LirKom II. 4. ea. Jó reggelt, kollégák!

Átírás

1 LirKom II. 4. ea. Jó reggelt, kollégák!

2 Global Positioning System (GPS) és az Augmentation rendszerek

3 A GNSS világa ma (csak a nagyjelentőségűek)

4 A GPS lehetővé tesz legkülönfélébb alkalmazásokat

5 Positioning, Navigation, and Timing (PNT)

6 Bevezető Néhány évtized alatt a GPS globális eszközzé vált Űr-alapú (space-based) helyzetmeghatározás Navigáció és PNT Időmérési eszköz Konzisztens, jól előrelátható, megbízható politika és teljesítmény mellett A kibővítés (augmentation) még jobban növeli a teljesítőképességet Az internethez hasonlóan a GPS is a globális információs infrastruktúra összetevő elemévé vált A méretezhető alkalmazásokon keresztül rendkívül széles képességekkel bíró, új lehetőségeket teremt Elősegíti a hatékonyságot a (repülés)biztonság, a környezetvédelem és a tudományok innovációs tevékenysége fejlesztésével 6

7 A jelen anyagban: Amikor a jel (signal) szót használjuk, mindig a kisugárzott információ-csomagot kell érteni alatta A teljesítmény = performance értelemben használt AUGMENTATION = kibővítés

8 Nap-nap után új és új alkalmazások jelennek meg Wireless és mobil alkalmazások Gyermek/kisállat/autó követése Automatikus hótakarítás szervezés Űrhajók vezérlése Erőművek vezérlési hálózat menedzselése Földfelszíni bányászat 8

9 A GPS, mint globális nyilvános szolgáltatás (- USA: Global Public Service) A GPS globális nyilvános szolgáltatásként 1993 óta folyamatosan teljesíti a vele szemben támasztott teljesítmény-követelményeket (sőt messze meghaladja azokat; (SPS Performance Standard ) A polgári célú GPS szolgáltatás mentes a közvetlen használati díjaktól (free of direct user charges) 9 Ehhez hasonlóan a kibővítés (augmentation) szolgáltatásai is azok (az USA kormánya birtokában lévőké, pl. NDGPS, WAAS, etc.) A nyilvános felhasználás jogi dokumentumában: A felhasználók és az iparágak számára szabad és egyenlő rendelkezésre állás A felhasználói végberendezések fejlesztésének lehetősége mindenki számára egyenlően nyitott, és a világpiaci versenyhelyzetet kívánja A GPS tulajdonosa és üzembentartója az USA kormánya A kormány nevében beszerzi és üzemelteti az USAF Belső (USA) nemzeti szinten több felhasználós tulajdonként van nyilvántartva

10 Továbblépés: kétoldalú GPS együttműködések USA - Japan: Politikai és műszaki konzultációk a GPS együttműködésről 1996-tól A QZSS rendszer kibővítés a GPS-szel való kompatibilitás USA - EU GPS-Galileo Együttműködési Megállapodás 2004-tól 2007 júliusában egyezmény a továbbfejlesztett polgári jelrendszerről (MBOC) USA - India: Politikai és műszaki konzultációk a GPS együttműködésről 2005-től Az ionoszférikus torzulásokról/megoldásokról kutatások folytatása Közös állásfoglalás a GNSS együttműködésről, 2007 február USA Russia: tárgyalások a GPS-GLONASS Együttműködési Megállapodásról 2005-től A nagyobb együttműködési képességű (interoperability) polgári GPS- GLONASS jelrendszerekről folytatott megbeszélések USA - Australia: az Egyesített Delegációs Állásfoglalás a Polgári GPS együttműködésről, aláírva 2007 áprilisában A GPS műholdak üzemi/üzemeltetési változásairól szóló értesítések továbbfejlesztett mechanizmusának kidolgozásáról

11 Maga a Global Positioning System (GPS)

12 A Global Positioning System 24 működő (operational) műholdból álló rendszer, közepes földkörüli pályán (MEO) km oprbit Globális fedésterület, H24-ben, minden időjárási körülmények között A műholdak a precíz időt és a röppálya információkat az L rádióhullámsáv frekvenciáján továbbítják Kétféle jelrendszer: Szabvány (ingyenes a közvetlen díjaktóltól) Precíziós (USA és szövetségesei MIL) Három szegmens: ŰR- (space) FÖLDI IRÁNYÍTÁSI (ground) Felhasználók eszközei (user) 12

13 A jelenlegi teljes működési környezet 30 Operational Műhold (24 az alapvető fedéshez) Lásd a március 5-ei állapot szerinti ábrát a köv. slide-on:

14 2016.III.05.

