Současný stav v oblasti
globálních družicových navigačních systémů

Petr Rapant
VŠB – TU Ostrava
Institut ekonomiky a systémů řízení, odd. GIS
tř. 17 listopadu, 708 33 Ostrava – Poruba
Tel.: 069 699 5470, fax: 069 691 8589
E-mail: petr.rapant@vsb.cz

Globální družicové navigační systémy (GDNS) vstoupily na scénu na přelomu 80. a 90. let. Zpočátku jako systémy s omezeným využitím, teprve v 1. polovině 90. let jako kompletně vybudované systémy schopné nepřetržitě poskytovat uživatelům své služby. Tyto systémy (dobře známé GPS a GLONASS) ukázaly cestu družicové navigaci, ukázaly výhody, ale i nevýhody těchto prvních systémů. Proto se dnes běžně hovoří o potřebě jejich rozšíření (nebo též doplnění) o nové služby (angl. augmentation), případně o vývoji nových systémů. Tento příspěvek poskytuje přehled současného stavu v této oblasti.

Global Navigation Satellite Systems (GNSS) have been used from the end of 80. and beginning of 90. Using of these systems was limited from the beginning, but from the first half of 90. both systems were fully deployed and they have been able to deliver their services continuously. These systems (known as GPS and GLONASS) have showed the way to satellite navigation, their advantages and disadvantages. That is why we talk about necessity of their augmentation or development of new systems nowadays. This paper describes nowadays situation in this field.

Globální družicové navigační systémy (dále jen GDNS; ang. Global Navigation Satellite Systems – GNSS) se staly fenoménem konce 20. století v oblasti určování polohy pro potřeby navigace, měřictví, sledování dopravy, navádění zbraňových systémů apod. První verze těchto systémů (dobře známé GPS a GLONASS) ukázaly cestu, ukázaly výhody, ale ukázaly i nevýhody jejich původní koncepce. Dnes se běžně hovoří o další generaci GDNS, označované jako GDNS-1, která vychází ze stávajících systémů, ale nějakým způsobem je doplňuje o nové komponenty s cílem zvýšit celkovou spolehlivost a robustnost těchto systémů. V poslední době se pak mluví i o zcela nové generaci, označované jako GDNS-2, které představují nové systémy, budované od základů znovu, přebírající nejlepší zkušenosti z existujících systémů a doplňující je o nové komponenty, signály, funkce a služby, umožňující jejich nejširší využití v široké škále aplikací, běžnou turistikou počínaje a automatickým přistáváním letadel konče.

Na základě dlouhodobých zkušeností s provozováním a využíváním obou současných globálních družicových navigačních systémů byly identifikovány čtyři základní okruhy problémů [3]:

  1. zajištění přesnosti

  2. zajištění dostupnosti

  3. zajištění kontinuity

  4. zachování integrity.

Jedná se o snad nejběžnější požadavek na navigační systém. Tento parametr popisuje, jak dobře se měřená hodnota shoduje s referenční hodnotou. V ideálním případě by referenční hodnotou měla být správná hodnota, nebo alespoň hodnota získaná řádově přesnější metodou nebo hodnota reprezentovaná dohodnutým standardem. Typickým příkladem může být přesnost hodin, určující nakolik je jimi indikovaný čas shodný se standardními hodinami, reprezentovanými v tomto případě přesnými atomovými hodinami.

Současné GDNS umožňují určovat polohu s přesností sahající řádově od stovek metrů až po milimetry v závislosti na použitém technickém vybavení, metodě měření, vlastnostech prostředí, jímž se šíří signály z družic, způsobu vyhodnocování měření apod.

Dostupností se rozumí schopnost poskytovat požadované signály, funkce a služby v zadané oblasti na počátku zamýšlených operací. Ve většině případů se dostupnost systému rovná dostupnosti signálů a je vyjadřována procentem času, po který jsou signály dostupné pro použití. Dostupnost může být samozřejmě ovlivněna nejen technickými parametry GDNS (jako je například vysílací výkon), ale i vlivy prostředí, jako jsou anomální atmosférické podmínky, interference signálů, apod. Pro systém GPS, přesněji pro jeho standardní polohový systém, je stanoveno, že bude dostupný přinejmenším po 99. 85 % času (v globálu).

