ΑΥΤΟΝΟΜΗ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΕΝΟΣ ΠΟΜΠΟΥ (RAIM) ΣΕ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΟΡΥΦΟΡΙΚΗΣ ΠΛΟΗΓΗΣΗΣ

Transcript

1 Ειδική Επιστηµονική Εργασία ΑΥΤΟΝΟΜΗ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΕΝΟΣ ΠΟΜΠΟΥ (RAIM) ΣΕ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΟΡΥΦΟΡΙΚΗΣ ΠΛΟΗΓΗΣΗΣ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΠΟΥΛΟΣ ΕΥΑΓΓΕΛΟΣ Α.Μ.:373 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΠΑΤΡΑ ΙΟΥΛΙΟΣ 2014

2

3 Ειδική Επιστηµονική Εργασία ΑΥΤΟΝΟΜΗ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΊΑΣ ΠΟΜΠΟΥ (RAIM) ΣΕ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΟΡΥΦΟΡΙΚΗΣ ΠΛΟΗΓΗΣΗΣ Ευάγγελος Κωνσταντινόπουλος Ηλεκτρονικός Μηχανικός (ΤΕ) Εγκρίθηκε από την τριµελή εξεταστική επιτροπή την 10 η Ιουλίου 2014 στα πλαίσια του ΠΜΣ «Ηλεκτρονική και Επικοινωνίες (Ραδιοηλεκτρολογία)» Βασίλειος Αναστασόπουλος Επιβλέπων Καθηγητής Τµήµα Φυσικής Παν/µιο Πατρών Γεώργιος Οικονόµου Καθηγητής Τµήµα Φυσικής Παν/µιο Πατρών Ευάγγελος Ζυγούρης Αναπληρωτής Καθηγητής Τµήµα Φυσικής Παν/µιο Πατρών Πάτρα, Ιούλιος 2014

4

5 Πρόλογος Η παρούσα Ειδική Ερευνητική Εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια του Μεταπτυχιακού Προγράµµατος Σπουδών του τµήµατος Φυσικής του Πανεπιστηµίου Πατρών Ηλεκτρονική και Επικοινωνίες (Ραδιοηλεκτρολογία) υπό την καθοδήγηση και την επίβλεψη του Καθηγητή κ. Βασιλείου Αναστασόπουλου. Αντικείµενο της παρούσας εργασίας είναι η µελέτη της Αυτόνοµης Παρακολούθησης Ποµπού (RAIM) σε συστήµατα δορυφορικής πλοήγησης. Η µέθοδος RAIM αναπτύχθηκε στις αρχές του 1990 καθώς είχε δηµιουργηθεί η ανάγκη για τον έλεγχο της λειτουργίας των δορυφορικών συστηµάτων πλοήγησης που τότε άρχισαν να δίνονται για χρήση στο ευρύ κοινό µια και το GPS που είναι το πιο ολοκληρωµένο σύστηµα δορυφορικής πλοήγησης ήταν αποκλειστικά για στρατιωτική χρήση έως τότε. Η πλοήγηση των αεροσκαφών βασιζόταν έως τότε αποκλειστικά στα ραδιοβοηθήµατα κάτι που συµβαίνει µέχρι σήµερα καθώς τα δορυφορικά συστήµατα πλοήγησης έχουν συµβουλευτικό µόνο χαρακτήρα και δεν είναι επιχειρησιακά για την πολιτική αεροπορία. Η εξέλιξη της τεχνολογίας και οι ολοένα αυξανόµενες ανάγκες για βελτίωση των συνθηκών πτήσης, δηλαδή να πραγµατοποιούνται σε λιγότερο χρόνο οι πτήσεις, µε µικρότερο κόστος στα καύσιµα και µε µεγαλύτερη ασφάλεια οδήγησε στην εξέλιξη των δορυφορικών συστηµάτων πλοήγησης που αποσκοπούν να γίνουν τα βασικά συστήµατα πλοήγησης των αεροσκαφών. Στην παρούσα εργασία στην αρχή γίνεται µια αναφορά στα ραδιοβοηθήµατα που χρησιµοποιούνται για την πλοήγηση των αεροσκαφών. Έπειτα αναλύονται τα διάφορα συστήµατα δορυφορικής πλοήγησης που υπάρχουν και στη συνέχεια αναλύεται τι είναι το RAIM και οι διάφορες µέθοδοι RAIM που υπάρχουν. Μετά παρουσιάζεται το LPV-200 που δείχνει την ανάγκη για βελτίωση του RAIM για να υπάρχει και κάθετη πλοήγηση και ύστερα ακολουθεί η ανάλυση του ARAIM, του RRAIM και του MHSS RAIM που είναι η εξέλιξη του συµβατικού RAIM για να καλύψει τις καινούριες απαιτήσεις του ICAO για κάθετη πλοήγηση. Στο τέλος γίνονται µετρήσεις σε GPS δορυφόρους σε πραγµατικό χρόνο για να αναλύσουµε την λειτουργία του RAIM. i

6 Τελειώνοντας θα ήθελα να εκφράσω τις ευχαριστίες µου στον Καθηγητή κ. Βασίλειο Αναστασόπουλο για την στήριξη του σε επιστηµονικό επίπεδο που ήταν καθοριστική. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τον συνάδελφο κ. Σπύρο Χηνόπουλο για την πολύτιµη βοήθεια του για την συγκέντρωση του πλούσιου βιβλιογραφικού υλικού. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένεια µου, την γυναίκα µου και τους συµφοιτητές µου για την αµέριστη συµπαράσταση τους. ii

7 Abstract This M.Sc Project performed for the M.Sc Electronics and Communications (Radioelectrology) offered by the Department of Physics, University of Patras and deals with the study of Receiver Autonomous Integrity Monitoring (RAIM) in Global Navigation Satellite Systems (GNSS). The RAIM method was developed at early of 1990s as it had created the need of controlling the operation of satellite navigation systems which then began to be given for use in the general public since the GPS which is the more integrated satellite navigation system was reserved for military use until then. Navigation of aircrafts until then was based exclusively only on navigational aids something that is happening until today since the satellite navigation systems are consultative and not operational in civil aviation. The evolution of the technology and the increasing needs for improvement of flight conditions, such as less time for the flight, with less cost on fuel and greater safety led to the development of satellite navigation systems which aims to be the basic navigation system of the aircraft. In this project at the begging there is a reference to the navigational aids used for aircraft navigation. After we refer to the different satellite navigation systems that exists and then we analyze what is RAIM and what are the various RAIM methods. Later we present the LPV-200 which indicating the need for improving the RAIM in order to have vertical guidance and then we analyze the ARAIM, RRAIM and MHSS RAIM which is the development of the conventional RAIM to meet the new requirements of ICAO for vertical guidance. At the end we take measurements of GPS satellites in real time in order to analyze the RAIM performance. iii

8 Τεχνικοί όροι που δεν έχουν ακριβή µετάφραση integrity= ακεραιότητα λειτουργίας augmentation= αυξηµένος, υποβοήθηση constellation= αστερισµός, συγκέντρωση ephemeris= πίνακας µε τις θέσεις των ουράνιων σωµάτων iv

9 Πίνακας Περιεχοµένων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΡΑ ΙΟΒΟΗΘΗΜΑΤΑ NDB (NON-DIRECTIONAL BEACON) DME (DISTANCE MEASURING EQUIPMENT) VOR (VHF OMNI DIRECTIONAL RADIO RANGE) ILS (INSTRUMENT LANDING SYSTEM) TACAN (TACTICAL AIR NAVIGATION SYSTEM) RADAR (RADIO DETECTION AND RANGING) ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΛΟΗΓΗΣΗΣ GNSS (GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM) GPS (GLOBAL POSITIONING SYSTEM) GALILEO GLONASS COMPASS/BEIDOU ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΙΑΦΟΡΕΣ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΕΣ ΣΤΑ ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΛΟΗΓΗΣΗΣ-RAIM (RECEIVER AUTONOMOUS INTEGRITY MONITORING) ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΑΠΟ ΟΣΗΣ ΣΤΗΝ ΑΕΡΟΝΑΥΤΙΛΙΑ SBAS (SATELLITE-BASED AUGMENTATION SYSTEM) GBAS (GROUND-BASED AUGMENTATION SYSTEMS) ABAS (AIRCRAFT-BASED AUGMENTATION SYSTEM) ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΤΟ RAIM (RECEIVER AUTONOMOUS INTEGRITY MONITORING) SNAPSHOT SCHEMES Range Comparison Method Least-Squares-Residuals Method Parity method ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ PROTECTION LEVEL RAIM LPV-200 (LOCALIZER PERFORMANCE WITH VERTICAL GUIDANCE) ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5. Η ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΟΥ RAIM ARAIM (ADVANCED RAIM) ARAIM ALGORITHM PERFORMANCE IN ISM ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΉ RRAIM (RELATIVE RAIM) ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ MHSS (MULTIPLE HYPOTHESES SOLUTION SEPARATION) RAIM.. 78 v

10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ, ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ & ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ-ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...93 vi

