diplomovÁ prÁca martin holka ŽilinskÁ univerzita …diplom.utc.sk/wan/1292.pdf · 1.1 navstar...
Post on 16-Nov-2018
216 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Navigačný satelitný systém Galileo
DIPLOMOVÁ PRÁCA
MARTIN HOLKA
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE
Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií
Študijný odbor: RÁDIOKOMUNIKÁCIE
Vedúci diplomovej práce: Ing. Branislav Kiša
Stupeň kvalifikácie: inžinier (Ing.) Dátum odovzdania diplomovej práce: 18.5.2007
ŽILINA 2007
Abstrakt
Práca sa zaoberá problematikou navigačných systémov a ich popisom. Nosná časť
práce je venovaná európskemu navigačnému systému Galileo, bližšie je špecifikovaná jeho
architektúra a analyzované technické prostredie terminálu pre Galileo . Touto prácou by sme
chceli poukázať na jeho široké použitie, význam a výhody oproti doterajším navigačným
systémom.
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta,
Katedra telekomunikácií
_____________________________________________________________
ANOTAČNÝ ZÁZNAM – DIPLOMOVÁ PRÁCA
Priezvisko a meno: Holka Martin Rok 2006/2007
Názov diplomovej práce: Navigačný satelitný systém Galileo
Počet strán text. časti: 82 Počet obrázkov: 43 Počet tabuliek: 8
Počet grafov: 0 Počet strán príloh: 25 Počet použ. lit.: 26
Anotácia:
Cieľom tejto diplomovej práce je analýza vývoja navigačných systémov, ich
súčasného stavu a prípadných možností ich využitia v budúcnosti. Predpokladaným prínosom
práce je zmapovanie architektúry nového európskeho navigačného systému Galileo a návrhy
technických riešení, ktoré bude možné aplikovať ako služby v rôznych oblastiach..
Annotation:
The object of this graduation theses is to analyze the development of the navigational
systems, their present situation and the possibilities of their utilization in the future.
The assumed proposition of this work is to describe architecture of the new european system
of navigation Galileo as well as propositions of the technical solutions that will be possible to
applications as the services in many areas.
Kľúčové slová: Navigačný systém, Galileo, GPS, vety, presnosť, architektúra.
Vedúci práce: Ing. Branislav Kiša
Recenzent: Ing. Milan Šebok
Dátum: 18. 5. 2007
10
OBSAH Úvod .................................................................................................................... 18 1 Analýza súčasných navigačných systémov...................................................... 20 1.1 NAVSTAR GPS................................................................................................................. 20
1.1.1 Vesmírny segment ............................................................................................... 21 1.1.2 Riadiaci segment ................................................................................................. 21 1.1.3 Užívateľský segment ........................................................................................... 22
1.2 GLONASS ......................................................................................................................... 22 1.2.1 Vesmírny segment ............................................................................................... 23 1.2.2 Riadiaci segment ................................................................................................. 24 1.2.3 Užívateľský segment ........................................................................................... 24
1.3 EGNOS............................................................................................................................... 25 1.3.1 Vesmírny segment ............................................................................................... 27 1.3.2 Riadiaci segment ................................................................................................. 28 1.3.3 Užívateľský segment ........................................................................................... 30
1.4 BEIDOU............................................................................................................................. 30 2 Architektúra navigačného systému Galileo ..................................................... 32 2.1 Vývoj navigačného systému Galileo.................................................................................. 32 2.2 Architektúra GALILEO ..................................................................................................... 33
2.2.1 Vesmírny segment ............................................................................................... 33 2.2.2 Riadiaci segment ................................................................................................. 34 2.2.3 Užívateľský segment ........................................................................................... 35
2.3 Princíp činnosti navigácie Galileo...................................................................................... 36 3 Vlastnosti, špecifikácie a komponenty navigačného systému Galileo ............ 39 3.1 Satelit Galileo..................................................................................................................... 39 3.2 Základné vlastnosti prijímača Galileo................................................................................ 43 4 Architektúra komunikačného protokolu NMEA.............................................. 52 4.1 História protokolu NMEA.................................................................................................. 52 4.2 Komunikačný protokol NMEA.......................................................................................... 52 4.3 Vety protokolu NMEA....................................................................................................... 55
4.3.1 Vety hovoriaceho................................................................................................. 55 4.3.2 Vlastnícke vety .................................................................................................... 56 4.3.3 Opytovacie vety................................................................................................... 56
4.4 Komunikácia prostredníctvom protokolu RS232............................................................... 57 4.5 Vety NMEA vysielané GPS prijímačmi ............................................................................ 58 5 Technické prostredie systému Galileo ............................................................. 64 6 Služby nového navigačného systému Galileo a návrh nových možností jeho využitia ................................................................................................................ 74 6.1 Prvý Galileo prijímač ......................................................................................................... 74 6.2 Základné rozdelenie služieb ............................................................................................... 75 6.3 Porovnanie parametrov služieb .......................................................................................... 77 6.4 Návrhy služieb do budúcnosti ............................................................................................ 80
6.4.1 Cestná doprava .................................................................................................... 80 6.4.2 Železničná doprava.............................................................................................. 82 6.4.3 Lodná doprava ..................................................................................................... 83 6.4.4 Letecká doprava................................................................................................... 84 6.4.5 Oblasť poľnohospodárstva .................................................................................. 85 6.4.6 Oblasť geodézie................................................................................................... 85
11
6.4.7 Služby pre širokú verejnosť................................................................................. 86 6.4.8 Ďalšie služby ....................................................................................................... 90
6.5 Využívanie globálnych polohových systémov................................................................... 91 6.6 Porovnanie existujúcich navigačných systémov a presnosti určovania polohy................. 93 Záver.................................................................................................................... 94 Súhrn.................................................................................................................... 96 Summary.............................................................................................................. 97 Zoznam použitej literatúry .................................................................................. 98
12
Zoznam obrázkov a tabuliek Obr. 1.1 GPS konštelácia Obr. 1.2 Rozloženie pozemných monitorovacích a vysielacích centier NAVSTAR GPS po modernizácii Obr. 1.3 Rozloženie pozemných monitorovacích a vysielacích centier GLONASS Obr. 1.4 Podporné systémy GPS Obr. 1.5 Architektúra systém EGNOS Obr. 1.6 Čínske rakety, ktoré budú vynášať satelity Beidou Obr. 2.1 Satelity Galileo vo Walkerovej konštelácii Obr. 2.2 Štart rakety a vyznačenie nákladného priestoru pre družice Obr. 2.3 Rozloženia riadiacich segmentov Obr. 2.4 Priesečník signálov z dvoch družíc Obr. 2.5 Priesečník signálov z troch družíc Obr. 3.1 Ukážka troch rôznych typov satelitov Galileo Obr. 3.2 Blokové zapojenie satelitnej jednotky Obr. 3.3 Rubídiové hodiny Obr. 3.4 Vodíkový maser Obr. 3.5 Jednotka CMCU Obr. 3.6 Výstupný multiplexor Obr. 3.7 Navigačná anténa Obr. 3.8 Štruktúra Galileo prijímača Obr. 3.9 BOC (Binary off'set carríer) Obr. 3.10 Prehľad použitých frekvenčných pásiem Obr. 3.11 Galileo SIS (Signal In Space) signál Obr. 3.12 Modifikovaná hexafázová modulácia Obr. 3.13 Jednotlivé fázy budovania systému Obr. 4.1 Prenos dát prostredníctvom protokolu RS232 Obr. 5.1 Vyžarovací diagram PFA antény Obr. 5.2 Straty šírením vo voľnom prostredí Obr. 5.3 Kaskádne zapojenie stratových a zosilňovacích obvodov Obr. 5.4 Vzťah medzi pomerom G/T a stratami napájacieho vedenia Obr. 5.5 Pomer medzi vysielaným a prijímaným výkonom Obr. 6.1 Prvý Galileo prijímač Obr. 6.2 Chipset SiRF Star III Obr. 6.3 Celková koncepcia systému Galileo Obr. 6.4 Využitie navigačného systému v doprave Obr. 6.5 Príklad použitia prijímača v poľnohospodárstve Obr. 6.6 Využitie bezpečnostného kanála SAR v prípade dopravnej nehody Obr. 6.7 Príklad integrácie prijímača Galileo ako súčasť veci bežného použitia Obr. 6.8 Komunikácia medzi zariadením, ktoré sníma životne dôležité funkcie, a pozemnou monitorovacou stanicou, ktorá v prípade potreby privolá pomoc Obr. 6.9 Zariadenie, ktoré bude osobným zariadením pre navigáciu, zábavu a nakupovanie Obr. 6.10 Ukážka trás, ktoré prešiel sledovaný dopravný prostriedok Obr. 6.11 Monitorovanie dopravných prostriedkov Obr. 6.12 Európsky trh s GNSS v roku 2000 Obr. 6.13 Odhad trhu s GNSS v rokoch 2006 - 2010
13
Tab.1.1 Význam jednotlivých symbolov všeobecného tvaru NMEA vety Tab.1.2 Najčastejšie používané NMEA vety Tab. 6.1 Parametre základnej služby Tab. 6.2 Parametre služby "kritickej" z hľadiska bezpečnostiTab. 6.3 Parametre komerčnej službyTab. 6.4 Parametre verejne regulovanej služby Tab. 6.5 Parametre vyhľadávacej a záchrannej služby Tab. 6.6 Porovnanie existujúcich navigačných systémov
14
Zoznam skratiek a symbolov SKRATKA ORIGINÁLNY NÁZOV SLOVENSKÝ EKVIVALENT A/D Analog/digital Analógovo/digitálny AOC Advaced Operational Capability Rozšírená operačná schopnosť AOR Atlantic Ocean Region Oblasť Atlantického oceánu ARTEMIS Advanced Relay and Technology
Mission Satellite Satelit podporujúci moderné vysielanie a technológie
ASQF Application Specific Qualification Facility
Strediská pre podporu služby EGNOS vo Francúzku
BER Bit Error rate Bitová rýchlosť BOC Binary offset carrier Dvojstavová modulácia posuvom
nosnej frekvencie BPSK Binary phase shift keying Dvojstavové fázové kľúčovanie C/A Coarse Acquisition Code kód pre hrubé určenie pozície v GPS CCF centrál control facility Centrálne riadiace zariadenie CDMA Code Division Multiple Access Viacnásobný prístup s kódovým
delením COPPAS SARSAT
Space System for the Search of Vessels in Distress - Search and Rescue Satellite Aided Tracking
Družicový systém pre pátranie po plavidlách v tiesni - Pátracia a záchranná služba využívajúca umelé družice Zeme
CPF central processing facility Centrálna jednotka pre spracovanie dát
CS Commercial Service Komerčná služba DGPS Differential GPS Diferenčný signál GPS DLL Delay Lock Loop Oneskorovacia slučka DOP Dilution of Precision Faktor zníženia presnosti DVP Development Verification Platform Podporné zariadenie EGNOS pre
overovanie EC European Commision Európska komisia EFC Electronic Fee Collection Elektronické vyberanie poplatkov EGNOS European Geostationary Navigation
Overlay Service Európska geostacionárna rozšírená navigačná služba
EIRP Equivalent Isotropical Radiated Power
Ekvivalentný izotropický Vyžiarený výkon
ESA European Space Agency Európska vesmírna agentúra ESTB EGNOS System Test Bed Testovacia prevádzka systému
EGNOS ETCS European Train Control System Vlakový zabezpečovací systému EURIDIS European Ranging Integrity
Differential System Európsky systém podporujúci určovanie polohy, integritu a diferenčné signály
EWAN EGNOS Wide Area Network Rozľahlá počítačová sieť systému EGNOS
FAA Federal Aviation Administration USA Federálny letecký úrad USA FGMU Frequency Generation and
Modulation Unit Generátor frekvencie a jednotka modulácii
FO Final Operational Capability Konečná operačná schopnosť GCC Ground Control centres Pozemné riadiace stredisko
15
GEO Geostationary Earth Orbit Geostacionárna dráha GIC Ground Integrity Channel Kanál pozemskej integrity systém GLONASS Globaľnaja navigacionnaja
sputnikovaja sistema Globálny navigačný družicový systém
GMDSS Global Maritime Distress and Safety System
Globálny námorný výstražný a bezpečnostný systém
GNSS Global Navigation Satellite system Globálny navigačný satelitný systém GPS Global Positioning System Globálny polohový systém GSM Global System for Mobile
Communications Celosvetový systém mobilnej komunikácie
GSS Galileo Sensor stations Prijímacie stanice Galileo GSTB Galileo System Test Bend Skúšobná prevádzka systému Galileo HOW handover word Časové slovo ICAO International Civil Aviation
Organisation Medzinárodná organizácia pre civilné letectvo
ICC Integrity Control Centre Strediská kontroly integrity IDS Integrity Determination System Systém monitorovania integrity ILS Instrument Landing System Systém presných pristávacích
majákov INMARSAT International MARitime SATellite
organization Medzinárodná námorná satelitná organizácia
IOR Indian Ocean Region(INMARSAT III satellite)
Región Indického oceánu (INMARSAT III satelit)
ISRO Indian Space Research Organisation Indickej Kozmickej výskumnej Organizácie
LEO Low Earth Orbit Nízka obežná dráha MCC Master Control Centre Hlavné riadiace centrum MCS Master Control Station Hlavná riadiaca stanica MDS Mobilné družicové siete MEO Medium Earth Orbit Stredná obežná dráha MHD Mestská hromadná doprava MSAS Multifunctional Transport Satellite-
based Augmentation System Rozšírený satelitný systém podporujúci prenos viacúčelových služieb
NAVSTAR GPS
NAVigation System with Time and Ranging Global Positioning System
Navigačný systém s určovaním presného času a polohy
NLES Navigation Land Earth Station Navigačná pozemná stanica NMEA National Marine Electronics
Association Štandardizovaný komunikačný protokol
NSGU Navigation Signal Generation Unit Jednotka generovania navigačných signálov
OMVX Output Multiplexer Výstup multiplexora OS Open Service Verejná služba PACF Performance Access Checkout
Facility Zariadenie pre sledovanie a overovanie technických parametrov systému
P-code Precision code Presný kód PDA Personal Digital Assistent Osobný digitálny asistent PFA Prime Focus Antenna Stredová vysielacia anténa PFD Power Flux Density Hustota výkonového toku
16
PHM Passive Hydrogen Maser Pasívny vodíkový masér PLL Phase locked loop Slučka s fázovým závesom PND Personal navigation device Prenosné navigačné zariadenia PPS Precise Positioning Service Presná polohová služba PRN Pseudo Random Noise Pseudonáhodný šum PRS Public Regulated Service Verejne regulovaná služba RAFS Rubidium Atomic Frequency
Standard Rubídiový atómový frekvenčný normál
RF Radio Frequency Vysoká frekvencia RFID Radio-frequency identification Rádio frekvenčná identifikácia RHCP Right Hand Circular Polarisation Pravotočivá kruhová polarizácia RÍMS Ranging and Integrity Monitoring
Station Stanica pre sledovanie určovania polohy a integrity
RNP Required Navigation Performance Požadovaná navigačná výkonnosť RNSS Radionavigation Satellite Service Rádionavigačné satelitné služby RTCA Radio Technical Commission for
Aeronautics Rádiotechnická komisia pre letectvo
S/N Signal to Noise (Ratio) Pomer signál / šum SA Selective Availability Výberová dostupnosť SaR Search and Rescue Service Pátracia a záchranná služba SARSAT Search and Rescue Satellite-Aided
Tracking Medzinárodný satelitný systém pre vyhľadávanie a záchranu
SF Support Facilities Podporné zariadenia SIS Signal In Space Vysielaný signál SoL Safety Of Life Služba "kritická" z hľadiska
bezpečného života SPS Standard Positioning Service Štandardná polohová služba SSPA Solid State Power Amplifier Polovodičový výkonový zosilňovač TEC Total Electron Content Celkový obsah elektrónov TLM telemetry word Telemetrické slovo TT&C Tracking, Telemetry & Command Sledovanie, meranie a ovládanie ULS Uplink station Vzostupná stanica UMTS Universal Mobile Telecom. System Univerzálny mobilný telek. systém UTC Universal Time Coordinated Medzinárodná koordinovaná časová
sústava VIP Very Important Person Dôležití ľudia VSAT Very Small Aperture Terminal Terminál s malou apertúrou WAAS Wide Area Augment to System Systém na spresnenie signálu GPS
v severne časti USA WAD Wide Area Differential Korekcia signálu Wifi wireless fidelity Štandard pre bezdrôtové lokálne siete WRC World Radio Conference Svetová konferencia
rádiokomunikácií XOR Logická funkcia
17
Úvod Človek už od počiatku pociťoval potrebu navigácie, či to bolo na súši, alebo aj neskôr,
keď dobýval moria. Vďaka pozorovaniam zistil, že je množstvo vecí (dejov okolo neho),
podľa čoho je možné navigovať. Na krátkych vzdialenostiach mu stačilo slnko, na moriach
hviezdy a na brehoch majáky. Staré spôsoby navigácie boli postačujúce do začiatku
dvadsiateho storočia, s rozvojom priemyslu však už klasický spôsob navigácie nebol
postačujúci. Navigácia sa stala nevyhnutnou súčasťou dopravy. Neskôr sa vďaka nej začal
rozvíjať obchod aj medzi jednotlivými kontinentmi a bola tak ovplyvnená oblasť ekonomiky
a priemyslu. Pomocou prvých vyspelejších zariadení bolo možné stanoviť polohu nezávisle
na aktuálnom počasí. Všetky požiadavky spĺňali rádiové vlny. Vznikol tak rozsiahly odbor,
ktorý si zaslúžil pomenovanie – rádionavigácia. Tá vo svojom počiatku nahradila orientáciu
podľa hviezd pozemnými rádiovými majákmi. Ale čím bola vzdialenosť od majáku väčšia,
tým bola presnosť a spoľahlivosť menšia. Preto sa s prvými umelými družicami vynorila
myšlienka pre ich využitie v navigácii. V roku 1962 začali vedecké experimenty s družicou
Anna. Niekoľko rokov na to už začal fungovať družicový navigačný systém amerického
námorníctva Transit. Cieľom sa ale stalo vytvorenie navigačného systému, ktorý by fungoval
nepretržite na ktoromkoľvek mieste zemegule. Prvý navrhnutý a realizovaný systém
s takýmito vlastnosťami sa stal systém amerického ministerstva obrany GPS – NAVSTAR.
Globálny politický vývoj spôsobil, že tento systém je zatiaľ jediným, ktorý dosiahol stav
úplného pokrytia zemegule. Počas budovania systému sa objavila celá rada možností jeho
využitia. Množstvo civilných aplikácii preukázalo užitočnú hodnotu a tak sa stal významným
hospodárskym činiteľom. Z tohto dôvodu vláda USA rozhodla o poskytovaní signálu
k voľnému bezplatnému využitiu. Tento systém slúži napríklad k riadeniu kmitočtov
televíznych prijímačov, je základným prostriedkom pre vytváranie nových máp, pomáha
zachraňovať pilotov havarovaných lietadiel, synchronizuje ovládanie energetických sietí
a veľa ďalších aplikácii. Jednoduché GPS navigačné prístroje dosahujú v posledných rokoch
veľký rozvoj, s pomocou vyspelej technológie umožňujúcej výrobu menších, spoľahlivejších
a ľahšie ovládateľných prijímačov. Veľkou mierou na to vplývalo rozhodnutie USA o zrušení
zámernej chyby (SA) vnesenej do prijímacieho signálu, ktorá spôsobovala nepresnosť
vyhodnotených údajov. V súčasnosti má uplatnenie v rade aplikácii, ako na zemi, tak aj na
mori alebo vo vzduchu.
Vzhľadom na obrovský význam navigačných systémov je úlohou našej prace
oboznámenie sa s problematikou navigačných systémov a to konkrétne európskeho
18
navigačného systému Galileo, vysvetliť architektúru navigačného systému Galileo a popísať
jeho komunikačné protokoly. Naším zámerom je aj navrhnutie službie, ktoré budú typické pre
tento systém a poukázať na ich technické riešenia. O tomto projekte sa už dlhé roky hovorí
a je už v štádiu výstavby a testovania a je len otázkou času, kedy bude systém dokončený.
Systém bol dlhé roky výhradne určený len pre americkú armádu USA. Systém GLONASS
(Globalnaja navigacionnaja sputnikovaja sistema) je obdoba amerického GPS. Už niekoľko
rokov je však americký navigačný systém GPS (Global positioning system) sprístupnený pre
komerčné účely a širokej verejnosti.
Systém dostal pomenovanie po talianskom astronómovi a fyzikovi Galileo Galilei, (15.feb.
1564 - 8.jan. 1642).
