LirKom II. 4. ea. Jó napot, kollégák!

LirKom II. 4. ea. Jó napot, kollégák!

Global Positioning System (GPS) és az Augmentation rendszerek

A GNSS világa ma (csak a nagyjelentőségűek) Global Navigation Satellite Systems

A GPS lehetővé tesz legkülönfélébb alkalmazásokat

Positioning, Navigation, and Timing (PNT)

Bevezető Néhány évtized alatt a GPS globális eszközzé vált Űr-alapú (space-based) helyzetmeghatározás Navigáció és 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

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

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

A GPS, mint globális nyilvános szolgáltatás (- USA: Global Public Service) A GPS globális nyilvános szolgáltatásként 1993 óta folyamatosan teljesíti a vele szemben támasztott teljesítmény-követelményeket (sőt messze meghaladja azokat; (SPS Performance Standard - 2001) A polgári célú GPS szolgáltatás mentes a közvetlen használati díjaktól (free of direct user charges) Ehhez hasonlóan a kibővítés (augmentation) szolgáltatásai is azok (az USA kormánya birtokában lévőké, pl. NDGPS, WAAS, etc.) A nyilvános felhasználás jogi dokumentumában: A felhasználók és az iparágak számára szabad és egyenlő rendelkezésre állás A felhasználói végberendezések fejlesztésének lehetősége mindenki számára egyenlően nyitott, és a világpiaci versenyhelyzetet kívánja A GPS tulajdonosa és üzembentartója az USA kormánya A kormány nevében beszerzi és üzemelteti az USAF Belső (USA) nemzeti szinten több felhasználós tulajdonként van nyilvántartva Szelektív módon letilthatók a felhasznlók (pl. India 1999-ben a Kargil háborúban (India és pakisztán közötti határvita) 9

Továbblépés: kétoldalú GPS együttműködések USA - Japán: Politikai és műszaki konzultációk a GPS együttműködésről 1996-tól A japán QZSS rendszer kibővítése a GPS-szel való kompatibilitása 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

Maga a Global Positioning System (GPS)

A Global Positioning System 24 működő (operational) műholdból álló rendszer, közepes földkörüli pályán (MEO) - 20 180 km orbit Globális fedésterület, H24-ben, minden időjárási körülmények között A műholdak a precíz időt és a röppálya információkat az L rádióhullámsáv frekvenciáján továbbítják L1 sáv: 1575,42 MHz L2 sáv: 1227,60 MHz Kétféle jelrendszer: Szabvány (ingyenes a közvetlen díjaktól) Precíziós (USA és szövetségesei MIL) Három szegmens: ŰR- (space) FÖLDI IRÁNYÍTÁSI (ground) Felhasználók eszközei (user) 12

A jelenlegi teljes működési környezet 32 Operational Műhold (24 az alapvető fedéshez) Lásd a 2016. március 5-ei állapot szerinti ábrát a köv. slide-on; 6 pályasík 60 o -onként, inclináció: 55 o (Egyenlítő) Keringési idő: 12 óra (kb. 6 m nyitott napelemekkel, 850 kg a pályán keringve)

Feb.28-án 0935-kor Forrás: http://www.n2yo.co m/satellites/?c=20

2016.III.05.

IIR-15(M) fellövése 2006. szept. 25-én 16

A hullámsáv és frekvenciák Az L sáv használata: A 390 MHz - 1550 MHz frekvenciatartomány. A GPS vivő frekvenciák e sávban: /L2/: 1227, 6 MHz és az /L1/: 1575.42 MHz). L1 frekvencia: ez a GPS műhold által kisugárzott két rádiófrekvencia egyike, ez hordozza az ún. Coarse Acquisition Code-ot (C/A code), a 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.

