Legfrissebb híreink
Műholdas kiegészítő rendszerek
Archívum: IV.évfolyam 1.szám (2005. febr.-márc.)
EGNOS monitor állomás a BME-n
Mivel ma a piacon számos WAAS/EGNOS kompatibilis GPS-vevot lehet vásárolni, ugyanakkor a rendszer muködésével kapcsolatban a tapasztalatok nem mindig kedvezoek, számos kérdés merül fel a felhasználók részérol. Ténylegesen hol tart az EGNOS projekt, milyen pontosságot és megbízhatóságot lehet vele elérni?
.
A muholdas kiegészíto rendszerek (Satellite Based Augmentation System, SBAS) alapvetoen két szolgáltatást nyújtanak: egyrészt fokozzák a GPS-szel elérheto abszolút helymeghatározás pontosságát, másrészt információkat szolgáltatnak a rendszer megbízhatóságáról. Ez utóbbi elsosorban a közlekedési alkalmazások számára fontos. Mivel ma a piacon számos WAAS/EGNOS kompatibilis GPS-vevot lehet vásárolni, ugyanakkor a rendszer muködésével kapcsolatban a tapasztalatok nem mindig kedvezoek, számos kérdés merül fel a felhasználók részérol. Hogyan lehetséges például az, hogy az EGNOS jelekkel segített helymeghatározás gyakran kevésbé pontos, mint a „sima” abszolút helymeghatározás? Mindezt azzal indokolják az EGNOS üzemeltetoi, hogy a rendszer még nincs teljesen kiépítve, valójában csak teszt üzemmódban muködik. Ténylegesen hol tart az EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) projekt, milyen pontosságot és megbízhatóságot lehet vele elérni? Ezekre és más kérdésekre keresik a választ a Budapesti Muszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Általános- és Felsogeodézia Tanszéken üzemelo EGNOS monitor állomás munkatársai. Az állomás tevékenységét, célját, néhány eredményét mutatjuk be a következo cikkben.
Egy példa az integritás fontosságára
Követelmény a navigációs rendszerekkel szemben, hogy küldjön figyelmeztetést a felhasználóknak arra az esetre, ha a rendszer, vagy annak egyik eleme valamilyen okból meghibásodott és ezért nem használható. Ez a képesség a rendszer „önellenorzo” képessége, vagy idegen szóval integritása. Ismert, hogy a NAVSTAR GPS integritása nem felel meg a szigorú közlekedésbiztonsági eloírásoknak, többek között ezért hozták létre a kiegészíto rendszereket. Nézzünk egy konkrét példát a rendszer önellenorzo képességének hiányára a GPS esetében! Az 1. ábrán a navigációs GPS-vevokkel meghatározható koordináták hibáit láthatjuk egy, az integritás szempontjából kritikus idoszakban, 2004. január 1-én. Jól látható, hogy 18:30 után a hibák drasztikusan megnonek, néhány perc alatt elérik a több ezer méteres értéket, jóllehet a rendszer megfelelo muködése esetében a helymeghatározás jellemzo hibái 20 m alattiak!
1. ábra. Az abszolút helymeghatározás hibái 2004. január 1-én.
Mindez a 23 jelu muhold atomórájának meghibásodására vezetheto vissza. A földi követoállomások alrendszere a 23-as muholdat csak 21:18-kor, azaz mintegy 3 órával késobb minosíti „beteg” muholdnak. Az EGNOS néhány másodperc alatt észlelte a 23-as muhold órajelének zavarait, így a korrekciós jelekkel segített helymeghatározásban a 23-as muhold már nem szerepel. Az ehhez hasonló esetek, ha nem is nagyon gyakran, de idonként elofordulnak. Könnyen belátható, hogy ezért nem lehet például repülogépek leszállítását a NAVSTAR GPS-re bízni, szükség van az ún. kiegészíto rendszerekre.
Néhány alapfogalom
A kiegészíto rendszerek muködését ebben az írásban nem kívánjuk részletesen ecsetelni, hiszen ezzel kapcsolatban boven állnak rendelkezésre információk. Azonban a monitor állomás muködésének megértéséhez szükségesnek látjuk néhány alapfogalom tisztázását, elsosorban a repülogépek navigálásának területérol.