11 Κεφάλαιο 1. Εισαγωγή Κεφάλαιο 1. Εισαγωγή Η εργασία αυτή αφορά την αυτόνοµη παρακολούθηση της λειτουργίας του ποµπού (RAIM) σε συστήµατα δορυφορικής πλοήγησης. Αρχικά στο κεφάλαιο 2 γίνεται αναφορά στα ραδιοβοηθήµατα που είναι εγκατεστηµένα ανά τον κόσµο από τις εκάστοτε πολιτικές αεροπορίες και τα οποία τα χρησιµοποιούν οι πιλότοι των αεροσκαφών για να γνωρίζουν την ακριβή τους θέση κατά την διάρκεια µιας πτήσης, καθώς επίσης τα χρησιµοποιούν για διαδικασίες προσέγγισης, προσγείωσης και απογείωσης στα κατά τόπους αεροδρόµια. Στην αρχή γίνεται αναφορά στο NDB που είναι ένα σύστηµα µη κατευθυντικού ραδιοφάρου που χρησιµεύει στο να προσδιορίζουν τα αεροσκάφη τη διόπτευση τους προς αυτό [1-2]. Έπειτα αναλύεται το DME που είναι ένα ραδιοβοήθηµα που χρησιµοποιείται στην πολιτική αεροπορία για να δίνει πληροφορίες αποστάσεως στον πιλότο του αεροσκάφους από ένα σταθερό γεωγραφικό σηµείο [1-3]. Στη συνέχεια έχουµε το VOR που είναι ένα επίγειο ραδιοβοήθηµα που δίνει την δυνατότητα στον πιλότο να βρίσκει την αζιµουθιακή του θέση από τον µαγνητικό Βορρά µε κορυφή το VOR ανεξάρτητα από την διεύθυνση του αεροσκάφους [1-3]. Ακόµη έχουµε το ILS που είναι ένα τερµατικό ραδιοβοήθηµα που δίνει πληροφορίες στον πιλότο για την ακριβή προσέγγιση και προσγείωση σε ένα αεροδρόµιο [1-3]. Ένα άλλο ραδιοβοήθηµα που γίνεται αναφορά είναι το TACAN που χρησιµοποιείται στην πολεµική αεροπορία και δίνει πληροφορίες αζιµούθιου και απόστασης [1,3,4]. Τέλος γίνεται αναφορά στα ραντάρ που δίνουν το στίγµα των αεροπλάνων ανά πάσα στιγµή και χρησιµεύουν για τον έλεγχο της εναέριας κυκλοφορίας από τους ελεγκτές εναέριας κυκλοφορίας [1-2]. Στο κεφάλαιο 3 γίνεται αναφορά στα δορυφορικά συστήµατα πλοήγησης που έχουν αναπτυχθεί σε διάφορες χώρες. Στην αρχή του κεφαλαίου παρουσιάζεται το GPS των Ηνωµένων Πολιτειών της Αµερικής που είναι το πιο ολοκληρωµένο δορυφορικό σύστηµα πλοήγησης που παρέχει πληροφορίες θέσης και χρόνου [2,5,9]. Έπειτα γίνεται αναφορά στο GALILEO που είναι το ευρωπαϊκό σύστηµα δορυφορικής πλοήγησης και βρίσκεται υπό ανάπτυξη και παρέχει πληροφορίες θέσης και χρόνου [6]. Στη συνέχεια παρουσιάζεται το GLONASS της Ρωσίας που παρέχει και αυτό παγκόσµια κάλυψη εκτός 1

12 Κεφάλαιο 1. Εισαγωγή από το GPS [7]. Και τέλος παρουσιάζεται το Compass που είναι το δορυφορικό σύστηµα πλοήγησης της Κίνας [8]. Στο κεφάλαιο 4 στην αρχή γίνεται µια αναφορά στα κριτήρια απόδοσης ενός δορυφορικού συστήµατος πλοήγησης όπως ορίστηκαν σύµφωνα µε τις απαιτήσεις του ICAO για την απόδοση ενός δορυφορικού συστήµατος πλοήγησης καθώς και κάποιες βασικές παραµέτρους που τα προσδιορίζουν [1,16]. Στη συνέχεια παρουσιάζεται το SBAS που είναι ένα σύστηµα που υποστηρίζει την µετάδοση πληροφοριών µε την χρήση δορυφόρων καθώς και την διασφάλιση του integrity του συστήµατος [2,14,15]. Έπειτα γίνεται µια παρουσίαση του GBAS που είναι ένα σύστηµα που υποστηρίζει τα ήδη υπάρχοντα GNSS και παρέχει υπηρεσίες για την υποστήριξη όλων των φάσεων προσέγγισης, προσγείωσης και απογείωσης µιας πτήσης [14,16]. Παρακάτω γίνεται µια αναφορά στο ABAS που είναι ένα σύστηµα που παρέχει GNSS πληροφορίες που είναι απαραίτητες σαν συµπληρωµατικό µέσο πλοήγησης [16]. Ύστερα αναλύεται το RAIM και ο σκοπός ύπαρξης του [1,2,12,16], ενώ στη συνέχεια παρουσιάζονται διάφορες RAIM µέθοδοι [12]. Έπειτα γίνεται υπολογισµός του Protection Level του RAIM [1,11,14,16]. Στο τέλος του κεφαλαίου αναλύεται το LPV-200 που υποστηρίζει και την οριζόντια και την κάθετη πλοήγηση [1-2]. Στην αρχή του κεφαλαίου 5 αναφερόµαστε στην εξέλιξη του RAIM µε την πάροδο των χρόνων και την ανάπτυξη του ARAIM που χρησιµοποιείται για να υποστηρίξει και την κάθετη πλοήγηση [10,14], ενώ παρακάτω αναλύεται η απόδοση του ARAIM αλγορίθµου µε ISM αρχιτεκτονική [18]. Στο τέλος του κεφαλαίου παρουσιάζονται διάφορες άλλες µέθοδοι που είναι παραλλαγές της βασικής RAIM µεθόδου όπως το RRAIM [13] και το MHSS RAIM [17]. Τελειώνοντας στο κεφάλαιο 6 παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα των µετρήσεων για δορυφόρους GPS σε πραγµατικό χρόνο για να βρούµε αν υπάρχει RAIM σε διαφορετικές χρονικές στιγµές και χρησιµοποιούµε ως σηµείο αναφοράς τον Κρατικό Αερολιµένα Ζακύνθου [12,19]. Και τέλος γίνεται µια αναφορά που οδηγείται η τεχνολογία και που στοχεύει η αεροπλοΐα τα επόµενα χρόνια. 2

13 Κεφάλαιο 2. Ραδιοβοηθήματα Κεφάλαιο 2. Ραδιοβοηθήµατα 2.1 NDB (Non-Directional Beacon) Το NDB (Non-Directional Beacon) είναι ένας µη-κατευθυντικός ραδιοφάρος που εκπέµπει από µία γνωστή τοποθεσία και χρησιµοποιείται ευρύτατα στην αεροπλοΐα και στη ναυσιπλοΐα. Είναι το πρώτο επίγειο Ραδιοναυτιλιακό Σύστηµα που κατασκευάστηκε µε πολύ µεγάλη χρήση µέχρι και σήµερα. Τα NDBs είναι ιδιαίτερα διαδεδοµένα γιατί έχουν πολύ χαµηλό κόστος σε σχέση µε τα άλλα ραδιοβοηθήµατα, το σήµα εκποµπής τους ακολουθεί την κυρτότητα της γης µε αποτέλεσµα να καλύπτουν µεγαλύτερες αποστάσεις σε χαµηλότερα υψόµετρα, ενώ εκπέµπουν πανκατευθυντικά και διαθέτουν απλά ηλεκτρονικά κυκλώµατα. Τα βασικά µειονεκτήµατα τους είναι ότι επηρεάζονται πολύ από την µορφολογία του εδάφους και ιδιαίτερα από ορεινούς όγκους που έχουµε πάρα πολλούς στην Ελλάδα. Επίσης επηρεάζονται από τις ατµοσφαιρικές συνθήκες ειδικότερα όταν υπάρχουν καταιγίδες και έντονη ηλεκτρική δραστηριότητα. Το NDB χρησιµοποιείται κυρίως σαν ραδιοβοήθηµα διαδροµής, καθώς και για σηµεία κράτησης (Holding Fixes) και για προσεγγίσεις µη ακριβείας (Non Precision Approaches). Στο σχήµα 2.1 βλέπουµε µία τυπική εγκατάσταση NDB. Σχήµα 2.1 Εγκατάσταση NDB 3

14 2.1 ΝDB (Non-Directional Beacon) Τα NDBs που χρησιµοποιούνται στην αεροπλοΐα έχουν τυποποιηθεί στο Annex 10 του ICAO [1] που καθορίζει ότι η συχνότητα λειτουργίας τους είναι µεταξύ 190 KHz και 1750 KHz. Στην Ελλάδα οι συχνότητες που χρησιµοποιούµε είναι από 200 KHz έως 400 KHz. Ο ποµπός εκπέµπει ένα αδιαµόρφωτο συνεχές σήµα (CW) στην περιοχή LF 30 KHz-300 KHz και MF 300 KHz KHz. Κάθε τρεις φορές το λεπτό εκπέµπεται και το µοναδιαίο χαρακτηριστικό για κάθε NDB, σε µορσικό κώδικα, το οποίο µπορεί να αποτελείται από ένα, δύο ή τρία γράµµατα. Στην Ελλάδα χρησιµοποιούµε τρία γράµµατα. Στο αεροσκάφος υπάρχει µία ηλεκτρικά περιστρεφόµενη loop κεραία προσανατολισµένη προς τον ραδιοφάρο που επιτρέπει στο πιλότο να το κατευθύνει προς τον ποµπό. Ο δέκτης που χρησιµοποιεί το αεροπλάνο ονοµάζεται ADF (Automatic Direction Finder) µέσω του οποίου έχουµε αυτόµατη ένδειξη της κατεύθυνσης του σταθµού NDB [2]. Ο πιλότος επιλέγει την συχνότητα του NDB και η κατεύθυνση του NDB εµφανίζεται στον ενδείκτη RMI (Radio Magnetic Indicator) στο πιλοτήριο. Στο RMI έχουµε ταυτόχρονα δύο ενδείξεις: την µαγνητική διόπτευση (Magnetic compass ή Heading) που είναι η γωνία µεταξύ του µαγνητικού Βορρά και της µύτης του αεροσκάφους και την ραδιοδιόπτευση ( Radio compass) από τον δέκτη DF η οποία δείχνει την γωνία µεταξύ της µύτης του αεροσκάφους και του σταθµού NDB. Στο σχήµα 2.2 βλέπουµε ενδείκτες RMI. Απλός ενδείκτης RMI (µικρά αεροσκάφη) ιπλός ενδείκτης RMI (µεγάλα αεροσκάφη) Σχήµα 2.2 Ενδείκτες RMI 4