A mára modernizált GPS Civil jelek A Második polgári jel ( L2C ) A kereskedelmi célok kiszolgálására tervezték Nagyobb pontosság az ionoszférikus korrekción keresztül Nagyobb hatásos teljesítmény és feljavított adat-struktúra ezzel csökken az interferencia, a jel-vétel meggyorsul, és lehetővé teszi a vevő egységek további miniatürizálását, ezzel lehetővé teszi a helyiségeken belüli használatot A GPS Block IIR-M műholdaktól már csak e sávba, 2014-ben valamennyi (a 24+tartalék) műholdak mindegyike A Harmadik polgári jel ( L5 ) A közlekedés biztonságának követelményei (safety-of-life) teljesítésére tervezték A magas biztonsági védettségű Légiforgalmi Rádiónavigációs Szolgálatok ARNS) sávját használja A GPS Block IIF műholdaknál ez a sáv van, a 24 műhold kb. 2016-tól képes lesz kezelni A Negyedik polgári jel ( L1C ) A GNSS interoperabilitási követelményekre tervezik, a nemzetközi partnerség keretében A GPS Block III műholdakkal kezdik használni a 24 műhold kb. 2021 körül lesz e képességgel ellátva

Power Spectrum (dbw/hz) Power Spectrum (dbw/hz) A GPS modernizáció képek Power Spectrum (dbw/hz) Power Spectrum (dbw/hz) previous -220-230 P(Y) C/A Block IIA, 1990-240 as of Dec 2005-250 -220-230 1227.6 Frequency (MHz) L2C M 1575.42 Block IIR-M, 2005 planned -240-250 -220-230 L5 1227.6 Frequency (MHz) 1575.42 Block IIF, 2008-240 -250-220 1176.45 1227.6 Frequency (MHz) 1575.42 L1C Block III, 2013+ -230-240 -250 19 1176.45 L5 1227.6 Frequency (MHz) ARNS Band RNSS Band ARNS Band L2 1575.42 L1 (artist s concept)

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 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)

NGA = Nat l Geospatial-Intelligence Agency AFSCN = Air Force Satellite Control Network Valid as of 2014. április

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

Az elvárt pontossági követelmények (valós, nem mai példa) Pozíció Precizitás Hígulása (PDOP, Geometry) rendelkezésre állása Specifikáció 6-os PDOP mutató vagy kevesebb, az idő 98%-ában Jelenlegi: 99,98798% Vízszintes Szolgáltatás rendelkezésre állása Specifikáció: a 36 m 95 %-os küszöbértéke, az idő 99 %-ában Jelenlegi: 2,74 m Függőleges Szolgáltatás rendelkezésre állása Specifikáció: a 77 m 95 %-os küszöbértéke, az idő 99 %-ában vagy jobb Jelenlegi: 3,89 m Felhasználói Távolság Hiba Specifikáció: 6 m vagy kevesebb, konfiguráció-függő átlag Jelenlegi: lásd a példát a köv. slide-on A rendszer pontossága és rendelkezésre állása messze meghaladja a specifikációban 24 előírtakat.

Kiváló teljesítőképesség a távolsági pontosságban

A legutóbbi adatok (2016. márc.5.):

Azért némi probléma mégis van (a léginavigáció esetében):

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

Differential GPS (DGPS) a GPS kibővítés módszere; lényegesenn javítja a pontosságot, integritást és rendelkezésre állást; nagy pontossággal felmért GPS földi referencia állomás helyzete ismeretén alapul; összeveti az ismert helyzetpozíció távolságait a fix pontban elvárt pozícióval, az eltérést hibaként érzékelve számítják a korrekciót; e korrigált pozíciót feljuttatják a használónak, aki/ami alkalmazza e korrekciót a rendszerében

A megközelítésekről (fogalmak)

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

Az RNP és az RNAV összefüggése RNP: Required Navigational Performance megkövetelt navigáció teljesítmény

A megközelítés típusai az új osztályozás ELŐTT...

A megközelítés típusai az új osztályozás UTÁN...