19
1 Analýza súčasných navigačných systémov
1.1 NAVSTAR GPS
Prvým navigačným systémom bol GPS, ktorý sa nazýva aj NAVSTAR GPS
(NAVigation Signal for Timing And Ranging). Je to pasívny dĺžkomerný systém, ktorý bol
vyvinutý v roku 1973 a plne funkčný bol od roku 1995. Cieľom prevádzkovateľa tohto
systému, Ministerstva obrany USA, pôvodne bolo, aby vojenské jednotky mohli presne
určovať polohu, rýchlosť a čas v jednotnom referenčnom systéme. Z uvedeného vyplýva, že
systém bol vyvíjaný najmä pre vojenské účely, ale americký kongres neskôr schválil jeho
využitie s určitými obmedzeniami aj pre civilný sektor. Toto obmedzenie sa zrušilo v máji
roku 2005. Obmedzenie pozostávalo z účelného skreslenia polohy, čim bola zhoršená
presnosť navigačného systému na +/- 15m. Od roku 2005 je služba prístupná pre širokú
verejnosť a vďaka systémom WAAS sa citlivosť zväčšila na 1-3 m. Systém používa 30
satelitov, ktorých 24 je aktívnych a 6 je záložných, ale v prevádzke sú všetky. Tento systém je
dostupný 24 hodín denne na celom svete. Podmienkou pre presné určenie polohy je potrebné
mať signál zo štyroch satelitov. Životnosť satelitov je 15-20 rokov.
27. decembra 2006: Letectvo spojených štátov (U.S. Air Force) uzavrelo zmluvu v
hodnote približne 50 miliónov dolárov s firmou Lockheed Martin za účelom vyhotoviť
posudok na už vytvorený návrh systému v rámci programu novej generácie vesmírneho
segmentu GPS (známy ako GPS Blok III). GPS Blok III bude mať väčšiu odolnosť proti
rušeniu signálu a tak vylepšenú presnosť, spoľahlivosť a zvýšenú istotu za správne
fungovanie služby. Zmluva na vývoj Bloku III za mnoho miliárd dolárov má byť podpísaná
počas roku 2007 medzi zhotoviteľom a U.S. Air Force. Pre spoločnosť Lockheed Martin a
jeho dodávateľov "vybavenia" družice, spoločnosť ITT, hrá dôležitú úlohu skúsenosť z
úspešného vytvorenie družíc IIR a IIR-M Blokov.
17. novembra vyniesla raketa Delta spoločnosti Boeing družicu tretieho GPS bloku
IIR-M na obežnú dráhu. SVN58/PRN12 bude umiestená na pozícií B4. Družica
SVN35/PRN05 (vypustená v roku 1993) sa premiestni z pozície B4 na pozíciu B5. SVN35/
PRN05 má na svojej palube spolu s kvalitnými atómovými hodinami (Rb1) ešte ďalšie troje
hodiny.
Očakáva sa, že zvyšných päť družíc typu IIR-M bude dopravených na obežnú dráhu v
priebehu roka 2007. Pokiaľ sa tak stane, bude možné ešte v decembri 2007 vyslať prvú
20
družicu bloku IIF (s jej vynesením na obežnú dráhu sa v súčasnej dobe počíta v máji 2008)
[1].
NAVSTAR GPS architektúra:
a) vesmírny segment
b) riadiaci segment
c) užívateľský segment.
1.1.1 Vesmírny segment
Tento segment tvorí všetkých 30 satelitov na obežných dráhach vo výške 20230 km.
Tieto satelity sú rozmiestnené v šiestich obežných dráhach, pričom na každej je päť dužíc
a z toho jedna je záložná. Sklon dráh je 55 stupňov od rovníka a obežné dráhy sú kruhové.
Obežná dráha je 12h hviezdneho času, to znamená, že rovnaká konfigurácia nastane za 11h
a 58min slnečného dňa.
Časová základňa je tvorená atómovým
normálom (rubídiové a ceziové), ktoré sú
umiestnené na družiciach. Tie pre svoju funkciu
používajú frekvenciu 10,23 MHz, ktoré ďalej slúžia
pre frekvencie L1 a L2, ktoré sú od nej odvodené.
Tieto frekvencie slúžia na šírenie pseudonáhodných
kódov C/A a P. Na obežnej dráhe sa nachádzajú
družice rôznych generácií, keďže boli vyvíjané
a vypúšťané postupne a to: Obr.1.1 GPS konštelácia [10].družice typu I, ktoré boli ako prvé takzvané
vývojové. Po nich nasledovali družice typu II a IIA, ktoré boli pre prvú operačnú fázu
a posledné typu III, ktoré sú určené pre doplnenie systému [2].
1.1.2 Riadiaci segment
Tieto segmenty sa nachádzajú na zemskom povrchu a slúžia na rôzne účely podľa
typu. Skladajú sa s rôznych typov staníc: monitorovacie, vysielacie a riadiace centrá.
Ich úlohou je :
a) nepretržité monitorovanie a riadenie činnosti družicového systému
21
b) určovať systémový čas
c) monitorovanie obežných dráh družíc a synchronizácia časovej základne.
Obr. 1.2 Rozloženie pozemných monitorovacích a vysielacích centier NAVSTAR GPS po modernizácii
1.1.3 Užívateľský segment
Tento segment je určený pre všetky typy prijímačov a zariadení, ktoré sú určené pre
spracovanie signálu GPS. Všetky tieto zariadenia prijímajú tie isté signály, ale môžu slúžiť
pre rôzne účely, a preto ich môžeme rozdeliť do rôznych skupín podľa použitia:
a) prijímače určené pre navigáciu (lode, autá, lietadlá a armádu)
b) prijímače určené pre geodéziu a geografiu
c) prijímače určené pre časovú synchronizáciu.
Vývoj týchto zariadení napreduje míľovými krokmi a s nimi aj miniaturizácia a integrácia
do rôznych zariadení, čím sa stávajú pomaly bežnou súčasťou nášho života. [3],[4].
1.2 GLONASS
Glonass je obdoba systému NAVSTAR GPS a pracuje na podobnom princípe. Jeho
vznik sa datuje od konca 70.rokov v bývalom ZSSR.
25. januára 2007 boli Ruskom a Indiou podpísané dve dohody o spolupráci, ktoré sa
týkajú ruského globálneho navigačného systému GLONASS. Dohody boli podpísané
riaditeľom Ruskej Federálnej Kozmickej agentúry Anatolijem Perminovem a Mahavanem
Nairem, predsedom Indickej Kozmickej výskumnej Organizácie (ISRO).
22
26. december 2006: Hovorca Ruskej Federálnej Vesmírnej Agentúry (Roscosmos)
povedal, že Rusko rozšírilo svoj družicový navigačný systém Glonass o ďalšie tri družice.
Raketa Proton-K bola vypustená (mala na palube tri modernizované družice typu Glonass-M)
25. decembra 2006 z vesmírneho centra Bajkonur v Kazachstane. Družice boli rozmiestené na
príslušné miesta v priebehu nasledujúceho dňa. Súčasné družice v prevádzke sú dvojitého
typu - Glonass a modernizovaná verzia Glonass-M. Glonass-M má dlhšiu, sedemročnú
životnosť, je vybavená modernejšími systémami pre anténový napájač a s ďalšími
navigačnými frekvenciami pre civilných užívateľov.
Budúci typ družíc Glonass-K bude kompletne novým modelom, výrazne sa líšiacim od
predchádzajúcich dvoch typov. Životnosť týchto moderných družíc bola zvýšená na 10 až 12
rokov a družice budú vysielať tretiu "civilnú" frekvenciu v L-pásme.
Testovanie družice typu Glonass-K je plánované na rok 2007.
V súčasnej dobe prebiehajú jednania so Spojenými štátmi a ESA, týkajúce sa dohôd
o spoločnom využívaní Glonass, GPS a Galileo. Vedúci predstavitelia Ruska sústredili svoji
pozornosť smerom k vývoju systému. Ku koncu roku 2007 alebo začiatkom roku 2008 by už
malo byť 18 družíc na obežnej dráhe a do konca roku 2009 všetkých 24 družíc [1].
1.2.1 Vesmírny segment
Prvá družica bola vypustená na obežnú dráhu v roku 1982. Tento segment je plne
funkčný je od roku 1996. Ako som už spomínal, podobnosť medzi GPS a GLONASS je
možné vidieť aj na podobnej architektúre týchto navigačných systémov. GLONASS používa
27 družíc v plnom obsadení a to na troch obežných dráhach so sklonom 64,8 stupňa ku
rovníku, ktoré sú od seba posunuté 120 stupňov. Dráhy sú kruhové a čas obehu je 11h
a 15min a vo výške 19100km. Tento systém má jednu nevýhodu a to je životnosť satelitov od
2 do 5 rokov. Preto je nevyhnutné častejšie obmieňať satelity na obežnej dráhe, čo obnáša
nemalé náklady na jeho prevádzku a preto je momentálne na obežných dráhach iba 14
aktívnych satelitov. Základná frekvencia, s ktorou systém pracuje, je 5MHz, od ktorej sú tiež
odvodené frekvencie L1 a L2. Jednou zaujímavou vlastnosťou je, že každá družica má inú
frekvenciu, na základe ktorej je jednoduché identifikovať, z ktorej družice signál prijímame.
Pheudonáhodné kódy sa pri všetkých satelitoch používajú rovnaké [4].
23
1.2.2 Riadiaci segment
Riadiaci segment je kompletne umiestený na území Ruska. Tento systém má za úlohu
neustále monitorovať satelity a synchronizovať čas na družiciach. Táto synchronizácia sa deje
dvakrát za deň a to iba vtedy, keď sú satelity viditeľné pre pozemné stanice. Tento systém má
značné nevýhody, keďže riadiace centrá sú iba na území Ruska, a preto môžeme tieto družice
synchronizovať maximálne do 8 hodín, keď sú viditeľné pre riadiace centra. Práve tento
nedostatok spôsobuje chybu merania a tým aj zníženú schopnosť navigácie.
Obr. 1.3 Rozloženie pozemných monitorovacích a vysielacích centier GLONASS
1.2.3 Užívateľský segment
Užívateľský segment tvoria prijímače, ktoré sú veľké a používajú sa prevažne pre
vojenské účely. Nová generácia prijímačov je v integrovaných obvodoch, ktoré sú schopné
prijímať signál aj z GPS a vyrábajú sa v Rusku [5].
24
1.3 EGNOS
Vývoj systému EGNOS
Satelitné systémy musia spĺňať prísne kritériá stanovené medzinárodnou organizáciou
pre civilné letectvo (ICAO). Pracovná skupina ICAO vypracovala a schválila štandardy a
odporúčané postupy pre oblasť globálnych satelitných navigačných systémov. Tieto štandardy
definujú požiadavky na výkonnosť. Požadovaná navigačná výkonnosť RNP (Required
Navigation Performance) je stanovená s uvažovaním celého systému pri súvislom pokrytí v
priestore SIS (signal-in-space).
Požadovaná navigačná výkonnosť sa zavádza pre nevyhnutnosť zabezpečenia
požiadaviek RNP na:
Presnosť - Štandardy GNSS stanovujú požadovanú presnosť pre signál v priestore pre rôzne
prevádzkové podmienky. Podrobne stanovujú limity presnosti pre výstrahu. Ak tieto nebudú
prekročené, nedôjde k výstrahe (upozorneniu) používateľa.
Integrita a čas do výstrahy - bezpečnostná požiadavka na opatrenie k získaniu dôvery, že
informácia môže byť braná ako korektná pre celý systém. Integrita zahŕňa schopnosť systému
včas a správne varovať používateľa, kedy systém nesmie byť použitý pre zamýšľanú činnosť.
Spojitosť - stanovuje tolerovanú pravdepodobnosť straty navigácie a zabezpečí, že výpadok
navigačného systému môže prebehnúť bez zníženia bezpečnosti danej operácie.
Dostupnosť - charakterizuje systémom zaisťovanú upotrebiteľnosť prevádzkovo zhodnú s
tou, ktorá sa dnes dosahuje pri iných navigačných prostriedkoch. Rozsah hodnôt pre
požiadavky dostupnosti zodpovedá tomu, ako táto dostupnosť závisí na rozsahu a dĺžke
výpadkov, dosahovaných pri obnove dostupnosti alternatívnych navigačných prostriedkov a
intenzite sledovaného priestoru [6].
Systémy so satelitným rozšírením
Po zrušení úmyselného zhoršovania presnosti GPS (zavedenou chybou SA) je reálna
presnosť systémov GPS a GLONASS v rozmedzí 10-I5m. Pre dopravu samotný systém GPS
z viacerých dôvodov nevyhovuje. Presnosť globálnych satelitných systémov sa dá zvýšiť tzv.
diferenčnými metódami. Diferenčné majáky, ktorých presná poloha je známa, umožňujú
zvýšiť presnosť systému. Organizácia FAA (Federal Aviation Administration USA)
25
predstavila v r. 1992 veľkoplošnú rozšírenú službu WAAS (Wide Area Augment to System),
založenú na diferenčnom GPS, ktorý zabezpečuje presnosť, dostupnosť a integritu systému
GPS vrátane diferenčných korekcií. Japonsko vytvára geostacionárne rozšírenie pokrytia
diferenčným signálom šíreným satelitmi MTSAT - MSAS (Satellite Based Aumentation
System). Európa sa do budovania GNSS zapojila projektom EGNOS (European
Geostationary Navigation Overlay service), čo je rozšírená európska navigačná služba.
Projekt začal v r. 1996 prepožičaním prvých dvoch vysielačov, umiestnených na dvoch
satelitoch INMARSAT III (INternationate MARitime SATelite Organisation). Tieto systémy
zabezpečujú širokoplošné diferenčné služby nad celou Európou, Afrikou, Južnou Amerikou
a väčšou časťou Ázie [7].
Obr.1.4 Podporné systémy GPS
Fázy vývoja systému EGNOS
Ide o spoločný projekt Európskej kozmickej agentúry ESA(European Space Agency),
Európskej komisie EC (European Commision) a Európskej komisie pre bezpečnosť leteckej
prevádzky EUROCONTROL. Úlohou EGNOS je poskytovanie garantovanej navigačnej
služby založenej na navigačných systémoch GPS a GLONASS so zabezpečením vysokej
presnosti, integrity i dostupnosti. EGNOS poskytuje rozšírené služby predovšetkým pre
potreby aplikácií v leteckej, vodnej, pozemnej doprave, ale aj pre ďalšie skupiny
používateľov. Proces zavádzania satelitnej navigácie je rozdelený na dve základné obdobia:
prvé, v ktorom bude uplatňovaná ako základná (primary means) a potom druhá, v ktorej bude
aplikovaná ako výhradná (sole means). Úroveň príslušného obdobia bude závisieť od splnenia
požiadaviek na spoľahlivosť, presnosť, integritu. To sa dosiahne prostredníctvom:
- vysielania diaľkomerného signálu geostacionárnymi satelitmi Inmarst a Artemis, čím sa
doplní počet viditeľných satelitov a zvýši sa dostupnosť signálu.
26
- vysielaním informácie o integrite systému prostredníctvom signálu GIC (GNSS Integrity
Channel) sa zvýši spoľahlivosť navigačnej služby na úroveň vyhovujúcu potrebám
prístrojového priblíženia
- poskytovaním oblastných korekcií sa zvýši celková výkonnosť navigačnej služby, hlavne
presnosť až na úroveň potrebnú pre presné prístrojové priblíženie L kategórie ICAO.
K hlavným vývojovým medzníkom patria obdobia :
- Počiatočná fáza, ktorá zahŕňa návrh systému a prvé kontrolné skúšky. Táto fáza bola
ukončená v roku 1997.
- Fáza pokročilého operačného vybavenia (Advaced Operational Capability - AOC ) bola
ukončená v roku 2003.
- Fáza konečného operačného vybavenia (Final Operational Capability – FO) začala v roku
2000 a bola ukončená v roku 2006 .
EGNOS architektúra:
a) vesmírny segment
b) riadiaci segment
c) užívateľský segment.
Frekvenčný plán
Pre prenos využíva L1 frekvenciu a frekvenčné spektrum navigačného systému GPS a
používa BPSK (Bi-Phase Shift Keyed Signals ) moduláciu. L1=1575,42 MHz. EGNOS
používa viacnásobný prístup s kódovým delením CDMA (Code Division Multiple Access).
Používa PRN Goldov kód (ostré minimum autokorelačnej funkcie zabezpečuje presné
meranie vzdialenosti, funkcia vzájomnej korelácií zabezpečí vzájomné oddelenie dvoch
signálov s rovnakou frekvenciou), ktorým zabránime vzájomnej interferencii signálov.
Korekcie GPS systému, ktoré sú obsiahnuté v navigačnej správe, sú aplikovateľné pre
systémy GPS,GLONASS, EGNOS a iné GEO systémy [6].
1.3.1 Vesmírny segment
Je zložený z dvoch geostacionárnych satelitov INMARSAT III: AOR ( E ) na 15,5°
západnej dĺžky (oblasť nad východnou časťou Atlantického oceánu), IOR na 64" východnej
dĺžky (oblasť nad Indickým oceánom), určených na vytváranie telefónneho spojenia medzi
loďami a dispečerskými stanicami v oboch smeroch a ESA satelitu ARTEMIS na 21,5"
27
východnej dĺžky (nad oblasťou afrického kontinentu). Satelit ARTEMIS odštartoval už v roku
2001, ale kvôli problémom s nosnou raketou sa jeho cesta značne predĺžila. Jeho úlohou je
zvýšiť dostupnosť v miestach, kde je k dispozícií len jeden satelit INMARSAT. Na rozdiel od
systémov GPS a GLONASS satelity systému EGNOS nemajú na palube generátory signálov.
Perióda obehu geostacionárneho satelitu po obežnej dráhe je 23 hodín 56 minút. Satelity
vysielajú dáta na frekvencii Ll s podobnými modulačnými a kódovými schémami ako satelity
GPS. Prijímače GPS spracujú korekčné signály, a tým sa získa väčšia presnosť určenia
polohy. Pre každý signál satelitu GPS, ktorý je potrebný na určenie polohy, sa určí tzv.
prienikový bod (pierce point) pomocou ionosferickej karty TEC (Total Electron Content).
Ionosféra sa mení so slnečnou aktivitou a to i v priebehu dňa. V praxi sa zistilo, že pri
"jednofrekvenčnom určovaní polohy" v noci pomocou GPS dosiahneme vyššiu presnosť ako
cez deň [7].
1.3.2 Riadiaci segment
Hlavné riadiace strediská MCC (Master Control Centre)
V čase, keď bude systém EGNOS kompletný bude obsahovať 4 MCC strediská,
pričom súčasťou každého bude:
1.centrálne riadiace zariadenie CCF (centrál control facility) pre:
- sledovanie a kontrolovanie EGNOS
- sledovanie a archiváciu ATC a
2.Zariadenie pre centrálne spracovanie CPF (central processing facility) so softvérom pre
prácu v reálnom čase, vyvinuté za účelom:
- obstarať WAD korekcie EGNOS
- zaistiť integritu systému EGNOS pre užívateľov
- využiť samostatné kanály RÍMS na kontrolu korekcie.
Aktívne je len jedno hlavné riadiace stredisko, ostatné sú pripravené v prípade
poruchy ho kedykoľvek nahradiť.
Referenčné monitorovacie stanice merania vzdialenosti a integrity RIMS (Ranging and
Integrity Monitoring Stations).
V plnej prevádzke bude systém EGNOS používať 34 RIMS hlavné funkcie :
- demodulovať SIS správy
- zmenšovať lokálne viaccestné šírenie a interferencie
28
- podpora zistenia anomálií v signále z vesmíru
- transformovať dáta do paketov a preniesť k staniciam MCC cez FEE/EWAN
- stanoviť časovú odchýlku UTC(k)/ENT (UTC RIMS). Ešte predtým ako sú vysielané správy
o korekcií (WAD) a integrite (GIC), je každý zo satelitov monitorovaný početnými stanicami
RIMS.
Pozemné navigačné stanice NLES (Navigation Land Earth Stalions) Prvý stupeň EGNOS
predvída sedem NLES staníc, štyri na vzostupné správy k EGNOS satelitom Inmarsat III -
AOR-E a Inmarsat III - IOR a dve na vzostupné správy k EGNOS satelitu Artemis (dve
stanice na jeden satelit, pričom jedna bude aktívna a druhá záložná). Siedma stanica bude
slúžiť na testovacie účely.
Hlavné funkcie NLES sú:
- generovať signál totožný s GPS a prevádzať tento ku GEO transpondérom
- synchronizácia signálu k systémovému času EGNOS
- kontrola spojitosti
- zasielanie GIC a WAD správ k satelitom na geostacionárnom orbite.
34 staníc RIMS (ich poloha je daná s presnosťou na niekoľko cm ) rozmiestnených
prevažne v Európe a štyri riadiace centrá MCC v Španielsku, Nemecku, Anglicku a Taliansku
zabezpečuje úplnú prevádzku systému. Referenčné monitorovacie stanice prijímajú signál zo
satelitov GPS, GLONÁSS a z geostacionárnych satelitov Inmarsat a Artemis a synchronizujú
ho pomocou presných atómových hodín, vylučujú z neho vplyv viaccestného šírenia a
miestnych interferencií a detekujú prípadné anomálie. O spracovanie týchto informácii sa
stará sieť hlavných riadiacich centier, ktoré generujú oblastné korekcie a robia centrálny
monitoring systému.
