Released under a. Creative Commons. Attribute & Non-commercial

Transcript

1 5. ΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΠΛΟΗΓΗΣΗΣ «ΕΙ ΙΚΑ ΘΕΜΑΤΑ ΟΡΥΦΟΡΙΚΗΣ ΓΕΩ ΑΙΣΙΑΣ»

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 5.00 ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΠΑΓΚΟΣΜΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ GPS ΣΥΣΤΗΜΑ GLONASS ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΤΟΥ GLONASS ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΟΥ GPS ΣΕ ΑΛΛΑ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑ NAVSAT-Ο ΠΡΟΔΡΟΜΟΣ ΤΟΥ GALILEO ΣΥΣΤΗΜΑ GEOSTAR ΣΥΣΤΗΜΑ STARFIX ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΔΙΑΦΟΡΙΚΟΥ GPS ΣΥΣΤΗΜΑ OMNISTAR ΣΥΣΤΗΜΑ LANDSTAR ΠΟΛΙΤΙΚΟ ΠΑΓΚΟΣΜΙΟ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ (GNSS) ΣΥΝΘΕΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ GPS ΚΑΙ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΔΙΑΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΥΡΕΙΑΣ ΚΑΛΥΨΗΣ (WAAS) ΔΙΑΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΤΟΠΙΚΗΣ ΚΑΛΥΨΗΣ (LAAS) ΣΥΣΤΗΜΑ EGNOS (GNSS-1) ΣΥΣΤΗΜΑ GALILEO Released (GNSS-2)... under a ΕΝΣΩΜΑΤΩΣΗ ΤΟΥ EGNOS ΣΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ GALILEO ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΠΛΟΗΓΗΣΗΣ 2

3 5.00 ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ Ο πρώτος τεχνητός δορυφόρος με το όνομα Sputnik εκτοξεύθηκε στις 4 Οκτωβρίου 1957 από τη πρώην Σοβιετική Ένωση με σκοπό τη μελέτη του διαστήματος. Από τότε ακολούθησαν χιλιάδες εκτοξεύσεις τεχνητών δορυφόρων μέχρι σήμερα και κάθε χρόνο γίνονται δεκάδες νέες εκτοξεύσεις. Σαν αποτέλεσμα, σε τροχιά γύρω από τη Γη, υπάρχουν μερικές χιλιάδες δορυφόροι, οι περισσότεροι των οποίων είναι σήμερα ανενεργοί και απλά περιστρέφονται γύρω από τη Γη, μέχρι η τριβή της ατμόσφαιρας να τους φέρει στα κατώτατα στρώματα της, οπότε πλέον καίγονται και καταστρέφονται. Οι τεχνητοί δορυφόροι εκτοξεύονται με συγκεκριμένο σκοπό της αποστολής τους, κυρίως για καθαρά επιστημονικές μελέτες του διαστημικού χώρου (π.χ., εξερεύνηση των πλανητών του ηλιακού μας συστήματος, μελέτη των μαγνητικών και άλλων πεδίων), για τη μελέτη της Γης και του περιβάλλοντος της (π.χ., ωκεανογραφία, τηλεπισκόπιση) ή για καθαρά τεχνολογικές εφαρμογές (π.