15 Κεφάλαιο 2. Ραδιοβοηθήματα Τέλος στο σχήµα 2..3 βλέπουµε το σύµβολο που υποδηλώνει αεροναυτικό χάρτη. ένα NDB σε ένα Σχήµα 2.3 Σύµβολο NDB σε αεροναυτικό χάρτη. 2.2 DME (Distance Measuring Equipment) Το DME (Distance Measuring Equipment) ανήκει στην κατηγορία των ραδιοναυτιλιακών ραδιοβοηθηµάτων και χρησιµοποιείται στην αεροπορία για να δίνει πληροφορίες αποστάσεως (ρ), στον πιλότο ενός αεροσκάφους από ένα σταθερό και συγκεκριµένο γεωγραφικό σηµείο. Το DME δεν συναντάται ποτέ µόνο του. Συνοδεύει πάντα ένα ραδιοβοήθηµαα που δίνει πληροφορίες γωνίας (θ) στον πιλότο. Έτσι είναι εγκατεστηµένο µαζί µε VOR ή µε ILS. Και ο συνδυασµός VOR/DME ή ILS(LOC)/DME και υψοµέτρου (ALTIMETER) δίνει την ακριβή θέση του αεροσκάφους στο χώρο[2]. Το DME µπορεί να είναι είτεε τερµατικό (TERMINAL) εάν βρίσκεται µέσα στο αεροδρόµιο, έχει ισχύ (100W -200W) και εµβέλεια ναυτικά µίλια [2]. Εάν το DME είναι (EN ROUTE) βρίσκεται εκτός αεροδροµίου, συνήθως σε βουνοκορφή, έχει ισχύ 1000Wδίνει το DME είναι 1200W και εµβέλεια ναυτικά µίλια [3]. Η απόσταση που σχετική µε το σταθµό του DME και τη θέση και το ύψος του αεροσκάφους. 5

16 2.2 DME (Distance Measuring Equipment) ηλαδή η απόσταση του αεροσκάφους είναι η υποτείνουσα ενός ορθογωνίου τριγώνου που σχηµατίζουν το ίδιο το αεροσκάφος, η κάθετη προβολή του πάνω στο έδαφος και ο σταθµός εδάφους του DME. Στο σχήµα 2.4 βλέπουµε πως σχηµατίζεται το ορθογώνιο τρίγωνο µεταξύ αεροσκάφους, της κάθετης προβολής του και του σταθµού εδάφους του DME. Σχήµα 2.4 Σχηµατικό διάγραµµα µέτρησης απόστασης Η περιοχή συχνοτήτων λειτουργίας του DME είναι 962 MHz 1213 MHz[3]. Το σύστηµα DME αποτελείται από τον INTERROGATOR που είναι ένα συγκρότηµα ποµπού-δέκτη που βρίσκεται στο αεροσκάφος και είναι αυτός που υποβάλει τις ερωτήσεις (interrogations) προς τον TRANSPONDER και λαµβάνει τις απαντήσεις (replies) από αυτόν. Και τον TRANSPONDER που είναι ένα σύστηµα δέκτη ποµπού που βρίσκεται στον σταθµό εδάφους και είναι αυτός που δέχεται τις ερωτήσεις (interrogations) και εκπέµπει απαντήσεις (replies) στο αεροσκάφος. Οι προδιαγραφές του DME περιγράφονται λεπτοµερώς στο Annex 10 του ICAO [1]. Οι ερωτήσεις (interrogations) και οι απαντήσεις (replies) είναι παλµοί Gaussian. Υπάρχουν τέσσερις κώδικες λειτουργίας του DME: η MODE Χ, η MODE Y, η MODE W και η MODE Ζ. Στην Ελλάδα χρησιµοποιούµε την MODE Χ. Το σύστηµα DME δίνει την απόσταση L του αεροσκάφους από συγκεκριµένο γεωγραφικό σηµείο µετρώντας τον χρόνο που κάνει η παλµοσειρά (ηλεκτροµαγνητικά 6

17 Κεφάλαιο 2. Ραδιοβοηθήματα κύµατα) να µεταβεί από το αεροσκάφος στον σταθµό εδάφους του DME και να επιστρέψει στο αεροσκάφος. Η παλµοσειρά αυτή είναι κωδικοποιηµένη και περιέχει στοιχεία που µόνο ο συγκεκριµένος INTERROGATOR γνωρίζει. Ο TRANSPODER λαµβάνει την παλµοσειρά και την εκπέµπει ξανά µε µια ακριβή καθυστέρηση χρόνου. Ο σταθµός εδάφους του DME µπορεί να εξυπηρετεί µέχρι 100 αεροσκάφη ταυτόχρονα για αυτό η παλµοσειρά είναι κωδικοποιηµένη για να µπορεί το κάθε αεροσκάφος να αναγνωρίζει την δική του απάντηση. Στη συνέχεια ο INTERROGATOR αφού λάβει την παλµοσειρά και αναγνωρίσει ότι είναι δική του, µετράει τον χρόνο που µεσολάβησε από την στιγµή της εκποµπής µέχρι την στιγµή της λήψης. Έπειτα αφαιρεί 50 µsec που είναι ο χρόνος για να λάβει, να επεξεργαστεί και να επανεκπέµψει την παλµοσειρά ο transpoder και µετά το χρόνο τον διαιρεί διά δύο γιατί o µισός καταναλώθηκε στη διαδροµή της εκποµπής και ο άλλος µισός στην διαδροµή της λήψης. Τέλος το αποτέλεσµα το πολλαπλασιάζει µε την ταχύτητα διάδοσης των ηλεκτροµαγνητικών κυµάτων (c= Km/sec) για να υπολογίσει την απόσταση. Το DME εκπέµπει το id χαρακτηριστικό του στους 1350 Hz µε τρία γράµµατα µορσικού κώδικα. Αν είναι συνεγκατεστηµένο µε VOR ή ILS έχουν το ίδιο id αλλά το id του DME εκπέµπεται στους 1350 Hz ενώ του VOR ή του ILS στους 1020 Hz και εκπέµπονται 3 id VOR και ένα id DME στο λεπτό. Στην περιοχή λειτουργίας του DME 962 MHz MHz υπάρχουν 126 κανάλια (συχνότητες) που εκπέµπουν οι interrogator και 126 κανάλια (συχνότητες) που εκπέµπουν οι transponder. Οι συχνότητες εκποµπής του ενός είναι συχνότητες λήψης του άλλου. Τα κανάλια αυτά έχουν εύρος 1 MHz για τον interrogator και 1 MHz για τον transponder και απέχουν µεταξύ τους +/- 63 MHz. Η περιοχή συχνοτήτων χωρίζεται σε δύο υποπεριοχές: στη LOW BAND (962 MHz MHz) που είναι για τα τερµατικά (Terminal) DME και στη HIGH BAND (1088 MHz MHz) που είναι για τα διαδροµής (en-route) DME. Στο σχήµα 2.5 βλέπουµε διάφορες εγκαταστάσεις DME και VOR/DME. 7

18 2.3 VOR (VHF Omni Directional Radio Range) DME D-VOR/DME Σχήµα 2.5 Εγκαταστάσεις DME και D-VOR/DME 2.3 VOR (VHF Omni Directional Radio Range) Το VOR (VHF Omni Directional Radio Range) είναι ένα ραδιοναυτιλιακό ραδιοβοήθηµα που δίνει την δυνατότητα στον πιλότο του αεροσκάφους να γνωρίζει την 8

19 Κεφάλαιο 2. Ραδιοβοηθήματα αζιµουθιακή του θέση θ ο από τον µαγνητικό Βορρά Ν µε κορυφή το VOR ανεξάρτητα µε την διεύθυνση της πορείας του. Αναπτύχθηκε στις αρχές του 1937 στις ΗΠΑ και σήµερα είναι το βασικό σύστηµα πλοήγησης στον κόσµο. Το VOR είναι ένας VHF ποµπός µε συχνότητα λειτουργίας 108MHz- 118MHz [1]. ιακρίνεται σε τερµατικό (Terminal) VOR, που είναι εγκατεστηµένο µέσα σε αεροδρόµιο, έχει ισχύ περίπου 50W και εµβέλεια περίπου 100 ναυτικά µίλια. Εκπέµπει στην περιοχή συχνοτήτων 108MHz- 112MHz (Low Band) και έχει βήµα διαχωρισµού συχνοτήτων 200 KHz. Και από την άλλη έχουµε το (en-route) VOR που συνήθως είναι εγκατεστηµένο σε βουνοκορφές, έχει ισχύ 200W και εµβέλεια 200 ναυτικά µίλια και εκπέµπει στην περιοχή συχνοτήτων 112MHz-118MHz (High Band) µε βήµα διαχωρισµού συχνοτήτων 100 KHz [1]. Υπάρχουν δύο διαφορετικοί τύποι κατασκευής VOR. Έχουµε το Convectional VOR που έχει 5 κεραίες και το Doppler VOR που έχει 51 κεραίες. Η βασική τους διαφορά είναι ότι στο Conventional VOR το 30 Hz Reference εκπέµπεται από το VOR ενώ το 30 Hz Variable παράγεται στο χώρο (space modulation). Από την άλλη στο Doppler VOR το 30 Hz Variable εκπέµπεται από το VOR ενώ το 30 Hz Reference παράγεται στο χώρο. Στο παρακάτω σχήµα 2.6 βλέπουµε διάφορες εγκαταστάσεις VOR. 9