Az új megközelítési kategóriák... (összesítő)

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

Műszeres megközelítések meghatározása

Műszeres megközelítési futópályák Annex 14 Vol I

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

A megközelítési eljárások 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)

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

GEO műholdak továbbfejlesztése IOC WAAS, a végső rendszerként a két Inmarsat műhold lett bevonva Az USA területe fölötti, szinte teljes, de csak egyszeres fedéssel Az Inmarsat műholdakat a WAAS üzemeltetésből 2007 júliusában kivonták A két kiváltó műhold telepítése 2005-től kezdve megtörtént Intelsat (Galaxy XV) 2006 novembere óta (csak datalink) A távolságmérés aktiválása 2008 közepétől Telesat Canada (Anik F1R) 2007 júliusa óta működik, korrekciós és távolságmérési céllal Intelsat 133 W Telesat 107 W 43

WAAS Földi és Űr szegmensei WAAS telepítés fázis WAAS leszállítva IOC I. fázis 2003 Full LPV teljesítmény II. fázis 2003-2008 Full LPV-200 teljesítmény III. fázis 2009-2013 Duál-frekvenciás üzemelés IV. fázis 2014-2028 Eljárás-fejlesztés ~300/évente 2004-2028 44

Percent of Alaska Percent of CONUS WAAS Release 5 Release 5 VPL Sensitivity 90% of CONUS has 100% LPV Availability 48% of CONUS has 100% LPV200 Availability Release 5 62% of Alaska has 95% LPV Availability LPV200 LPV 99% VPL VPL (meters) 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) 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) 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 20389 felhasználói napon) LAAS teljesítményét a Memphis repülőtéren végrehajtott 104 LAAS megközelítés eredményességére alapzták. 48

A megközelítések (ismét)

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

A Basic RNAV és az RNP rendszerfunkciói (PBN)

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

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

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

Példa GPS megközelítésre

57 WAAS LNAV (NPA) teljesítmény-fedésterület

(1)

(2)

(3)

LHPR GNSS 30 (1)

LHPR GNSS 30 (2)

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

LPV LPV (Localizer Performance with Vertical guidance) megközelítés hasonló az LNAV/VNAV eljárásokhoz, kivéve azt, hogy sokkal pontosabb (40 m hosszirányú határérték), és lehetővé teszi a 200-250 feet magasságig süllyedést, ám csak a WAAS vevő berendezéssel repülhető. Az LPV megközelítések üzemszerűen megegyeznek a műszeres leszállító rendszerrel (ILS), de sokkal gazdaságosabb, mivel nem igénylik a leszállító berendezések földi telepítését a futópálya körül.

WAAS Program III. fázis A teljes LPV-200 teljesítmény Erőteljes, megbízható és fenntartható LPV-200 képesség A WAAS Algoritmus frissítése a III. fázis kapcsán További kiegészítő GEO műholdak beszerzése Speciális védelmi mechanizmusok, algoritmus-hangolás (különösen a közeledő Nap maximumok esetében - Solar max.) A szerződéses döntés a WAAS III. fázisának továbbvitelére, még 2008 nyarán 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. 2025-30-re 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 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 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.

1. 1. 2. 2. A GPS referencia-vevő kiszámítja a műholdól vett pozíciókatt A GBAS földi kisegítő berendezése kiszámítja a GPS pozíciók hibáit, és erről GBAS Korrekciós Üzenetet készít 3. 3. 4. 4. A GBAS földi kisegítő berendezése elküldi a Korrekciós Üzenetet a VHF Adat-műsorszóró (VDB) eszköznek A VDB adó berendezés kisugározza a GBAS jeleket a szolgáltatási területén belül lévő, a megfelelően felszerelt légijárműveknek

LVP Európában Localizer Approach with vertical guidance, based on EGNOS (SBAS) European Geostationary Navigation Overlay Service

A 2016. márc.11-én érvényes, LVP-200-as alkalmazási terület és repülőterek.

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