Kontinuitou je míněna schopnost navigačního systému pracovat bez jakéhokoliv přerušení v průběhu předpokládané doby operace. V podstatě vyjadřuje pravděpodobnost, že systém bude schopen udržet požadovanou úroveň výkonu po celou dobu provádění operace, předpokládajíc dostupnost systému na počátku této operace. V ideálním případě by měl být navigační systém dostupný uživatelům trvale. Nicméně díky plánovaným údržbám, případně nepředpověditelným poruchám může být systém po určitou dobu nedostupným.

Integritou navigačního systému myslíme jeho věrohodnost, důvěryhodnost, spolehlivost. Systém může být na začátku operace dostupný a navíc můžeme předpovědět jeho kontinuitu na úrovni proklamované přesnosti. Avšak co se stane v případě, že se něco neočekávaně porouchá? Pokud by to vedlo k neakceptovatelnému zhoršení přesnosti navigace, měl by systém tuto skutečnost indikovat a dát uživateli varovný signál. Integrita charakterizuje schopnost navigačního systému poskytnout toto včasné varování v případě, že nedokáže dodržet stanovenou přesnost.

Tyto čtyři okruhy problémů lze řešit v podstatě třemi způsoby:

  1. zdokonalováním technických parametrů stávajících GDNS

  2. doplněním stávajících GDNS o nové prvky

  3. vývojem nové generace GDNS.

Provozovatelé obou dnešních družicových navigačních systémů (tedy systému GPS a systému GLONASS) pracují na jejich postupném zdokonalování. Každá nová generace družic přináší do systému novou kvalitu. V případě systému GPS se v případě příští generace družic jedná například o zavedení C/A kódu i na signálu L2 a zavedení zcela nového signálu L5 s frekvencí 1176.45 MHz a větším vyzařovaným výkonem, určeného především pro civilní uživatele [4]. Jeho zavedení by umožňovalo daleko lépe modelovat vliv ionosféry na šíření signálů GPS (tím tento vliv lépe eliminovat z výsledků měření) a zajistit dostupnost služby pro civilní sektor i v případě výpadku jednoho z civilních signálů (L1 nebo L5). A přidáme-li k tomu ještě zvýšenou přesnost hodin na družicích díky použití kvalitnějších atomových hodin, pak nám celkový výkon tohoto navigačního systému výrazně naroste. Navíc se stále zdokonalují monitorovací systémy, kontrolující správnost chodu jednotlivých komponent systému GPS. Monitorování se provádí jednak přímo na družicích (zde jsou monitorovací systémy schopné detekovat a indikovat některá nestandardní chování řádově během jednotek až desítek sekund) a jednak v Hlavní řídicí stanici (zde je možné detekovat a indikovat, případně i napravovat chyby řádově v jednotkách až prvních desítkách minut).

V případě systému GLONASS je postupně uváděna do provozu zdokonalená varianta označovaná jako GLONASS-M (na sklonku roku 1998 byla vypuštěna první družice; ta je bohužel zatím i poslední). Tato generace družic se vyznačuje tím, že kód pro standardní přesnost (obdoba C/A kódu) je pro potřeby civilního sektoru vysílán i na signálu L2, je zvýšena přesnost atomových hodin na družicích, pozemní kontrolní komplex je schopen nastavit bit signalizující zdravotní stav družice do 10 sekund po vzniku poruchy, vzrostla celková přesnost systému.

Faktem je, že mnohá z výše zmíněných opatření jsou závislá na vynesení nových generací družic na oběžnou dráhu, což bude trvat mnoho let. Proto se hledají i opatření, která je možné provést nezávisle na zdokonalování vlastního systému GPS. Byly zpracovány různé koncepce doplnění navigačních systémů o nové prvky a služby, zajišťující zvýšenou přesnost a integritu.