20 2.3 VOR (VHF Omni Directional Radio Range) Σχήµα 2.6 ιάφορες εγκαταστάσεις VOR Η αρχή λειτουργίας του VOR βασίζεται στην σύγκριση της διαφοράς φάσεως σε µοίρες µεταξύ δύο ηµιτονικών σηµάτων, του σήµατος αναφοράς (Reference-R) µε συχνότητα 30 Hz και σταθερή φάση και του µεταβλητού σήµατος (Variable-V) µε συχνότητα και αυτό 30 Hz αλλά φάση ίση µε την γωνία αζιµούθιου από την οποία µετράται. Συγκεκριµένα αυτά τα δύο σήµατα στον µαγνητικό Βορρά έχουν διαφορά φάσης 0 ο (συµφασικά), ενώ σε οποιαδήποτε άλλη αζιµουθιακή γωνία θ ο θα έχουν διαφορά φάσης ακριβώς θ ο. Η κεραία του VOR εκπέµπει οριζόντια ένα κυκλικό πολοδιάγραµµα µε την ίδια φάση προς όλες τις κατευθύνσεις. Το σήµα αναφοράς (Reference) 30 Hz διαµορφώνει κατά συχνότητα (FM) ένα φέρον συχνότητας 9960 Hz +/- 480 Hz που ονοµάζεται subcarrier [3]. Στη συνέχεια το διαµορφωµένο subcarrier σήµα διαµορφώνει κατά πλάτος (AM) το προς εκποµπή φέρον RF. Σε αυτό προσθέτουµε και το id σήµα του VOR συχνότητας 1020 Hz που έχει µορσικό κώδικα µε τρία γράµµατα που είναι το χαρακτηριστικό του VOR. Το τελικό σήµα εκπέµπεται πανκατευθυντικά προς όλες τις διευθύνσεις. Επίσης η κεραία εκπέµπει οριζόντια το φέρον RF µόνο του µε ταχύτητα 30 στρ/sec και δηµιουργεί ένα πολοδιάγραµµα σχήµατος οκτώ γνωστό ως figure-of-eight. Η σύνθεση στο χώρο αυτών των δύο πολοδιαγραµµάτων ονοµάζεται διαµόρφωση χώρου (space modulation) και δηµιουργεί ένα πολοδιάγραµµα καρδιοειδές που ονοµάζεται Limacon. 10

21 Κεφάλαιο 2. Ραδιοβοηθήματα Στο σχήµα 2.7 βλέπουµε το εκπεµπόµενο σήµα από το VOR. Σχήµα 2.7 Εκπεµπόµενο σήµα VOR To Limacon στη συνέχεια περιστρέφεται οριζόντια µε ταχύτητα 30 στρ/sec. Ο δέκτης του αεροσκάφους στη συνέχεια λαµβάνει τα δύο κύµατα που εκπέµπει το VOR, τα επεξεργάζεται και αναδεικνύει δύο καθαρά ηµιτονικά σήµατα 30 Hz το καθένα και συγκρίνει την διαφορά φάσεως µεταξύ τους, η οποία µεταφράζεται σε µοίρες στο όργανο του αεροπλάνου RMI (Radio Magnetic Indicator). Με αυτό τον τρόπο ο πιλότος γνωρίζει την αζιµουθιακή θέση θ ο του αεροπλάνου από τον µαγνητικό Βορρά. Ένα άλλο όργανο του αεροπλάνου είναι το CDI (Course Deviation Instrument) που δείχνει την Radial (course) και την ένδειξη TO και FROM. Με την ένδειξη ΤΟ το αεροσκάφος πλησιάζει το VOR ενώ αν είναι FROM αποµακρύνεται από το VOR. Και τέλος υπάρχει και µία τρίτη πληροφορία που είναι σε ακουστική µορφή και είναι η ταυτότητα του VOR σε κώδικα Μορς µε τρία γράµµατα και ακούγεται από ένα µεγάφωνο για να καταλαβαίνει ο πιλότος του αεροσκάφους ότι οι ενδείξεις που λαµβάνει προέρχονται από το σωστό ραδιοβοήθηµα [1]. Στο σχήµα 2.8 βλέπουµε το όργανο του αεροσκάφους. 11

22 2.4 ILS (Instrument Landing System) Σχήµα 2.8 Το όργανο του αεροσκάφους 2.4 ILS (Instrument Landing System) Το ILS ( Instrument Landing System) είναι ένα τερµατικό ραδιοβοήθηµα που δίνει πληροφορίες στον πιλότο για την σωστή και ακριβή προσέγγιση και προσγείωση σε ένα αεροδρόµιο. Το ILS καθιερώθηκε ως ραδιοβήθηµα προσγείωσης από τον ICAO το 1947 [1]. Το ILS ανάλογα µε τις δυνατότητες του και την αξιοπιστία του αλλά και τις καιρικές συνθήκες της περιοχής και τις απαιτήσεις του αεροδροµίου κατατάσσεται σε διάφορες κατηγορίες. Στην κατηγορία Ι (CAT I) έχουµε ακριβής πλοήγηση µέχρι ύψους 200 ποδιών πάνω από το σηµείο αναφοράς του ILS (reference point).το σηµείο αναφοράς βρίσκεται 150 µέτρα περίπου από το σηµείο επαφής του αεροπλάνου από το έδαφος 12

23 Κεφάλαιο 2. Ραδιοβοηθήματα (touch down point). Στην κατηγορία ΙΙ (CAT II) έχουµε ακριβής πλοήγηση µέχρι ύψους 100 ποδιών πάνω από το reference point. Και τέλος στην κατηγορία ΙΙΙ (CAT III) έχουµε ακριβής πλοήγηση µέχρι την επιφάνεια του διαδρόµου προσγείωσης. Στον παρακάτω πίνακα Ι βλέπουµε συγκεντρωτικά την κατάταξη των ILS σε σχέση µε τους περιορισµούς της ορατότητας του αεροδροµίου. Πίνακας 1.1 Κατηγορίες ILS Κατηγορία ILS I II III A III B III C Αποφασιστικό ύψος (decision height) Κατακόρυφη ορατότητα Οριζόντια ορατότητα 60 m 30m ft 100ft m 400m 200m 50m 0 RVR 550m 350m 350 RVR 50m <50m No minima Γενικά τα ILS εγκαθίστανται σε αεροδρόµια που έχουν αντίξοες µετεωρολογικές συνθήκες και αυξηµένη κίνηση. Σήµερα στην Ελλάδα ILS έχουµε στο Ελευθέριος Βενιζέλος στην Αθήνα, και στους Κρατικούς Αερολιµένες Θεσσαλονίκης και Ρόδου. Το ILS αποτελείται από τα παρακάτω υποσυστήµατα [2]: α) Το Localizer (LOC) που παρέχει καθοδήγηση στο οριζόντιο επίπεδο (lateral guidance) και είναι ένας ποµπός που δίνει πληροφορίες αζιµούθιου ως προς τον άξονα (center line) του διαδρόµου προσγείωσης του αεροδροµίου. β) Το glide Path (GP) που παρέχει καθοδήγηση στο κατακόρυφο επίπεδο (vertical guidance) και είναι ένας ποµπός που δίνει πληροφορίες της ορθής κλίσης της γωνίας ως προς το οριζόντιο επίπεδο της ευθείας κατολίσθησης του αεροσκάφους κατά την προσγείωση του. 13

24 2.4 ILS (Instrument Landing System) γ) Και τρεις (3) Markers (Outer, Middle, Inner) που δίνουν πληροφορίες ορθής προσέγγισης, ως σηµεία ελέγχου, αν το αεροσκάφος βρίσκεται στην σωστή διεύθυνση προέκτασης του διαδρόµου προσγείωσης. Πολλές φορές χρησιµοποιούµε ένα DME αντί για τα Markers για την σωστή διεύθυνση του αεροπλάνου. Οι συχνότητες λειτουργίας του Localizer είναι 108.0MHz MHz µε βήµα 0.2 MHz και περιττής τάξεως κανάλια 108.1, 108.3,, και έχει εµβέλεια ναυτικά µίλια [3]. To Localizer εκπέµπει ακουστική ένδειξη µορσικού κώδικα το οποίο αποτελείται από τέσσερα γράµµατα και το πρώτο είναι I µε ρυθµό 3-6 φορές το λεπτό. Το σύστηµα κεραιών του Localizer που αποτελείται από 8-14 κατευθυντικές κεραίες, είναι ύψους 4 µέτρων και πλάτους 30 µέτρων και τοποθετείται συνήθως στο τέλος του διαδρόµου προσγείωσης και 300 µέτρα πίσω από αυτό. Το Localizer εκπέµπει ένα φέρον σήµα στην περιοχή συχνοτήτων 108MHz- 112MHz διαµορφωµένο κατά πλάτος από δύο σήµατα 90 και 150 Hz αντίστοιχα. Τα δύο αυτά σήµατα εκπέµπονται σε µια στενή δέσµη το καθένα ελαφρώς δεξιά και αριστερά του διαδρόµου προσγείωσης. Ο δέκτης στο αεροσκάφος µετράει την διαφορά στο βάθος διαµόρφωσης των δύο αυτών σηµάτων (90-150) και όταν η διαφορά αυτή είναι µηδέν (0) τότε η κεραία του δέκτη είναι στο κέντρο του Localizer και κατ επέκταση στο κέντρο του διαδρόµου. Η απεικόνιση γίνεται µε µία κατακόρυφη βελόνα στο κέντρο ενός ενδείκτη. Αν η βελόνα αποκλίνει δεξιά τότε ο πιλότος πρέπει να κατευθύνει το αεροσκάφος δεξιά, ενώ όταν η βελόνα του οργάνου του αεροσκάφους αποκλίνει αριστερά τότε ο πιλότος πρέπει να το κατευθύνει αριστερά. Αυτό ονοµάζεται flight the needle. To σύστηµα κεραιών του Glide Path (GP) εγκαθίστανται στην µία πλευρά του διαδρόµου προσγείωσης 300 µέτρα περίπου από την αρχή του. Η συχνότητα λειτουργίας του είναι MHz 335 MHz µε βήµα 0.3 MHz. Έχει εµβέλεια περίπου 10 ναυτικά µίλια. Το Glide Path εκπέµπει ένα φέρον σήµα στην περιοχή UHF 328.6MHz MHz διαµορφωµένο κατά πλάτος από δυο σήµατα 90 και 150 Hz αντίστοιχα. Τα δύο αυτά σήµατα εκπέµπονται σε µια στενή δέσµη το καθένα, ελαφρώς πάνω και κάτω από την επιθυµητή γωνία καθόδου (συνήθως 3 ο ). Στη συνέχεια ο δέκτης στο αεροσκάφος µετρά την διαφορά στο βάθος διαµόρφωσης των δύο σηµάτων (90-150). 14