Rozosielanie oblastných korekcií a informácií o integrite systému na geostacionárne satelity
zabezpečujú pozemné navigačné stanice NLES (Navigation Land Earth Stations). Tie tiež
generujú pre geostacionárne satelity navigačný signál GPS a synchronizujú jeho vysielanie so
systémovým časom.
O ďalšiu podporu systému sa starajú strediská PACF (Performance Access Checkout
Facility) v Španielsku, ASQF (Application Specific Qualification Facility) vo Francúzsku a
DVP (Development Verification Platform). Tieto spadajú pod tzv. podporné zariadenia - SF
(Support Facilities). Prepojenie a prenos dát medzi všetkými pozemnými strediskami systému
EGNOS zabezpečuje vysokorýchlostná sieť EWAN
29
Obr. 1.5 Architektura systém EGNOS
1.3.3 Užívateľský segment
Na príjem signálu EGNOS je potrebný prijímač kompatibilný s EGNOS. Súčasný trh
nám ponúka rozmanitú škálu a to od rôznych výrobcov. EGNOS prijímač je totožný s GPS
prijímačom, až na špeciálne programové vybavenie vo vnútri, ktoré umožňuje kódovať
prijímač do šifry používanej EGNOS satelitmi a vypočítať EGNOS opravy k GPS signálom.
Pri jeho testovaní boli vyvinuté špeciálne prototypy so širokou schopnosťou analyzovania a
zaznamenávania dát. Je rovnakej veľkosti ako prijímač GPS a keďže je použitá pravotočivá
polarizácia, môžeme použiť tie isté prijímacie antény pre obidva EGNOS a GPS signály.
Systém EGNOS umožňuje okrem určenia polohy aj rýchle informovanie používateľov o
chybách vyskytujúcich sa na satelitoch kozmického segmentu. Kým u systémov GPS a
GLONASS trvá proces informovania používateľa 15 a viac minút, systém EGNOS detekuje a
informuje používateľa o chybe do 6 sekúnd [4],[6].
1.4 BEIDOU
Celý názov tohto navigačného systému znie Beidou Satellite Navigation and
Positioning System. V budúcnosti sa plánuje nový názov Compass. Bude to nový navigačný
systém, ktorý bude vyvíjať a financovať Čína. Momentálne je v štádiu vývoja a testovania
satelitných systémov. Pred desiatimi rokmi sa Čína obávala, že bude závislá od amerického
Globálneho polohového systému (GPS) a začala vyvíjať vlastné alternatívy. Začiatok vývoja
Čínskeho navigačného systému sa datuje od roku 2000, keď bol vypustený prvý satelit
30
Beidou 1A. Systém bude kompatibilný s existujúcimi navigačnými systémami
(GPS,GLONASS a Galileo). Tento systém bude mať 35 satelitov, z toho 4 sú už na obežnej
dráhe. Predpokladá sa, že bude plne funkčný okolo roku 2015.
Okrem systému Compass investuje krajina aj do satelitného navigačného systému
Európskej únie Galileo a rokuje aj o účasti na ruskom systéme GLONASS. 5. februára 2007
Čína úspešne umiestnila svoj 4. navigačný satelit na obežnú dráhu Zeme. Satelit na palube
nosnej rakety odštartoval skoro ráno z raketového odpaľovacieho centra v Xichang, v
juhozápadnej čínskej provincií Sichuan. Nosná raketa Long March 3-A odštartovala o 00:28
a.m. (Pekinského času). Satelit sa od rakety oddelil po zhruba 24 minútach letu. Údaje z
Xi'an-ského satelitného monitorovacieho centra potvrdili, že satelit bol presne umiestnený na
orbitálnu dráhu. Je to 4. čínsky navigačný experimentálny satelit systému Beidou (Veľký voz)
na orbite Zeme. Predchádzajúce tri boli doteraz na orbite umiestnené postupne v dátumoch
31.októbra 2000, 21. decembra 2000 a 26. mája 2003.
Experti sa vyjadrili, že satelitný navigačný systém Beidou funguje správne a bude mať
významnú úlohu v odvetviach kartografie, telekomunikácie, dopravných systémov,
monitorovania lesných a vodných zdrojov, ale i pre národnú bezpečnosť. Štvrtý navigačný
satelit slúži ako záložný satelit pre satelitný navigačný experimentálny systém Beidou, môže
taktiež v prípade potreby nahradiť prvý satelit systému Beidou a zaistiť tak kontinuálnu
prevádzku navigačných služieb. Systém Compass by mal v roku 2008 plne zabezpečovať
požiadavky na satelitný navigačný systém pre používateľov v Číne i okolitých krajinách.
[8],[9].
Obr. 1.6 Čínske rakety, ktoré budú vynášať satelity Beidou
31
2 Architektúra navigačného systému Galileo
2.1 Vývoj navigačného systému Galileo Napriek svojej vysokej presnosti a zabezpečenej integrite sú služby EGNOS stále
závislé predovšetkým od amerického systému GPS. Dostupnosť signálu GPS teda obmedzuje
všetky rozvojové systémy satelitnej navigácie. To samozrejme zvažoval aj spomenutý
študijný tím poverený EC, keď skúmal európske možnosti využitia satelitnej navigácie a ktorý
jednoznačne odporučil vybudovanie ďalšieho nezávislého globálneho satelitného navigačného
systému na civilnom základe. Preto Európska kozmická agentúra ESA (European Space
Agency) a Dopravná európska rada, kolektívny orgán európskych ministrov dopravy,
odštartovali v r. 1999 program Galileo. Je to európsky globálny satelitný navigačný systém,
ktorý bude spĺňať vysoké nároky na presnosť, integritu, spojitosť a dostupnosť, aby sa tak
odstránila závislosť na americkom systéme GPS a umožnilo sa plnohodnotné využitie
všetkých možností satelitnej navigácie zameranej hlavne na civilné využitie. Podľa kalkulácií
a plánov hraničná špecifikácia ceny na výstavbu Galilea bola v r. 1999 stanovená na menej
ako 3 mld. EUR, čo je porovnateľné s nákladmi na výstavbu vysokorýchlostnej železničnej
trate dlhej 100 km v otvorenom teréne. Štúdie dokončené v ďalších mesiacoch síce
nepotvrdili tieto predpoklady, podľa nich sa celkové náklady na vývoj, výrobu a vypustenie
všetkých satelitov, vrátane vybudovania pozemnej infraštruktúry odhadujú na 3,2 – 3,4 mld.
EUR. Zavedenie satelitných technológií bude mať na druhej strane značné prínosy, napríklad
v odhade prinesie 200 000 pracovných príležitostí, ich prevádzka vytvorí ďalších 2 000
pracovných miest so značným nárastom príležitostí pre zamestnanie v rôznych oblastiach
(vývoja a služieb). Galileo bude tiež korigovať nedostatky súčasných konfigurácií satelitov
systémov GPS a GLONASS, ktoré na globálnej báze nemôžu v súčasnosti garantovať
spojitosť a dostupnosť, ktoré sú nepostrádateľné pre dopravné a prevádzkovo-ekonomické
činnosti. Ďalšia potenciálna výhoda je existencia dvoch (príp. troch) nezávislých, ale
kompatibilných satelitných navigačných systémov (GPS, príp. GLONASS a Galileo), pričom
každý systém bude slúžiť ako záloha druhému, čím sa stáva základom pre bezpečnú aplikáciu
v satelitnej navigácii. Satelitné služby môžu potom nahradiť súčasnú pozemnú infraštruktúru
a usporené náklady môžu ísť do prevádzky a údržby. Podobne ako pri systéme EGNOS aj tu
bol skúšobný stav Galilea (GSTB) definovaný ako neoddeliteľná súčasť fáz - návrhu a
kontroly systému. Jeho primárny účel je zmenšiť plánované riziká. Hlavným cieľom
skúšobného stavu Galilea (GSTB) je zmenšiť plánované riziko na pozemnom segmente
32
pomocou experimentu, ktorý zahŕňa stanovenie obežnej dráhy časovej synchronizácie
a integrity [10].
Základné údaje o systému Galileo:
technické zaistenie a prevádzka: Európska kozmická agentúra
politická zodpovednosť: Európska komisia
presnosť neplatenej verejnej služby: horizontálne pod 4m, vertikálne pod 8m
počet satelitov: 30 (z toho 3 záložné)
obežná dráha: kruhová vo výške 23 616km
štart prvého satelitu: 28. december 2005
uvedenie do prevádzky: 2011
celková cena: 3.6 mld. EUR
ročné prevádzkové náklady: 220 mil. EUR
účastnícke krajiny: štáty EÚ, Čína, Izrael, Ukrajina, India (prebiehajú jednania s
Kanadou, Mexikom a ďalšími) [10].
2.2 Architektúra GALILEO
a) Vesmírny segment
b) Riadiaci segment
c) Užívateľský segment
2.2.1 Vesmírny segment
Vesmírny segment tvorí 30 satelitov, ktoré obiehajú okolo Zeme po troch rovnomerne
rozložených obežných MEO dráhach (Médium Earth Orbit) s inklináciou 56, čo umožňuje
využívať navigačný systém aj v miestach nachádzajúcich sa na 75.stupni zemepisnej šírky.
Obežné dráhy sa nachádzajú vo výške 23616 km (dráhy s veľkou poloosou 29 994 km). Na
každej obežnej dráhe bude obiehať súčasne 10 satelitov, pričom doba obehu okolo Zeme je 14
hodín. Jeden satelit na každej dráhe pracuje ako aktívny rezervný satelit, ktorý dokáže
nahradiť v prípade poruchy ktorýkoľvek satelit na danej dráhe v priebehu jedného týždňa.
Výhodou pri vytváraní vesmírneho segmentu je to, že jedna nosná raketa je schopná
vyniesť na obežnú dráhu viac satelitov. Pritom je možné vyniesť pomocou jednej nosnej
rakety na strednú obežnú dráhu (MEO) až osem satelitov. Plánované sú štarty troch rakiet
33
typy Ariane 5, ktoré by mali vyniesť zakaždým osem satelitov a s tromi raketami typy Sojuz
vždy po dva satelity.
Obr. 2.1 Satelity Galileo vo Walkerovej konštelácii
Obr. 2.2 Štart rakety a vyznačenie nákladného priestoru pre družice
Ako alternatívu je možné použiť nosné rakety typu Protón, ktoré sú schopné
transportovať šesť satelitov, alebo typu Zenith po dva satelity. Po vytvorení danej konečnej
konštelácie, budú jednotlivé chybné satelity, resp. tie, ktorých životnosť skončila, postupne
nahradzované.
Poznámka: systém je vyvíjaný a skonštruovaný tak, aby v prípade potreby bolo možné
pri prelete nad určitým územím systém deaktivovať. Toto je dôležitá požiadavka z dvoch
príčin. Po prvé, ak by si krajina neželala využívať systém nad jej územím, alebo po druhé, ak
by sa systém nevypol, mohlo by dôjsť k rušeniu s inými systémami, ktoré daná krajina
používa, alebo bude vyvíjať. Preto sa pri návrhu myslelo aj na túto alternatívu .
2.2.2 Riadiaci segment
Sieť pozemného segmentu pozostáva zo sledovacích staníc GSS (Galileo Sensor
Stations), riadiacich stredísk GCC (Galileo Control Centres) a vzostupných staníc
podporujúcich satelitnú prevádzku. Celosvetová sieť 30 GSS bude nepretržite monitorovať
každý satelit. Presné informácie o navigačných signáloch budú poslané do dvoch GCC v
Európe pre ďalšie spracovanie. Tam prepracovaný softvér určí chyby efemeríd a časovej
synchronizácie atómových hodín satelitov vzhľadom na Galileo systémový čas. Efemeridy a
hodinové dáta budú vyslané k satelitom každé dve hodiny (to zabezpečí veľkú presnosť
systému), odkiaľ budú k dispozícii používateľom, ktorých prijímače ich použijú vo
34
výpočtových algoritmoch pre určenie polohy. Riadiace strediská GCC budú tiež poskytovať
informácie o integrite, ktorá sa poskytuje ako časť SoL služby. Jej častejšia aktualizácia
vzhľadom k údajom o efemeridoch a časovej synchronizácii, umožní v prípade straty integrity
upozorniť používateľa s meškaním len 6 až 10 sekúnd. Integritu sledujú strediská kontroly
integrity ICC (Integrity Control Centre) pomocou siete monitorovacích staníc, ktoré sú
súčasťou systému monitorovania integrity IDS (Integrity Determination System).
Rozmiestnenie týchto staníc má zaručovať, aby používateľ na ľubovoľnom mieste
mohol prijímať údaje o integrite pomocou aspoň dvoch satelitov vo výške min. 25° nad
horizontom.
Dvojcestný dátový prenos k satelitom je zabezpečený cez sieť TT&C (Telemetry
Tracking and Command Station) a vzostupných (up-linkových) staníc ULS. Päť TT&C staníc
bude slúžiť na sledovanie a riadenie satelitov počas celej doby životnosti od ich vypustenia na
obežnú dráhu. Plánovaných je 10 vzostupných staníc k vysielaniu dát o integrite, efemeridoch
a časovej synchronizácii. Na prepojenie všetkých pozemných staníc a zariadení sa používa
terestriálna sieť a VSAT (Very Small Aperture Terminal) [10].
Obr. 2.3 Rozloženia riadiacich segmentov
2.2.3 Užívateľský segment
Pod pojmom užívateľský segment rozumieme všetky typy špeciálnych prijímacích
zariadení, ktoré boli vyvinuté a konštruované na príjem a spracovanie signálov vysielaných
Galileo satelitmi. Prijímače nie sú vo všeobecnosti univerzálne, ale sú špecializované podľa
spôsobu ich využitia. Sú to najmä:
a) navigačné prijímače - vojenské a civilné (pozemná, námorná, letecká, kozmická
navigácia)
b) geodetické prijímače (geodetické merania, geografické informačné systémy)
35
c) prijímače na časovú synchronizáciu.
Hlavným cieľom je zabezpečiť používateľom prístup do systému GPS a GALILEO. K
dispozícii budú kombinované prijímače, ktorých cena bude dostupná pre bežného
používateľa. Vývoj prijímacích zariadení je veľmi dynamický, pričom sa pri ich konštrukcii
využívajú najnovšie poznatky a technológie z oblasti digitálnych komunikačných systémov
[11].
2.3 Princíp činnosti navigácie Galileo
K tomu, aby Galileo prijímač vypočítal aktuálnu polohu subjektu resp. objektu,
potrebuje dve základné informácie. Musí vedieť, kde sa presne na oblohe nachádzajú
viditeľné satelity a akú majú od subjektu vzdialenosť. GPS prijímač je vybavený vstavanou
alebo vonkajšou (pasívnou alebo aktívnou) anténou, ktorá prijíma signál z družíc
v stanovenom frekvenčnom pásme. Vo vysielanom družicovom signáli sú prenášané dve
kódované informácie. Almanach zahrňuje dáta o dráhach a približnej pozícii každej družice.
Tieto dáta sú kontinuálne prenášané a ukladané do pamäti Galileo prijímača, ktorý potom
pozná obežnú dráhu každej družice a jej približnú pozíciu na nej. Prístroj takto môže
vypočítať presnú pozíciu používateľa.
K presnému určeniu pozície je nutné vypočítať vzdialenosť k jednotlivým družiciam
t.j. priama spojnica používateľa (presnejšie antény Galileo prijímača) s družicou Galileo.
Tá je daná jednoduchým vzorcom:
vzdialenosť = rýchlosť prenosu × čas prenosu signálu
pričom rýchlosť prenosu signálu je rovná hodnote rýchlosti svetla vo vákuu t.j. 300 000 km/s
a čas prenosu signálu je rozdiel medzi časom prijatia a vysielania signálu.
Takto určená vzdialenosť sa zámerne označuje ako pseudovzdialenosť (pseudorange).
K určeniu presnej hodnoty ju potrebné ju očistiť o radu chýb, ktoré sa pri výpočte prejavujú.
Najzávažnejšie je brzdenie a ohýbanie signálu Galileo pri prechode atmosférou a nepresnosti
nastavenia hodín na družici a prijímača Galileo.
Princíp zisťovania časového rozdielu je ukrytý v signáli Galileo. Jednou zo zložiek
tohto signálu je pseudonáhodný kód (vo veľkej časti je obsiahnutý šumom). Tento signál
36
generuje daná družica na konkrétnej frekvencii a je špecificky modulovaný. Môžeme si ho
predstaviť ako stále sa opakujúci sínusoid. Aj Galileo prijímač generuje vlastnú kópiu
pseudonáhodného kódu a oba zdroje kódov porovnáva. Zisťuje oneskorenie signálu
z prijímača od signálu z družice. Tento rozdiel je potom prevedený do časovej zložky.
Presnosť časového zdroja nie je tak vysoká ako u družice. Umiestnenie atómových
hodín do Galileo prijímača by bolo finančne a rozmerovo nereálne aplikovateľné. Preto je
potreba výpočtu každej vzdialenosti družica – prijímač korigovať o chybu nepresného chodu
hodín prijímača Galileo. Aby mohla byť táto chyba účinne eliminovaná, potrebujeme súčasne
signál zo štyroch satelitov. Neznáme priestorové súradnice plus korigovaný čas tvoria štyri
neznáme. Prijímač potrebuje minimálne štyri rovnice (4 satelity) k výpočtu aktuálnej pozície.
Vyšší počet satelitov výpočet spresňuje [11],[12].
Určenie pozície pomocou Galileo prijímača
Pretínanie dáva na výber dva možné výsledky
Keď prijímač pozná presné pozície satelitov na obežnej dráhe i ich vzdialenosti, môže
určiť pozíciu používateľa. Teraz si predstavme, že jedna družica Galilea sa pohybuje po
obežnej dráhe vo výške 23 616 km (Obr. 2.4). Vysielaný signál formuje imaginárny kužeľ,
ktorý má na zemskom povrchu polomer spomínaných 23 616 km. Niekde v tomto kruhu sa
nachádza správna pozícia používateľa. Pozícia na hrane spoločného prierezu
Obr. 2.4 Priesečník signálov z dvoch družíc Obr. 2.5 Priesečník signálov z troch družíc
Povedzme, že druhá družica sa nachádza 24 160 km od tej prvej. Imaginárne kužele so
spektrom vysielaného signálu z oboch družíc tvorí na zemskom povrchu priesečník v podobe
spoločného kruhu. Pokiaľ pridáme ešte jednu družicu Galileo vo vzdialenosti ďalších
24 560km (Obr. 2.5), vytínajú nám všetky tri kužele šíreného signálu dva priesečníky (body)
niekde na zemskom povrchu. Oba body sa líšia vo všetkých troch súradniciach (zemepisná
37
šírka, dĺžka a výška). Teraz nám ostáva len zistiť, ktorý z oboch bodov je správnou pozíciou
používateľa Galileo. Riešením môže byť zadanie približnej výšky subjektu. Tá môže byť
prístrojom použitá z posledného merania, výpočet však nie je potom taký presný a efektívny,
hlavne ak je výška od posledného merania veľmi rozdielna. Lepším riešením je pridanie
signálu zo štvrtého viditeľného satelitu. Výpočet výšky sa spresní a riešením priesečníka
štyroch kužeľov sa stane jeden bod.
Celý takto popísaný postup operácií prístroj vypočítava s obnovovacou frekvenciou v
jednotkách sekúnd. Získanie nových aktuálnych navigačných dát trvá približne 1 – 3 sekundy.
Chyby vznikajúce pri určovaní polohy
Počet negatívnych faktorov pôsobiacich na presnosť určenia polohy je veľké
množstvo.
Ionosferická a troposferická reakcia – signál pri prechode atmosférou je brzdený a ohýbaný.
Galileo prijímače majú preto v sebe zabudovaný model, ktorý koriguje zbrzdenie signálu pre
jednotlivé miesta na Zemi. Tým je ich vplyv čiastočne potlačený.
Viaccestné šírenie signálu (multipath) - odrazený signál môže presnosť merania výrazne
negatívne ovplyvniť (zvyšuje sa doba prenosu signálu do Galileo prijímača). V husto
zastavanom území môže byť presnosť merania až niekoľkonásobne horšia, preto hlavne
geodetické a mapovacie aplikácie používajú špeciálne antény s ochranným tanierom (choke
ring), ktoré odrazené odrazený signál eliminujú.
Nepresnosť hodín v Galileo prijímači – v prijímači nemôžu byť presné atómové hodiny.
Riešením je použitie signálov z minimálne štyroch satelitov súčasne.
Nepresné určenie parametrov dráhy družice – tiež známe pod menom “Ephemeris errors“.
Počet viditeľných satelitov – čím viac tým lepšia presnosť merania. Pre výpočet 2D polohy
potrebujeme minimálne tri satelity. Pokiaľ chceme poznať aj výšku polohy musíme prijímať
signál minimálne zo štyroch satelitov.
