• Kövess minket!

Tech/Tudomány

A GPS és társai - III. rész

A GPS és társai - III. rész

Horváth Csaba havi rendszerességgel tart előadást a tengeri hajózás fortélyairól, amelynek első témája a műholdas navigáció témáját járta körbe. Az első előadás szöveges kivonatát folytatásokban mi is közzétesszük.

Első rész: A GPS és társai - I. rész
Második rész: A GPS és társai - II. rész

GALILEO
A 90-es évek második felében az európai döntéshozó szervezetek felismerve a műholdas helymeghatározás és navigáció stratégiai jelentőségét, az Európai Unió első generációs, regionális navigációs műholdprojektet indított EGNOS néven. Ez más, mint műholdas telepítésű GNSS kiegészítő alrendszer (SBAS), amely a GPS-műholdak jeleit felhasználva, azoknál pontosabb helymeghatározást tesz lehetővé. Az EGNOS jelenleg már működik.

2002 márciusában az Európai Unió és az Európai Űrügynökség megállapodott a saját, polgári üzemeltetésű globális műholdas navigációs infrastruktúra felállításáról, melyet Galileo Galileiről neveztek el GALILEO-rendszernek. Galilei volt az, aki 1610-ben saját fejlesztésű távcsövével felfedezte a Jupiter négy holdját, melyek a navigációban alapvetően fontos időmérésre alkalmasnak talált. Az ún. Galilei-holdak óraműszerű precíz mozgásának megfigyelésével ugyanis arra a következtetésre jutott, hogy a holdak alkalmasak lennének egy referenciaidő meghatározására, amivel pedig a földrajzi hosszúság lenne könnyedén kiszámítható. A műholdas helymeghatározásban pedig az időmérésnek alapvetően fontos szerepe van! (Lásd majd a 2014. május 6-i „MARITIME GREENWICH ÉS A FÖLDRAJZI HOSSZÚSÁG” című előadást!)

A GALILEO-rendszer célja és nagy előnye, hogy az egész földön polgári felügyelet alatt üzemeltetett alternatívát biztosítson a katonai kontrol alatt álló amerikai GPS és az orosz GLONASS mellett. A GALILEO az első olyan globális műholdas helymeghatározó és navigációs alaprendszer lesz, amelyet speciálisan polgári felhasználási célokra létesül. Sikeres megvalósulását követően, 2018–2020-ra igen korszerű, ún. második generációs alaprendszert eredményez.

A GALILEO-program szakaszai:
1. Meghatározási szakasz 2001-ig.
2. Tesztelési szakasz, GIOVE misszió szegmens 2012-ig. Ebben a szakaszban építették ki a reprezentatív földi infrastruktúrát, építették meg és állították pályára az első teszt műholdakat, az GIOVE-A (2005) és GIOVE-B (2008).
3. Kipróbálási fázis, IOV. 2012. október 12-én kerültek pályára az új holdak, így lezárult a kipróbálási fázis. 4 darab műholddal a navigációs rendszer tesztelése 2014. február 13-án sikerrel zárult.
4. Kiépítési szakasz 1 fázis. A tervek szerint 2013-tól 2020-ig tart. Ebben a fázisban a négy teszt hold mellé további 14 holdat állítanak pályára, ezzel az alapszintű elérhetőség (rendszeres ingyenes közszolgáltatás és SAR) biztosított lesz 2015-re. A kiépítési fázis második fázisában kerül sor a GALILEO-rendszer teljes, 30 műholdas kiépítettségére, és a teljes földi szegmens felállítására. Erre azonban még várni kell, a tervek szerint 2018–2020-ra áll fel teljesen a rendszer.
5. A hasznosítási szakaszban már az összes szolgáltatás igénybe vehető, a rendszer teljes mértékben üzemel. Ettől kezdve a földi és űrszegmens karbantartása és fejlesztése, kereskedelmi üzemeltetése zajlik.

A GALILEO műholdas alrendszerét 27+3 mesterséges hold alkotja majd három közepes földtávolságú pályasíkon (Medium Earth Orbit, MEO), 23 222 km keringési magasságon egyenletesen elosztva. A pályákon 9‒9 műhold és egy-egy tartalék helyezkedik el. A tervezett élettartam 12–20 év. Az egyes mesterséges holdakon két rubidium és két passzív hidrogén mézer atomóra biztosítja a szükséges stabil frekvenciát. A hidrogén mézer atomóra az eddigi legpontosabb óra, amit valaha is navigációra használtak: a hibája három millió évenként mindössze egy másodperc!
A GALILEO földi állomásainak rendszere az űrügynökésg egyik legkomplikáltabb fejlesztése. A földi szegmens két irányító- és ellenőrzőközpontot, öt nyomkövető és vezérlő központot, kilenc feltöltő állomást és világszerte telepített 30‒40 szenzor-állomást tartalmaz.