15 IIR-15(M) fellövése szept. 25-én 15

16 A hullámsáv és frekvenciák Az L sáv használata: A 390 MHz MHz frekvenciatartomány. A GPS vivő frekvenciák e sávban: /L2/: 1227, 6 MHz és az /L1/: MHz). L1 frekvencia: ez a GPS műhold által kisugárzott két rádiófrekvencia egyike, ez hordozza az ún. Coarse Acquisition Code-ot (C/A code), a P- Code-ot, és a navigációs üzenettartalmat; sugárzása az 1575,42 MHzen történik L2 frekvencia: a kettőből a másik kisugárzott frekvencia, ez csak a P- Code-ot hordozza, és csak a 1227,6 MHz-en sugározzák.. Vivő frekvencia (Carrier Frequency) : a rádióadó berendezés modulálatlan kimeneti frekvenciája. C/A kód (Coarse/Acquisition Code) : a GPS szabvány pozíció jele a polgári használatra kisugározva, benne a GPS vevő által vehető pozíció pontosítási jelek (100 m-es pontossági értéken belül) és az időpont. P-Code: a GPS-jel precíziós kódja, csak a MIL által használatos, speciálisan kódolt (encrypted), amit 7-naponta midig módosítanak bármilyen személy hozzáférésének és használatának meggátolására.

17 A mára modernizált GPS Civil jelek A Második polgári jel ( L2C ) A kereskedelmi célok kiszolgálására tervezték Nagyobb pontosság az ionoszférikus korrekción keresztül Nagyobb hatásos teljesítmény és feljavított adat-struktúra ezzel csökken az interferencia, a jel-vétel meggyorsul, és lehetővé teszi a vevő egységek további miniatürizálását, ezzel lehetővé teszi a helyiségeken belüli használatot A GPS Block IIR-M műholdaktól már csak e sávba, 2014-ben valamennyi (a 24+tartalék) műholdak mindegyike A Harmadik polgári jel ( L5 ) A közlekedés biztonságának követelményei (safety-of-life) teljesítésére tervezték A magas biztonsági védettségű Légiforgalmi Rádiónavigációs Szolgálatok ARNS) sávját használja A GPS Block IIF műholdaknál ez a sáv van, a 24 műhold kb tól képes lesz kezelni A Negyedik polgári jel ( L1C ) A GNSS interoperabilitási követelményekre tervezik, a nemzetközi partnerség keretében A GPS Block III műholdakkal kezdik használni a 24 műhold kb körül lesz e képességgel ellátva

18 A GPS modernizáció képek Power Spectrum (dbw/hz) Power Spectrum (dbw/hz) previous as of Dec planned L5 L5 Power Spectrum (dbw/hz) Power Spectrum (dbw/hz) Frequency (MHz) ARNS Band RNSS Band ARNS Band Frequency (MHz) L2 P(Y) Frequency (MHz) L2C M Frequency (MHz) C/A L1 L1C Block IIA, 1990 Block IIR-M, 2005 Block IIF, 2008 Block III, (artist s concept)

19 A GPS System-of-Systems fejlesztési programja (összefoglaló rajz) Space Segment Legacy (Block IIA/IIR) Modernized (Block IIR-M) Std Service ( 6 meters 2nd civil signal (L2C) RMS SIS SPS URE) M-Code signals (L1M, L2M) Single frequency (L1) Anti-jam flex power Coarse acquisition (C/A) code navigation Precise Service ( 2.6 m 95% URE PPS at Zero AOD) Y-Code (L1Y & L2Y) Y-Code navigation Modernized (Block IIF) 3rd civil signal (L5) GPS III (Block III) Increased accuracy Increased A/J power Signal integrity Search and Rescue L1C civil signal common w/galileo, QZSS, & possibly GLONASS Ground Segment Legacy TT&C L1 & L2 monitoring Upgraded (AEP) IIR-M IIF TT&C WAGE, AII, LADO NMCS/AMCS Modernized (OCX V1) New Architecture Signal Monitoring GPS III (OCX V2) GPS III TT&C Real-Time C2 19

20 A Földi Szegmens 4 fő alkotóeleme: Master Control Station (MCS) - Colorado Springs, USA Hamarosan cserélik az újra = New Master Control Station [NMCS] Backup Master Control Station (BMCS) u.o. Hamarosan cserélik az Alternate Master Control Station-re [AMCS] 4 földi antenna (Gas) Ascension Island Cape Canaveral Diego Garcia Kwajalein Atoll Monitor Stations (MSs) - globálisan elhelyezett ellenőrző állomások hálózata (jelenleg 16)