Geometria rozloženia družíc na oblohe – jej kvalitu udáva DOP (Dilution of precision)
faktor. Čím sú družice na oblohe voči sebe viac vzdialené, tým je ich geometria rozloženia na
oblohe kvalitnejšia. Nižšia hodnota DOP znamená vyššiu pravdepodobnosť dosiahnutia lepšej
presnosti. Pokiaľ je jeho hodnota nižšia než 1, môžeme označiť meracie podmienky za
vynikajúce [10].
38
Princíp diferenčného merania
Technológia diferenčného merania je založená na princípe relatívneho merania dvoch
Galileo prijímačov. Jeden z nich je označovaný ako referenčná stanica a je počas celej doby
umiestnený na súradnici s presne známou hodnotou. Druhý prijímač nám slúži na vlastné
meranie. Pretože referenčná stanica pozná svoju presnú súradnicu, môže niektoré chyby
Galileo prijímača účinne redukovať. Referenčná stanica môže porovnávať vypočítanú
vzdialenosť z Galileo signálu k družici so vzdialenosťou vypočítanou zo známej pozície.
Takto môže kontinuálne určovať rozdiely ku všetkým viditeľným družiciam a tieto rozdiely
sú označované ako diferenčné korekcie zavádzané do merania prijímača Galileo. Aby boli
diferenčné korekcie účinné, musia byť čo najaktuálnejšie [10].
3 Vlastnosti, špecifikácie a komponenty navigačného systému
Galileo
Družicová časť systému Galileo
Systém Galileo bude využívať tri rôzne typy satelitov, ktorých konštrukcia je
prispôsobená podľa toho, na ktorej dráhe bude obiehať satelit a ktorú časť územia má
pokrývať. Prvý typ je ALS, druhým je ASPI a posledný je DSS.
Obr. 3.1 Ukážka troch rôznych typov satelitov Galileo
3.1 Satelit Galileo Základné parametre satelitu
Váha jedného satelitu je približne 650 kg a jeho rozmery 2,7 x 1,2 x 1,1 m. Výkon
jedného satelitu je 1,5 kW a prístrojové vybavenie má hmotnosť 80 kg. Ich životnosť by sa
39
mala pohybovať okolo 15 rokov. Aby antény boli nasmerované vždy smerom k Zemi a
solárne články k Slnku, satelity sa otáčajú okolo osi kolmej na Zem. Hlavnú časť satelitu,
ktorej úlohou je vytváranie navigačných správ, tvoria tieto bloky: blok časového riadenia,
blok generovania signálov a blok vysielania. Okrem týchto blokov sa tu nachádzajú
samostatné antény pre SAR služby, frekvenčné meniče, vysielacie a prijímacie jednotky.
Obr. 3.2 : Blokové zapojenie satelitnej jednotky
Blok časového riadenia
Základnou časťou tohto bloku sú atómové hodiny, ktoré sú zdrojom presného času.
Chyba ktorú spôsobujú tieto hodiny, sa prejaví na Zemi ako nepresnosť určenia polohy.
Každý satelit bude mať na palube dva druhy atómových hodín - rubídiové frekvenčné
normály (RAFS) generujúce signál s taktovacou frekvenciou 6,2 GHz, používajú ich aj
systémy GPS a GLONASS a patria medzi najrozšírenejšie frekvenčné normály. Do ich
štruktúry je integrovaný kontrolný teplotný systém a ich váha je 3,3kg. Korekcie hodín budú
zo Zeme aktualizované každé dve hodiny.
Obr. 3.3 Rubídiové hodiny
40
Obr. 3.4 Vodíkový maser
Ako druhý typ hodín budú použité pasívne vodíkové masery PHM (Passive Hydrogen
Maser) s generujúcou frekvenciou okolo 1,4 GHz. Tento druh hodín, ktoré sú o dosť väčšie
(18kg), nebol ešte doteraz vo vesmíre použitý. Pretože tieto hodiny pracujú s väčšou
frekvenčnou stabilitou (dlhodobá stabilita 1,10-14 za 10000 s), budú použité ako hlavné
hodiny v Galileo satelitoch. Synchronizačný zákrok z pozemného segmentu je nutný len raz
za orbitu. I keď oboje hodiny používajú rôzne technológie, ich princíp činnosti je postavený
na rovnakej báze. Ide o prinútenie atómov skočiť z jedného energetického stavu do iného, čím
sa vyžiari mikrovlný signál o mimoriadnej frekvenčnej stabilite. Podmienkou pre Galileo
systém je, aby bola zaručená stabilita frekvencie viac ako osem hodín bez korekcie z
pozemských riadiacich staníc.
Ďalšou dôležitou časťou bloku časového riadenia je kontrolná a riadiaca jednotka
CMCU (Clock Monitoring and Control Unit). Spája PHM hodiny s pomocnými RAFS
hodinami a slúži na prepojenie so systémom spracovania dát. Generuje referenčnú frekvenciu
10,23MHz.
Obr. 3.5 Jednotka CMCU
Blok generovania signálov
V jednotke generovania navigačných signálov NSGU (Navigation Signal Generation
Unit) sú vytvárané navigačné signály. Tieto signály pozostávajú zo štyroch kódov, ktoré sú
najskôr skombinované s každou odpovedajúcou navigačnou správou a v generátore
41
frekvencie a v jednotke modulácii FGMU (Frequency Generation and Modulation Unit) sú
namodulované na vysokofrekvenčné nosné RF (Radiofrequency). Navigačné správy obsahujú
informácie o obežných dráhach satelitov (efemeridy) a referenčné signály hodín.
Vysielací blok
Vo výkonovom zosilňovači SSPA (Solid State Power Amplifier) dochádza k
zosilneniu štyroch nosných signálov , pričom zosilňovací výkon môže byť až 50 W pre každý
signál. Tieto signály sú nakoniec vo výstupnom multiplexore OMVX (Output Multiplexer)
zlúčené a prenesené do antény. Pretože Galileo využíva dve rozdielne frekvenčné pásma,
budú použité dva výkonové zosilňovače.
Tak isto sa nachádza vo vývoji aj výstupný multiplexor. Jeho úlohou je výstupné
signály oboch zosilňovačov skombinovať s čo najmenšími stratami a usporiadať ich s určitou
postupnosťou. Pritom sú naň kladené veľké nároky: malé rozmery a hmotnosť, dobré
elektrické vlastnosti, veľmi dobrá teplotná stabilita a vysoká spoľahlivosť.
Obr. 3.6 Výstupný multiplexor
Antény
Ich úlohou je takmer rovnomerné rozloženie vyžiareného výkonu nezávisle od toho, či
sa prijímač nachádza "pod" satelitom alebo na horizonte. Na obrázku je zobrazená anténa,
ktorá je vytvorená pomocou viacvrstvovej technológie. Celý blok pozostáva z viacerých
modulov, kde každá anténa je tvorená šiestimi identickými elementmi. Každý element antény
váži 1kg. Pre vyhľadávacie a záchranárske služby SAR boli vyvinuté samostatné vysielacie a
prijímacie antény [10].
42
Obr. 3.7 Navigačná anténa 3.2 Základné vlastnosti prijímača Galileo
Štruktúra Galileo prijímača
Vysokofrekvenčné vstupné obvody: v Galileo prijímačoch sa uvažuje minimálne so
štyrmi rozdielnymi nosnými frekvenciami a (E5a, E5b, E6 a L1). Tieto požiadavky musia byť
zahrnuté aj do výpočtov parametrov vstupných obvodov. V závislosti od vzájomných
frekvenčných odstupov nosných frekvencií sú použité spoločne alebo oddelené vstupné bloky.
Frekvenčná konverzia: z dôvodu prijímania signálov na viacerých frekvenciách je
dôležité vytvoriť zapojenie, ktoré zníži frekvencie nosných signálov (Down-conversion) na
takú hodnotu, ktorá zabezpečí dobrú kvalitu všetkých prijímaných signálov.
A/D prevod: na základe frekvenčného plánu musí byť použitý jeden alebo viacero
A/D prevodníkov. Jeden z možných spôsobov je rôzne pásma previesť na jedno
medzifrekvenčné pásmo a použiť ten jeden A/D prevodník. Avšak týmto spôsobom sa zvýši
úroveň šumu. Ďalšou možnosťou je všetky pásma oddelene digitalizovať, tzn. použiť toľko
A/D prevodníkov, koľko frekvenčných pásiem bude prijímač schopný spracovávať.
Navigačný procesor: výpočet polohy na základe prijatých údajov je v princípe
podobný ako v GPS. Musia sa však uvažovať skupinové oneskorenia medzi jednotlivými
nosnými signálmi. Všeobecne sa vykonávajú dve resp. tri merania fáz a kódov nosných
signálov.
Digitálne spracovanie
Zosynchronizovanie BPSK sa realizuje podobným spôsobom ako pri GPS. Pri
zosynchronizovaní BOC musí byť použitá nová metóda navrhnutá špeciálne pre túto
signálovú štruktúru.
43
Sledovanie kódov prostredníctvom DLL - slučky: môže prebiehať podobne ako pri
GPS prijímačoch. Sú tu však potrebné určité zmeny a doplnky, aby extrémne BOC signály
ako napr. BOC(14,2) bolo možné presne zachytiť (malá lineárna oblasť S - krivky).
Zachytenie fázy nosného signálu pomocou PLL - slučky: príjem pilotného signálu (nenesie
dátové informácie) umožní nahradiť COSTAS regulačný obvod koherentnou PLL slučkou,
ktorá je stabilnejšia [10].
Obr. 3.8 Štruktúra Galileo prijímača Frekvenčný plán
Veľmi dôležitou témou z pohľadu používateľa je vypracovanie štruktúry frekvenčného
spektra pre Galileo systém. Galileo bude prevádzkovať 10 navigačných signálov s
pravotočivou polarizáciou RHCP (Right Hand Circular Polarisation). Signály sú vysielané na
frekvenčných pásmach E5A-E5B (1164 - 1215 MHz), E6 (1260-1300 MHz) a E2-L1-
E1(1559-1591 MHz). Posledné pásmo je využívané systémom GPS, avšak paralelné
využívanie týchto frekvencií by nemalo spôsobiť vzájomné ovplyvňovanie. Uvedené
frekvenčné pásma boli zadelené na konferencii WRC (World Radio Conference) v máji roku
2000. Prvé testy na orbitálnych dráhach by sa mali uskutočniť najneskôr do konca roka 2005.
Frekvenčné pásma sú rezervované do roku 2006. Všetky Galileo satelity by mali pracovať na
tej istej frekvencii a budú využívať kódový viacnásobný prístup CDMA (Code Division
Multiple Access), kompatibilný s GPS systémom. Pre všetky signály sa používa konvolučné
kódovanie (Half rate Viterbi).
Pri spoločnom využívaní frekvenčného pásma E2-L1-E1 nevznikajú interferencie, teda
nedochádza k ovplyvňovaniu jednotlivých služieb. Cieľom je ponúknuť používateľom prístup
súčasne do systému Galileo aj GPS, pričom kombinované prijímače by mali byť cenovo
dostupné aj pre bežného používateľa.
Galileo navigačné signály obsahujú navigačné kódy, správy o polohe a dátové správy.
Navigačné kódy sú generované v stabilných atómových hodinách, ktoré sa nachádzajú na
44
palube každého satelitu. Dátové správy by nemali prenášať len informácie o satelitných
hodinách, polohe satelitov, identifikačné značky ale aj informácie o presnosti daného signálu.
Na základe dátových správ prijímače vyhodnotia merania od jednotlivých satelitov, a tým
zvýšia presnosť určenia polohy. Pre prenos dátových správ sa testujú rôzne prenosové
rýchlostí od 50 do 1000 bps. Nízke prenosové rýchlosti rušia navigačný signál len veľmi
málo, väčšie prenosové rýchlosti zasa zvyšujú potenciál tzv. služieb s pridanou hodnotou,
napr. dopravné informácie a aktualizácie máp. Pri týchto službách sa bude kapacita dátového
prenosu počas navigačného signálu zväčšovať bez toho, aby bola ovplyvnená presnosť
navigácie. Aby bola počas príjmu signálu zabezpečená stabilita spracovania signálu, budú
prenášané aj určité riadiace prvky (značky).
Ako vidieť na obrázku nižšie, Galileo využíva v princípe len tri frekvenčné pásma, a
to dolné L -pásmo E5a (prekrýva sa s GPS signálom L5) a E5b, každé so šírkou pásma 24
MHz, stredné L -pásmo E6 s celkovou šírkou pásma 40 MHz a horné L-pásmo E1 a E2 (na
ľavo a na pravo od GPS signálu L1), každé so šírkou 4 MHz. Pretože tu dochádza k
prekrývaniu Galileo signálov a GPS signálov, signálová štruktúru je veľmi dôležitou
diskutovanou témou na medzinárodnej úrovni, hlavne v USA.
Vysielanie Galileo signálov v dolnom L -pásme (E5a+E5b) by nemalo ovplyvňovať
navigačné signály nachádzajúce sa v tomto pásme. Použitie pásma E6 je otázne, pretože v E6
sa už nachádzajú napríklad vojenské a civilné radarové systémy. Problematické je aj horné L -
pásmo, kde sa nachádzajú len úzke 4 MHz E1, E2 pásma. Pomocou samostatných signálov El
resp. E2 nie je možné prenášať žiadny robustný signál (s nízkou hodnotou viaccestného
šírenia). Lepšia kvalita sa dá dosiahnuť spojením El a E2 po celej frekvenčnej oblasti L1,
napr. s použitím BOC(I4,2).
Obr. 3.9 BOC (Binary off'set carríer)
45
Systém Galileo bude používať signály modulované BOC pre presné určovanie
pseudovzdialenosti a signály modulované BPSK, ktoré v súčasnosti používa systém GPS.
Hlavnou charakteristikou štruktúry BOC signálu je to, že výkon signálu nie je
sústredený okolo nosnej frekvencie. Najväčšia časť výkonu je sústredená v dvoch hlavných
postranných lalokoch napravo a naľavo od nosnej frekvencie. BOC moduláciu charakterizujú
dva parametre: frekvencia subnosnej fS v MHz a čipová rýchlosť fC v Mč/s, označujeme ju
BOC (fS,fC). Hlavným dôvodom pre zavedenie novej modulácie bola možnosť využívať
rovnaké frekvenčné pásmo pre viacero signálov bez toho, aby sa jednotlivé signály navzájom
ovplyvňovali. Podľa dohody Signal Task Force by mohol európsky systém používať v pásme
E2-L1-E1 signál modulovaný BOC (m,n), čo znamená výber medzi BOC(14.2) a BOC(
111,5).
BOC je možné popísať vzorcom:
S(t) = Ck p(t.fC – k) p(φ) = rect(φ).sign(sin(2.π.φ. fS / fC)) cos(2.π.φ. fRF / fC))
Veľkosť nosnej frekvencie fRF je 1575,42 MHz, čipovej rýchlosti JC 2,046 Mč/s a frekvencie
subnosnej fS 14,322 MHz. Čas je označený ako t. Postupnosť kódov je označená ck a jej
aktuálne hodnoty nie sú dôležité pri ďalšom popise ako aj možný Doplerov posuv, ktorý
vzniká vplyvom vzájomného pohybu satelitu a prijímača. Tiež amplitúda signálu resp. pomer
S/N nemajú vplyv na výsledky. Funkcia "rect" popisuje obdĺžnikový impulz s určitou
amplitúdou a periódou. Filtrovanie signálu pásmovým priepustom, pomocou ktorého satelit
obmedzuje výkonovú spektrálnu hustotu daného frekvenčného pásma, nie je obsiahnuté v
predchádzajúcom vzorci.
Signály Galileo
Systém GALILEO má v pláne poskytovať 10 navigačných signálov, u ktorých má byť
použitá pravotočivá polarizácia RHCP. Signály systému GALILEO delíme do 3 skupín:
- 4 signály sa vysielajú vo frekvenčnom pásme 1164- 1215 MHz (E5A-E5B)
- 3 signály sa vysielajú vo frekvenčnom pásme 1260 – 1300 MHz (E6)
- 3 signály sa vysielajú vo frekvenčnom pásme 1559-1591 MHz ( E2-L1-E1).
46
Navigačný aj dátový kód nesú špecifickú informáciu potrebnú pre špecifické služby. Z
10 navigačných signálov je 6 určených pre OS a SoL signály s otvoreným prístupom, 2 sú
určené špecificky pre CS signály s komerčným kódovaním a 2 sú určené špecificky pre PRS
signály s vládnym kódovaním.
Obr. 3.10 Prehľad použitých frekvenčných pásiem
Obr. 3.11 Galileo SIS (Signal In Space) signál
Dáta Galileo
Dáta otvorenej služby OS (Open Service)
Dáta otvorenej služby sú vysielané na nosných frekvenciách v pásmach E5a, E5b a
E2-LI-El. Budú prístupné pre všetkých používateľov a obsahujú hlavne navigačné dáta a dáta
SAR. Núdzové správy SAR (smerom od používateľa v núdzi k SAR operátorovi) sú prijímané
Galileo satelitmi na frekvenciách 406 - 406,1 MHz a potom vysielané k pozemnej stanici vo
frekvenčnom pásme 1544 - 1545 MHz (označovaného ako L6 pásmo). SAR dáta budú
vysielané od SAR operátora k používateľovi v núdzi v stave pohotovosti a na organizovanie
záchranných tímov. Tieto SAR dáta by mali byť obsiahnuté v OS dátach a vysielané na
nosných frekvenciách E2-L1-E1.
Dáta komerčnej služby CS (Commercial Service)
47
Sú vysielané na nosných frekvenciách v pásmach E5b, E6 a E2-L1-E1. Budú
kódované a prevádzkované poskytovateľmi služieb, ktorí sú prepojení s riadiacim centrom
GCC (Galileo Control Centre).
Dáta služby zaisťujúcej bezpečnosť SoL (Safety of Life Service)
Obsahujú hlavne integritu a dáta presnosti signálu - SISA dáta ( Stgnai in Space
Accuracy).
Dáta verejnej regulovanej služby PRS (Public Regulated Service)
Tieto dáta budú vysielané na nosných frekvenciách v pásmach E6 a L1.
Modulačné schémy
Typ modulácie pre jednotlivé nosné frekvecie bol určený na základe nasledujúcich
kritérií:
a) maximalizácia výkonovej účinností v Galileo satelitoch
b) minimalizácia interferencie spôsobenej Galileo signálmi v GPS prijímačoch
c) optimalizácia štruktúry a určitej komplexnosti používateľských Galileo prijímačov.
V nasledujúcej časti budú popísané podrobnejšie návrhy a riešenia modulačných
schém pre jednotlivé frekvenčné pásma. Pri matematických vyjadreniach sú použité tieto
označenia:
CXY(t) - navigačný kód na kanáli Y (namiesto Y môže I alebo Q, ak ide o dvojkanálový
signál, alebo A, B alebo C, ak ide trojkanálový signál) na nosnej frekvencii X
(X môže byť nahradené E5a, E5b, E6 alebo L1)
DXY(t) - dátový signál na kanáli Y vo frekvenčnom pásme X
Fx (t) - nosná frekvencia vo frekvenčnom pásme X
ScXY(t) - obdĺžniková subnosná frekvencia na kanáli Y vo frekvenčnom pásme
m - modulačný index, ktorý sa uvádza pri modifikovanej hexafázovej modulácii
Modulácia nosného signálu E5
Pre toto pásmo sú popísané dve možné riešenia modulácií:
Dva QPSK(10) signály sú generované koherentne a vysielané cez oddelené širokopásmové
kanály E5a a E5b. V oboch vetvách je použitá konverzia smerom hore (na nosné frekvencie
48
1176,45 MHz a 1207,14MHz). Zmiešané signály sú zosilnené a zlúčené vo výstupnom
multiplexore (OMUX). Výsledný signál je popísaný nasledovnou rovnicou:
SE5 (t) = (CIE5a(t). DI
E5a(t) x cos (2π FE5a(t)) – CQE5a(t) x sin(2π FE5a(t)) + (CI
E5b(t). DIE5b(t) x
cos (2π FE5b(t)) – CQE5b(t) x sin(2π FE5b(t))
Jeden samostatný širokopásmový signál je generovaný modifikovanou BOC(15,10)
(označovanou tiež AltBOC (15,10)). Signál je zosilnený širokopásmovým zosilňovačom a
potom zmiešaný smerom nahor (nosná frekvencia 1191,795 MHz).
Modulácia popísaná v druhom odstavci je nová koncepcia modulácie, ktorej hlavným
cieľom je zlúčenie dvoch signálov (E5a, E5b) do signálu s konštantnou zloženou obálkou
(amplitúdou). Potom môže byť tento signál spracovaný v prijímačoch.
Modulácia nosného signálu E6
Signál E6 obsahuje 3 pásma, ktoré sú vysielané na tej istej frekvencii. Multiplexovanie
troch kanálov je jeden z hlavných a často diskutovaných problémov. V súčasnosti sa skúmajú
dve možné riešenia: časový multiplex a modifikovaná hexafázová modulácia (nazývaná aj
Interplex modulation). Na obrázku je zobrazená modulačná schéma modifikovanej hexafäzy.