A GALILEO-jelek által biztosított szolgáltatás kétszintű: alapszint és korlátozott hozzáférésű szolgáltatási szint. Az alapszint – mint a GPS-nél és a GLONASS-nál – ingyenes. A GALILEO öt fő szolgáltatást nyújt, melyből az első három 2014-től lesz elérhető, a maradék kettő pedig 2018–2020 után:

1. Nyilvános szolgáltatás: a földön bárhol, bármikor ingyenesen szolgáltatja a helymeghatározási és időadatokat. A multi-vevők a GALILEO-n kívül egy és/vagy több társrendszer szolgáltatását is igénybe tudja venni.

2. Felkutató és mentő szolgáltatás (Search and Rescue, SAR) nyújtásával a GALILEO hozzájárul a jelenleg működő COSPAS-SARSAT rendszer javításához.

3. Kormányzati ellenőrzésű szolgáltatás korlátozott elérésű szolgáltatás a közhatalmi szervek számára, mint rendőrség, határőrség, mentők és tűzoltóság, vagy a polgári- és katarsztrófavédelem és a békefenntartó, továbbá a nemzetvédelmi erők.

4. Kereskedelmi szolgáltatás két titkosított jelet tartalmaz, mely jelentősen növeli a helymeghatározás pontosságát. A díj ellenében nyújtott értéknövelt kereskedelmi és professzionális szolgáltatás ipari felhasználók, mint a bányászat, földmérés vagy a térképészet veszik igénybe.

5. Életvédelmi szolgáltatás már elérhető az EGNOS révén.

A GALILEO egyik előnye a GPS-szel szemben az integritási információk alkalmazása. A GALILEO jelenleg az egyetlen rendszer, amelyet úgy terveztek, hogy másodperceken belül jelezze a felhasználónak, ha egy műhold hibásan működik. Ez jelentősen növeli a rendszer megbízhatóságát. Ekképpen olyan kritikus alkalmazásokban is igénybe vehető lesz, mint pl. a légi irányítás.

A GALILEO mindenképpen felülmúlja versenytársait. Az ingyenesen elérhető műholdakkal 4–8 méteres pontossággal lehet majd mérni, de a kereskedelmi szolgáltatást igénybe vevők számára a mérés pontossága 1 m-en belüli lesz. A műholdpályák elhelyezkedése, illetve a többi GNSS-sel való együttműködés lehetővé teszi, hogy városi környezetben, vagyis „urbánus kanyonokban”, azaz magas épületek között, vagy belső terekben is elérhető lesz a szolgáltatás. Ilyen helyeken átlagosan a 40%-os elérhetőség 90%-ra javulhat.

A GALILEO-projekt nem kis befektetést igényel, de nem véletlen, hogy az EU eurómilliárdokat áldoz egy olyan önálló rendszer kifejlesztésére és felállítására, amely méltán komoly versenytársa a már régóta üzemelő GPS-nek és az időközben Oroszországon kívül is publikussá tett GLONASS-nak. 2025-re csak az európai piac várhatóan eléri a 135 millárd eurós forgalmat, de a világ legnagyobb piaca nem az európai, hanem a Távol-Keleti… Itt viszont a kínai COMPASS/BeiDou-2 rendszert hatalmas tempóban fejlesztik…

COMPASS/BeiDou-2
A negyedik GNSS rendszer a kínai. Kína a kilencvenes években kezdte a saját regionális műholdas navigációs rendszerét kiépíteni. A BeiDou (kiejtése: Pejtou) kísérleti rendszer felállításának gondolata már a nyolcvanas évek elején felmerült, végül 1994-ben indult a program. A BeiDou-1, azaz a regionális rendszer 2004-től már nem csak katonai, hanem civil felhasználók számára is elérhetővé vált. A BeiDou-2 , korábbi nevén COMPASS projekt (Compass Navigation Satellite System, CNSS) Kína független, második generációs globális műholdas navigációs rendszere. A COMPASS voltaképpen nem a már üzemelő BeiDou-1 rendszer továbbfejlesztése, hanem egy olyan önálló GNSS, amely hasonló elven dolgozik, mint a GPS, a GLONASS vagy a GALILEO. A COMPASS 2004-ben indult program, elsősorban azzal a céllal, hogy Kína függetlenné váljon az amerikai GPS-rendszertől és méltó vetélytársa legyen a tervezett GALILEO-nak. A rendszer a tervek szerint 2020-ra 35 műholdból álló konstelláció lesz.