Prvním takovým opatřením bylo budování systémů diferenciálního GPS, zpočátku podél pobřeží USA, později postupně podél pobřeží všech světadílů. Tyto systémy šíří korekční údaje, umožňující opravovat vlastní měření a zvyšovat tak přesnost určování polohy. Vedle toho mohou referenční stanice systému DGPS přispět i k zlepšení monitorování integrity systému. Tyto stanice totiž umožňují kontrolovat platnost signálů družic a poskytovat nezávislé zhodnocení zdravotního stavu družic [3]. Pokud totiž přijímač referenční stanice zjistí, že družice je pro potřeby navigace nepoužitelná, je referenční stanice schopná vyrozumět o tom uživatele do pěti sekund od zjištění chyby.

Jedná se o systematické budování sítě referenčních stanic DGPS, pokrývající území Spojených států amerických a zajišťující stejné služby, jako předešlý systém, i pro vnitrozemí USA.

Varianta systému DGPS, kdy jednotlivé referenční stanice nepracují autonomně, nýbrž signály z více stanic jsou přenášeny do jednoho centra, zde jsou zpracovávány a pro potřeby uživatelů jsou pak vysílány vztahy, umožňující vypočítávat korekce měření pro zadanou lokalitu. Výhodou je, že takovýto systém může pracovat s mnohem řidší sítí referenčních stanic, než systém předešlý.

Pro některé kritické aplikace (jako je například navigace letadel v průběhu vlastního přistání) jsou časové intervaly nezbytné pro detekci a indikaci chybových stavů u stávajících navigačních systémů nepřijatelně dlouhé. Proto se vyvíjejí i autonomní kontrolní systémy, zabudovávané přímo do navigačních přijímačů a zabezpečující indikaci nestandardního chování řádově během několika sekund. Tyto systémy se označují zkratkou RAIM (z angl. Receiver Autonomous Integrity Monitoring). V závislosti na počtu viditelných družic jsou tyto systémy schopny indikovat výskyt chybného signálu družice, případně i zjistit, která družice ho vysílá.

Wide Area Augmentation System vedle toho, že poskytne uživatelům především z oblasti letectví větší přesnost stanovování polohy, bude schopen jim nabídnout zlepšení integrity nezbytnou pro většinu fází letu, včetně přibližování k letišti. Po dokončení bude pozemní část systému WAAS neustále vyhodnocovat integritu signálů družic GPS a potřebné korekce a bude varovat uživatele tohoto systému kdykoliv bude zjištěno selhání. V případě přibližování k letišti bude varovný signál vyslán do 5.2 sekundy od selhání.

WAAS je budován pro potřeby letectví na území USA a počáteční operační schopnosti by měl dosáhnout 25. září roku 2000.

Local Area Augmentation System bude poskytovat ještě vyšší úroveň integrity [3], potřebnou pro automatické přistávání letadel. Pravděpodobnost nedetekovaného selhání nesmí překročit 5 . 10-9. Jednou možností je použití pseudodružic (pozemní vysílače malého výkonu napodobující signály družic GPS) v kombinaci s běžnou referenční stanicí umístěnou na letišti. Dvojice pseudodružic (z nichž každá bude umístěna po jedné straně přistávací dráhy) může letadlu poskytnout dostatečné prostředky pro stanovování polohy, které v kombinaci s DGPS umožní dosáhnout přesnosti až na úrovni centimetrů a zajistit i požadovaný stupeň integrity.

Jedná se o obdobu systému WAAS, vyvíjenou a budovanou pro potřeby letectví v Evropě. Do plného provozu by měl být uveden v roce 2003 a měl by sloužit nejen jako prostředek pro zdokonalení služeb systémů GPS a GLONASS, ale i jako základ připravovaného systému Galileo [1] (viz dále). Sloužit by měl pro potřeby všech fází letu až po přiblížení k letišti. Přesnost určování vertikální i horizontální polohy by měla být lepší než 4-6 metrů po 95 % času a cílem je dosáhnout dostupnosti po 99 % času.

Jinou alternativou dosažení vyššího kvalitativního stupně v družicové navigaci je vyvinutí a implementace zcela nového systému, vycházejícího sice z ověřených principů stávajících systémů, avšak přinášejícího novou kvalitu. Příkladem takového systému může být připravovaný evropský globální družicový navigační systém známý pod názvem Galileo. V podstatě se jedná o GDNS druhé generace (v angličtině jsou tyto systémy označovány zkratkou GNSS-2).