QPSK signál, ktorý získame zlúčením dvoch kanálov, je fázovo modulovaný s tretím
kanálom. Modulačný index sa používa na nastavenie relatívneho výkonu medzi troma
kanálmi. Podľa súčasného návrhu je možné výstupný signál popísať rovnicou:
SE6 (t) = {(CAE6(t). DA
E6(t). ScAE6(t).cos (m) – CC
E6(t).sin (m)} x cos(2π FE6(t)) –{CBE6(t).
DBE6(t).cos (m)+ CA
E6(t). CBE6(t). CC
E6(t). ScAE6(t).sin (m)}x cos (2π FE6(t))
49
Obr. 3.12 Modifikovaná hexafázová modulácia
Použitá hodnota modulačného indexu je m = 0,6155. Modulácia nosného signálu E2-LI-E1
Podobne ako E6 signál, obsahuje L1 signál tri kanály vysielané na jednej frekvencii a
používa modifikovanú hexafázovú moduláciu. I pri tomto pásme sa analyzuje možnosť
použitia časového multiplexu. Matematické vyjadrenie výsledného signálu je popísané
rovnicou:
SL1 (t) = {(CAL1(t). DA
L1(t). ScAL1(t).cos (m) – CC
L1(t). ScCL1(t)..sin (m)} x cos(2π FL1(t)) –
{CBL1(t). DB
L1(t). SBL1(t)..cos (m) + CA
L1(t). CBL1(t). CC
L1(t). ScAL1(t).sin (m)}x cos (2π FL1(t))
[13]
Výhody systému Galileo:
- 30 družíc včítane 3 záložných
- životnosť 15 – 20 rokov
- počíta s vytvorením viac ako 200000 nových pracovných príležitostí je sľubným
nástrojom pre Európu zapojiť sa na novom svetovom trhu (v roku 2020 by mali
celkové ekonomické prínosy dosiahnuť 62 miliárd a sociálne prínosy ďalších 12
miliárd EUR).
- je technologickým inovačným motorom pre kozmický priemysel a poskytovateľov
služieb dáva nové inovatívne využitie (napr. v cestovaní, doprave, logistike, výstavbe,
záchranných službách atď.)
50
- Galileo je taktiež politickým vyjadrením autonómie, suverenity a politickej a
ekonomické nezávislosti zúčastnených štátovGalileo nie je konkurent GPS, ale v
súčinnosti s ním napomáha zlepšiť výsledok z hľadiska presnosti, integrity,
dostupnosti a redundancie
- dôležitým prínosom budú vyhľadávacie a záchranné služby (SAR).
Výhody systému Galileo oproti GPS:
väčšia presnosť
bezpečnejšia prevádzka
kvalitnejší príjem signálu i medzi budovami
dostupnosť vo vyšších zemepisných šírkach
schopnosť rýchleho rozpoznania problémov systému
okamžité upozornenie užívateľov na prípadné poruchy
civilný prevádzkovateľ.
Fázy budovania systému Galileo
Obr. 3.13 Jednotlivé fázy budovania systému [9],[14].
51
4 Architektúra komunikačného protokolu NMEA
4.1 História protokolu NMEA V roku 1957 sa v New Yorku na Boat Show stretla skupina obchodníkov a ich
hlavným cieľom bolo posilniť vzájomné vzťahy s elektronickými výrobcami. Zakladateľmi
NMEA boli Charles Rogers a George Butler, ktorí sa najväčšou mierou zaslúžili o jeho
presadenie. Inšpirujúcim úspechom bolo vytvorenie prímorského elektronického združenia v
New Jersey. Ich cieľom bolo vyvinúť celonárodné združenie prostredníctvom nezávislých
námorných elektronických dealerov.
NMEA (National Marine Electronics Association) je združenie určené na pokrok v
námornom elektronickom priemysle. Účelom štandardu NMEA je elektrické prepojenie
dátového protokolu medzi navigačnými prístrojmi. Dnes je to komunikačný protokol
používaný v celom svete.
4.2 Komunikačný protokol NMEA Organizácia NMEA vyvinula už vyššie uvedený protokol s rovnomenným názvom
NMEA, ktorý definuje rozhranie medzi rôznymi navigačnými elektronickými zariadeniami.
Tento protokol umožňuje posielanie informácii počítačom alebo iným navigačným
zariadeniam. GPS príjem je definovaný vo vnútri NMEA protokolu. NMEA protokol prenáša
údaje o reálnej pozícii, rýchlosti, čase atď.
Prvý protokolový štandard vznikol v roku 1980 a bol nazvaný NMEA 0180. Bol to
protokol s binárnym prenosom "cross-track" informácie pre automatických pilotov. V dnešnej
dobe sa už nepoužíva. Protokol prešiel zmenami definovanými v protokoloch NMEA 0181 a
NMEA 0182. V dnešnej dobe sa používa ako protokol NMEA 0183. Posledná verzia
štandardu je 3.01, ktorá bola zavedená v januári roku 2002. Obsahuje vysokorýchlostný
doplnok protokolu NMEA 0183-HS verzia 1.0. Tento štandard pracuje s rýchlosťou 38.4 K
baud. Špeciálne formy viet sú spoločné pre oba štandardy a sú definované v protokole NMEA
0183 [15].
Štruktúra navigačnej správy
Navigačná správa je súvislý tok dát o rýchlosti 50 bitov za sekundu. Každý satelit
vysiela na Zem nasledujúce informácie:
52
systémový čas a korekčné parametre pre zväčšenie presnosti určenia času a oneskorenia
signálu
vlastné, vysoko presné parametre týkajúce sa jeho obežnej dráhy, tzv. efemerity
(ephemeris)
informácie o polohe ostatných satelitov (almanac)
technický stav satelitu (jeho prevádzkyschopnosť).
Dátový tok je modulovaný na vysokofrekvenčnú nosnú vlnu. Vysielané dáta sú
usporiadané v logických jednotkách, tzv. rámcoch (frames), alebo tiež stránkach (pages).
Každý rámec má konštantnú dĺžku 1500 bitov a na jeho vyslanie rýchlosťou 50 bitov za
sekundu je potrebných 30 sekúnd. Rámce sú rozdelené do piatich podstránok (subpages).
Každý z nich má 300 bitov a vyslanie jedného trvá 6 sekúnd. Jednu kompletnú navigačnú
správu tvorí 25 rámcov, čo znamená že jeho vyslanie trvá 12 a pol minúty. Každá podstránka
je rozdelený na 10 slov po 30 bitoch. Každý subrámec začína telemetrickým (telemetry word -
TLM) a časovým (handover word - HOW) slovom .
Informácie obsiahnuté v subrámcoch
Rámec je rozdelený na 5 podstránok , z ktorých každá nesie nasledovné informácie:
subrámec 1 obsahuje korekčné časové údaje, parametre potrebné pre úpravu hodnôt časového
oneskorenia signálu, aktuálny palubný čas na satelite generovaný atómovými hodinami a
technický stav satelitu. V tomto subrámci sa tiež nachádza tzv. 10 bitové číslo týždňa (v
rozsahu od 0 po 1023). GPS čas sa začal v nedeľu, 6. januára 1980 o 00:00:00. Každých 1024
týždňov sa počítadlo vynuluje a začína na počiatočnej hodnote 0.
Subrámce 2 a 3 obsahujú efemeritické dáta (ephemeris) vysielajúceho satelitu. Tieto
dáta poskytujú extrémne presné informácie o polohe satelitu na obežnej dráhe.
Subrámec 4 obsahuje informácie o satelitoch (almanac) 25 až 32 (každý subrámec
môže obsahovať dáta iba o jednom satelite), rozdiel medzi časmi GPS a UTC a korekčné
údaje na elimináciu chýb vznikajúcich pri výpočte polohy z doby oneskorenia, ktorá je
ovplyvňovaná zemskou atmosférou.
Subrámec 5 obsahuje informácie o satelitoch (almanac) 1 až 24 (každý subrámec môže
obsahovať dáta iba o jednom satelite).
53
Polia TLM a HOW
Prvým slovom každého jedného subrámca je telemetrické slovo (Telemetry word -
TLM), obsahujúce 8-bitovú sekvenciu preambuly (10001011), používanej pre synchronizačné
účely, táto je nasledovaná 16-timi bitmi rezervovanými pre autorizovaných používateľov.
Posledných 6 bitov slúži na kontrolu bezchybnosti rámca formou parity.
V každom subrámci nasleduje za TLM časové slovo (Handover word - HOW). Jeho
najdôležitejšou časťou je 17-bitové pole TOW. Toto pole slúži ako počítadlo sekúnd v týždni.
GPS týždeň začína a končí vždy presne pri prechode zo soboty o 23:59:59 na nedeľu o
00:00:00. TOW sa inkrementuje každých 6 sekúnd. Keďže jeden týždeň trvá 604800 sekúnd,
a počítadlo počíta každú šiestu sekundu (čo je dané dobou vyslania jedného subrámca),
počítadlo sa inkrementuje 100800-krát za týždeň, čo zodpovedá rozsahu 0 až 100799. Po
dosiahnutí tejto hodnoty sa počítadlo vynuluje. Tento okamih zodpovedá ďalšiemu prechodu
zo soboty na nedeľu. Bity 20 až 22 slúžia na identifikáciu aktuálne vysielaného subrámca.
Formát dát v protokole NMEA
V NMEA-0183 protokole sú dáta usporiadané v riadkoch, tiež nazývaných “vety”.
Každá veta začína znakom '$', nasleduje dvojpísmenová skratka zariadenia GP (GP indikuje,
že sa jedná o správu z GPS zariadenia) a ďalej trojpísmenový kód určujúci typ vety, tzv.
identifikátor vety. Každý riadok, resp. veta potom končí hviezdičkou a hexadecimálne
zapísaným kontrolným súčtom (XOR všetkých znakov na riadku medzi '$' a '*'). Dĺžka vety je
obmedzená na maximálne 80 znakov a jednotlivé položky sú od seba oddelené čiarkami.
V tomto počte nie sú zahrnuté začiatočné a koncové znaky ($, <CR>, <LF>)
Z mnohých používaných typov viet NMEA nás bude zaujímať len niekoľko
najčastejších, hlavne tých, v ktorých sa nachádzajú údaje o čase a dátume. V tab.1.1 sú
popísané významy jednotlivých symbolov používaných v NMEA vetách. V tab.1.2 sú potom
spomenuté najčastejšie používané vety aj s informáciou o tom, či daná veta obsahuje údaje o
čase a dátume.
Každá NMEA veta je formulovaná pomocou všeobecného tvaru:
$GPDTS,Inf_1,Inf_2,_Inf_3,Inf_4,Inf_5,Inf_6,Inf_n*CS<CR><LF>
54
Symbol Popis
$ Začiatok NMEA vety
GP Indikuje skutočnosť, že veta pochádza z GPS zariadenia
DTS Identifikátor dátového súboru (Data Set Identifier)
Inf_1 až Inf_n Samotné GPS informácie (1 až n)
, Čiarka používaná ako oddeľovač jednotlivých položiek
* Hviezdička používaná ako oddeľovač užitočných informácií a kontrolného súčtu
CS Kontrolný súčet – tvorený z dátovej časti danej vety
<CR><LF> Koniec dátového súboru : posun na začiatok riadku (<CR> - carriadge return) a nový riadok (<LF> - line feed)
Tab.1.1 Význam jednotlivých symbolov všeobecného tvaru NMEA vety [16]
4.3 Vety protokolu NMEA Všetky údaje protokolu NMEA sú prenášané vo forme viet. Rozlišujeme tri základné
druhy :
- Vety hovoriaceho
- Vlastnícke vety
- Opytovacie vety.
4.3.1 Vety hovoriaceho
Všeobecná štruktúra vety je nasledovná:
$xxyyy,d1,d2,....*hh<CR><LF>
posun riadku ( line feed ) návrat pozície ( carriage return ) kontrolný súčet CRC prenášané údaje identifikátor vety
identifikátor hovoriaceho
Každá veta začína so znakom “$” a končí kontrolným súčtom, CR/LF. Prvé dva znaky
po znaku "$" identifikujú hovoriaceho a ostatné tri sú identifikátorom vety. Dáta sú
55
obsiahnuté vo vnútri vety a navzájom sú oddelené čiarkami. Prázdne polia údajov sú zapísané
nulou alebo ostanú prázdne (čiarky, ohraničujúce pole, ostávajú zaznamenané). Presnosť
údajov môže kolísať, napr. čas môže byť udávaný s presnosťou stoviek, tisícin až desaťtisícin
sekúnd. Vety môžu mať variabilnú dĺžku, ale nesmú byť dlhšie ako 82 znakov vrátane
CR/LF. Dlhšie vety sú rozdelené do viacerých viet a sú označené počtom a poradovým
číslom. Pole dát je definované jedinečne pre každú vetu.
V každej vete je na konci vyčlenené miesto pre kontrolný súčet. Kontrolný súčet sa
skladá z exclusive OR súčtu všetkých znakov (ASCII hodnoty vyjadrených
v hexadecimálnom tvare) nachádzajúcich sa medzi “$“ a “*“.
4.3.2 Vlastnícke vety
Všeobecná štruktúra vety je nasledovná:
$Pxxxy,d1,d2,....*hh<CR><LF>
posun riadku ( line feed )
návrat pozície ( carriage return )
kontrolný súčet CRC
prenášané údaje
bližšia identifikácia vety
identifikátor výrobcu
identifikátor vlastníckej vety
Protokolový štandard NMEA dovoľuje jednotlivým výrobcom definovať štruktúru
vlastnej vety. Štruktúra vety je obdobná ako pri vete hovoriaceho až na príznak, kedy každá
vlastnícka veta začína vždy so znakom “P“ a nasledujú ďalšie tri znaky, ktoré identifikujú
výrobcu. Pre príklad GARMIN veta začína s PGRM a MEGELLAN začína s PMGN.
Posledný znak bližšie identifikuje vetu.
4.3.3 Opytovacie vety
Všeobecná štruktúra vety je nasledovná:
56
$xxyyQ,zzz*hh<CR><LF>
posun riadku ( line feed )
návrat pozície ( carriage return )
kontrolný súčet CRC
identifikátor vety
signalizácia požiadavky
identifikátor prijímacieho zariadenia
identifikátor žiadateľa
Opytovacia veta je prostriedkom pre získanie požadovanej vety, poslaním o jej
žiadosť. Štruktúra vety je obdobná ako pri vete hovoriaceho až na príznak, kedy prvé dva
znaky sú identifikátorom žiadateľa a nasledujúce dva sú identifikátorom zariadenia
(prijímateľa žiadosti). Posledný znak býva vždy "Q". Signalizuje, že je to opytovacia veta.
Dátové pole "zzz" obsahuje identifikátor vety, ktorá má byť poslaná.
Napr. $CCGPQ,GGA*hh<CR><LF>
kde "CC" je zariadenie (počítač ) žiadajúce "GP" zariadenie (GPS prijímač) o poslanie vety
"GGA". GPS bude posielať túto vetu dovtedy, pokiaľ nepríde ďalšia požiadavka.
4.4 Komunikácia prostredníctvom protokolu RS232 Väčšina prijímačov GPS je vybavená štandardizovaným sériovým komunikačným
rozhraním (RS 232C, RS 422) s dátovým protokolom podľa medzinárodného prijatého
doporučenia NMEA (National Marine Electronics Association). Toto rozhranie umožňuje
pripojenie k ďalším prístrojom, ktoré dokážu výstupné dáta z prijímača GPS ďalej
spracovávať (napr. autopilot, navigačné centrum, osobný počítač atď.).
Technické rozhranie RS232 používa pre komunikáciu s externými zariadeniami len
vodiče Rx, Tx a zem (ground). Výstupom prijímača GPS sú vety protokolu NMEA 0183 vo
forme ASCII kódu. Na väčšine modelov GPS prijímačov býva nastaviteľná prenosová
rýchlosť. Štandardom protokolu NMEA je prenosová rýchlosť 4800 baudov s prenosom 8 bit,
bez parity. Parita slúži k softvérovému zaisteniu správneho prenosu dát, avšak v našej
aplikácii sa nepoužíva, lebo dostatočná bezpečnosť je dosiahnutá prostredníctvom protokolu
NMEA.
57
V kľude je na vodičoch Tx, Rx udržiavaná hodnota logickej jednotky (obr. 4.1). Pri
začiatku komunikácie je vyslaný “Štart Bit“. To znamená, že počas doby jedného bitu (pri
4800Bd cca 208ms) klesne úroveň na logickú nulu. Potom nasleduje 8 bitov vysielaného
znaku a po jeho ukončení je vyslaný “Stop Bit“. To znamená, že znova po dobu jedného bitu
bude na vodiči Tx alebo Rx logická jednotka. Logická jednotka ostane až do vyslania
ďalšieho “Štart Bitu“[17].
Obr. 4.1 Prenos dát prostredníctvom protokolu RS232
4.5 Vety NMEA vysielané GPS prijímačmi Vety vysielané prijímačmi GPS sú rôznorodé. Existuje veľmi veľa druhov viet
a časom ich počet ešte narastá. Ich štruktúra je závislá na odvetví, v ktorom si našli využitie
napr. vojenskom, leteckom, námornom, automobilovom, zemepisnom, geologickom,
energetickom a vo veľa ďalších. Zozbierané vety sú uvedené v prílohe č.1.
Identifikátor vety (data set
identifier) Význam Informácia o
čase/dátume
GGA Fixné GPS dáta áno / nie
GLL Zemepisné dáta – zemepisná šírka a dĺžka, nadm. výška áno / nie
GSA DOP – informácie o degradovaní presnosti a počte aktívnych satelitov nie / nie
GSV Počet viditeľných GPS satelitov nie / nie
RMC Odporúčané minimálne množstvo dát pre navigáciu áno / áno
VTG Informácie o rýchlosti, smere a zrýchlení nie / nie
ZDA Čas a dátum áno / áno Tab.1.2 Najčastejšie používané NMEA vety
58
Z hľadiska generovania času z protokolu NMEA je samozrejme potrebné zaoberať sa
s NMEA vetami, ktoré tieto informácie obsahujú. Podľa Tab.1.2 sú to vety GGA, GLL, RMC
a ZDA. RMC a ZDA navyše obsahujú aj aktuálny dátum, preto sa nasledujúca časť zaoberá
práve týmito vetami.
Pre úlohu generovania času a dátumu z GPS signálu, resp. NMEA protokolu sú obe
vety rovnocenné. Rozdiel je v možnosti spracovania jednotlivých viet, ako aj v pohodlí
spracovania. Z vyššie uvedených príkladov viet RMC a ZDA je zrejmé, že pri rovnakej
prenosovej rýchlosti komunikácie medzi GPS prijímačom a navrhovaným zariadením bude z
dôvodu rýchlosti použitie vety ZDA praktickejšie. Takisto je tu menšia pravdepodobnosť
chyby vzhľadom na menší objem prenášaných dát. Z uvažovaných postupov je však tiež
zrejmé, že použitie vety ZDA si vyžaduje náročnejší algoritmus vzhľadom k nutnosti
ignorovania oddeľovacích čiarok nachádzajúcich sa v dátumovej časti. Z hľadiska
algoritmizácie však táto skutočnosť nepredstavuje žiadny veľký problém. Použitý GPS
prijímač GARMIN 18 však negeneruje vetu ZDA, čo znamená, že pre spracovanie týchto
údajov ostáva len možnosť použitia vety RMC. [30-33]
GPS modul OEM 15H, použitý v tejto práci, poskytuje nasledovné vety:
59
GPRMC - Doporučené minimum prenášaných dát
GPGSA - Informácie o DOP a aktívnych družiciach
60
GPGSV - Viditeľné družice na oblohe
GPGGA - Informácie o nameranej polohe a výške
61
GPGSV - Informácie o približných odchýlkach určenia pozície GPS
PGRMB - Informácie o približných odchýlkach určenia pozície GPS
PGRMM - Mapa a dátum
62
PGRMT - Stav informácií
[17].[18],[19].
63
5 Technické prostredie systému Galileo
PROBLÉMY ŠÍRENIA SIGNÁLOV V DRUŽICOVÝCH SPOJOCH
Základné poznatky o šírení
Mobilné komunikačné siete sú navrhované pre komunikačné služby, ktoré sú také
kvalitné a spoľahlivé, ako je to možné vzhľadom na ekonomiku ich prevádzkovania. Pri
digitálnych komunikáciách je kvalita služieb vyjadrená chybovosťou BER, ktorá závisí od
pomeru S/N. Spoľahlivosť služieb je vyjadrená percentom času, ktorý je potrebný na
dosiahnutie dostatočnej komunikačnej kvality (disponibilita) alebo pomerom S/N. Aj keď
spoľahlivosť a disponibilita spolu súvisia, v skutočnosti majú pre družicové komunikačné
siete rôzne definície.