25 Κεφάλαιο 2. Ραδιοβοηθήματα Όταν η διαφορά είναι µηδέν τότε η κεραία του δέκτη είναι στο κέντρο του GP και κατ επέκταση στο κέντρο του κεκλιµένου επιπέδου των 3 ο. Η απεικόνιση γίνεται µε µία οριζόντια βελόνα στο κέντρο του ίδιου ενδείκτη µε το Localizer. Όταν η βελόνα αποκλίνει επάνω τότε ο πιλότος πρέπει να κατευθύνει το αεροσκάφος προς τα επάνω, ενώ όταν η βελόνα αποκλίνει κάτω τότε ο πιλότος πρέπει να κατευθύνει το αεροσκάφος προς τα κάτω. Αυτό ονοµάζεται flight the needle. Οι συχνότητες του Localizer και του Glide Path είναι σε ζεύγη. Οπότε όταν ο πιλότος επιλέγει την συχνότητα του Localizer αυτόµατα επιλέγεται και η συχνότητα του Glide Path. Στο σχήµα 2.9 βλέπουµε πως εκπέµπει το Localizer και το Glide Path. Σχήµα 2.9 Σχεδιάγραµµα εκποµπής Localizer και Glide Path. Τα Markers δίνουν την απόσταση του σηµείου προσγείωσης από αυτά. Η συχνότητα εκποµπής τους είναι 75 MHz. Εκπέµπουν κατακόρυφα προς τα πάνω µέχρι τα 3000 πόδια περίπου. Τα Markers εγκαθίστανται κατά µήκος της προέκτασης του κεντρικού άξονα του διαδρόµου προσγείωσης και πριν από αυτόν. Το Outer Marker εγκαθίστανται σε απόσταση 7 Km από το κατώφλι προσγείωσης και εκπέµπει 2 παύλες ανά sec στα 400Hz. Το Middle Marker εγκαθίστανται σε απόσταση 1 Km από το κατώφλι προσγείωσης και εκπέµπει διαδοχικές παύλες και τελείες µε ρυθµό 3 ανά sec στα 15

26 2.5 TACAN (Tactical Air Navigation System) 1300 Hz. Και τέλος το Inner Marker που εγκαθίστανται περίπου στα 70 µέτρα από το κατώφλι προσγείωσης και εκπέµπει διαδοχικές τελείες µε ρυθµό 6 ανά sec στα 3000 Hz. Στις σηµερινές εγκαταστάσεις ILS δεν χρησιµοποιούνται Markers αλλά DME που δείχνουν στο αεροσκάφος την απόσταση από το κατώφλι προσγείωσης. Το κανάλι εκποµπής είναι το αντίστοιχο ζευγάρι της συχνότητας του Localizer, έτσι όταν ο πιλότος επιλέξει την συχνότητα του Localizer και αυτόµατα επιλέγεται και η συχνότητα του DME. Στο σχήµα 2.10 βλέπουµε ένα σχεδιάγραµµα του ILS. Σχήµα 2.10 Σχεδιάγραµµα ILS 2.5 TACAN (Tactical Air Navigation System) Το TACAN (Tactical Air Navigation System) είναι ένα ραδιοναυτιλιακό ραδιοβοήθηµα που χρησιµοποιείται από την στρατιωτική αεροπορία. 16

27 Κεφάλαιο 2. Ραδιοβοηθήματα Είναι η στρατιωτική έκδοση ενός συστήµατος VOR/DME. Το TACAN παρέχει ταυτόχρονα πληροφορίες αζιµούθιου και απόστασης. Στο DME τµήµα του συστήµατος TACAN η πληροφορία απόστασης παράγεται µε τον ίδιο ακριβώς τρόπο όπως και στο DME και έχει κοινές προδιαγραφές µε αυτό και για αυτό µπορεί να χρησιµοποιηθεί και από πολιτικά αεροσκάφη µόνο όµως για την ένδειξη της απόστασης. Η περιοχή λειτουργίας του TACAN είναι στην περιοχή των UHF 962 MHz-1215 MHz που έχει διαιρεθεί σε 126 κανάλια όπως και στο DME[4]. Η πληροφορία αζιµούθιου είναι µεγαλύτερης ακρίβειας από το VOR γιατί γίνεται µετά από την φασική σύγκριση δύο συχνοτήτων 15 Hz και 135 Hz. Για την παραγωγή των σηµάτων χρησιµοποιείται µια περιστρεφόµενη κεραία µικρού σχετικά µεγέθους [3]. Πολλές φορές για λόγους οικονοµίας γίνεται συνεγκατάσταση VOR και TACAN οπότε το ραδιοβοήθηµα ονοµάζεται VORTAC. Αυτός ο σταθµός αποτελείται από ένα VOR για την πολιτική αεροπορία για πληροφορίες αζιµούθιου και ένα TACAN για πληροφορίες αζιµούθιου για την στρατιωτική αεροπορία και πληροφορίες απόστασης και για την πολιτική και την στρατιωτική αεροπορία [1]. Το TACAN είναι τρεις φορές µεγαλύτερης ακρίβειας από ότι το VOR. Η εµβέλεια του TACAN φτάνει τα 390 ναυτικά µίλια. Τα κυριότερα πλεονεκτήµατα στα πιο σύγχρονα TACAN είναι ότι µε την πρόοδο της τεχνολογίας έχουν την δυνατότητα µε 400W σταθµό να έχουν κάλυψη 200 ναυτικά µίλια, να έχουν πολύ µικρότερο µέγεθος και µεγάλη ευκολία εγκατάστασης, ενώ έχουν ανοχή στον περιβάλλοντα χώρο και δεν επηρεάζεται η λειτουργία τους. Το κυριότερο µειονέκτηµα τους είναι ο εύκολος εντοπισµός τους, καθώς η έλλειψη της ικανότητας ελέγχου των εκποµπών (EMCON) δίνει την δυνατότητα κλοπής τους από τους εχθρούς µιας και δεν υπάρχει κωδικοποίηση και φανερώνεται η θέση στους αντιπάλους. Στο σχήµα 2.11 βλέπουµε το σύµβολο που χρησιµοποιείται για το TACAN στους αεροναυτικούς χάρτες. 17

28 2.6 RADAR (Radio Detection and Ranging) Σχήµα 2.11 Σύµβολο TACAN στους αεροναυτικούς χάρτες 2.6 RADAR (Radio Detection and Ranging) Το RADAR (Radio Detection and Ranging) είναι ένα σύστηµα ηλεκτροµαγνητικού εντοπισµού που χρησιµοποιεί ραδιοκύµατα για να καθορίσει την απόσταση, το ύψος, την κατεύθυνση και την ταχύτητα διαφόρων αντικειµένων. Το RADAR χρησιµοποιείται για την ανίχνευση αεροσκαφών, ελικοπτέρων, πλοίων, µηχανοκίνητων οχηµάτων, κατευθυνόµενων βληµάτων, διαστηµοπλοίων καθώς και για πληροφορίες καιρού. Η βασική λειτουργία του RADAR βασίζεται στην εκποµπή ενέργειας µε την µορφή παλµών ραδιοσυχνότητας στενής δέσµης οι οποίοι ανακλώνται σε οποιοδήποτε αντικείµενο βρουν στο πέρασµα τους και ένα µέρος της ενέργειας επιστρέφει και χρησιµοποιείται για τον προσδιορισµό του αντικειµένου. Το RADAR στις µέρες µας βρίσκει πάρα πολλές εφαρµογές όπως στον έλεγχο της εναέριας κυκλοφορίας, στα συστήµατα αεράµυνας, στα αντιπυραυλικά συστήµατα, στον έλεγχο του διαστήµατος, στον έλεγχο των πλοίων στους ωκεανούς, στα RADAR που δίνουν πληροφορίες καιρού και σε πάρα πολλές άλλες εφαρµογές. Εµείς θα αναφερθούµε στα RADAR που χρησιµοποιούνται για τον έλεγχο της εναέριας κυκλοφορίας. Τα RADAR χρησιµοποιούνται προκειµένου να εντοπισθεί η θέση του αεροσκάφους ώστε ο ελεγκτής εναέριας κυκλοφορίας να είναι σε θέση να διατηρήσει 18