Cesta Evropské unie k projektu Galileo nebyla jednoduchá, ani krátká. Počátkem 90. let zvažovala Evropa svůj přístup k problematice družicových polohových systémů a nejprve se zabývala myšlenkou vytvořit si vlastní systém. Nicméně první ekonomická ohodnocení projektu a rovněž nejednotnost pohledu států EU výrazně oslabily tyto tendence a Evropa hledala alternativní cestu. Bylo jí v podstatě orientace na některý z existujících navigačních systémů, konkrétně GPS nebo GLONASS. Z technických i politických důvodů (snaha udržení nezávislosti na USA) se v první polovině 90. let prosazovala varianta podpory výstavby systému GLONASS. Nicméně nakonec převážily vyšší politické i ekonomické zájmy. Evropa začala klást velký důraz na nezávislost systému na jakékoliv vojenské moci, tak aby nebyli uživatelé tohoto systému ohrožováni možným omezováním přístupu k jeho službách v dobách krizových situací a také si jednoduše spočítala, že její podíl na trhu produktů a služeb spojených se systémem GPS je mizivý (pro rok 1999 se celkový objem trhu GPS produktů odhaduje na 9 mld. USD, zatímco podíl Evropy činí méně než 400 mil USD [2]) a jeho zvýšení je nepravděpodobné. Nejvhodnější cestou k vyřešení těchto problémů se dnes jeví vybudování a provozování vlastního systému, který by byl čistě pod civilní správou, pokrýval by svými službami celou Evropu, byl snadno rozšiřitelný i do jiných regionů a zajišťoval Evropě patřičný podíl na trhu s výrobky i službami. Postupně uzrával projekt evropského GDNS-2, dnes známého pod označením Galileo. V tomto roce by Evropa měla zjistit, zda má potřebné technické a finanční zdroje, podnikatelskou prozíravost a politickou vůli projekt Galileo realizovat [2].

dojde k definitivnímu rozhodnutí o realizaci tohoto projektu.

Projekt by měl [6, 5] splňovat následující požadavky:

Spolupráce se zahraničními partnery je vítána, nicméně USA jsou ochotné poskytnou pouze technické konzultace, zajišťující interoperabilitu obou systémů. Ruská federace v tomto směru poskytuje daleko větší potenciál. Jednak mají rozsáhlé zkušenosti s potřebnými technologiemi, které jsou ochotni poskytnout, jednak mají přístup k potřebným frekvenčním pásmům, nezbytným pro vybudování jakéhokoliv nového systému.

Globálním družicovým navigačním systémům nepochybně patří budoucnost. Budou se využívat v široké škále oblastí, ale pro to nezbytné ještě mnohé učinit. Je nezbytné zvýšit přesnost určování polohy, dostupnost signálů a kontinuitu jejich příjmu, z hlediska aplikací kritických z pohledu bezpečnosti lidí a techniky (např. letecká a vysokorychlostní železniční doprava) zajistit i jejich integritu. Dosavadní vývoj dává záruku splnění těchto požadavků, i když k úplnému vyřešení problémů bude zapotřebí řádově mnoha let.

[1] Breeuwer, E. a kol.: Flying EGNOS: The GNSS-1 Testbed. Galileos World. Building and Ising Europess Global Navigation Satellite System. Winter 2000. Str. 10-21.

[2] Gibbons, G.: The Will to Position. Galileos World. Building and Ising Europess Global Navigation Satellite System. Winter 2000. Str. 7.

[3] Langley, R. B.: The Integrity of GPS. GPS World, č.6, 1999. Přetisk: http://www.gpsworld.com/0699/0699innov.html

[4] Moran, S. G.: The Benefits of GPS Modernization. ION Newslwtter, roč. 9, č. 2, 1999. http://www.ion.org/news95.html

[5] ---: Galileo. Involving Europe in a new generation of satellite navigation services. NIN Workshop. Rotterdam, 1999. http://www.nlr.nl/nin/galileo.htm

[6] ---: GALILEO to set the pace in satellite navigation. vropská komise, 10. února 1999. http://www.eubusiness.com/rd/990210co.htm