Pre mobilné družicové služby je potrebné vziať do úvahy výpadky signálu zapríčinené
prekážkami v ceste medzi družicou a terminálom (v priamej viditeľnosti), podobne ako
výkyvy výkonu signálu zapríčinené interferenciou odrazených rádiových vĺn. Ak tieto
štatistické charakteristiky, ktoré ovplyvňujú šírenie, nie sú dostatočne známe, môžeme
predpokladať, že pomer S/N bude nedostatočný alebo zbytočne veľký. Účastníci MDS
(mobilné družicové siete) požadujú znalosti o oblasti a čase s dobrou kvalitou služieb tam,
kde sú tieto služby poskytované. Ak chceme MDS navrhovať efektívne, musíme poznať
činitele ovplyvňujúce šírenie signálu, ako tlmenie zapríčinené odrazom od povrchu mora
alebo zeme, tienenie stromami, budovami, stĺpmi, terénom, vplyv Dopplerovho efektu
pohybujúceho sa terminálu, rovnako ako vplyv dažďa a ionosférických efektov. Takéto
charakteristicky šírenia majú rôzne štatistické vlastnosti pre pozemnú dopravu ,loďstvo
a letectvo [20].
Šírenie signálov pre pozemné terminály
Keď je signál priamo prenášaný z družice blokovaný stromoradiami, stĺpmi a terénom,
môžu nastať výpadky signálu. Ak sa výpadky opakujú s dostatočne dlhou periódou, môže
dôjsť k rozpadu komunikačného kanála. Z tohto dôvodu je potrebné poznať štatistické
charakteristiky tlmenia signálu, frekvenciu a trvanie výpadkov signálu v oblasti poskytovanej
služby (mesta, predmestia a vidiek).
64
Rádiové vlny odrazené od hôr, budov, mostov interferujú s priamym signálom z družíc pritom
zapríčiňujú amplitúdové a fázové zmeny v prijímanom signáli.
Šírenie signálov pre námorné terminály
Viaccestný únik zapríčinený odrazmi od morskej hladiny môže veľmi ovplyvňovať
námorné MDS, hlavne pri malých elevačných uhloch. Charakter únikov závisí od zisku
antény lodnej pozemnej stanice, elevačného uhla, stavu morskej hladiny (rozbúrená,
pokojná).
Šírenie signálov pre letecké terminály
Šírenie rádiových vĺn v leteckých družicových kanáloch je priaznivejšie v námornej
doprave, pretože tu neexistujú prekážky medzi družicou a leteckou stanicou. Pri malých
elevačných uhloch a pri použití antény s malým ziskom sa aj tu objaví viaccestný únik
signálu, zapríčinený odrazom od mora alebo od povrchu zeme. Frekvencia výskytu týchto
únikov je však oveľa menšia ako v lodnej doprave.
V leteckých MDS musí demodulátor sledovať prijímaný signál a odstrániť
skreslenie spôsobené Dopplerovým javom (veľká rýchlosť pohybu terminálu) digitálneho
spracovania signálu alebo pomocou pilotného signálu.
Straty šírením vo voľnom priestore
Výpočet pomeru S/N pre družicový spoj je nevyhnutný na zistenie vzťahu medzi
vysielaným a prijímaným výkonom. Výkon prijímaného signálu Pr môžeme vyjadriť
nasledovným vzťahom:
(5.1)
Straty vo voľnom priestore v dB môžeme vyjadriť vzťahom:
(5.2 )
kde Pt - vyžiarený výkon
Gt,Gr – zisk vysielacej a prijímacej antény
d - vzdialenosť
λ - vlnová dĺžka
65
Lj - straty vo voľnom priestore
Tlmenie dažďom
Tlmenie dažďom je spôsobené pohltením a rozptylom rádiových vĺn na vodných
kvapkách, čo môže znehodnotiť družicový spoj na frekvenciách nad 10 GHz, pretože rastie
šumová teplota. Pretože väčšina MDS používa L pásmo a S pásmo, tlmenie dažďom nemá
taký veľký význam. Avšak toto neplatí pre družicový spoj, ktorý používa frekvencie nad 10
GHz, napríklad Ku a Ka pásmo.
Funkčná dostupnosť je definovaná ako percento času, počas ktorého je hodnota
pomeru (S/N) väčšia ako určená hodnota. Táto funkčnosť (možnosť prístupu k službám) je
zabezpečená určitým prebytkom v pomere (S/N), v bilancii spoja.
Budúce MDS budú používať Ka pásmo alebo pásmo mm vĺn pre družicové spoje. V
tomto prípade tlmenie dažďom môže výrazne ovplyvniť prenos signálu v zostupnom aj
vzostupnom smere.
Ionosférické iskrenie
Vplyv ionosférických javov je významný na frekvenciách pod 1 GHz. Ionosférické
skreslenie zapríčiňuje krátkodobé rýchle výpadky signálu a je spôsobené nehomogenitami v
ionosfére vo výškach 200 až 600 km. Frekvencia výpadkov závisí od stavu ionosféry, ale
tlmenie sa mení približne so štvorcom vlnovej dĺžky. Tento jav je významnejší pre menšie
frekvencie a menšie výšky. V pásmach L a S môže byť tento jav ignorovaný v stredných
výškach okrem obdobia slnečnej aktivity.
Faradayova rotácia
Polarizačná rotácia lineárne polarizovaných vĺn spôsobená prítomnosťou voľných
elektrónov a magnetického poľa Zeme medzi družicou a komunikačnou stanicou na Zemi sa
označuje ako Faradayova rotácia. Vzhľadom na absolútne množstvo elektrónov sú uhly
polarizačnej rotácie približne 70° pri frekvencii 850 MHz a 20° pri 1,6 GHz. Ak sa lineárne
polarizovaná vlna využíva pri prepojení Zem – družica, dôjde k pomerne výraznej strate
úrovne signálu (9,3 dB pri 850 MHz a 0,5 dB pri 1,6 GHz). Vyhnúť sa tomuto efektu je
možné použitím kruhovo polarizovaných signálov alebo vyšších frekvenčných pasiem.
66
Energetická bilancia družicového spoja Zisk antény
Zisk antény je dôležitý údaj, ktorý je potrebný pri posudzovaní možného rušiaceho
vplyvu susedných družíc, a preto má vplyv aj na ďalšie parametre družicového spoja. Zisk
antény (vztiahnutý k izotropnému žiariču) závisí od plochy prijímacej antény a môžeme ho
vyjadriť vzťahom pre PFA anténu (Prime Focus Antenna) so žiaričom v ohnisku paraboly:
(5.3 )
η - účinnosť daná konštrukciou antény (55 % až 70 %),
λ - vlnová dĺžka prijímaného signálu,
D - priemer antény [m].
Tento typ antény má maximálny zisk v hlavnej osi vyžarovacieho diagramu (obr. 5.1)
Obr. 5.1 Vyžarovací diagram PFA antény
67
Výkonové straty
V ideálnom prípade pri prenose signálu medzi vysielacou a prijímacou anténou pôsobí
na signál iba tlmenie vo voľnom priestore. Toto tlmenie spôsobené prenosovou cestou
môžeme určiť pomocou vzťahu (5.1).
Tlmenie signálu pri šírení voľným priestorom medzi dvomi izotropnými anténami
môžeme určiť podľa vzťahu (5.2). V reálnych aplikáciách sa pre GEO družice toto tlmenie
pohybuje pre pásmo 4/30 GHz od 195 do 213 dB.
V skutočnosti je potrebné brať do úvahy rôzne javy pôsobiace na signál vo voľnom
prostredí. Vzťah medzi prijímaným a vysielaným výkonom môžeme prepísať do
všeobecného tvaru:
(5.4)
Tento vzťah zahŕňa všetky straty pôsobiace na signál a môžeme ich opísať vzťahom:
L= LFS x LA (5.5)
LFS, potom predstavuje straty voľného priestoru a LA prídavné straty, ktoré môžeme rozdeliť
do nasledujúcich časti:
LA = LFT x AAG x ARAIN x LPOL x LPOINT x LFR (5.6)
LFT - straty medzi výstupom vysielača a vysielacou anténou (tlmenie napájačov, výhybiek a
pod.).
AAG - tlmenie zapríčinené atmosférou a ionosférou,
ARAIN - Tlmenie spôsobené dažďom a oblakmi,
LPOL - straty spôsobené zmenou polarizácie medzi vysielacou a prijímacou anténou,
LPOINT - straty spôsobené nepresným zameraním antény na družicu (prijímacia anténa na
hranici ožiarenej oblasti, zlé zameranie antény, nedokonalá stabilizácia družice).
LFR - straty medzi prijímacou anténou a vstupom prijímača.
68
Na obr. 5.2. sú znázornené straty šírením vo voľnom priestore v závislosti od
frekvencie a vzdialenosti.
Obr. 5.2 Straty šírením vo voľnom prostredí
Tepelný šum
Šum komunikačných systémov vzniká hlavne v elektrických obvodoch a je spôsobený
tepelným kmitaním elektrónov v súčiastkach obvodu rezistentného charakteru. Je známe, že
šumový tepelný výkon nezávisí od konkrétnej hodnoty odporu, ale len od absolútnej teploty T
a šírky frekvenčného pásma B:
(5.7)
kde:
k - Boltzmanova konštanta (1,38x10-23 W/s/K),
T- šumová teplota okolia,
B - šírka frekvenčného pásma.
Odtiaľ výkonová hustota šumu N na jednotku šírky frekvenčného pásma je daná:
N = k.T [W/Hz] (5.8)
Pri výpočte parametrov družicového spoja je vhodnejšie vyjadrenie pomocou
decibelovej mierky.
69
|N| = |k| + |T| = 10log(k)+10log(T) = - 228,6 + 10log(T) [dBW/Hz] (5.9)
Šumová teplota prijímača
Prijímací systém obsahuje kaskádne zapojenie stratových a zosilňovacích obvodov,
ako je ukázané na obrázku 9.4. Signál z družice je prijatý anténou so ziskom G a
ekvivalentnou Šumovou teplotou antény TA.
Obr. 5.3 Kaskádne zapojenie stratových a zosilňovacích obvodov
Celková ekvivalentná vstupná šumová teplota TS na vstupe prijímača môže byť vyjadrená
ako:
(5.10)
kde:
TA - ekvivalentná šumová teplota antény,
TA - ekvivalentná šumová teplota prvého zosilňovacieho stupňa prijímača,
To - referenčná teplota okolia,
L - tlmenie prenosovej cesty.
Činiteľ kvality prijímacej antény
Činiteľ kvality antény je pomer G/T vyjadrený v dBK-1, ktorý slúži na ohodnotenie
kvality antény. Je to dôležitý parameter, pretože napriek tomu, že anténa vykazuje vysoký
zisk, môže byť ešte značne degradovaná vysokou šumovou teplotou. Pre pomer G/T na
vstupných svorkách prijímača platí nasledujúci vzťah, kde pomer GsITS je niekedy
jednoducho označovaný ako G/T:
70
(5.11)
Z tohto vzorca vyplýva, že čím vyššiu hodnotu pomeru GIT dosiahneme, tým kvalitnejší
signál nám anténa dodá na ďalšie spracovanie a tým kvalitnejší bude aj výsledný signál.
Obr. 5.4 Vzťah medzi pomerom G/T a stratami napájacieho vedenia
Vzťah medzi vysielaným a prijímaným výkonom
Vyššie bolo ukázané, že citlivosť prijímača je určovaná pomerom G/T. Ďalej budeme
brať do úvahy, aké množstvo prijatej energie je využiteľné v prijímači.
Obr. 5.5 Pomer medzi vysielaným a prijímaným výkonom
71
Ak budeme uvažovať smerovú vysielaciu anténu, ktorá má v smere na prijímač zisk
GT , potom plošná výkonová hustota PFD (Power Flux Density) je daná vzťahom:
(5.12)
kde:
PT, - vysielaný výkon,
d - vzdialenosť medzi vysielacou a prijímacou anténou.
Súčin GT.PT použitý v predchádzajúcom vzťahu sa nazýva ekvivalentný vyžiarený
izotropný výkon EIRP. Tento výkon predstavuje výkon vyžiarený izotropným žiaričom, ktorý
by vytvoril rovnakú výkonovú hustotu ako družicový vysielač. Môže byť vyjadrený buď v
antilogaritmických alebo decibelových výrazoch:
EIRP = GT.PT [W] (5.13)
|EIRP| = |GT|+|PT| [dBW] (5.14)
Pomer energie vstupného signálu k výkonovej hustote šumu na vstupe antény je možné
vyjadriť vzťahom:
(5.15)
Táto rovnica popisuje kvalitu prijímaných signálov vysielaných z družice k pozemnej stanici.
Následne vzťah predstavuje pomer S/N v dB:
(5.16)
PT - vysielací výkon.
LFS - tlmenie voľného priestoru,
GR - zisk prijímacej antény,
GT - zisk vysielacej antény,
LA - prídavné tlmenie
TS - šumová teplota 10 log (300 K),
72
k - Boltzmanova konštanta 228,6 [ dBWK-1 Hz-1].
V predchádzajúcom vzťahu sme uvažovali pomer S/N pre kanál zostupného spoja. Pre
celkový pomer S/N vzostupného a zostupného spoja platí nasledujúci vzťah:
(5.17)
kde:
I0 - výkonová hustota interferenčného šumu,
NU - výkonová hustota šumu pre vzostupný spoj,
ND - výkonová hustota šumu pre zostupný spoj.
V praxi môže byť niektorý z parametrov menší v porovnaní s ostatnými, a preto môže
byť zanedbaný. Z tejto podmienky potom vyplýva, že celková kvalita komunikačného kanála
je určená najhorším komunikačným spojom [20].
73
6 Služby nového navigačného systému Galileo a návrh nových
možností jeho využitia
6.1 Prvý Galileo prijímač Švajčiarska firma U-blox je prvá, ktorá uviedla prvý prijímač pre Galileo. Prvé vzorky
nazvané u-blox by sa mali stať dostupnými v prvom kvartáli roku 2007. Tento prijímač pre
navigačné systémy bude ako prvý vedieť spracovať signály z (ešte nespusteného) Galilea.
Prijímač bude zo začiatku používať signály z GPS družíc, ale je plne pripravený pre
nový systém Galilea, ktorý je ešte v štádiu výstavby. Akonáhle sa spustí Galileo,
mikroprogramové vybavenie u-blox 5 môže byť aktualizované a bude automaticky prijímať
nový signál.
Technologický pokrok z navigačných systémov postupuje až príliš rýchlo, a hranice
aktuálneho GPS systému ešte nie sú preskúmané. Jeden z posledných vývojových trendov v
tejto oblasti je slávny SiRF Star III PND (Personal navigation device) chipset, ktorý umožňuje
tieto zariadenia lokalizovať rýchlejšie a presnejšie ako predchádzajúci starší model chipsetu.
Len čo bude systém Galilea funkčný, pokrok v tejto oblasti bude silnejší. U-blox 5
chipset využívajúci Galilea, bude používať 50-kanalový prijímač na určenie polohy.
Porovnanie: SiRF Star III môže využívať maximálne "len" 20 kanálov. S použitím týchto 50
kanálov a najmenej jedného milióna kolorácií, u-blox dokáže obnoviť polohu za menej ako
jednu sekundu. Rovnako ako GPS a Galileo, u-blox chipset funguje taktiež s WAAS, EGNOS
a MSAS.
Obr. 6.1 Prvý Galileo prijímač Obr. 6.2 Chipset SiRF Star III
Galileo
Spustenie Galilea je plánované na rok 2011. To bude vyžadovať celkovo 30 družíc, z
toho 27 aktívnych a 3 ako náhradné. V decembri minulého roku bola vypustená prvá družica.
Galileo je projekt Európskej únie a znamená vymeniť (a zlepšiť) existujúci GPS systém.
74
Tento skorší GPS je systém USA, ktorý bol pôvodne vytvorený pre vojenské účely. Ale dnes,
ho môže ktokoľvek použiť, a ako vieme je to základ pre aktuálne navigačné systémy.
Galileo sa zlepší oproti GPS v niektorých oblastiach, napr. presnejšie určenie polohy,
lepší príjem v oblastiach blízko k severnému alebo južnému pólu. S aktuálnym GPS
systémom je severne od Škandinávie zlý príjem GPS signálu. S novým Galileo systémom je
možná obojsmerná komunikácia medzi družicami a používateľom na zemi. Toto môže byť
spôsob, akým sa prenášajú núdzové signály a mohli by tak pomôcť napríklad záchranárom
[21]. Základná charakteristika požiadaviek pre prijímač Galileo
Počet služieb a ich použiteľnosť bude závisieť od týchto podmienok :
- koľko signálov je schopné dané zariadenie prijímať naraz (z koľkých satelitov)
- s koľkými druhmi signálov bude zariadenie schopné pracovať (rôzne služby rôzne
kanále)
- s koľkými navigačnými systémami bude schopné naraz pracovať alebo kombinovane
pracovať (GPS, GALILEO, GLONASS) .
6.2 Základné rozdelenie služieb
Zaujímavosťou navigačného systému Galileo je to, že by mal vysielať 5 rôznych typov signálov:
− verejný dostupný zdarma a pre každého − kódovaný na komerčné využitie − zabezpečený signál napríklad na presnú navigáciu lietadiel alebo lodí − signál pre pátranie na mori a v nehostinných oblastiach − šifrovaný pre potreby európskych štátov.
Nasledujúce služby budú poskytované celosvetovo a nezávisle na ostatných systémoch, a
to využívaním len Galileo signálov z družíc:
- základná služba
- služba "kritická" z hľadiska bezpečnosti
- komerčná služba
- verejne regulovaná služba
75
- vyhľadávacia a záchranná služba.
• Základná služba (Open Service - OS) vychádza z kombinácie základných signálov,
je poskytovaná zadarmo a poskytuje určenie polohy a času porovnateľnej kvality s
ostatnými GNSS systémami. Pre OS služby nebudú Galileo prevádzkovatelia niesť
žiadnu záruku a zodpovednosť za dostupnosť signálu.
• Služba "kritická" z hľadiska bezpečnosti (Safety of Life service - SoL) je
vylepšenou verziou Základnej služby. Poskytuje aktuálne varovanie užívateľa, ak sú
prekročené určité limity presnosti polohy (tzv. integrita). Predpokladá sa, že pre tú to
službu bude poskytovaná záruka. Služba bude mať zabezpečenú certifikáciu
a garanciu.
• Komerčná služba (Commercial Service - CS) umožní prístup k ďalším dvom
navigačným a dátovým signálom s vysokou prenosovou rýchlosťou, čo zvýši
navigačnú výkonnosť používateľa a umožní poskytovanie doplnkových dátových
služieb. Komerčná služba sa orientuje na komerčné aplikácie vyžadujúce vyššiu
navigačnú presnosť, akú poskytuje služba OS. Služba využíva okrem voľne
prístupných signálov aj dva ďalšie v pásme E6 s riadeným prístupom. Komerčná
služba využívajúca miestne či regionálne prvky môže napríklad zahŕňať
vysokorychlostný prenos dát, garanciu služby, presné určenie času a aktuálny model
ionosférického oneskorenia spolu s miestnymi diferenčnými korekciami pre
zabezpečenie extrémne presného určovania polohy. Parametre komerčnej navigačnej
služby doteraz neboli presne definované, ale pri využití len signálov satelitov sa
zrejme nebudú veľmi líšiť od parametrov služby SoL. Signály CS služby sú chránené
komerčným kódom, ktorý bude riadený firmami ponúkajúcimi tieto služby a Galileo
prevádzkovateľmi. Prístupová kontrola je realizovaná na úrovni prijímača pomocou
prístupového kódu.
• Verejne regulovaná služba (Public Regulated Service - PRS) bude zaisťovať
určovanie polohy a času s kontrolovanou licenciou "VIP" užívateľom vyžadujúcim
vysokú kontinuitu (spojitosť) služby. Prístup k tejto službe bude kontrolovaný
(zákazníkmi bude napr. polícia alebo armáda). V rámci tejto služby budú poskytované
dva PRS navigačné signály zo zašifrovanými kódmi (merajúcimi vzdialenosť) a dáta.
Galileo družice budú súčasťou medzinárodného systému COSPAS-SARSAT. Preto sa ako
piata služba Galileo uvádza:
76
Vyhľadávacia a záchranná služba (Search And Rescue service - SAR), i keď ide o
službu zaisťujúcu prevažne vyššie spomenuté systémy. Galileo družice budú dôležitou
súčasťou tzv. MEOSAR systému (Medium Earth Orbit Search and Rescue system -
vyhľadávací záchranný systém využívajúci družice na strednej obežnej dráhe).
Družice budú schopné prijímať núdzové signály z lodí, lietadiel alebo dokonca od
osôb a okamžite ich posielať do národných záchranných centier. Záchranné centrá tak
získajú presné určenie polohy miesta nehody (nešťastia). Aspoň jedna družica Galileo
bude viditeľná z akéhokoľvek bodu na Zemi, takže núdzový poplach bude vyhlásený
takmer v reálnom čase. V niektorých prípadoch môže byť k vysielaču odoslaná spätná
správa (tento "feedback" bude zaisťovaný len družicami Galileo) [12],[22].