29 Κεφάλαιο 2. Ραδιοβοηθήματα τον ελάχιστο επιτρεπόµενο διαχωρισµό (separation minima). Τα RADAR χωρίζονται σε διάφορες κατηγορίες. Υπάρχει το πρωτεύον RADAR που παρέχει µια εικόνα της κατάστασης στον αέρα ή στο έδαφος χρησιµοποιώντας µόνο τα επίγεια τµήµατα µόνο. Η λειτουργία του βασίζεται στην εκποµπή ηλεκτροµαγνητικού κύµατος το οποίο ανακλάται από την µεταλλική επιφάνεια των αεροσκαφών και η ανακλώµενη ενέργεια χρησιµοποιείται για να προσδιορίσει την θέση των στόχων. Το πρωτεύον RADAR απαιτεί µια εκποµπή µεγάλης ενέργειας, έναν πολύ ευαίσθητο δέκτη και µια υπέρ κατευθυντική κεραία προκειµένου να ανιχνευθεί το επιστρεφόµενο σήµα από ένα στόχο που βρίσκεται µακριά. Οι συχνότητες λειτουργίας του πρωτεύοντος RADAR είναι: για το µακράς εµβέλειας (en-route) είναι-1.3 GHz στην L Band και έχει εµβέλεια µέχρι 250 ναυτικά µίλια, για το µικρό-µεσαίας εµβέλειας ( terminal area) είναι -3 GHz στην S Band και έχει εµβέλεια έως 150 ναυτικά µίλια και το πολύ µικρής εµβέλειας (airport surface) είναι 16 GHz στην Κ Band και έχει εµβέλεια έως 3 µίλια [1]. Οι χαµηλές συχνότητες στα RADAR επηρεάζονται λιγότερο από τις ατµοσφαιρικές συνθήκες (ειδικότερα βροχή) από ότι οι υψηλές συχνότητες. Από την άλλη όµως οι χαµηλές συχνότητες απαιτούν µεγαλύτερες κεραίες για να επιτύχουν µια στενή δέσµη. Επίσης καλούµαστε να περιστρέψουµε µια κεραία µεγάλου βάρους µε σταθερή ταχύτητα, διαφορετική βέβαια για κάθε τύπο RADAR (µικρότερη ταχύτητα για µεγάλες εµβέλειες και µεγαλύτερη ταχύτητα για µικρές εµβέλειες). Τελικά η συχνότητα λειτουργίας του είναι ένας συµβιβασµός µεταξύ των παραµέτρων λειτουργίας του ώστε να επιτύχουµε το καλύτερο δυνατό αποτέλεσµα σύµφωνα µε τα διεθνή πρότυπα. Στο σχήµα 2.12 βλέπουµε το enroute RADAR της Ρόδου. 19

30 2.6 RADAR (Radio Detection and Ranging) Σχήµα 2.12 En-route RADAR της Ρόδου Ο χρόνος που η δέσµη του RADAR «σαρώνει» ένα στόχο ονοµάζεται Dwell Time T D. Ο χρόνος αυτός εξαρτάται από το εύρος της δέσµης BW και από την ταχύτητα περιστροφής της κεραίας n. Ο χρόνος αυτός δίνεται από τον τύπο T D ΒW * n = o 360 sec (2-1) Η συχνότητα επανάληψης των παλµών δίνεται από τον τύπο PRF=1/T. Πόσες ανακλάσεις λαµβάνονται από τον δέκτη του RADAR από ένα στόχο κατά την διάρκεια µιας περιστροφής της κεραίας ονοµάζεται «hits per scan» µε την προϋπόθεση ότι σε κάθε εκποµπή του RADAR έχουµε και µία ανάκλαση και δεν υπάρχουν απώλειες. BW * n* PRF Hits per scan=t D *PRF= 360 O (2-2) Ο αριθµός των «hits per scan» πρέπει να είναι τέτοιος ώστε το σύστηµα του RADAR να µπορεί µετά από µια κατάλληλη επεξεργασία να εξάγει plot µε πιθανότητα µεγαλύτερη από 90% [2]. Η ίδια λογική εφαρµόζεται και στο δευτερεύον RADAR µόνο που αναφερόµαστε για replies και όχι για hits. Τα σύγχρονα RADAR χρησιµοποιούν ποµπούς στερεάς κατάστασης (solid state) και όχι ποµπούς µε λυχνίες (klystron,magnetron,κτλ). Ο παλµός έχει διάρκεια 75µs για εµβέλεια έως 80 ναυτικά µίλια και διάρκεια 100 µs για εµβέλεια έως 180 ναυτικά µίλια. Τα σήµατα που 20

31 Κεφάλαιο 2. Ραδιοβοηθήματα λαµβάνονται από το RADAR περιέχουν τρία συστατικά: την επιθυµητή ανάκλαση (ηχώ), τον θόρυβο και clutter. Το σήµα της επιθυµητής ανάκλασης περιέχει πλάτος και πληροφορία Doppler και δεν είναι σταθερό αλλά ποικίλει ανάλογα µε την κίνηση των αεροσκαφών, το µέγεθος τους, την απόσταση κλπ. Ο θόρυβος προέρχεται είτε από εξωτερικά αίτια είτε από εσωτερικά αίτια. Τον εσωτερικό θόρυβο τον περιορίζουµε µε την κατασκευή εξαιρετικής ποιότητας δεκτών ενώ ο εξωτερικός θόρυβος εξαρτάται από το περιβάλλον λειτουργίας του RADAR και είναι ένας αστάθµητος παράγοντας. Τέλος το clutter είναι το σήµα που επιστρέφει ως ανάκλαση στο RADAR από οποιαδήποτε άλλη αιτία εκτός από τους επιθυµητούς στόχους. Η απόσταση του στόχου στο RADAR καθορίζεται από το χρόνο µεταξύ του εκπεµπόµενου σήµατος και του λαµβανόµενου σήµατος. Η γωνιακή θέση του στόχου δίνεται από την θέση του άξονα της κεραίας κατά την στιγµή της λήψης ως προς τον γεωγραφικό Βορρά. Το δευτερεύον RADAR εκπέµπει κωδικοποιηµένες ερωτήσεις µε διάφορους τρόπους (modes) προς τον transponder του αεροσκάφους και στη συνέχεια λαµβάνει από αυτόν κωδικοποιηµένες απαντήσεις. Η αρχή λειτουργίας του φαίνεται παρακάτω στο σχήµα Σχήµα 2.13 Αρχή λειτουργίας δευτερεύοντος RADAR Το δευτερεύον RADAR λειτουργεί στην L Band που καλύπτει τις συχνότητες από 1GHz 21

32 2.6 RADAR (Radio Detection and Ranging) έως 2GHz [2]. Για εκποµπές από το έδαφος στον αέρα (uplink) η συχνότητα είναι 1,03GHz, ενώ για εκποµπές από τον αέρα στο έδαφος (downlink) ή αέρος αέρος µερικές φορές η συχνότητα είναι 1,09 GHz και µε αυτό επιτυγχάνουµε ότι δεν θα υπάρχει καµία παρεµβολή µεταξύ uplink και downlink εκποµπών. Στην Πολιτική Αεροπορία ζητούνται πληροφορίες Mode A που είναι η ταυτότητα των αεροσκαφών και πληροφορίες Mode C που είναι το ύψος. Και επίσης πληροφορίες απόστασης και αζιµούθιου. Τα κυριότερα πλεονεκτήµατα του δευτερεύοντος RADAR είναι ότι δίνει περισσότερες πληροφορίες για τον στόχο όπως ταυτότητα, ύψος, γωνία. Τα µειονεκτήµατα του είναι ότι υπάρχει η ανάγκη ύπαρξης transponder, το περιβάλλον πρέπει να είναι τυποποιηµένο, υπάρχει περιορισµένος αριθµός κωδικών Mode A και περιορισµένο data link. Επίσης υπάρχουν προβλήµατα garbling που εµφανίζονται όταν δύο αεροσκάφη απαντούν στην ίδια ερώτηση ταυτόχρονα και είναι τόσο κοντά µε αποτέλεσµα οι απαντήσεις τους να επικαλύπτονται ώστε να µην µπορούν να αποκωδικοποιηθούν και προβλήµατα fruits που είναι πρόβληµα παρόµοιο µε το garbling και η βασική τους διαφορά είναι ότι µία ή περισσότερες από αυτές τις απαντήσεις δεν αναµένονται από τον δέκτη και προορίζονται για έναν άλλο χρήστη της ίδιας συχνότητας δηλαδή ένα άλλο RADAR. Αυτά µπορούν να εξαλειφθούν µε τη χρήση RADAR Mode- S. Στο παρακάτω σχήµα 2.14 βλέπουµε το δευτερεύον RADAR του «Ελ. Βενιζέλος». Σχήµα 2.14 ευτερεύον RADAR «Ελ. Βενιζέλος» 22

33 Κεφάλαιο 3. Παγκόσμια Δορυφορικά Συστήματα πλοήγησης Κεφάλαιο 3. Παγκόσµια ορυφορικά Συστήµατα πλοήγησης 3.1 GNSS (Global Navigation Satellite System) Ο ορισµός του GNSS (Global Navigation Satellite Systems) σύµφωνα µε τον ICAO Annex 10, Volume I είναι ότι το GNSS είναι ένα παγκόσµιο σύστηµα προσδιορισµού θέσης και χρόνου ενός στόχου, που περιλαµβάνει ένα ή περισσότερους constellations (αστερισµούς) δορυφόρων, τους δέκτες αεροσκαφών, καθώς και ένα σύστηµα παρακολούθησης του integrity (ακεραιότητας) του συστήµατος, υποβοηθούµενο ανάλογα µε τις ανάγκες για να υποστηρίξει την απαιτούµενη απόδοση πλοήγησης για την προβλεπόµενη λειτουργία. Το GNSS αποτελείται από τρία τµήµατα: το Space segment, το Control segment και το User segment [2]. Το Space segment είναι οι διάφοροι constellation δορυφόρων που µεταδίδουν τα διάφορα στοιχεία. Το Control Segment που αποτελείται από το Master Station που είναι ο κεντρικός σταθµός που ελέγχει όλο το σύστηµα, τις διάφορες κεραίες εδάφους που λαµβάνουν τα σήµατα από τους δορυφόρους καθώς και τους διάφορους Monitor stations που κάνουν έλεγχο στους δορυφόρους για την σωστή λειτουργίας τους. Τέλος έχουµε και το User segment που είναι οι διάφοροι χρήστες µε τους δέκτες τους. Στο σχήµα 3.1 βλέπουµε µια σχηµατική αναπαράσταση του συστήµατος. Σχήµα 3.1 Σχηµατική αναπαράσταση GNSS 23