χ., μετεωρολογία, τηλεπικοινωνίες). Από τους πρώτους δορυφόρους, ο Vanguard-1, που εκτοξεύθηκε το 1958, είχε ήδη κάποιο γεωδαιτικό ρόλο εξ αιτίας του συστήματος Minitrack που χρησιμοποιήθηκε για τη παρακολούθηση του. Επίσης ο δορυφόρος ECHO-1, ο οποίος ήταν στην κυριολεξία ένα μεγάλο μπαλόνι, που χρησιμοποιήθηκε για τηλεπικοινωνιακούς σκοπούς, έπαιξε ένα σημαντικό ρόλο στη δορυφορική γεωδαισία δεδομένου ότι χρησιμοποιήθηκαν για πρώτη φορά κάμερες για τη φωτογράφηση του. Ο πρώτος αποκλειστικά «γεωδαιτικός» δορυφόρος με το όνομα ANNA-1Β, εκτοξεύθηκε το Ο ANNA-1Β ήταν εφοδιασμένος με κατάφωτα laser, σηματοδότες Doppler και SECOR (το τότε αμερικανικό στρατιωτικό σύστημα μέτρησης αποστάσεων) και ειδικά φώτα που αναβόσβηναν και έτσι ήταν δυνατή η φωτογράφηση του με φόντο τα αστέρια. Σήμερα, οι γεωδαιτικοί δορυφόροι συνήθως έχουν ειδικό εξοπλισμό για τη συλλογή παρατηρήσεων μεγάλης ακρίβειας και τοποθετούνται σε διάφορες τροχιές περιστροφής γύρω από τη Γη ανάλογα με το σκοπό της προτιθέμενης λειτουργίας τους. Ειδικά για τις εφαρμογές εντοπισμού θέσης, τα τελευταία είκοσι περίπου χρόνια, η εξέλιξη των αντιστοίχων γεωδαιτικών δορυφόρων ήταν τέτοια ώστε η εφικτή ακρίβεια εντοπισμού αυξήθηκε κατά δύο τάξεις μεγέθους. Μια παρόμοια βελτιστοποίηση παρατηρήθηκε και στις εφικτές ακρίβειες υπολογισμού στίγματος σκαφών και αεροσκαφών με τη χρήση συστημάτων όπως το TRANSIT, GPS και GLONASS, που εξελίχθηκαν πρωτίστως για στρατιωτικούς σκοπούς. Στις επόμενες ενότητες γίνεται μια σύντομη περιγραφή δορυφορικών συστημάτων εντοπισμού και πλοήγησης, τα οποία ουσιαστικά βασίζονται στη χρήση του GPS και του GLONASS και άλλων προηγμένων τεχνολογιών όπως οι δορυφορικές και επίγειες τηλεπικοινωνίες, επεκτείνοντας έτσι τις συνήθεις δυνατότητες των ξεχωριστών αυτοδύναμων συστημάτων. Επίσης αναφερόμαστε σε ορισμένα συστήματα, που ενώ προτάθηκαν κατά καιρούς, δεν έχουν ακόμα εφαρμοστεί για τεχνικούς ή οικονομικούς λόγους, αλλά έδωσαν ωστόσο σημαντική ώθηση στο σχεδιασμό νέων εν εξελίξει συστημάτων, που αποσκοπούν να δημιουργήσουν τις νέες γενιές συστημάτων για τον 21 ο αιώνα ή να αντικαταστήσουν μελλοντικά τα σημερινά συστήματα του GPS και GLONASS. Για κάθε σύστημα, αναφέρονται κυρίως οι βασικές αρχές λειτουργίας του και τα αντίστοιχα όργανα που χρησιμοποιούνται. 5 - ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΠΛΟΗΓΗΣΗΣ 3

4 Επίσης αναφέρονται οι εφικτές ακρίβειες εντοπισμού που επιτρέπει κάθε σύστημα και η αντίστοιχη καταλληλότητα του για συγκεκριμένες ανάγκες εντοπισμού θέσης. Τέλος, με γνώμονα τις σύγχρονες τάσεις της δορυφορικής τεχνολογίας, θ' αναφερθούμε σε μερικά από τα επερχόμενα συστήματα εντοπισμού, όπως το σύστημα GALILEO, που είναι σε εξέλιξη από μη στρατιωτικούς φορείς (όπως την Ευρωπαϊκή Ένωση και τον Ευρωπαϊκό Διαστημικό Οργανισμό, ESA) και αναμένονται να χρησιμοποιηθούν ευρύτατα στο άμεσο μέλλον ΠΑΓΚΟΣΜΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ GPS Η παρούσα ενότητα αναφέρεται πολύ σύντομα στις λειτουργικές αρχές, τα χαρακτηριστικά και η πρακτική χρήση του παγκόσμιου δορυφορικού συστήματος εντοπισμού GPS, ώστε να διευκολυνθεί η σύγκριση του με άλλα σύγχρονα δορυφορικά συστήματα εντοπισμού και τις τεχνικές που χρησιμοποιούνται σήμερα για τις διάφορες εφαρμογές πλοήγησης και τον ακριβή προσδιορισμό της θέσης σημείων. Το σύστημα GPS είναι το αποτέλεσμα συγχώνευσης δύο παλαιοτέρων στρατιωτικών προγραμμάτων της δεκαετίας του '60 το TIMATION του Ναυτικού και το "Σύστημα 621 Β" της Αεροπορίας των ΗΠΑ τα οποία δημιουργήθηκαν με επιδίωξη την ανάπτυξη παθητικών συστημάτων πλοήγησης με μετρήσεις αποστάσεων. Από το 1973 άρχισε η ανάπτυξη του συστήματος GPS, με τη συμμετοχή ορισμένων χωρών-μελών του NATO και της Αυστραλίας, για να καλύψει κυρίως τις ανάγκες πλοήγησης και παροχής ακριβούς ένδειξης του χρόνου για στρατιωτικές εφαρμογές. Σήμερα, η πολιτική χρήση του GPS σε παγκόσμια κλίμακα, είναι ήδη ευρύτατη, ενώ ο αριθμός και το είδος των πολιτικών εφαρμογών (π.χ., αεροπλοΐα, θαλάσσιες μεταφορές, τοπογραφικές και άλλες γεωεπιστημονικές εφαρμογές, κλπ) συνεχώς αυξάνονται κυρίως λόγω της οικονομικότητας και της ευκολίας χρήσης του συστήματος. Το πλήρες σύστημα GPS ολοκληρώθηκε στο τέλος του 1993 με 24 δορυφόρους (από τους οποίους τρεις είναι εφεδρικοί) σε 6 τροχιακά επίπεδα κλίσης 55 ως προς τον ισημερινό και σε ύψος km, με περίοδο περιστροφής 12 ώρες. Οι δορυφόροι εκπέμπουν ραδιοσήματα σε δύο συχνότητες: L 1 = MHz και L 2 = MHz. Η φέρουσα συχνότητα L 1 είναι διαμορφωμένη με δύο κώδικες, τον ευρείας λήψης C/Ακώδικα (Coarse Acquisition Code) και τον Ρ-κώδικα ακριβείας (Precision Code) ο οποίος εκπέμπεται επίσης και στη συχνότητα L 2. Και οι δύο συχνότητες φέρουν επίσης το μήνυμα πλοήγησης, που περιέχει μεταξύ άλλων πληροφορίες για τις τροχιές των δορυφόρων, διορθώσεις των ατομικών χρονομέτρων τους και την επίδραση της ατμόσφαιρας στο σήμα, καθώς και πληροφορίες για τη γενική κατάσταση λειτουργίας των δορυφόρων. Ο δορυφορικός σχηματισμός του συστήματος παρέχει στους κατάλληλα εξοπλισμένους χρήστες μία σειρά από νέες και μοναδικές δυνατότητες, σε σχέση με παλαιότερα ή παρόμοια συμβατικά συστήματα εντοπισμού θέσης, όπως: παρέχει ακριβή προσδιορισμό θέσης σε τρεις διαστάσεις με τυπική ακρίβεια ±10-20 m και προσδιορισμό της ταχύτητας με ακρίβεια 0.1 m/sec, σε 5 - ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΠΛΟΗΓΗΣΗΣ 4