Mivel minden mérést, így a GPS-méréseket is terhel valamekkora mérési hiba, ezért a navigációs rendszer által meghatározott és kijelzett pozíció is hibás. Alapveto, hogy egy repülogép valódi (hibátlan) útvonalát nem ismerjük. Ha ismernénk, nem lenne szükségünk a navigációs eszközökre. Ahogy azt az integritás fontosságát ecsetelo példa esetében is láttuk, egy monitor állomás antennájának valódi (hibátlan) helyzetét nagy pontossággal (mintegy néhány cm) meg tudjuk határozni, így a monitor állomáson üzemelo navigációs rendszerrel meghatározott pozíciók hibáit már meg tudjuk állapítani. Ehhez mindössze a navigációs rendszerrel meghatározott pozíciókat kell összehasonlítani a valódi (hibátlan) helyzettel.
Mivel minden mérést, így a GPS-méréseket is terhel valamekkora mérési hiba, ezért a navigációs rendszer által meghatározott és kijelzett pozíció is hibás. Alapveto, hogy egy repülogép valódi (hibátlan) útvonalát nem ismerjük. Ha ismernénk, nem lenne szükségünk a navigációs eszközökre. Ahogy azt az integritás fontosságát ecsetelo példa esetében is láttuk, egy monitor állomás antennájának valódi (hibátlan) helyzetét nagy pontossággal (mintegy néhány cm) meg tudjuk határozni, így a monitor állomáson üzemelo navigációs rendszerrel meghatározott pozíciók hibáit már meg tudjuk állapítani. Ehhez mindössze a navigációs rendszerrel meghatározott pozíciókat kell összehasonlítani a valódi (hibátlan) helyzettel.
2. ábra. Egy repülogép valódi (hibátlan) és tényleges repülési útvonala.
Ahogy a bevezetoben láttuk, a navigációs rendszerrel szemben támasztott követelmények szerint nemcsak a repülogép pillanatnyi pozícióját kell meghatározni, hanem a pozíció pontosságát is meg kell becsülni (2. ábra). Ennek jellemzésére vezették be a védelmi szint fogalmát (Protection Level, PL). Ez egy geometriai tartományt fejez ki (pl. egy vízszintes síkban lévo kört), amely nagy valószínuséggel tartalmazza a navigációs rendszerrel meghatározott pozíciókat (3. ábra). Megkülönböztetünk vízszintes és magassági értelmu védelmi szinteket. A védelmi szint egyrészt a muholdak konstellációjának, másrészt a kiegészíto rendszerek pillanatnyi teljesítményének függvénye. Egy adott helyen, és adott pillanatban a kiszámításához szükséges információkat a rendszer sugározza (muholdas kiegészíto rendszer esetében geostacionárius muholdakon keresztül), így az erre alkalmas GPS-vevok ki tudják számítani a vízszintes és magassági értelmu védelmi szinteket.
3. ábra. Vízszintes értelmu védelmi és riasztási szint.
A kiszámított védelmi szinteket összehasonlítják az egyes repülési fázisokban adott riasztási szintekkel (Alert Limit, AL) (1. táblázat). Ha a védelmi szint értéke nagyobb, mint a riasztási szint értéke, akkor a repülés nem irányítható kello biztonsággal. Ha a védelmi szint értéke kisebb, mint a figyelmeztetési szint értéke, akkor mondjuk, hogy a navigációs rendszer rendelkezésre áll (availability).
Repülési fázis | Riasztási szint | |
vízszintes | magassági | |
TMA | 1850 m | - |
NPA | 600 m | - |
APV-I | 600 m | 50 m |
APV-II | 40 m | 20 m |
CAT-I | 40 m | 12 m |
1. táblázat. Riasztási szintek az egyes repülési fázisokban.