34 3.2 GPS (Global Positioning System) Τα κυριότερα GNSS είναι το GPS στην Αµερική, το Galileo στην Ευρωπαϊκή Ένωση, το Glonass στη Ρωσία και το Compass στην Κίνα τα οποία θα τα αναλύσουµε παρακάτω. Τα κύρια χαρακτηριστικά ενός παγκόσµιου δορυφορικού συστήµατος πλοήγησης είναι η ακρίβεια, η διαθεσιµότητα, η αδιάλειπτη λειτουργία και η ακεραιότητα. Για να έχουν την καλύτερη απόδοση τα διάφορα δορυφορικά συστήµατα πλοήγησης απαιτούν κάποιο βαθµό augmentation (υποβοήθηση). Τα συστήµατα που προσφέρουν augmentation στα δορυφορικά συστήµατα πλοήγησης διαχωρίζονται ανάλογα µε το πώς ο GNSS αισθητήρας λαµβάνει την εξωτερική πληροφορία. Κάποια συστήµατα εκπέµπουν επιπλέον πληροφορίες σχετικά µε τις πηγές των λαθών, άλλα παρέχουν απευθείας µετρήσεις πόσο το σήµα ήταν εκτός ορίων στο παρελθόν και άλλα παρέχουν πρόσθετες πληροφορίες για το στόχο για να ενσωµατωθούν στην διαδικασία υπολογισµού. Τέτοια συστήµατα είναι το Aircraft Based Augmentation System (ABAS), το Satellite Based Augmentation System (SBAS) και το Ground Based Augmentation System (GBAS). 3.2 GPS (Global Positioning System) Το GPS (Global Positioning System) είναι ένα παγκόσµιο σύστηµα εντοπισµού θέσης που παρέχει πληροφορίες θέσης και χρόνου ανεξαρτήτως καιρικών συνθηκών. Βασίζεται σε ένα πλέγµα 24 δορυφόρων της Γης που κινούνται σε αυστηρά καθορισµένη τροχιά γύρω από τη Γη. Οι δορυφόροι αυτοί µεταδίδουν κωδικοποιηµένες πληροφορίες που παρέχουν στους χρήστες την δυνατότητα να εντοπίζουν την ακριβή τους θέση, την ταχύτητα και την ώρα σε οποιοδήποτε σηµείο του πλανήτη αρκεί αυτό το σηµείο να έχει οπτική επαφή µε τέσσερις ή περισσότερους δορυφόρους. Το GPS αναπτύχθηκε από το Υπουργείο Εθνικής Άµυνας των Ηνωµένων Πολιτειών της Αµερικής το 1970 αποκλειστικά για στρατιωτική χρήση. Με το πέρασµα των χρόνων το σύστηµα GPS εξελίχθηκε και έγινε ιδιαίτερα ακριβές και δόθηκε για ελεύθερη χρήση στο ευρύ κοινό στα µέσα του Το GPS ρυθµίζεται καθηµερινά από την Βάση της 24

35 Κεφάλαιο 3. Παγκόσμια Δορυφορικά Συστήματα πλοήγησης Πολεµικής Αεροπορίας Σρίβερ στο Κολοράντο των Ηνωµένων Πολιτειών της Αµερικής. Τα τρία βασικά τµήµατα στα οποία είναι χωρισµένη η λειτουργία του GPS είναι τα εξής: πρώτα από όλα είναι το διαστηµικό τµήµα (space segment) που αποτελείται από 24 έως 32 δορυφόρους που τροφοδοτούνται µε ηλιακή ενέργεια και κινούνται σε τροχιά γύρω από τη Γη σε ύψος χιλιοµέτρων και εκτελούν δύο περιστροφές γύρω από τη Γη κάθε 24ωρο [2]. Οι δορυφόροι αυτοί είναι οµοιόµορφα κατανεµηµένοι σε έξι διαφορετικές τροχιές, ανά 60 ο στο ισηµερινό επίπεδο και γωνία κλίσης 55 ο ως προς το ισηµερινό επίπεδο. Οι δορυφόροι βρίσκονται σε τέτοιες τροχιές γύρω από τη Γη ώστε να υπάρχει «οπτική επαφή» από τουλάχιστον τέσσερις δορυφόρους σε οποιοδήποτε σηµείο του πλανήτη. Οι απαραίτητοι δορυφόροι για την λειτουργία του συστήµατος είναι 24, ενώ οι υπόλοιποι είναι εφεδρικοί και σε περίπτωση βλάβης να µπορούν να αντικαταστήσουν άµεσα τους προβληµατικούς δορυφόρους ώστε να συνεχιστεί η αδιάλειπτη λειτουργία του συστήµατος. Με αυτό τον τρόπο βελτιώθηκε η αξιοπιστία και η διαθεσιµότητα του συστήµατος. Στο σχήµα 3.2 βλέπουµε τις τροχιές των δορυφόρων. Σχήµα 3.2 Τροχιές δορυφόρων γύρω από τη Γη. 25

36 3.2 GPS (Global Positioning System) Στη συνέχεια έχουµε το επίγειο τµήµα ελέγχου (control segment) που σκοπός του είναι η πραγµατοποίηση ελέγχων στους δορυφόρους όσον αφορά την σωστή ταχύτητα τους, το υψόµετρο που πρέπει να βρίσκονται καθώς και την κατάσταση της αυτονοµίας τους σε ηλεκτρική ενέργεια. Επίσης πραγµατοποιούνται όλες οι απαραίτητες διορθωτικές ενέργειες που αφορούν την χρονοµέτρηση των δορυφόρων. Αποτελείται από τον κεντρικό σταθµό παρακολούθησης (MCS) που βρίσκεται στην αεροπορική Βάση Σρίβερ στο Κολοράντο και τον εναλλακτικό σταθµό παρακολούθησης (Back up MCS) που βρίσκεται στο Gaithersburg του Maryland που ελέγχουν την συνολική λειτουργία του συστήµατος. Ακόµη αποτελείται από έξι επίγειους µόνιµους σταθµούς παρακολούθησης (monitor stations) που είναι κατανεµηµένοι σε όλη τη Γη και βρίσκονται στη Χαβάη, στο Ντιέγκο Γκαρσία, στο Κολοράντο Σπρινγκς, στο Κολοράντο και Κέιπ Κανάβεραλ, στο Kwajalein Atoll που βρίσκεται στα νησιά Μάρσαλ, και στο Ascension island. Και τέλος υπάρχουν και τέσσερις σταθµοί τηλεπικοινωνιών (ground antennas) που βρίσκονται στο Ντιέγκο Γκαρσία, στο Κέιπ Κανάβεραλ, στο Kwajalein Atoll και στο Ascension island όπως βλέπουµε στο σχήµα 3.3. Σχήµα 3.3 Control Segment 26

37 Κεφάλαιο 3. Παγκόσμια Δορυφορικά Συστήματα πλοήγησης Τέλος έχουµε και το τµήµα των χρηστών (user segment) που περιλαµβάνει τους δέκτες GPS των εκατοµµυρίων χρηστών ανά τον κόσµο που λαµβάνουν τα διάφορα σήµατα, τα επεξεργάζονται και καταγράφουν τις διάφορες µετρήσεις. Ο δέκτης του GPS αποτελείται από την κεραία η οποία λαµβάνει το σήµα GPS από τους δορυφόρους, τον κυρίως δέκτη, και τον µικροελεγκτή µαζί µε την οθόνη απεικόνισης του σήµατος. Η αρχή λειτουργίας του GPS βασίζεται στην εκποµπή ηλεκτροµαγνητικών κυµάτων από τους δορυφόρους στις συχνότητες L1= MHz και L2= MHz. Η L1 συχνότητα χρησιµοποιείται για πολιτική χρήση ενώ η L2 συχνότητα χρησιµοποιείται αποκλειστικά για στρατιωτική χρήση [5]. Ο δορυφόρος εκπέµπει ένα ηλεκτροµαγνητικό κύµα και ο χρόνος που χρειάζεται αυτό το σήµα να φτάσει στον δέκτη πολλαπλασιαζόµενο µε την ταχύτητα του φωτός µας δίνει την απόσταση του δέκτη από τον δορυφόρο. Για να προσδιορίσουµε την ακριβής θέση του δέκτη χρησιµοποιούνται τα σήµατα από τρείς δορυφόρους µε την διαδικασία τριγωνισµού (triangulation) ενώ ο τέταρτος δορυφόρος χρησιµοποιείται για την επιβεβαίωση των αποτελεσµάτων και για τον υπολογισµό διαφόρων σφαλµάτων συγχρονισµού των δεκτών των δορυφόρων και του δέκτη. Με την διαδικασία τριγωνισµού σχηµατίζονται τρεις σφαίρες µε κέντρο τον κάθε δορυφόρο και ακτίνα την απόσταση του από τον δέκτη GPS. Η τοµή των τριών αυτών σφαιρών είναι δύο σηµεία αλλά το ένα απορρίπτεται λόγω ότι είτε είναι σε άλλο ηµισφαίριο είτε είναι πολύ µακριά από τη Γη οπότε το άλλο σηµείο είναι η ακριβής θέση του δέκτη GPS. Η όλη αυτή διαδικασία υπολογισµών γίνεται πάρα πολύ γρήγορα παρέχοντας την δυνατότητα στον δέκτη GPS να προσδιορίσει την θέση, την ταχύτητα, το ύψος και την κατεύθυνση της. Στο σχήµα 3.4 βλέπουµε την µέθοδο τριγωνισµού του GPS. 27