5 πραγματικό χρόνο, 24 ώρες το εικοσιτετράωρο, ανεξάρτητα από καιρικές συνθήκες και σε οποιοδήποτε σημείο της Γης (στη ξηρά, στη θάλασσα και στον αέρα), και παράλληλα έχει τη δυνατότητα παροχής ένδειξης του χρόνου με ακρίβεια ± 100 nsec. Σε περιπτώσεις εκτάκτων περιστάσεων ή γεγονότων (π.χ. στρατιωτικών επιχειρήσεων) στρατηγικής σημασίας για το ΝΑΤΟ ή για λόγους εθνικής ασφάλειας των ΗΠΑ, η παραπάνω αναφερόμενη ακρίβεια εντοπισμού, που παρέχει το GPS, είναι δυνατόν να υποβιβασθεί σκόπιμα, στο επίπεδο ±100 m, με μια τεχνική, που είναι γνωστή σαν Ελεγχόμενη ή Επιλεκτική Διαθεσιμότητα (ΕΔ) του σήματος GPS (Selective Availability). Η Επιλεκτική Διαθεσιμότητα εφαρμόστηκε για ένα μεγάλο μέρος της ζωής του συστήματος GPS (από την αρχή της επιχειρησιακής φάσης λειτουργίας του συστήματος στα μέσα της δεκαετίας του 1980), μέχρι το 2000, οπότε και απενεργοποιήθηκε, έτσι ώστε σήμερα είναι δυνατή η επίτευξη ακριβειών της τάξης των μερικών μέτρων σε πραγματικό χρόνο, όπως δηλαδή είχε προδιαγραφεί με τον αρχικό σχεδιασμό του συστήματος ΣΥΣΤΗΜΑ GLONASS Το αντίστοιχο του GPS ρωσικό σύστημα GLONASS έχει αναπτυχθεί, επίσης για στρατιωτικούς σκοπούς, από τη πρώην Σοβιετική Ένωση. Ήδη από το τέλος της δεκαετίας του 1960, το ρωσικό στρατιωτικό κατεστημένο είχε προσδιορίσει την ανάγκη για ένα νέο δορυφορικό σύστημα ναυσιπλοΐας για τις ανάγκες ακριβούς καθοδήγησης των νέων βαλλιστικών βλημάτων της τότε εποχής. Το τότε υπάρχον δορυφορικό σύστημα ναυσιπλοΐας Tsiklon απαιτούσε αρκετά λεπτά μετρήσεων από ένα χρήστη για να καθορισθεί το στίγμα του, γεγονός που το καθιστούσε ακατάλληλο για πολλές εφαρμογές, ιδιαίτερα για εκείνες που απαιτούσαν ακριβή εντοπισμό της θέσης σε πραγματικό χρόνο. Στη περίοδο τα ερευνητικά ιδρύματα του Υπουργείου Άμυνας, η Ακαδημία των Επιστημών, και το Σοβιετικό Ναυτικό συντονίστηκαν για να μελετήσουν την εξεύρεση μιας ενιαίας λύσης για τις εφαρμογές εντοπισμού και πλοήγησης στον αέρα, το έδαφος, τη θάλασσα και το διάστημα. Η ενέργεια αυτή οδήγησε το 1970 στη τεκμηρίωση ενός συνόλου απαιτήσεων, από τις οποίες προέκυψαν και οι προδιαγραφές για ένα νέο δορυφορικό σύστημα, το Global naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema ή Global Orbiting Navigation Satellite System (GLONASS) του οποίου η ανάπτυξη άρχισε το Το σύστημα έχει πάρα πολλές ομοιότητες με το GPS, όσον αφορά τα γενικά χαρακτηριστικά του και τον τρόπο λειτουργίας του. Το GLONASS σχεδιάστηκε για 21 δορυφόρους και τρεις εφεδρικούς για περιπτώσεις βλάβης ή λειτουργικών προβλημάτων. Η πρώτη εκτόξευση δορυφόρων του συστήματος έγινε στο τέλος του Τα αρχικά σχέδια απαιτούσαν ένα πλήρες λειτουργικό σύστημα μέχρι το 1991, αλλά πολλές αποτυχημένες εκτοξεύσεις και λειτουργικά προβλήματα των πρώτων δορυφόρων δεν επέτρεψαν την επέκταση και ολοκλήρωση του σχεδιαζόμενου δορυφορικού σχηματισμού πριν από το τέλος του Ωστόσο το σύστημα κηρύχτηκε επίσημα πλήρως λειτουργικό τον Σεπτέμβριο του Το 1989 εκτοξεύθηκαν επίσης δύο γεωδαιτικοί δορυφόροι με συστήματα λέιζερ 5 - ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΠΛΟΗΓΗΣΗΣ 5