6.3 Porovnanie parametrov služieb
ZÁKLADNÁ SLUŽBA / OPEN SERVICE Nosné frekvencie Jednofrekvenčné Dvojfrekvenčné
Integrita Nie je garantovaná
Typ
prijímača
Ionosférické korekcie
Jednoduchý model
Založený na
dvojfrekvenčnom
meraní
Pokrytie Globálne
Presnosť (95%) H : 15 m
V : 35 m
H : 4 m
V : 8 m
Hranica výstrahy
Čas do výstrahy
Integrita
Riziko straty integrity
Nie je použitá
Dostupnosť 99.8%
Tab. 6.1 Parametre základnej služby
77
SLUŽBA "KRITICKÁ" Z HĽADISKA BEZPEČNOSTI / SAFETY OF LIFE SERVICE
Nosné frekvencie Trojfrekvenčná
Integrita Použitá
Typ
prijímača
Ionosférické korekcie
Založené na dvojfrekvenčnom meraní
Pokrytie Globálne
Kritická úroveň Nekritická úroveň
Presnosť (95%) H : 4 m
V : 8 m H : 220 m
Hranica výstrahy H : 12
V : 20 m H : 556 m
Čas do výstrahy 6 s 10 s
Integrita
Riziko straty integrity
3,5x10-7/150 s 10-7 h
Dostupnosť integrity 99,5 %
Dostupnosť presnosti 99,8 %
Tab. 6.2 Parametre Služby "kritickej" z hľadiska bezpečnosti
KOMERČNÁ SLUŽBA / COMERCIAL SERVICE Nosné frekvencie Trojfrekvenčná
Integrita Použitá
Typ
prijímača
Ionosférické korekcie
Založené na dvojfrekvenčnom meraní
Pokrytie Globálne
Kritická úroveň Nekritická úroveň
Presnosť (95%) H : 1 m
V : 0,1 m H : 220 m
Hranica výstrahy H : 12
V : 20 m H : 556 m
Čas do výstrahy 6 s 10 s
Integrita
Riziko straty integrity
3,5x10-7/150 s 10-7 h
Dostupnosť integrity 99,5 %
Dostupnosť presnosti 99,8 %
Tab. 6.3 Parametre komerčnej služby
78
VEREJNE REGULOVANÁ SLUŽBA/ PUBLIC REGULATED SERVICE
Nosné frekvencie Dvojfrekvenčná
Integrita Použitá Typ
prijímača
Ionosférické korekcie
Založené na
dvojfrekvenčnom meraní
Pokrytie Globálne
Presnosť (95%) H : 6,5 m
V : 12 m
Hranica výstrahy H : 20 m / V : 35 m
Čas do výstrahy 10 s
Integrita
Riziko straty integrity 3,5 x 10-7/150 s
Dostupnosť 99,5 %
Časová zhoda. UTC/TAI 100 ns
Tab. 6.4 Parametre verejne regulovanej služby
VYHĽADÁVACIA A ZÁCHRANNÁ SLUŽBA / SEARCH AND RESCUE SERVICE
Dynamika prijímača rýchlosť < 3000 km/h
zrýchlenie < 150 m/s2
chvenie < 100 m/s3
Horizontálna presnosť (95%) 6,5 m
Vertikálna presnosť (95%) 12 m
Presnosť merania rýchlosti (95%)
0,2 m/s
Limit výstrahy H : 20 m / V : 35 m
Čas do výstrahy 6 sekúnd
Integrita
Riziko straty integrity
3,5 . 10-7 / 150 s
Riziko nespojitosti služby 10-5 / 15 s
Certifikácia a garancia služby
Zaistená
Dostupnosť > 99,5 %
Tab. 6.5 Parametre vyhľadávacej a záchrannej služby [10],[12]
79
Obr. 6.3 Celková koncepcia systému Galileo
6.4 Návrhy služieb do budúcnosti Vo všetkých nižšie uvedených oblastiach sme navrhli technické riešenie a služby,
ktoré bude systém Galileo umožňovať.
• Cestná doprava
• Železničná doprava
• Lodná doprava
• Letecká doprava
• Oblasť poľnohospodárstva
• Oblasť geodézie
• Služby pre širokú verejnosť
• Ďalšie služby 6.4.1 Cestná doprava
V súčasnosti sa hlavný dôraz v tomto odvetví kladie na dynamické vedenie vozidla po
trase. Navigačné systémy zabudované vo vozidlách musia vykonať nasledujúce operácie:
- určenie polohy vozidla
- výpočet optimálnej alebo reálnej trasy
- poskytnutie odporúčaní z centrály vodičovi podľa momentálnej polohy vozidla.
80
Podľa použitia vo vozidle delíme navigačné systémy na:
a) pasívne a
b) aktívne.
a)Pasívne systémy
Pri pasívnych navigačných systémoch vodič využíva navigačný prístroj len na
určovanie polohy vozidla, napríklad aj na podklade digitálnej mapy oblasti, v ktorej sa
pohybuje. V tomto prípade nedostáva informácie ako sú dopravné informácie na cestách,
čerpacie stanice, reštaurácie atď. Pasívne navigačné systémy využívané v automobilovej
doprave sú bez priamej komunikačnej cesty na dispečing.
b)Aktívne systémy
Vodič v komplikovaných situáciách potrebuje okrem poznania presnej polohy svojho
vozidla aj iné dôležité informácie, ako sú dopravné nehody, požiadavky na parkovacie plochy,
voľné hotely, kultúrne programy a pod. Tieto informácie ale môže zistiť vodič len vtedy, ak je
napojený na príslušnú centrálu.
Pohyb vozidiel v dopravných prúdoch sa zaznamenáva automaticky a prenáša sa
prostredníctvom komunikačného systému do dispečerského centra, v ktorom počítač
zhromažďuje všetky údaje, na základe ktorých je schopný modelovať aktuálnu dopravnú
situáciu a tieto údaje odovzdávať vodičovi. Údaje z pohybujúcich sa vozidiel do
dispečerského centra môžu byť: aktuálne prepravné údaje (doba jazdy, doba čakania), správy
o nebezpečenstvách (hmla, námraza), strategické prepravné údaje (typy vozidiel, cieľové
miesta jazdy), porucha v preprave atď. Napríklad z údajov ako sú stav vozidla, vozovky a
premávky môže optimalizovať rýchlosť vozidla, vstrekovanie paliva a pod. Sledovanie
dopravy môže byť veľmi dôležité pri nehodách, kde vďaka presnému určeniu polohy a
presných časových údajoch je možné zabezpečiť veľmi rýchlu pomoc. Satelitný systém
Galileo bude mať v budúcnosti aj tu spolu s GPS široký záber uplatnenia od riadenia
inteligentného vozidla schopného analyzovať nebezpečné situácie, zabraňovať dopravným
nehodám, riešiť všetky manévre vozidla, cez využitie v hromadnej doprave, mestskom
manažmente po dispečerské riadenie v kamiónovej doprave a elektronické vyberanie
poplatkov EFC (Electronic Fee Collection). Práve metóda použitia satelitných systémov je
doteraz zrejme najvyspelejšou pre potreby spoplatňovania ciest a diaľnic.
81
Signál odosielaný zo satelitov prijímajú palubné jednotky vo vozidlách. Môžeme tak
sledovať jednotlivé vozidlá, ale aj prejdenú trasu. Ku konkrétnej ceste je priradená určitá
tarifa, pomocou ktorej sa na základe prejdených kilometrov vypočíta mýtne, a to musí vodič
zaplatiť. Palubná jednotka dokáže zhromažďovať mapy jednotlivých krajín, ako aj ich tarify.
Rovnako ukladá aj záznamy o prejdených úsekoch v časovom období zhruba do 14-tich dní
pre prípad, že by sa porušilo komunikačné zariadenie. Okrem tejto metódy elektronického
mýta však už v Európe v praxi fungujú mikrovlné technológie pri tarifikácii. Pre mnohých
vodičov sa tak vynára obava, či nebudú musieť nosiť naraz niekoľko zariadení vo svojom
vozidle. Vzhľadom na vyššiu váhu nákladných vozidiel a teda aj väčšie poškodzovanie
vozovky sa systém elektronického spoplatnenia ciest zavádza vo viacerých krajinách najskôr
práve pre túto kategóriu [10].
6.4.2 Železničná doprava
V súčasnej dobe je už zrejmé, že satelitný systém Galileo bude hrať významnú úlohu v
moderných železničných zabezpečovacích systémoch v nasledujúcich desaťročiach . Očakáva
sa, že satelitná navigácia bude implementovaná do európskeho vlakového zabezpečovacieho
systému ETCS na koridorových tratiach v podobe tzv. virtuálnych batíz i do lacnejších
zabezpečovacích systémov pre vedľajšie alebo izolované trate. Jedným zo súčasných
celosvetových trendov v oblasti železničného výskumu a vývoja je snaha, prvky a zariadenia
umiestnené v koľajisku ( zabezpečovacie systémy mechanické, elektromechanické, koľajové
obvody autobloku atď. ) ak možno eliminovať. Tento trend je založený na myšlienke, že
poloha a rýchlosť vlaku, od ktorých sa odvíja riadenie, budú stanovené na základe satelitného
určenia polohy. Je mimoriadne veľký záujem o to, použiť tento prepracovaný systém pre
aplikácie kritické z hľadiska bezpečnosti, a to všeobecne v pozemnej doprave, vrátane
dopravy železničnej. Presnosť systému Galileo v móde SoL (Safety oj Lije Services), ktorý je
rovnako určený pre železničnú dopravu, by mala s lokálnymi komponentmi dosiahnuť
hodnotu lepšiu než 1 m. Pri vzdialenosti osi dvoch susedných koľaji 4 až 5 m je táto presnosť
dostatočná pre rozlíšenie, na ktorej z dvoch susedných koľají sa vlak nachádza.
V prípade dočasného výpadku satelitného navigačného signálu SIS (Signal-in-Space)
je absolútne určenie polohy nahradené relatívnym na základe fúzie dát z palubných senzorov,
ako sú odometer (snímač prejdenej dráhy), gyroskop, akcelerometer atď. Dáta z jednotlivých
senzorov sú zlúčené za použitia Kalmanovej filtrácie. Relatívna poloha vlaku sa týmto
spôsobom určuje od poslednej overenej absolútnej polohy poskytnutej prijímačom GNSS.
Prekážkou ako GPS, tak i GLONASS ako samostatných navigačných systémov je, že
82
neposkytujú informáciu o tom, či môže byť satelitná navigácia v danom okamihu využitá pre
aplikácie kritické z hľadiska bezpečnosti - teda i pre riadenie vlaku. Túto informáciu a ďalšie
údaje však v súčasnej dobe poskytuje systém zvaný EGNOS. Neskôr keď bude EGNOS
integrovaný do systému Galileo, bude v službe SoL s lokálnymi komponentmi garantovaná
hodnota rizika integrity s dobou výstrahy 1 s. To sa zdá byť dostatočne i pre použitie v
železničnej zabezpečovacej technike. Na základe súčasných skúseností je možné odhadnúť, že
kombinovaný prijímač pre systémy GPS a Galileo bude schopný i na vedľajších tratiach v
lesnatých a hornatých oblastiach prijať signál od najmenej šiestich satelitov. V staniciach
bude schopný prijať aspoň dvanásť satelitov. To je dostatočné pre určenie polohy vlaku,
vrátane detekcie behom smerovania na výhybkách. Použitie viacfrekvenčných prijímačov
GNSS ďalej zvýši presnosť a stabilitu určenia polohy. I tak však môžu zostať niektoré traťové
úseky nepokryté SIS. V tomto prípade budú použité pozemné pseudolity, t.j. rádiové majáky,
ktoré vysielajú na rovnakých kmitočtoch (Ll) signál nahradzujúci SIS.
Pravdepodobne najťažšou úlohou spojenou s lokalizáciou vlaku je zmenu smeru
pohybu vlaku na výhybkách v rádiovom tieni (tj. pod mostom, v tuneli atď.), prípadne ak
musí byť smerovanie vlaku detekované ihneď potom, čo vlak prešiel traťový úsek v rádiovom
tieni dĺžky niekoľko kilometrov. Preto bola vyvinutá nová metóda, ktorá pracuje s už
existujúcou presnou mapou osy koľaje a s údajmi z gyroskopu a odometra. Metóda používa
tzv. dvojité diferencie smeru, ktoré sú v podstate rozdielom medzi zmenou smeru nameranou
gyroskopom a zmenou smeru vypočítanou z mapy osy koľaje [23].
6.4.3 Lodná doprava
V oblasti vodnej dopravy sa satelitné systémy používajú veľmi intenzívne a už
dlhodobo pre potreby navigácie plavidiel. Z realizačného hľadiska určovanie polohy plavidiel
má iný charakter v podmienkach vnútrozemskej plavby a iný na mori.
Na vlastné určovanie polohy plavidla sa môžeme z hľadiska účelu pozerať z dvoch
rôznych pohľadov. Prvým je určenie okamžitej polohy pre vlastnú potrebu ako informácie
nevyhnutnej pre ďalšie vedenie samotného plavidla. Druhým je získanie celkového prehľadu
o rozmiestnení jednotlivých lodí tvoriacich spolu flotilu, ktorá má splniť stanovené úlohy.
Rôzne požiadavky na presnosť bude vyžadovať plavba na mori. Inú presnosť bude vyžadovať
plavba na prístupových trasách k veľkým námorným prístavom, riečna plavba v
exponovaných miestach ako sú úžiny, prielivy, jazerá, ktoré sú súčasťou námorných trás. Z
uvedeného vyplýva, že presnosť námornej navigácie je rôzna od niekoľko metrov (navigácia
na pobreží, v prístave a riečna navigácia) po niekoľko sto metrov (traťová navigácia). Ako
83
názorný príklad integrácie komunikačných, navigačných, výstražných, bezpečnostných a
riadiacich funkcií môže slúžiť námorný integrovaný palubný systém GMDSS (Global
Maritime Distress and Safety System), bez ktorého sa dnes riadenie veľkej lode určenej pre
neobmedzenú plavbu prakticky už ani nezaobíde. Veľmi dôležitým využitím je pátranie a
záchrana v námornej doprave. Použitím satelitnej navigácie sa zvýši úroveň pátrania
a záchrany. Pri tomto spôsobe ide o automatické nepretržité predkladanie správ a
identifikovanie polohy plavidiel priamo z ich paluby. Pri prevádzke na šírom mori
zabezpečuje dôslednosť a spoľahlivosť nezávislých správ o polohe plavidiel, ktoré sa len
sporadicky vysielajú pomocou hlasovej komunikácie. Komunikácia prebieha cez satelitný
systém Inmarsat, ktorý môže identifikovať aj núdzovú polohu plavidla, ktoré vysiela núdzové
signály geostacionárnym satelitom Inmarsat .
6.4.4 Letecká doprava
Letecká doprava, tak ako ostatné formy dopravy, potrebuje navigáciu na zabezpečenie
bezpečnosti ľudí a aj materiálnych hodnôt. Letecká prevádzka pozostáva z letových fáz, na
ktorých je potrebné zabezpečiť požadovanú navigačnú výkonnosť (RNP), ktorá špecifikuje
požiadavky na presnosť, spoľahlivosť údajov, nepretržitosť a dostupnosť signálov. V súčasnej
dobe sa pre fázu presného priblíženia používajú systémy ILS a MLS. Konkrétny satelitný
navigačný systém GPS sa používa na presné priblíženie a pristávanie len pre kategóriu I
presného priblíženia. EGNOS a GALILEO by mal v budúcnosti pomáhať pilotom vo
všetkých vzletových fázach, z pozemného pohybu do miesta vzletu cez navigáciu po trase až
po pristátie počas všetkých poveternostných podmienok. GALILEO s pomocou pozemných
lokálnych komponentom pravdepodobne uspokojí potreby presnosti v letecko-navigačných
normách [15].
Obr. 6.4 Využitie
navigačného systému
v doprave
84
6.4.5 Oblasť poľnohospodárstva
Navigácia môže byť užitočná aj pri výrobe a používaní hnojív a kontrole pri ich
aplikovaní, čo môže byť nápomocné i v oblasti ochrany životného prostredia. Pri
poľnohospodárskych aplikáciách a vyžaduje vysoká presnosť, preto je potrebné použiť
DGPS. V nadväznosti na informácie o odoberaní živín, údaje o počasí, analýzy pôdnych živín
a údaje z pôdnych máp sú základom pre prognózu potrebného množstva osiva a hnojiva
presne podľa miestnych špecifík. Okrem využitia v navigácii rybárskych lodí je možné
systém Galileo aplikovať aj na monitorovanie stavu rýb a kontroly, či nedochádza k loveniu
rýb aj v zakázaných oblastiach. Ďalej prijímač GNSS vybavený zdrojom energie a zvyčajne
telemetrickým zariadením sa upevňuje na telo zvieraťa za účelom získavania údajov o mieste
výskytu zvierat. Vďaka použitiu ďalšieho doplnkového zariadenia môžu byť vysielané
doplnkové relevantné údaje (zdravotný stav zvierat a pod.). V lesníctve systém tiež poskytne
vlastníkom lesa a plánovacím úradom nové spôsoby zberu dát a ich analýzy, keď bude
optimálne využitá kombinácia terénneho prieskumu, nových zdrojov informácie a analýzy k
tomu, aby mohli pripraviť lesný hospodársky plán efektívnejšie, rýchlejšie a lacnejšie. Taktiež
môže prispieť k integrácií priestorových dát ako sú družicové obrazy alebo poslúži ako
ochrana pred lesnými požiarmi .
Obr. 6.5 Príklad použitia
prijímača v
poľnohospodárstve
6.4.6 Oblasť geodézie
Satelitné polohové systémy priniesli úplne novú kvalitu aj do tejto oblasti. Aplikácie v
oblasti geodézie a mapovania sa líšia predovšetkým v nárokoch na presnosť určovania
polohy, pretože na presnosť sú kladené vysoké nároky.
Výhody používania GNSS v geodézii :
- nemusí byť priama viditeľnosť medzi určovaným a vzťažným bodom
- meranie je takmer nezávislé od počasia
- nepretržitá možnosť merania
- ekonomicky efektívne meranie vyplývajúce z rýchlosti merania
- ľahké dosiahnutie geodetickej presnosti
85
- možnosť merania v reálnom čase a pod.
Nevýhody používania GNSS:
- musí byť zaistená priama viditeľnosť oblohy,
- väčšie nároky na plánovanie činnosti a na logistické zaistenie
- trojrozmerné súradnice určené prijímačom musia byť prepočítané do národných
referenčných systémov,
- vysoké vstupné náklady a pod [24].
6.4.7 Služby pre širokú verejnosť
V tejto časti by sme radi poukázali na budúce smerovanie služieb, ktoré bude systém
Galileo podporovať. Postupom času sa technológie vyvíjajú, najprv sú v štádiu prototypov,
neskôr sú používané dôležitými inštitúciami (armáda, výskum atď.), až nakoniec technológie
zlacnejú a stanú sa dostupnejšími pre širokú verejnosť.
Automobilový priemysel
V dnešnej dobe vývoj nových technológií napreduje a nie je to inak ani
v automobilovom priemysle. Európska únia zavádza rôzne opatrenia a podmienky pre
výrobcov, ktoré musia integrovať do svojich automobilov a aké všetky kritériá musia spĺňať.
Predovšetkým, aby každé zariadenie spaľujúce fosílne palivá spĺňalo prípustné hodnoty CO2 ,
ktoré nesmie prekročiť prípustnú hranicu z dôvodu šetrenia životného prostredia a priaznivo
vplývalo na život obyvateľstva. Ďalšie a nemenej dôležité kritérium je dôraz na bezpečnosť
cestujúcich na cestách a ľudí v automobile. Je škoda, že všetky nové technológie
a vymoženosti sú iba v najdrahších modeloch áut (toto je presne ten istý postup, ako už bolo
vyššie uvedené - najprv sa všetky dostupné technológie integrujú do nových modelov
a postupom času aj do nižších tried).
Systém, na ktorý nadviažem, sa momentálne používa a je to navigácia v automobiloch,
ktorá už v dnešnej dobe nie je ničím výnimočným. Vďaka nižším nadobúdacím nákladom si
ho už môže dovoliť takmer každý a to je hlavná výhoda tohto systému. Starší systém GPS ako
aj jeho nasledovateľ túto funkciu má, ale čím sa podstatne tieto systémy líšia je núdzový
kanál, ktorý budú môcť využívať aj zariadenia, ktoré nebudú štandardne integrované a pritom
budú mať túto službu. Ako už z pomenovania vyplýva, bude tento kanál určený iba v prípade
nebezpečenstva a dopravnej havárie. Tento systém bude monitorovať určité parametre, ktoré
budú preňho kľúčové a tak zabezpečí neustále kontrolovanie stavu vozidla a môže zachrániť
život privolaním prvej pomoci cez satelity Galilea.