2011. december 27-e óta már 10 holddal próbaüzemben dolgozott. 2013. december végén az ázsiai és csendes-óceáni térségben megnyílt a műholdas navigációs rendszer az általános polgári, azaz kereskedelmi hasznosítás előtt, ugyanis a 16 működő űreszközt számláló Beidou használatának lehetősége 2012 végéig csak a kínai kormányzati és katonai szervekre korlátozódott. A rendszer ma kb. 10 m-es pontosságot biztosít a helymeghatározás során, a mozgó vevő sebességét pedig 0,2 m/s pontossággal tudják megállapítani. 2014-től az ázsiai és csendes-óceáni régióban már teljes mértékben kiszolgálja a felhasználókat. A 2020-as teljes kiépítettség után az egész földön elérhető lesz a nagy precizitású ingyenes és titkosított helymeghatározási, navigációs és idő szolgáltatása. Ezzel a nemzetközi piacon méltó versenytársa lesz az amerikai, orosz és európai rendszereknek. Kína gyorsan fejlődő belső piacán pedig a helyzetmeghatározáson alapuló szolgáltatások a COMPASS-rendszer jelei alapján dolgozni képes vevők 2020-ra 70‒80%-os részesedést hasíthatnak ki a 10 évvel korábbi kb. 95%-os amerikai GPS részesedésével ellentétben. Mindez pénzre lefordítva: a műholdas helymeghatározó rendszer piaca 2015-re kb. 24‒32 milliárd USD lesz, 2020-ra pedig ≈ 64 millárd USD!

A rendszer neve – BeiDou – a Nagymedve, azaz a Göncölszekér csillagkép kínai neve. A név pontosan azt a konstellációt jelöli, amit mi magyarok Göncölszekér néven ismerünk. Ekképpen a BeiDou név egyben a műholdas navigációs rendszer céljának metaforája.
A többi globális műholdas navigációs rendszerhez hasonlóan a COMPASS/BeiDou-2 is hármas felosztású, azaz a műholdak (űrszegmens), a földi követőállomások, és a felhasználók alrendszerei képezik a teljes szisztémát.

A Beidou – ellentétben a másik három GNSS-el – nem csak közepes magasságú pályákon keringő holdakkal működik, de geostacionárius, valamint nagy hajlásszögű geoszinkron pályákon elhelyezett műholdakat is. A COMPASS/BeiDou-2 űrszegmens a teljes kiépítettség idején 35 műholdból áll majd, melyből 5 geostacionárius (GEO), 30 nem-GEO műhold. Ez utóbbiakból 27 közepes föld körüli pályán (Medium Earth Orbit, MEO), 3 pedig ún. elhajló geoszinkron pályán (IGSO) helyezkedik el.

A geostacionárius pálya a műholdak olyan föld körüli, Egyenlítő fölötti égi útvonala, melyen a műhold földtengely körüli mozgásának szögsebessége megegyezik a Földével, így az Egyenlítő felett elhelyezkedő objektum mindig ugyanazon földrajzi hosszúság felett látható, vagy a földről nézve olyan, mintha mozdulatlanul „állna” az égbolton. A BeiDou-2 MEO műholdak pályamagassága 21 528 km. 2012 végén az 1. fázisban (a távol-keleti régióban működő regionális üzemben) öt Compass-G (GEO), négy (Compass-M) MEO és öt IGSO műhold üzemelt, miközben a további Compass-M holdak pályára állítása zajlik.
Az 1. fázisban a pontossága 5 méteres, de a 2. fázis kiépülésekor előre láthatóan az egy méteres pontosságot is elérő szolgáltatást a 30 földi monitor állomás korrekciós jelei biztosítják.

