS) sávját használja • A GPS Block IIF műholdaknál ez a sáv van, a 24 műhold kb. 2016-tól képes lesz kezelni
• A Negyedik polgári jel (“L1C”) • A GNSS interoperabilitási követelményekre tervezik, a nemzetközi partnerség keretében • A GPS Block III műholdakkal kezdik használni • a 24 műhold kb. 2021 körül lesz e képességgel ellátva
Power Spectrum (dBW/Hz)
A GPS modernizáció – képek
previous
as of Dec 2005
P(Y)
-220 -230 -240 -250
Power Spectrum (dBW/Hz)
1227.6
planned
-220
Power Spectrum (dBW/Hz)
Frequency (MHz)
1575.42
Block IIR-M, 2005
L2C
-230
M
-240 -250 1227.6
Frequency (MHz)
1575.42
Block IIF, 2008
-220
L5
-230 -240 -250 1176.45
Power Spectrum (dBW/Hz)
Block IIA, 1990
C/A
1227.6 Frequency (MHz)
1575.42
-220
L1C
Block III, 2013+
-230 -240 -250 1176.45
L5 18 ARNS Band
1227.6 Frequency (MHz)
L2
RNSS Band
1575.42
L1
ARNS Band
(artist’s concept)
A GPS “System-of-Systems” fejlesztési programja (összefoglaló rajz) Space Segment Modernized (Block IIR-M) Modernized (Block IIF) Legacy (Block IIA/IIR) • 2nd civil signal (L2C) • 3rd civil signal (L5) • Std Service (≤ 6 meters • M-Code signals (L1M, L2M) RMS SIS SPS URE) • Anti-jam flex power • Single frequency (L1) • Coarse acquisition (C/A) code navigation • Precise Service (≤ 2.6 m 95% URE PPS at Zero AOD) • Y-Code (L1Y & L2Y) • Y-Code navigation
GPS III (Block III) • Increased accuracy • Increased A/J power • Signal integrity • Search and Rescue • L1C civil signal common w/Galileo, QZSS, & possibly GLONASS
Ground Segment Legacy • TT&C • L1 & L2 monitoring
Upgraded (AEP) • IIR-M IIF TT&C • WAGE, AII, LADO • NMCS/AMCS
Modernized (OCX V1) GPS III (OCX V2) • New Architecture • GPS III TT&C • Signal Monitoring • Real-Time C2
19
A Földi Szegmens 4 fő alkotóeleme: • Master Control Station (MCS) - Colorado Springs, USA
• Hamarosan cserélik az újra = New Master Control Station [NMCS]
• Backup Master Control Station (BMCS) – u.o.
• Hamarosan cserélik az Alternate Master Control Station-re [AMCS]
• 4 földi antenna (Gas) • • • •
Ascension Island Cape Canaveral Diego Garcia Kwajalein Atoll
• Monitor Stations (MSs) - globálisan elhelyezett ellenőrző állomások hálózata (jelenleg 16)
NGA = Nat’l Geospatial-Intelligence Agency AFSCN = Air Force Satellite Control Network
Valid as of 2014. április
• TT&C Link – Telemetry, Tracking & Command Interface • Precise Positiponing Service Signal In Space
Az elvárt pontossági követelmények (valós, nem mai példa) Pozíció Precizitás Hígulása (PDOP, Geometry) rendelkezésre állása Specifikáció – 6-os PDOP mutató vagy kevesebb, az idő 98%-ában Jelenlegi: 99,98798% Vízszintes Szolgáltatás rendelkezésre állása Specifikáció: a 36 m 95 %-os küszöbértéke, az idő 99 %-ában Jelenlegi: 2,74 m Függőleges Szolgáltatás rendelkezésre állása Specifikáció: – a 77 m 95 %-os küszöbértéke, az idő 99 %-ában vagy jobb Jelenlegi: 3,89 m Felhasználói Távolság Hiba Specifikáció: 6 m vagy kevesebb, konfiguráció-függő átlag Jelenlegi: lásd a példát a köv. slide-on
A rendszer pontossága és rendelkezésre állása messze meghaladja a specifikációban 23 előírtakat.