86
Toto zariadenie môže byť pripojené na rôzne druhy snímačov (tlak, gyroskop, teplota)
alebo pripojené k hlavnému palubnému počítaču, kde sú tieto informácie bežne snímané. Ak
by sa napríklad pri náraze na prekážku aktivovali airbagy, vyšle sa zároveň hlásenie cez
núdzový kanál a na miesto nešťastia príde podľa potreby prvá pomoc a aj polícia.
Tento princíp sa môže použiť aj v dopravných prostriedkoch ako sú autobusy,
motocykle, lietadlá a iné [25].
Obr. 6.6 Využitie bezpečnostného kanála SAR v
prípade dopravnej nehody
Osobné zariadenia – Pre záchranu života pri športových aktivitách
Osobné zariadenie môžu mať rôzne funkcie a vyhotovenie podľa ich využitia. Ich
vyhotovenie musí byť účelné a dostupné pre širokú verejnosť.
Veľakrát sa v médiách dozvieme o tragickej nehode alebo nešťastí pri zimných
športoch, keď napríklad padne lavína, alebo nájdu zmrznutého turistu hlboko v lese, ktorý sa
tam zranil a nedokázal privolať pomoc. Tomuto všetkému sa dá predísť použitím osobného
zariadenia, ktoré bude mať turista pri sebe a v prípade potreby sa aktivuje núdzový kanál.
Toto zariadenie bude súčasťou výstroja, ktoré bude využívať systém Galileo. Integrácia
týchto zariadení nie je náročná, keďže ich veľkosť nie je prekážkou a dajú sa implementovať
do rôznych predmetov osobnej potreby napr. do zimnej bundy, vesty, lyžiarskeho overalu
alebo ruksaku.
Obr. 6.7 Príklad integrácie prijímača Galileo
ako súčasť veci bežného použitia
87
Osobné zariadenia – Pre monitorovanie v bežnom živote
Dnešná doba a spôsob života v rozvinutých krajinách má za následok, že sa ľudia
dožívajú vyššieho veku ako naši predkovia pred niekoľkými storočiami. Toto je pozitívne,
avšak na strane druhej vznikol problém so starostlivosťou o starších osamelých ľudí, ktorí
potrebujú našu pomoc. Či sa už jedná o starších ľudí, ktorí žijú sami, ľudí trpiacich dlhodobou
chorobou, alebo telesne postihnutých, je potrebné týchto všetkých zaopatriť, ale kvôli
nedostatku financií a personálu to niekedy nie je možné. Toto je jeden z ďalších účelov, pre
ktorý má slúžiť zariadenie monitorujúce rôzne životné funkcie (napr. srdcovú činnosť, tep,
tlak, dýchanie, cukor v krvi, povrchovú teplotu tela, galvanické parametre pokožky,
akcelerácia v dvoch osiach) a včas privolať pomoc. Alebo môže vyhodnocovať zmenu polohy
pomocou malých vysielačov RFID (Rádio frekvenčná identifikácia) na rôznych predmetoch
v domácnosti, ktoré človek najviac používa a to tak, že bude snímať polohu predmetov v čase.
A ak nedôjde k zmene, je pravdepodobné, že sa niečo stalo a je potrebné danú osobu ísť
skontrolovať. Týmto prístupom sa môže predísť nešťastiam alebo dokonca úmrtiam a
efektívnejšie využívať personál k tomuto určený (napr. opatrovateľské služby, rýchla lekárska
a zdravotná pomoc).
Obr. 6.8 Komunikácia medzi zariadením, ktoré sníma životne dôležité funkcie, a pozemnou
monitorovacou stanicou, ktorá v prípade potreby privolá pomoc
88
Osobné zariadenia – Pre zábavu, navigáciu, nakupovanie a voľné chvíle
Čoraz častejšie sa stretneme s reklamou všade okolo nás, tá sa nám ponúka
prostredníctvom billboardov, plagátov a rôznych médií ako sú internet, televízia, časopisy,
rádio. A neskôr sa ňou stali aj prenosné zariadenia, ktoré sa cez rôzne rozhrania ako je GSM
(mobilné telefóny) alebo Wifi v PDA (Personal digital assistant), pripájajú na rôzne služby
týchto sietí. K takýmto zariadeniam už začínajú patriť aj prenosné navigačné zariadenia, ktoré
sú hlavne určené na navigáciu a používame ich počas cestovania (automobilom alebo pri
chôdzi). Výrobcovia do nich integrovali rôzne funkcie, ktoré nám ponúkajú informácie, ako
sú čerpacie stanice, rýchle občerstvenie, motoresty, motely, hotely, odpočívadlá, dopravné
informácie, miesta, kde sa nachádzajú radary a policajné hliadky. Vďaka týmto údajom sú
schopné zmeniť aj pôvodnú trasu, aby ste sa vyhli problémom. V mestách sú dôležité nielen
informácie, ktoré som už spomínal, ale aj ďalšie informácie ako sú voľné miesta na
parkovanie, tarify za parkovanie, parkoviská taxíkov, MHD inteligentné vyhľadávanie
spojenia, akcie a zľavy v jednotlivých obchodoch, banky, reštaurácie, dôležité inštitúcie,
zmenárne, zábavné centrá, obchodné domy, informačné centrá, divadlá či kiná .Všetky dáta sa
nachádzajú na centrálnom serveri, ktorý sa neustále aktualizuje. Ak sa budete nachádzať na
hociktorom mieste, môžete si dať hľadať obchody, ktoré sú vo vašej blízkosti a čo ponúkajú.
Tieto systémy budú zabezpečovať, aby ste mali všetky údaje stále po ruke. Ak by sa stalo
napríklad nešťastie pri dopravnej nehode, alebo by vám hrozilo nebezpečenstvo, môžete
privolať pomoc cez núdzový kanál .
Obr. 6.9 Zariadenie, ktoré bude osobným zariadením pre navigáciu, zábavu a nakupovanie
89
6.4.8 Ďalšie služby
Vyhľadávanie motorových vozidiel a osôb
Systém Galileo zabezpečí, že keď cestujúci nasadne do auta a spustí satelitnú
navigáciu, má prehľad nielen o tom, ako sa dostať k cieľu svojej cesty, ale i o dopravnej
situácií kdekoľvek v Európe. A v prípade, že dôjde k odcudzeniu automobilu, nemusí už ísť o
neriešiteľný problém, pretože družice obratom zistia, kde sa stratené auto nachádza, prípadne
zariadi, aby prestalo fungovať jeho zapaľovanie.
Systém môže využívať špeciálne zariadenia, ktoré budú integrované do dopravných
prostriedkov a budú spolu s bezpečnostnými zariadeniami tvoriť jeden zabezpečovací systém.
Systém môže reagovať napríklad na neoprávnené vniknutie do automobilu, alebo ak sa osoba
neautorizuje, spustí sa stav, ktorý bude vopred navolený používateľom. Môže kontaktovať
majiteľa alebo môže v reálnom čase posielať aktuálnu pozíciu motorového vozidla. Systém je
výhodnejší oprosti GSM alarmom, pretože nebude limitovaný len sieťou GSM a ani
telefónnym operátorom a motorové vozidlo bude možné monitorovať bez obmedzenia po
celom svete.
Táto služba nemusí byť využívaná len na vyhľadávanie motorových vozidiel, ale
môžeme ju ďalej využívať aj ako digitálnu knihu jázd. Táto služba umožní napríklad
efektívnejšie využívať služobné dopravné prostriedky, pretože podnik alebo iná organizácia
bude mať presne pod kontrolou, kde a ako sa využívajú služobné vozidlá. Takto môže
organizácia ušetriť až 20% v porovnaní s nevyužitím tejto služby, a tak znížiť svoje celkové
náklady.
Obr. 6.10
Ukážka
trás, ktoré
prešiel
sledovaný
dopravný
prostriedok
Obr. 6.11 Monitorovanie dopravných
prostriedkov
90
Systém vyhľadávania sa dá využiť aj na vyhľadávanie osôb, pričom sa musí brať do
úvahy miniaturizácia, pretože v tomto prípade nesmie byť zariadenie príliš veľké vzhľadom
na integráciu do malých zariadení alebo do oblečenia. Tak sa dá sledovať poloha osôb všade,
kde je dosah signálu navigačného systému. Táto služba sa dá využiť vo všetkých oblastiach
života.
V skutočnosti toho bude ešte oveľa viac. Napríklad presné riadenie lietadiel vo
vzduchu i pri rolovaní na letiskách, kontrola prepravovaného tovaru či samostatný pohyb
robotov. A taktiež programy, ktoré budú presne ovládať stroje pri zemných prácach alebo
umožnia slepým dokonalú orientáciu v akomkoľvek teréne. Alebo najnovšie vyberania
mýtneho na diaľničných úsekoch, kde bude možne takto platiť diaľničné poplatky v celej
Európe [25].
6.5 Využívanie globálnych polohových systémov Všetky sektory ekonomiky a aj rôzne zložky našej spoločnosti sú ovplyvňované
vývojom družicovej rádionavigácie a predpokladá sa neustály nárast. Trh s produktami a
službami spojenými s touto technológiou, ktorý sa v dnešnej dobe pohybuje rádovo v 10 mld.
€ ročne, rastie ročným tempom 25% a predpokladá sa, že v roku 2020 dosiahne čiastku 300
mld. €. Do roku 2020 sa predpokladajú 3 miliardy aktívnych prijímačov [9].
Využívanie Globálnych polohových systémov v Európe v roku 2000 je zobrazené
v (grafe) obr. 6.12. Z neho je vidieť, že najväčšiu časť trhu s týmito službami pohlcuje
automobilový priemysel, respektíve automobilová navigácia. Na ostatné odvetvia zostáva
približne po 5% trhu.
Predpokladaný vývoj trhu do roku 2010 zobrazuje (graf) obr. 6.13, kde je možné vidieť,
že najväčší podiel na trhu budú mať osobné navigačné prístroje, ktoré budú integrované napr.
do mobilných telefónov, počítačov PDA alebo hodiniek. Automobilovej navigácii zostane
približne 20-percentný podiel na trhu a pre ostatné odvetvia to bude asi 1 percento.
Družicová navigácia sa stane bežnou súčasťou a pravdepodobne aj nepostrádateľným
doplnkom každodenného života občanov, či už ako navigácia v automobiloch alebo
mobilných telefónoch, ale aj napríklad ako systém civilnej ochrany [14].
91
Európsky trh s GNSS v roku 2000
Automobilová navigácia 73%
Námorná doprava 4%
Geodézia 5%
Letecká doprava 5%
Vojsko 5% Iné 3%
Voľný čas 5%
Obr. 6.12 Európsky trh s GNSS v roku 2000
Európsky trh s GNSS, odhad 2006 - 2010
Letecká doprava 1% Geodézia 1%
Námorná doprava 1%
Vojsko 1%
Automobilová navigácia 23%
Voľný čas 1%
Osobné navigačné prístroje 72%
Obr. 6.13 Odhad trhu s GNSS v rokoch 2006 - 2010
92
6.6 Porovnanie existujúcich navigačných systémov a presnosti určovania
polohy NAVSTAR
GPS
GLONASS GALILEO
• 30 operačných družíc
• Milióny užívateľov po
celom svete
• Pôvodne vojenský
systém, ktorý je
sprístupnený pre civilné
využitie
• Bol modernizovaný
• Iba 27 existujúcich
družíc
• Málo civilných aplikácií
• Vojenská kontrola
systému, umožňuje aj
civilné používanie
• 27 operačných družíc + 3
záložné družice
• Ovládaný civilnými
zložkami
• Spolupráca s GPS
a GLONASS
• Vyššia presnosť a viac
poskytovaných služieb a
aplikácií
• Plne dostupný od roku
2011
Tab. č. 6.6 Porovnanie existujúcich navigačných systémov Grafické porovnanie presnosti určenia
horizontálnej polohy, s presnosťou 95%
publikované v [14] sa nachádza na obr. 6.14. Vo
vrchnej časti pre GPS samostatne, v strede je GPS
v spolupráci s Egnos-om a spodná časť zobrazuje
Galileo spolu s GPS a Egnos.
Simulácia bola vykonaná 22.12.2004 vo
Vesmírnom stredisku v Holandsku [14].
Ako možno z obrázku vidieť, využívanie
Galilea spolu s už existujúcimi GNSS bude mať
za následok enormné zvýšenie určovania polohy.
Obr. 6.14 Porovnanie presnosti určenia hor. polohy v[m]
93
Záver Cieľom našej diplomovej práce bolo oboznámiť sa so základnými charakteristikami
nového európskeho navigačného systému Galileo, jeho štruktúrou a službami a posúdiť jeho
prínos pri absolútnom určovaní polohy pomocou GNSS.
V prvej kapitole tejto práce sa nám podarilo popísať existujúce navigačné systémy.
Náležitá pozornosť bola venovaná ich charakteristikám a hlavným črtám. Našou snahou bolo
priniesť najnovšie informácie o nich a ich budúcom smerovaní.
V druhej kapitole sme zhrnuli všetky dostupné informácie, ktoré sme získali o systéme
Galileo. Venovali sme sa vývoju, histórii budovania systému, jeho cene, architektúre,
vesmírnemu segmentu a ostatným technickým parametrom. Za povinnosť sme si kládli aj
stručne popísať princíp určovania polohy a chyby, ku ktorým pri jej určovaní dochádza.
V tretej kapitole sme sa zamerali na vlastnosti a špecifikácie navigačného systému. Tu
sme sa snažili bližšie popísať technické parametre a vyhotovenie systému, ktoré predstavujú
družice Galileo, základné vlastnosti prijímača Galileo, frekvencie a dáta, signály a kódovanie.
Poukazujeme taktiež na výhody systému oproti systémom GPS a GLONASS a mapujeme
fázy budovania systému.
V štvrtej kapitole sme sa zaoberali architektúrou komunikačného protokolu NMEA
a vetami, ktoré sa najčastejšie používajú pri vyhodnocovaní údajov z prijímačov GPS. Našim
zámerom bolo zmapovať protokoly použité v systéme Galileo, avšak nakoľko tieto informácie
nie sú ešte k dispozícií a nie je ešte známa ani konečná verzia protokolov z dôvodu ich
neustáleho testovania a ladenia, nebolo možné tento zámer uskutočniť.
V piatej kapitole bola uskutočnená analýza technického prostredia systému Galileo
a šírenia signálu v družicových spojoch, jednotlivých prostrediach a za rôznych podmienok
šírenia. Spomenuté a popísané boli aj straty, ktoré môžu nastať pri prenose.
Pre naplnenie cieľa našej práce sme v šiestej kapitole navrhli služby a niektoré
technické riešenia, ktoré by bolo možné aplikovať v novom navigačnom systéme Galileo a
tak využívať jeho obrovský potenciál. Popísali sme základne služby, ktoré bude systém
poskytovať a ich stručné parametre. Načrtnuté bolo aj budúce smerovanie navigačných
systémov a ich vývoj do budúcnosti.
Systém Galileo vychádza z nutnosti osamostatniť sa od závislosti na systéme GPS
a bude pomáhať riešiť problém neustáleho nárastu dopravnej vyťaženosti v EÚ tým, že bude
navigovať a určovať polohu. Tento systém bude mať dve výhody a to, že bude nezávislý, ale
zároveň kompatibilný s GPS a GLONASS, a tak bude môcť využívať tieto systémy na
94
meranie a presnejšiu navigáciu. Ďalej bude tento systém ponúkať služby určené pre širokú
verejnosť a to hlavne určovanie polohy, alebo pre komerčné účely s vyššou presnosťou
a služby určené pre záchranu života. Tento systém bude možné použiť vo všetkých miestach
na zemi a to pozemnej doprave ako sú automobily, vlaky, v námornej doprave a v leteckej
doprave. Budú ho môcť využívať všetky inštitúcie a aj verejnosť.
Rozvoj navigácie napreduje rýchlym krokom a tento trend zaznamenali aj výrobcovia
rôznych zariadení a snažia sa implementovať tieto technológie do vecí bežnej potreby a tým
sprístupniť túto technológiu aj pre bežného používateľa. Kompatibilita systémov GPS,
GLONASS a Galileo nám zaručí oveľa väčšiu presnosť a dostupnosť signálu, a tak bude
signál v dosahu na všetkých možných miestach na zemi.
95
Súhrn
Galileo je nový európsky satelitný navigačný systém budovaný v spolupráci
európskych štátov. Je vyvíjaný na požiadavku civilného sektora, to znamená, že v prípade
politických kríz nebude pre civilné použitie blokovaný. Dokáže využívať najmodernejšie
technológie na určovanie polohy a času a garantovať tomu adekvátnu dostupnosť a presnosť.
Bude poskytovať vyššiu presnosť ako doposiaľ existujúce navigačné systémy a ponúkne
garanciu nepretržitosti a akosti signálu, ktorá je podmienkou pre niektoré aplikácie, napríklad
letectvo alebo lodnú dopravu. Jeho spolupráca s americkým GPS a ruským GLONASS-om
podstatne zvýši dostupnosť a spoľahlivosť navigačných služieb, užívateľ bude schopný určiť
svoju polohu zo všetkých družíc dostupných nad daným miestom pozorovania. Ďalšia jeho
veľká výhoda je v tom, že dokáže varovať užívateľov, ak signál nebude korektný, čo má
veľký význam pre aplikácie, kde je bezpečnosť prvoradá.
Vybudovaním a spustením Galilea do prevádzky v roku 2011, získa Európa
nezávislosť v oblasti navigačných systémov.
Ešte je veľa vecí nedoriešených, ako napríklad budúce centrum Galilea a financovanie
atď., ale už teraz možno povedať, že zavedenie Galilea bude mať veľký vplyv celkový rozvoj
vo všetkých odvetviach.
96
Summary
Galileo is a new European satellite navigation system built up in cooperation of
European countries. The system was developed upon request of the civil sector, which means
that it will not be blocked for civil use in the event of political crises. It can use the state-of-
the-art technologies for identification of location and time, and guarantee the adequate
accessibility and preciseness. Galileo will provide a higher accuracy than the until now
existing navigation systems, and will offer a guarantee of uninterrupted high-quality signal,
which is a pre-condition for some applications, such as aviation or ship transport. The
cooperation with the US G.P.S. and Russian GLONASS will substantially increase
availability and reliability of the navigation services, while the user will be able to define his
location from all satellites accessible over the given place of observation. Another great
advantage is that Galileo is able to warn users in the event when the signal is not correct. This
characteristics is important for applications, where safety is foremost.
By building and launching of Galileo in operation in 2011, Europe will become
independent as for navigation systems.
There are a lot of things that are not solved yet, for example the future center of
Galileo, financing etc. However, we can say that the introduction of Galileo will have a great
influence on the development in many sectors of the industry.
97
Zoznam použitej literatúry [1] www.navigacie.sk/ [2] sk.wikipedia.org/wiki/GPS [3] en.wikipedia.org/wiki/GPS [4] Svetozár Ďurovič :Družicové systémy. Žilina : Žilinská univerzita, 1997. 307 s. ISBN
80-7100-400-6. [5] en.wikipedia.org/wiki/Glonass [6] www.esa.int/esaNA/egnos.html [7] Kevický, D., Kalašová, A.: Satelitné navigačné systémy. Žilina : Žilinská univerzita,
2004. 197 s. ISBN 80-8070-295-0. [8] en.wikipedia.org/wiki/Beidou_navigation_system [9] http://www.navigacie.sk/gps/ [10] Blanchard. W.: Galileo Europen´s Guiding Star, 2006, Faircount ltd [11] FIXEL J.: Připravuje se civilní navigačný systém Galileo, Zpracování měření GPS,
Sborník referátú, Brno, 2003 [12] Galileo – Oficial site http://europa.eu.int/comm/dgs/energy_transport/galileo/ [13] GATTI G.: GALILEO - Satellite System Design and Technology Developments,
European Space Agency, 2000. [14] Průběžná zpráva o výzkumném programu GALILEO vydaná k počátku roku 2004,
Brusel, 18. 2. 2004, Komise Evropských společenství [15] www.abclinuxu.cz/clanky/ruzne/gps-a-komunikacni-protokol-nmea-1-princip-historie [16] www.abclinuxu.cz/clanky/ruzne/gps-a-komunikacni-protokol-nmea-3-dekodovani-dat [17] www.navcen.uscg.gov/gps/default.htm [18] www.novatel.ca [19] www.tmoser.ch/typo3/uploads/media/GPSInterface [20] Ľubomír Doboš: Mobilné rádiové siete. Žilina: Žilinská univerzita, 2002. 312 s. ISBN
80-7100-936-9 [21] www.navigacie.sk/gps/aktuality/ [22] www.czechspace.cz [23] www.vlaky.net/ [24] GERHÁTOVÁ Ľ., HEFTY J., Navigačný systém Galileo a perspektívy jeho využitia
v Geodézii, In: Kartografické listy,14/2006, s. 116-120. [25] Satelitná navigácia GPS pod lupou, In: PcRevue 2/2007, s.25-28. [26] Znížte si dopravné náklady, In:PcRevue 10/2005, s.31-32.
98
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií
Navigačný satelitný systém Galileo Prílohová časť
Martin Holka
2007
99
top related