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