Kiváló teljesítőképesség a távolsági pontosságban
A legújabb elérhet adatok (2016. márc.5.):
Azért némi probléma mégis van… (a léginavigáció esetében):
Mi a probléma?
½ RWY = 22,5 m
WRWY=45 m
Differential GPS (DGPS) is the most widely used method of GPS augmentation and can significantly improve the accuracy, integrity, and availability of the basic GPS. In fact the term ''augmentation" has almost become synonymous with DGPS. DGPS is based upon knowledge of the highly accurate, geodetically surveyed location of a GPS reference station, which observes GPS signals in real time and compares their ranging information to the ranges expected to be observed at its fixed point. The differences between observed ranges and predicted ranges are used to compute corrections to GPS parameters, error sources, and/or resultant positions. These differential corrections are then transmitted to GPS users, who apply the corrections to their received GPS signals or computed position. Figure C-8 further illustrates this concept.
Differenciál GPS (csak alapok) After each GPS reading, the base station quickly calculates the error and transmits it via radio signals to the roving receivers. The roving receivers need to be equipped with an appropriate radio receiver and the computational ability to add the correction factors to their own GPS readings in real time. The location displayed on the GPS receiver, then, would have the errors factored out.
Real Time Differential GPS: • Legalább 1 fix, ismert pozíciójú földi állomás (base station) – de minél több... – ez kalkulálja kia hibát (error)- és sugározza ki rádiójelek útján a vándorló vevők felé. • A GPS műhold – több műhold jelei • A „vándorló” (roving) műhold-vevő – ez veszi a korrekció nélküli műhold helyzet-adatot, és összeveti a fix pozícióval (ezzel állapítva meg a szükséges korrekciós elemet) • A vándorló vevő a „nem korrigált” jelet és a korrekciós jelet is veszi a két adó egységtől, Így a pontosság jelentősen javul.
A megközelítésekről (fogalmak)
Az RNP és az RNAV összefüggése
A megközelítés típusai az új osztályozás ELŐTT...
A megközelítés típusai az új osztályozás UTÁN...
Az új megközelítési kategóriák... (összesítő)
Műszeres megközelítések meghatározása ICAO Annex 6, Part I.:
Operations are to be classified in accordance to the achieved Minima at the end of an approach: • Type A: Instrument approach operation 250’ or above • Type B: Instrument approach operation below 250’
Műszeres megközelítések meghatározása
Műszeres megközelítési futópályák – Annex 14 Vol I
Wide Area Augmentation System (WAAS) és a
Local Area Augmentation System (LAAS)
A megközelítési eljárások
39
A megközelítések pontossága… • Jelenleg csak É-Amerikában használható • A rendszer földi szegmensei máshol nincsenek kiépítve • Pontossága:
LPV - Localizer Performance with Vertical Guidance (lásd még később a pontossági elemeket)
WAAS architektúra
38 Referencia Állomás
3 Master
4 Jel-generátor
Állomás
Rendszer/ Föld-Föld Állomás
2 Geostacionárius
2 Operatív
Műhold Kapcsolat
Irányító Központ
GEO műholdak továbbfejlesztése • IOC WAAS, a végső rendszerként a két Inmarsat műhold lett bevonva • Az USA területe fölötti, szinte teljes, de csak egyszeres fedéssel • Az Inmarsat műholdakat a WAAS üzemeltetésből 2007 júliusában kivonták
• A két kiváltó műhold telepítése 2005-től kezdve megtörtént • Intelsat (Galaxy XV) • 2006 novembere óta (csak datalink) • A távolságmérés aktiválása 2008 közepétől
• Telesat Canada (Anik F1R) • 2007 júliusa óta működik, korrekciós és távolságmérési céllal
42
Intelsat 133W
Telesat 107W