38 3.2 GPS (Global Positioning System) Σχήµα 3.4 Μέθοδος τριγωνισµού (triangulation) Κάθε δορυφόρος εκπέµπει ένα σήµα που διαρκεί 30 δευτερόλεπτα και περιέχει 1500 bit κρυπτογραφηµένων δεδοµένων. Αυτά τα δεδοµένα είναι κωδικοποιηµένα µε µία ακολουθία ψευδοτυχαίων αριθµών υψηλού ρυθµού (PRN) που είναι διαφορετική για το κάθε δορυφόρο. Ο δέκτης του GPS πρέπει να γνωρίζει τους κωδικούς PRN για κάθε δορυφόρο για να µπορέσει να ανασυνθέσει τα πραγµατικά δεδοµένα του µηνύµατος. Τα σήµατα αυτά κωδικοποιούνται µε τρείς διαφορετικούς κώδικες που περιέχουν χρήσιµες πληροφορίες για την χρήση του συστήµατος. Ο κώδικας P (Precision Code) που είναι µόνο για στρατιωτική χρήση και διαµορφώνεται και στις δύο συχνότητες L1 και L2 και παρέχει ακριβή µέτρηση του χρόνου µετάδοσης του σήµατος και τον υπολογισµό της απόστασης δορυφόρου-δέκτη. Στη συνέχεια έχουµε τον κώδικα C/A (Coarse Acquisition Code) που είναι για πολιτική χρήση και διαµορφώνεται µόνο στην συχνότητα L1 και ο οποίος παρέχει πληροφορίες για την λήψη του κώδικα P καθώς επίσης παρέχει λιγότερο ακριβή µέτρηση του χρόνου µετάδοσης του σήµατος. Και τέλος έχουµε τον κώδικα D (Data Code) ο οποίος παρέχει πληροφορίες για την θέση των δορυφόρων τη στιγµή εκποµπής του σήµατος καθώς και πληροφορίες για την γενική κατάσταση του συστήµατος δορυφόρων. Οι δορυφόροι εκπέµπουν και σε κάποιες άλλες συχνότητες όπως την L3= 1381,05 MHz, την L4= 1379,913 MHz και την L5=1176,45 MHz [5]. Η L3 συχνότητα χρησιµοποιείται από τις Ηνωµένες Πολιτείες της Αµερικής για την µετάδοση δεδοµένων 28

39 Κεφάλαιο 3. Παγκόσμια Δορυφορικά Συστήματα πλοήγησης από τους δορυφόρους στους επίγειους σταθµούς για την ανίχνευση, τον εντοπισµό και την καταγραφή πυρηνικών εκτονώσεων στην ατµόσφαιρα της Γης και στο κοντινό διάστηµα. Η L4 συχνότητα χρησιµοποιείται για την µετάδοση δεδοµένων για την µελέτη επιπλέον ιονοσφαιρικής διόρθωσης. Και τέλος η συχνότητα L5 που προστέθηκε για την διαδικασία εκσυγχρονισµού του GPS. Οι µετρήσεις του GPS πραγµατοποιούνται µε δύο διαφορετικούς τρόπους. Ο πρώτος τρόπος ονοµάζεται µέτρηση ψευδοαποστάσεων (code phase) όπου µε χρήση του κώδικα P ή του κώδικα C/A υπάρχει η δυνατότητα µέτρησης του χρόνου διάδοσης του σήµατος από τον δορυφόρο στον δέκτη, δηλαδή ο χρόνος που µεσολαβεί από την εκποµπή του σήµατος από τον δορυφόρο µέχρι την λήψη από τον δέκτη πολλαπλασιασµένος µε την ταχύτητα του φωτός µας δίνει την ψευδοαπόσταση. Ονοµάζονται έτσι διότι διαφέρουν από την πραγµατική απόσταση µεταξύ δορυφόρου και δέκτη λόγω των ατµοσφαιρικών καθυστερήσεων του σήµατος GPS και τον µη συγχρονισµό των χρονοµέτρων του εκάστοτε δέκτη µε τη θεµελιώδη χρονική κλίµακα GPS. Οι µετρήσεις ψευδοαπόστασεις έχουν µία απόκλιση της τάξεως των µερικών µέτρων µε τη χρήση του κώδικα P και της τάξεως µερικών δεκάδων µέτρων µε τη χρήση του κώδικα C/A. Ένας άλλος τρόπος µέτρησης είναι µε µέτρηση του φέροντος κύµατος (carrier phase), ο οποίος στηρίζεται στην µέτρηση της απόστασης του δορυφόρου από τον δέκτη σαν συνάρτηση των µετρούµενων κύκλων φάσης µήκους κύµατος λ του εκπεµπόµενου δορυφορικού σήµατος όπου λ1=19,029 cm για την συχνότητα L1 και λ2=24,421 cm για την συχνότητα L2. Η µέτρηση της φάσης του φέροντος κύµατος έχει µία ακρίβεια της τάξεως των 0,19 cm για την συχνότητα L1 και της τάξεως των 0,24 cm για τη συχνότητα L2. Είναι αυτονόητο ότι µε τον δεύτερο τρόπο επιτυγχάνουµε πολύ µεγαλύτερη ακρίβεια και είναι αυτός που χρησιµοποιείται όταν απαιτείται πολύ µεγάλη ακρίβεια όπως στην αεροπλοΐα. Τα κυριότερα πλεονεκτήµατα του GPS είναι ότι προσφέρει πολύ µεγάλη ακρίβεια, είναι ανεξάρτητο από τις καιρικές συνθήκες, δεν απαιτείται ορατότητα µεταξύ των δεκτών, έχει συντεταγµένες στο ίδιο σύστηµα WGS84/ITFR, χρησιµοποιείται οποιαδήποτε στιγµή της ηµέρας και της νύχτας µε την ίδια απόδοση, είναι εύκολο στη 29

40 3.2 GPS (Global Positioning System) χρήση και έχει πολύ µεγάλο πλήθος εφαρµογών. Από την άλλη πλευρά το σύστηµα GPS παρουσιάζει κάποια σφάλµατα που θα πρέπει να λαµβάνονται υπόψη όταν ένας δέκτης GPS λαµβάνει σήµατα από τους δορυφόρους στο διάστηµα γιατί αυτά επηρεάζουν την ακρίβεια των µετρήσεων του δέκτη. Πρώτα από όλα έχουµε τα δορυφορικά σφάλµατα π.χ. τα χρονόµετρα των δορυφόρων δεν είναι απόλυτα συγχρονισµένα και οι τροχιακές ephemeris δεν παρέχουν την ακριβή θέση των δορυφόρων την χρονική στιγµή των µετρήσεων. Επίσης έχουµε τα σφάλµατα που οφείλονται στην ατµόσφαιρα δηλαδή η ιονόσφαιρα και η τροπόσφαιρα προκαλούν καθυστερήσεις στην διάδοση του σήµατος των δορυφόρων. Ακόµη έχουµε σφάλµατα που οφείλονται στους δέκτες όπως ότι τα χρονόµετρα των δεκτών δεν είναι συγχρονισµένα µε τη θεµελιώδη κλίµακα του χρόνου GPS και τα διάφορα σφάλµατα θορύβου των δεκτών που επηρεάζονται από το περιβάλλον. Μία ακόµα πηγή σφαλµάτων είναι οι πολλαπλές ανακλάσεις και άλλα µεγάλων διαστάσεων συµπαγή αντικείµενα που προκαλούν παραµόρφωση των σηµάτων προτού καταλήξουν στον δέκτη. Τέλος έχουµε την επιλεκτική διαθεσιµότητα (Selective Availability) που είναι ένα σύστηµα που ανέπτυξαν οι Ηνωµένες πολιτείες της Αµερικής και µε το οποίο µειώνεται η ακρίβεια προσδιορισµού θέσης στους δέκτες GPS. Αυτό δηµιουργήθηκε για να προστατεύονται από τους εχθρούς τους για να µην µπορούν να χρησιµοποιήσουν το GPS εναντίον τους. Το 2000 το Πεντάγωνο µείωσε το S/A στο µηδέν αλλά υπάρχει η δυνατότητα ανά πάσα στιγµή να το επαναφέρουν σε λειτουργία. Το κυριότερο από όλα αυτά τα σφάλµατα είναι το χρονόµετρο του δέκτη διότι απειροελάχιστη διαφορά µεταξύ του ενσωµατωµένου χρονοµέτρου του δέκτη και της χρονικής κλίµακας GPS που συγχρονίζει ολόκληρο το παγκόσµιο σύστηµα εντοπισµού θέσης, συνεπάγεται ότι θα υπάρχει σηµαντική απόκλιση µεταξύ των υπολογιζόµενων αποστάσεων. Για την αντιµετώπιση αυτού του σφάλµατος ο δέκτης λαµβάνει σήµατα από τρείς ή περισσότερους δορυφόρους µε τέτοιο τρόπο ώστε του δίνεται η δυνατότητα µε διάφορους εσωτερικούς µηχανισµούς να µηδενίσει το σφάλµα του χρονοµέτρου του. Ένας άλλος σηµαντικός παράγοντας είναι η γεωµετρία των δορυφόρων που µπορεί να επηρεάσει την ακρίβεια των σηµάτων GPS που λαµβάνει ο δέκτης από τους δορυφόρους. Το DOP (Dilution of Precision) αντανακλά την θέση κάθε δορυφόρου σε σχέση µε τους άλλους δορυφόρους που προσπελαύνει ο δέκτης [9]. 30