21 NGA = Nat l Geospatial-Intelligence Agency AFSCN = Air Force Satellite Control Network Valid as of április

22 TT&C Link Telemetry, Tracking & Command Interface Precise Positiponing Service Signal In Space

23 Az elvárt pontossági követelmények (valós, nem mai példa) Pozíció Precizitás Hígulása (PDOP, Geometry) rendelkezésre állása Specifikáció 6-os PDOP mutató vagy kevesebb, az idő 98%-ában Jelenlegi: 99,98798% Vízszintes Szolgáltatás rendelkezésre állása Specifikáció: a 36 m 95 %-os küszöbértéke, az idő 99 %-ában Jelenlegi: 2,74 m Függőleges Szolgáltatás rendelkezésre állása Specifikáció: a 77 m 95 %-os küszöbértéke, az idő 99 %-ában vagy jobb Jelenlegi: 3,89 m Felhasználói Távolság Hiba Specifikáció: 6 m vagy kevesebb, konfiguráció-függő átlag Jelenlegi: lásd a példát a köv. slide-on A rendszer pontossága és rendelkezésre állása messze meghaladja a specifikációban 23 előírtakat.

24 Kiváló teljesítőképesség a távolsági pontosságban

25 A legújabb elérhet adatok (2016. márc.5.):

26 Azért némi probléma mégis van (a léginavigáció esetében):

27 Mi a probléma? ½ RWY = 22,5 m W RWY =45 m

28 Differential GPS (DGPS) is the most widely used method of GPS augmentation and can significantly improve the accuracy, integrity, and availability of the basic GPS. In fact the term ''augmentation" has almost become synonymous with DGPS. DGPS is based upon knowledge of the highly accurate, geodetically surveyed location of a GPS reference station, which observes GPS signals in real time and compares their ranging information to the ranges expected to be observed at its fixed point. The differences between observed ranges and predicted ranges are used to compute corrections to GPS parameters, error sources, and/or resultant positions. These differential corrections are then transmitted to GPS users, who apply the corrections to their received GPS signals or computed position. Figure C-8 further illustrates this concept.

29 Differenciál GPS (csak alapok) After each GPS reading, the base station quickly calculates the error and transmits it via radio signals to the roving receivers. The roving receivers need to be equipped with an appropriate radio receiver and the computational ability to add the correction factors to their own GPS readings in real time. The location displayed on the GPS receiver, then, would have the errors factored out. Real Time Differential GPS: Legalább 1 fix, ismert pozíciójú földi állomás (base station) de minél több... ez kalkulálja kia hibát (error)- és sugározza ki rádiójelek útján a vándorló vevők felé. A GPS műhold több műhold jelei A vándorló (roving) műhold-vevő ez veszi a korrekció nélküli műhold helyzet-adatot, és összeveti a fix pozícióval (ezzel állapítva meg a szükséges korrekciós elemet) A vándorló vevő a nem korrigált jelet és a korrekciós jelet is veszi a két adó egységtől, Így a pontosság jelentősen javul.

30 A megközelítésekről (fogalmak)

31 Az RNP és az RNAV összefüggése

32 A megközelítés típusai az új osztályozás ELŐTT...

33 A megközelítés típusai az új osztályozás UTÁN...

34 Az új megközelítési kategóriák... (összesítő)

35 Műszeres megközelítések meghatározása ICAO Annex 6, Part I.: Operations are to be classified in accordance to the achieved Minima at the end of an approach: Type A: Instrument approach operation 250 or above Type B: Instrument approach operation below 250

36 Műszeres megközelítések meghatározása

37 Műszeres megközelítési futópályák Annex 14 Vol I

38 Wide Area Augmentation System (WAAS) és a Local Area Augmentation System (LAAS)

39 A megközelítési eljárások 39

40 A megközelítések pontossága Jelenleg csak É-Amerikában használható A rendszer földi szegmensei máshol nincsenek kiépítve Pontossága: LPV - Localizer Performance with Vertical Guidance (lásd még később a pontossági elemeket)

41 WAAS architektúra 38 Referencia Állomás 3 Master Állomás 4 Jel-generátor Rendszer/ Föld-Föld Állomás 2 Geostacionárius Műhold Kapcsolat 2 Operatív Irányító Központ