Regionális műholdas navigációs rendszerek és a GNSS-alrendszerek
India regionális rendszere az Indiai Regionális Műholdas Navigációs Rendszer (IRNSS), mely mára már elérte a minimális működés feltételeit. A tervek szerint összesen hét, geoszinkron pályán álló műholddal üzemel majd a teljes kiépítettség idején, mely 24 műholdra bővíthető.
A japán Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) létrehozásáról 2006-ban született döntés. Első lépcsőben a QZS–1 műholdat állították pályára. A második lépcső további két műhold pályára állítása, a harmadik pedig az operációs státusz elérése. A rendszer holdjai nem egyszerű geoszinkron holdak. A holdak pályája igen kicsi excentricitású elliptikus pálya, amely így torzított 8-as alakot kap. A nyolcas felső hurka Japán felett, a hasas alsó hurka pedig Mikronézia és Ausztrália felett húzódik. A pálya fő jellemzője, hogy mindig lesz egy Zenithez közel álló hold Japán felett (innen kapta a rendszer a nevét). A holdak nyolcóránként váltják egymást, így valósul meg a 24 órás lefedettség. QZSS-rendszer célja a GPS mérési pontosságának egyméteresre javítása, de fontos szempont az állandó rendelkezésre állás is. Ugyanis a Japán metropoliszokra jellemző sok felhőkarcoló miatt a vevők csak körülbelül 50%-os vételi idővel rendelkeznek. Ezért van szükség állandón a Zenit közelében látható műholdakra.
A BeiDou-1 a kínai regionális rendszer, mely GEO műholdakon alapul.

GNSS-alrendszerek
A differenciális GNSS mérési technika lényege az, hogy egy precíziós GNSS-vevő (bázis- vagy referenciavevő) pontosan ismert koordinátájú ponton települ és az általa rendszeresen végzett méréseket felhasználva az ismeretlen ponton mozgó vevők számára a korrekciós adatokat megadja. A javításokat a hajók számára VHF vagy AM műsorszóró rádióállomások és tengerészeti rádióbóják sugározzák, amelyeknek az adását csak speciális vevők vagy közönséges rádiókhoz csatlakoztatott, dekóderrel kiegészített hagyományos vevők képesek venni, akár 1000 km távolságból is. A felhasználók így akár centiméteres pontosságot is elérhetnek, a valós sebesség mérési pontossága 0,1 csomó. Ezt a módszert valós-idejű differenciális  eljárásnak nevezzük.
A GNSS-alrendszerek világszerte elterjed lokális hálózatok, kiegészítő rendszerek két csoportja alakult ki:
1. Műhold Alapú Kiegészítő Rendszerek (Satellite Based Augmentation Systems, SBAS), illetve
2. Földi Telepítésű Kiegészítő Rendszerek (Ground Based Augmentation Systems, GBAS).
A (fizetős és az ingyenes) SBAS – nevéből is következtethető – jelentősen nagyobb területet fed le, mint a hagyományos rádióállomásokat igénybe vevő GBAS. A teljesség igénye nélkül a nagyobb lokális hálózatok az alábbiak:

WAAS – USA és Kanada
EGNOS – az Európai Unió első generációs navigációs műholdprojektje
GAGAN – India
DORIS – Franciaország
DGPS – USA
CGPS – Kanada
MSAS – Japán
SDCM – Oroszország

Első rész: A GPS és társai - I. rész
Második rész: A GPS és társai - II. rész

Az előadás-sorozatról

A célom az, hogy a hajózás különböző területeiről válogatott témákat mutassak be a hallgatóságomnak érdekesen, színesen.

Az első előadás a műholdas navigációról szól, hiszen közkedvelt navigációs eljárásról van szó, azonban az amerikai GPS-en kívül a többi globális és lokális rendszer vajmi kevéssé ismert.

A második előadás az árapályos tengeren való hajózásról szól. Az Adrián hajózók nem szoktak hozzá az árapály jelenségéhez, így keveset tudnak erről a kérdésről.

A harmadik, májusi előadás évfordulóhoz kötődik. A brit parlament által alkotott „Hosszúsági Törvény” 300. évfordulójának alkalmából beszélek a hajózás évszázados nagy problémaköréről, a földrajzi hosszúság, és az idő pontos meghatározásának a XVIII. századig megoldhatatlan feladatáról. A téma kapcsán szó lesz a történet helyszínéről, Greenwichről is.

Talán még június elején tartok egy előadást, majd a nyári szünet után, várhatóan októberben folytatjuk a sorozatot újabb érdekes témákkal.

Az előadás a Jachtnavigátor nautikai enciklopédia hamarosan megjelenő II. kötetének „Az elektronikus navigáció története” és „Elektronikus helymeghatározás” című fejezeteinek és ábráinak felhasználásával készült.