Az Eurocontrol hálózata
A 31 európai tagországot számláló Eurocontrol egyik legfontosabb feladata az egységes európai polgári légi közlekedésirányítási rendszer kidolgozása. Ennek részeként az Eurocontrol felelos annak a tevékenységnek a koordinálásáért, amely azt vizsgálja, hogy a kiépítés alatt álló EGNOS mikor lesz alkalmazható a polgári repülés területén. 2002-tol ennek érdekében az EGNOS, pontosabban akkor még csak a teszt rendszer, az ESTB (EGNOS System Test Beds) teljesítményének vizsgálatára az Eurocontrol egységes adatgyujto állomásokat telepített. Ezek és a késobbiekben telepített állomások alkotják az Eurocontrol monitor hálózatát (4. ábra).
4. ábra Az Eurocontrol monitor hálózata.
Elso lépésben négy állomást (Barcelona, Toulouse, Lisbon and Delft) építettek ki, majd 2003. végén a hálózatot keleti irányba bovítették. Ekkor két új állomást létesítettek (Budapest és Szófia). Az állomások egyetemeken találhatók. A választás azért esett az egyetemekre, mert a hálózat üzemeltetoi úgy gondolják, hogy az egyetemeken találhatók meg azok a magasan képzett, illetve motivált szakemberek, akik a leginkább alkalmasak a feladatok ellátására.
Az EGNOS teljesítményének folyamatos meghatározása mellett a hálózat másik fontos feladata, hogy a rendszerben fellépo „rendellenességeket” észrevegyék, ezek okát megtalálják, meghatározzák elofordulási gyakoriságukat. A „rendellenességek”-kel kapcsolatban az elmúlt években számos esettanulmány készült, ezek közül a fontosabbak témái: a többutas terjedés hatása a helymeghatározásra, különbözo hibák a sugárzott korrekciókban, ionoszféra viharok hatása. A részletek iránt érdeklodok jó összefoglalást találhatnak [Santiago et al., 2004] munkájában.
Az EGNOS teljesítményének folyamatos meghatározása mellett a hálózat másik fontos feladata, hogy a rendszerben fellépo „rendellenességeket” észrevegyék, ezek okát megtalálják, meghatározzák elofordulási gyakoriságukat. A „rendellenességek”-kel kapcsolatban az elmúlt években számos esettanulmány készült, ezek közül a fontosabbak témái: a többutas terjedés hatása a helymeghatározásra, különbözo hibák a sugárzott korrekciókban, ionoszféra viharok hatása. A részletek iránt érdeklodok jó összefoglalást találhatnak [Santiago et al., 2004] munkájában.
Az állomások és az Eurocontrol képviseloi rendszeresen (évente 4 alkalommal) találkoznak technikai munkacsoporti ülések keretében, ahol beszámolnak az elozo ülés óta eltelt idoszakban végzett munkáról. Az összejövetelekre mindig a hálózatban részt vevo valamelyik egyetemen kerül sor. Az üléseken elhangzott eloadások anyagai elérhetok a projekt honlapján, melyet a technikai részletekért érdeklodo olvasók figyelmébe ajánljuk.
A BME monitor állomása
A Budapesti Muszaki és Gazdaságtudományi Egyetemen (BME) az Általános- és Felsogeodézia Tanszék kezelésében 2003. november közepén kezdte meg muködését az állomás. A BME-n létesített állomás a nap 24 órájában folyamatosan gyujti a GPS és EGNOS muholdakra vonatkozó adatokat. Az adatokat másodpercenként rögzíti az állomás vevoje, ami gigászi mennyiségu adat kezelését jelenti (egy napi mérés mintegy 120 MB). Az állomás hardverösszetevoi:
- NovAtel GPS-600 pinwheel antenna;
- NovAtel MiLLennium kétfrekvenciás, tízcsatornás vevo (a tizedik csatornán vesszük a korrekciós jeleket);
- számítógép.
Az EGNOS állomás antennáját a tanszék által üzemeltett permanens állomás antennájának közelében helyeztük el. A két GPS antenna ugyanazon a használaton kívüli kéményen található, távolságuk mintegy 85 cm. A NovAtel GPS vevo és az adatokat rögzíto számítógép a permanens állomás irodájába került. Az adatok rögzítése telje-sen automatikusan, végtelen ciklusban történik. Az elmúlt több, mint egy év tapasztalatai alapján ez csak néhány különleges alkalommal (pl. áramszünet esetén) szakadt meg. Az adatok rögzítése nagyon stabilnak mondható, a hibásan rögzített bájtok aránya 0.01% alatti.