42 GEO műholdak továbbfejlesztése IOC WAAS, a végső rendszerként a két Inmarsat műhold lett bevonva Az USA területe fölötti, szinte teljes, de csak egyszeres fedéssel Az Inmarsat műholdakat a WAAS üzemeltetésből 2007 júliusában kivonták A két kiváltó műhold telepítése 2005-től kezdve megtörtént Intelsat (Galaxy XV) 2006 novembere óta (csak datalink) A távolságmérés aktiválása 2008 közepétől Telesat Canada (Anik F1R) 2007 júliusa óta működik, korrekciós és távolságmérési céllal Intelsat 133 W Telesat 107 W 42

43 WAAS Földi és Űr szegmensei WAAS telepítés fázis WAAS leszállítva IOC I. fázis 2003 Full LPV teljesítmény II. fázis Full LPV-200 teljesítmény III. fázis Duál-frekvenciás üzemelés IV. fázis Eljárás-fejlesztés ~300/évente

44 WAAS Release 5 VPL Sensitivity Release 5 LPV200 LPV 99% VPL LPV200 LPV Percent of Alaska Percent of CONUS Release 5 90% of CONUS has 100% LPV Availability 48% of CONUS has 100% LPV200 Availability 62% of Alaska has 95% LPV Availability VPL (meters) 44

45 WAAS Release 6/7 Percent of Alaska Percent of CONUS 100% of CONUS has 100% LPV Availability 80% of CONUS has 100% LPV200 Availability Release 6/7 80% of Alaska has Release 6/7 95% LPV Availability LPV200 LPV 99% VPL VPL (meters) 45

46 WAAS Release 8/9 LPV200 LPV 99% VPL Percent of Alaska Percent of CONUS 100% of CONUS has 100% LPV Availability 84% of CONUS has 100% LPV200 Availability Release 8/9 86% of Alaska has 95% LPV Availability Release 8/9 42% of Alaska has 100% LPV Availability VPL (meters) 46

47 GPS teljesítmények a WAAS-sal és a LAAS-sal Horizontal 95% (Worst Location) Vertical 95% (Worst Location) GPS Standard WAAS LPV Standard 36 meters 16 meters WAAS LPV Actual 1.08 meters LAAS Cat-I Standard 16 meters LAAS Cat-I Actual 0.68 meters 77 meters 20 meters 1.26 meters 4 meters 1.17 meters Ez a WAAS teljesítmény értékelés összesen 1,761 millió mintavételre alapozott (ez összesen felhasználói napon) LAAS teljesítményét a Memphis repülőtéren végrehajtott 104 LAAS megközelítés eredményességére alapzták. 47

48 A megközelítések (ismét)

49 Doc9613 PBN Manual A 2013-as ICAO PBN Manual (Doc 9613) a következő megközelítési formákat rögzíti az ún. RNP APCH üzemeltetési osztályba tartozóként: LNAV, LP, LNAV/VNAV and LPV).

50 A Basic RNAV és az RNP rendszerfunkciói (PBN)

51 A hagyományos és a területi navigáció eltérései Nyilvánvaló különbségek, hatékonyság, megtakarítások Futópályáknál:

52 Alapszintű avionikai követelmények (vázlatosan) Alapvető, hagyományos navigáció esetében Területi navigáció (RNAV) esetében

53 Komplex multi-szenzoros avionikai rendszer (vázlatosan) GPS/MMR Global Positioning System/Multi-Mode Receiver

54

55 GPS NPA (LNAV) = Non-Precision Approach (NPA) eljárás, ami a GPS-t és/vagy a WAAS-t használja a hosszirányú navigációhoz (Lateral Navigation) Az LNAV megközelítésben a pilóta a hosszirányú megközelítési szöggel repül, de nem kap függőleges helyzettájékoztatást az irányított süllyedéshez. Helyette, a végső megközelítés pontjától (FAF) a barometrikus magasságmérő alapján süllyed a minimális süllyedési magasságig. LNAV megközelítések kevésbé pontosak (556 m a hosszirányú határuk), és általában nem engedik meg a jellemzően az LNAV eljárások minimális süllyedési magasságának (MDA) 400 feet alatti értékét.

56 Példa GPS megközelítésre

57 57 WAAS LNAV (NPA) teljesítmény-fedésterület

58 (1)

59 (2)

60 (3)

61 LHPR GNSS 30

62 LNAV/VNAV Az LNAV/VNAV (Lateral Navigation / Vertical Navigation) megközelítések során a GPS és/vagy a WAAS (556 m hosszirányú határértékig tartó) jeleit használják, a függőleges útmutatást pedig vagy a barometrikus magasságmérőtől vagy a WAAS-tól kapják. A WAAS-t nem használó légijárműveknek a függőleges útmutatáshoz VNAV-képes magasságmérővel kell rendelkezniük, ami általában a repülésvezérlő rendszer része (flight management system - FMS). Az FMS avionika sokkal drágább, mint a WAAS vevő eszközök. Az LNAV/VNAV megközelítések tehát a függőleges és vízszintes útmutatással biztonságosabb irányított süllyedést tesznek lehetővé, így a DH értéke 350 feet a futópálya fölött.