WAAS Földi és Űr szegmensei • WAAS telepítés fázis • • • •
WAAS leszállítva – IOC – I. fázis Full LPV teljesítmény – II. fázis Full LPV-200 teljesítmény – III. fázis Duál-frekvenciás üzemelés – IV. fázis
• Eljárás-fejlesztés ~300/évente
43
2003 2003-2008 2009-2013 2014-2028
2004-2028
WAAS Release 5 VPL Sensitivity
Percent of CONUS
Release 5
90% of CONUS has 100% LPV Availability
48% of CONUS has 100% LPV200 Availability
99% VPL
LPV200
LPV
Percent of Alaska
Release 5
62% of Alaska has 95% LPV Availability
VPL (meters)
44
WAAS Release 6/7 Percent of CONUS
100% of CONUS has 100% LPV Availability 80% of CONUS has 100% LPV200 Availability
Release 6/7
80% of Alaska has 95% LPV Availability
Percent of Alaska
Release 6/7
99% VPL
LPV200
LPV
VPL (meters)
45
WAAS Release 8/9 Percent of CONUS
100% of CONUS has 100% LPV Availability 84% of CONUS has 100% LPV200 Availability
Release 8/9
86% of Alaska has 95% LPV Availability
99% VPL
LPV200
LPV
Percent of Alaska
Release 8/9
42% of Alaska has 100% LPV Availability
VPL (meters)
46
GPS teljesítmények a WAAS-sal és a LAAS-sal GPS Standard Horizontal 95% (Worst Location) Vertical 95% (Worst Location)
WAAS LPV WAAS LPV LAAS Cat-I LAAS Cat-I Standard Actual Standard Actual
36 meters
16 meters
1.08 meters
16 meters
0.68 meters
77 meters
20 meters
1.26 meters
4 meters
1.17 meters
Ez a WAAS teljesítmény értékelés összesen 1,761 millió mintavételre alapozott (ez összesen 20389 felhasználói napon)
LAAS teljesítményét a Memphis repülőtéren végrehajtott 104 LAAS megközelítés eredményességére alapzták. 47
A megközelítések (ismét)
Doc9613 – PBN Manual A 2013-as ICAO PBN Manual (Doc 9613) a következő megközelítési formákat rögzíti az ún. RNP APCH üzemeltetési osztályba tartozóként: • • • •
LNAV, LP, LNAV/VNAV and LPV).
A Basic RNAV és az RNP rendszerfunkciói (PBN)
A hagyományos és a területi navigáció eltérései
Nyilvánvaló különbségek, hatékonyság, megtakarítások…
Futópályáknál:
Alapszintű avionikai követelmények (vázlatosan)
Alapvető, hagyományos navigáció esetében
Területi navigáció (RNAV) esetében
Komplex multi-szenzoros avionikai rendszer (vázlatosan)
GPS/MMR – Global Positioning System/Multi-Mode Receiver
• GPS NPA (LNAV) = Non-Precision Approach (NPA) eljárás, ami a GPS-t és/vagy a WAAS-t használja a hosszirányú navigációhoz (Lateral Navigation) • Az LNAV megközelítésben a pilóta a hosszirányú megközelítési szöggel repül, de nem kap függőleges helyzettájékoztatást az irányított süllyedéshez. Helyette, a végső megközelítés pontjától (FAF) a barometrikus magasságmérő alapján süllyed a minimális süllyedési magasságig. • LNAV megközelítések kevésbé pontosak (556 m a hosszirányú határuk), és általában nem engedik meg a jellemzően az LNAV eljárások minimális süllyedési magasságának (MDA) 400 feet alatti értékét.
Példa GPS megközelítésre
WAAS LNAV (NPA) teljesítmény-fedésterület
57
(1)
(2)
(3)
LHPR GNSS 30
LNAV/VNAV • Az LNAV/VNAV (Lateral Navigation / Vertical Navigation)
megközelítések során a GPS és/vagy a WAAS (556 m hosszirányú határértékig tartó) jeleit használják, a függőleges útmutatást pedig vagy a barometrikus magasságmérőtől vagy a WAAS-tól kapják. • A WAAS-t nem használó légijárműveknek a függőleges útmutatáshoz VNAV-képes magasságmérővel kell rendelkezniük, ami általában a repülésvezérlő rendszer része (flight management system - FMS). Az FMS avionika sokkal drágább, mint a WAAS vevő eszközök. • Az LNAV/VNAV megközelítések tehát a függőleges és vízszintes útmutatással biztonságosabb irányított süllyedést tesznek lehetővé, így a DH értéke 350 feet a futópálya fölött.