5. ábra. A permanens és az EGNOS monitor állomás antennája a BME Központi Épület tetején.
Az állomás folyamatosan rögzíti a látható GPS-muholdakra vonatkozó nyers mérési adatokat, azaz a kódmérésbol és fázismérésbol származó muhold-vevo távolságokat, a GPS-muholdak által sugárzott navigációs üzeneteket, valamint valamelyik geostacionárius muholdról az EGNOS korrekciós és egyéb adatokat. Az EGNOS adatokat sugárzó három geostacionárius muhold közül a BME állomás vevoje egyszerre csak egy muhold adatait képes venni. A párizsi központ utasításai alapján állítjuk be hogy mikor melyik muhold adatait vesszük. Egyes állomások egyszerre akár mindhárom geostacionárius muhold adatait tudják venni, így lehetoség van az egyes muholdak adatainak összehasonlítására. A tapasztalatok azt mutatják, hogy ezek között vannak kisebb-nagyobb eltérések.
A nyers mérési adatok feldolgozását az Eurocontrol által kifejlesztett feldolgozó szoftverrel (Pegasus) végezzük. A szoftverrel utófeldolgozással vezetjük le az antenna koordinátáit, illetve a koordináták becsült pontosságára vonatkozó ún. védelmi szinteket (protection level). A feldolgozó szoftver a meghatározott koordinátákat összehasonlítja az antenna hibátlannak tekintett koordinátáival (egy monitor állomás esetében ez ismert), így a meghatározott koordináták tényleges pontossága és a védelmi szintek aránya egymással összevetheto. És végül, de nem utolsó sorban a meghatározott koordináták pontossága statisztikailag is jellemezheto. A feldolgozó szoftvert folyamatosan frissítik, hiszen a projekt egyik legfontosabb célkituzése, hogy kidolgozzák a muholdas kiegészíto rendszerek korrekciós adatainak feldolgozására alkalmas, szabványként is használható eszközöket. Természetes, hogy a tényleges alkalmazások során minden számítást maguk a GPS-vevok végeznek valós idoben. A monitor hálózat esetében az utófeldolgozás, illetve a feldolgozó szoftver a rendszer tesztelését szolgálja. Alkalmanként egy napi mérést dolgozunk fel. Mindez teljesen automatikusan történik, általában a hajnali órákban. A feldolgozás egyik legfontosabb végterméke egy egyoldalas jelentés a jelentosebb méroszámokkal. Erre láthatunk egy példát a 2. táblázatban.
2. táblázat. Jelentés az EGNOS teljesítményérol a BME monitor állomás adatai alapján.
Melyek a jelentésben található legfontosabb információk? A jelentés a 2004. szeptember 4-ei, budapesti állomás adatainak feldolgozása alapján készült. 86034 pozí-ciót lehetett az elvileg 86399 közül sikeresen meghatározni. A pontosság (accuracy) 95 százalékos valószínuségi szinten vízszintes értelemben 1,30 m, magassági értelemben 1,51 m. Ezek szép eredménynek tekinthetok. A védelmi szintek statisztikai jellemzoi: 95 százalékos valószínuségi szinten vízszintes értelemben 21.14 m, magassági értelemben 25.85 m. Ezek az értékek igen magasak, ha figyelembe vesszük, hogy a magassági értelmu riasztási szint a CAT-I megközelítési eljárásban 12 m. Emaitt a rendszer rendelkezésre állása például a CAT-I megközelítési eljárásban mindössze 48 százalék. Ahhoz, hogy az EGNOS megfeleljen a szigorú közlekedésbiztonsági eloírásoknak, a rendelkezésre állás értékeknek legalább 99 százaléknak kell lennie. Ezt a vizsgált napon távolról sem sikerült teljesíteni. Megjegyezzük, hogy a jellemzo rendelkezésre állási szintek a bemutatott értéknél is jóval szerényebbek. Ebbol is lehet látni, hogy az EGNOS kiépítettsége még nem teljes.