63 LPV LPV (Localizer Performance with Vertical guidance) megközelítés hasonló az LNAV/VNAV eljárásokhoz, kivéve azt, hogy sokkal pontosabb (40 m hosszirányú határérték), és lehetővé teszi a feet magasságig süllyedést, ám csak a WAAS vevő berendezéssel repülhető. Az LPV megközelítések üzemszerűen megegyeznek a műszeres leszállító rendszerrel (ILS), de sokkal gazdaságosabb, mivel nem igénylik a leszállító berendezések földi telepítését a futópálya körül.

64 WAAS Program III. fázis A teljes LPV-200 teljesítmény Erőteljes, megbízható és fenntartható LPV-200 képesség A WAAS Algoritmus frissítése a III. fázis kapcsán További kiegészítő GEO műholdak beszerzése Speciális védelmi mechanizmusok, algoritmus-hangolás (különösen a közeledő Nap maximumok esetében - Solar max.) A szerződéses döntés a WAAS III. fázisának továbbvitelére, még 2008 nyarán 64

65 WAAS Program Status Phase IV Kettős frekvencia-működtetés Az erőteljes, megbízható és fenntartható LPV-200 képesség folyamatos biztosítása Az egy (single) frekvenciát használni képes/tudó WAAS felhasználok támogatása a IV. fázis végéig (2028) A felhasználók kettős frekvencia-használati eszközökkel felszerelésének (L1/L5 sávokra képes avionika) GPS Architektúra Fejlesztési Tanulmányozási Csoport (GEAS) létrehozása már 2006 őszétől a GEAS feladata meghatározni és kidolgozni a jövőbeli GNSS-alapú rendszer-architektúrát a teljes világra szóló rendszerhez, az LPV-200 alapján, kb re 65

66 Példák a WAAS avionikára Mintegy ~18,000 WAAS-képes felhasználó A kb. 150,000 GA légijármű 40 %-a pl. a Garmin cég vevőkészülékes Rockwell-Collins Challenger légijárművei 2007-től CMC WAAS szenzorok a Honeywell Primus 2000 FMS rendszerbe integrálása 2008-tól Universal Avionics, a WAAS-képesség beépítése az UNS-1 FMS TSO-ba 66

67 Local Area Augmentation System (LAAS) architektúra Precíziós megközelítések, Category I, II és III Többszörös futópálya-lefedés a repülőtéren Támogatott elhibázott megközelítési és indulási eljárások Légijármű földfelszíni navigáció 67

68 A jelenlegi GBAS tevékenységek GBAS GROUND-BASED AUGMENTATION SYSTEM GBAS elsődlegesen a precíziós megközelítések kiszolgálására készült Egységei: GBAS Ground Subsystem és a GBAS Aircraft Subsystem 1 GBAS Ground Subsystem korlátlan számú légijármű egységet (unit) tud kiszolgálni a GBAS fedésterületén belül A földi alrendszer a légijárművek számára a megközelítési sáv repülési adatait, a látómezőben tartózkodó műholdak számára korrekciós és integritási tájékoztatást nyújtanak. A korrekciós adatok lehetővé teszik a légijárműnek a megközelítési sávhoz viszonyított helyzete még jobb pontosítását A GBAS Űr-jel (Signal in Space) csak a földről az légijármű alrendszerre továbbítja az adatokat. A Műhold Signals in Space az alapvető GNSS műholdas rendszer része.

69 A GPS referencia-vevő kiszámítja a pozíciót A GBAS földi kisegítő berendezése kiszámítja a GPS pozíciók hibáit, és erről GBAS Korrekciós Üzenetet készít 4. A GBAS földi kisegítő berendezése elküldi a Korrekciós Üzenetet a VHF Adat-műsorszóró (VDB) eszköznek A VDB adó berendezés kisugározza a GBAS jeleket a szolgáltatási területén belül lévő, a megfelelően felszerelt légijárműveknek

70 LVP Európában Localizer Approach with vertical guidance, based on EGNOS (SBAS)

71 A márc.11-én érvényes, LVP-200-as alkalmazási terület és repülőterek.

72 Folytatás EURÓPÁBAN: EGNOS (EU - Galileo) GLONASS (orosz) (folyt.köv.)