LPV • LPV (Localizer Performance with Vertical guidance) megközelítés hasonló az LNAV/VNAV eljárásokhoz, kivéve azt, hogy sokkal pontosabb (40 m hosszirányú határérték), és lehetővé teszi a 200-250 feet magasságig süllyedést, ám csak a WAAS vevő berendezéssel repülhető. • Az LPV megközelítések üzemszerűen megegyeznek a műszeres leszállító rendszerrel (ILS), de sokkal gazdaságosabb, mivel nem igénylik a leszállító berendezések földi telepítését a futópálya körül.
WAAS Program – III. fázis A teljes LPV-200 teljesítmény • Erőteljes, megbízható és fenntartható LPV-200 képesség • A WAAS Algoritmus frissítése a III. fázis kapcsán
• További kiegészítő GEO műholdak beszerzése • Speciális védelmi mechanizmusok, algoritmus-hangolás (különösen a közeledő Nap maximumok esetében - Solar max.)
• A szerződéses döntés a WAAS III. fázisának továbbvitelére, még 2008 nyarán
64
WAAS Program Status – Phase IV
• Kettős frekvencia-működtetés
• Az erőteljes, megbízható és fenntartható LPV-200 képesség folyamatos biztosítása • Az egy (single) frekvenciát használni képes/tudó WAAS felhasználok támogatása a IV. fázis végéig (2028) • A felhasználók kettős frekvencia-használati eszközökkel felszerelésének (L1/L5 sávokra képes avionika)
• GPS Architektúra Fejlesztési Tanulmányozási Csoport (GEAS) létrehozása már 2006 őszétől
• a GEAS feladata meghatározni és kidolgozni a jövőbeli GNSS-alapú rendszer-architektúrát a teljes világra szóló rendszerhez, az LPV-200 alapján, kb. 2025-30-re
65
Példák a WAAS avionikára
• Mintegy ~18,000 WAAS-képes felhasználó • A kb. 150,000 GA légijármű 40 %-a pl. a Garmin cég vevőkészülékes • Rockwell-Collins Challenger légijárművei 2007-től • CMC WAAS szenzorok a Honeywell Primus 2000 FMS rendszerbe integrálása 2008-tól • Universal Avionics, a WAAS-képesség beépítése az UNS-1 FMS TSO-ba
66
Local Area Augmentation System (LAAS) architektúra
• Precíziós megközelítések, Category I, II és III • Többszörös futópálya-lefedés a repülőtéren • Támogatott elhibázott megközelítési és indulási eljárások • Légijármű földfelszíni navigáció
67
A jelenlegi GBAS tevékenységek GBAS – GROUND-BASED AUGMENTATION SYSTEM
• GBAS elsődlegesen a precíziós megközelítések kiszolgálására készült
• Egységei: GBAS Ground Subsystem és a GBAS Aircraft Subsystem • 1 GBAS Ground Subsystem korlátlan számú légijármű egységet (unit) tud kiszolgálni a GBAS fedésterületén belül • A földi alrendszer a légijárművek számára a megközelítési sáv repülési adatait, a látómezőben tartózkodó műholdak számára korrekciós és integritási tájékoztatást nyújtanak. • A korrekciós adatok lehetővé teszik a légijárműnek a megközelítési sávhoz viszonyított helyzete még jobb pontosítását…
• A GBAS Űr-jel (Signal in Space) csak a földről az légijármű alrendszerre továbbítja az adatokat. A Műhold Signals in Space az alapvető GNSS műholdas rendszer része.
1.
2.
A GPS referencia-vevő kiszámítja a pozíciót
A GBAS földi kisegítő berendezése kiszámítja a GPS pozíciók hibáit, és erről GBAS Korrekciós Üzenetet készít
3.
4.
A GBAS földi kisegítő berendezése elküldi a Korrekciós Üzenetet a VHF Adat-műsorszóró (VDB) eszköznek
A VDB adó berendezés kisugározza a GBAS jeleket a szolgáltatási területén belül lévő, a megfelelően felszerelt légijárműveknek
LVP Európában Localizer Approach with vertical guidance, based on EGNOS (SBAS)
A 2016. márc.11-én érvényes, LVP-200-as alkalmazási terület és repülőterek….
Folytatás… • EURÓPÁBAN: • EGNOS (EU - Galileo) • GLONASS (orosz) • (folyt.köv.)