Az EGNOS pontosság növelo hatása jól látható a 6. ábrán, ahol a vízszintes pozíciók hibáit ábrázoljuk elso esetben az EGNOS jelek használata nélkül (ez az abszolút helymeghatározás esete), illetve a második esetben a korrekciós jelek alkalmazásával.
a)
b)6. ábra Vízszintes értelmu pozíció hibák EGNOS nélkül (a) és EGNOS-szal (b).
A jelentéseket az állomás automatikusan tölti fel naponta az Eurocontrol párizsi központjában található FTP kiszolgálóra. Ezen túl a nyers mérési adatok és a jelentések letölthetok a BME EGNOS monitor állomás honlapjáról is. Egyelore a letöltéshez egy jelszó szükséges, amelyet az ESA igen határozott kérésére csak a projektben résztvevo intézmények, szakemberek számára adunk meg. Sajnos az EGNOS teljesítménye egyelore jelentosen elmarad a tervezettol, ezért az ESA szeretné elkerülni, hogy a teljesítmény nem túl kedvezo jellemzoi a széles nyilvánosság számára is el-érhetoen legyenek dokumentálva.
Hol is tart az EGNOS projekt?
Végül foglaljuk össze, hogy a monitor állomás több, mint egy éves muködése alatt milyen tapasztalatokat szereztünk az EGNOS hatékonyságáról!
- Az EGNOS teljesítménye az állomás eredményei alapján még jelentosen elmarad a tervezettol. Ennek legfontosabb oka, hogy a rendszer teljes kiépítettségét még nem érte el.
- A teljesítmény olyannyira elmarad a tervezettol, hogy az EGNOS-szal segített helymeghatározás gyakran, olykor jelentosen pontatlanabb, mint az abszolút helymeghatározás.
- A rendszer teljesítménye jelentosen függ a helytol. Az állomásunk tagja egy európai hálózatnak. A tapasztalatok szerint tolünk nyugatra, elsosorban Franciaország, Spanyolország és a Benelux-államok területén lényegesen pontosabb és megbízhatóbb az EGNOS muködése, mint a Kárpát-medence területén. A szófiai állomás adatai alapján tolünk keletre még szerényebb az EGNOS teljesítménye.
- A rendszer nem sugároz folyamatosan korrekciókat. Van, amikor napokig nincs semmilyen szolgáltatás. Az egyes geostacionárius holdak sem nyújtanak azonos teljesítményt.
Az EGNOS pillanatnyi teljesítményérol az ESA honlapjáról, az IMAGE projekt oldalain keresztül kaphatunk információt, bár a tapasztalataink szerint ez gyakran kedvezobb képet fest a valóságnál. Bízunk benne, hogy a közeljövoben arról számolhatunk be olvasóinknak, hogy az állomás eredményei alapján is az EGNOS elérte teljes kiépítettségét. Továbbá reméljük, hogy hamarosan a rendszer üzemeltetoit már nem kompromittálják az adataink, jelentéseink, így ezek letöltése az állomás honlapjáról nem lesz jelszóhoz kötve.
Irodalomjegyzék
Kratochvilla K. (2005): A budapesti EGNOS monitorállomáson végzett mérések vizs-gálatának tapasztalatai. Geomatikai Közlemények VIII. Sopron, 2005. (Megjelenés alatt)
Santiago S., R. Farnworth, A. Berg, R. Kremers, J. Sanz, C. Macabiau, A. Fonseca (2004): The Data Collection Network: EGNOS revealed, Proc. of the European Navigation Conference GNSS 2004, Rotterdam (The Netherlands), May 2004.
Santiago S., R. Farnworth, A. Berg, R. Kremers, J. Sanz, C. Macabiau, A. Fonseca (2004): The Data Collection Network: EGNOS revealed, Proc. of the European Navigation Conference GNSS 2004, Rotterdam (The Netherlands), May 2004.
Kapcsolódó oldal:
BME EGNOS Monitor állomás