6 της σειράς Etalon, οι οποίοι τοποθετήθηκαν επίσης στην τροχιά των km των δορυφόρων GLONASS για να χαρακτηρίσουν πλήρως το πεδίο βαρύτητας στο προγραμματισμένο ύψος και την κλίση των τροχιών του GLONASS. Σήμερα το σύστημα υπολειτουργεί με σχεδόν τους μισούς δορυφόρους σε πλήρη λειτουργία. Ωστόσο ένα ρωσικό σχέδιο εκσυγχρονισμού του συστήματος προβλέπει τις δοκιμές πτήσης μιας νέας γενιάς GLONASS-M δορυφόρων που πρόκειται να εκτοξευθούν μέχρι και το Οι νέοι δορυφόροι GLONASS-M θα εκπέμπουν σήματα με καλύτερα χαρακτηριστικά καθώς επίσης θα έχουν μακρύτερη προγραμματισμένη ζωή λειτουργίας (7-8 έτη αντί των 3 ετών για τους μέχρι σήμερα δορυφόρους). Στο μέλλον, προγραμματίζεται επίσης η μετάβαση σε μια ακόμα πιο βελτιωμένη γενιά δορυφόρων GLONASS-Κ μικρής μάζας, που θα έχουν εγγυημένη διάρκεια ζωή ς 10 ετών. Όπως και με το GPS, οι δορυφόροι GLONASS τοποθετούνται σε σχεδόν κυκλικές τροχιές, σε ύψος περίπου km πάνω από τη Γη και σε τρία τροχιακά επίπεδα ανά 120 με κλίση 64.8 ως προς τον ισημερινό και είναι κατανεμημένοι ανά 45 στο επίπεδο κάθε τροχιάς. Το Τμήμα Ελέγχου του συστήματος βρίσκεται εξ ολοκλήρου στο έδαφος της πρώην Σοβιετικής Ένωσης και αποτελείται από: το Κέντρο Ελέγχου Λειτουργίας και Ατομικών Προτύπων στη Μόσχα και τα Κέντρα Τηλεμετρίας και τους Σταθμούς Παρακολούθησης στην Αγία Πετρούπολη (St. Peterburg), Eniseisk και Komsomolskna-Amure. Το GLONASS παρέχει ακρίβειες εντοπισμού στα επίπεδα ±100 m με τα σήματα για πολιτική χρήση και ακρίβεια ±10-20 m με τα σήματα για στρατιωτική χρήση. Ωστόσο, σε σχέση με το GPS ένα σημαντικό πλεονέκτημα του GLONASS είναι ότι τα σήματα του για στρατιωτική χρήση είναι διαθέσιμα χωρίς οποιαδήποτε κρυπτογράφηση, όπως συμβαίνει με το GPS, αν και οι ρωσικές αρχές δεν συνιστούν τη χρήση τους από πολιτικούς χρήστες ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΤΟΥ GLONASS Όπως φαίνεται και στον πίνακα τα τεχνικά χαρακτηριστικά του GLONASS διαφοροποιούν ελάχιστα τον τρόπο λειτουργίας του σε σχέση με το GPS. Για παράδειγμα, η μεγαλύτερη κλίση των τροχιακών επιπέδων του GLONASS δίνει ελαφρώς μεγαλύτερες γωνίες ύψους των δορυφόρων στις πολικές περιοχές. Εντούτοις αυτό το πλεονέκτημα αντισταθμίζεται ως ένα ορισμένο βαθμό από τις χαμηλότερες τροχιές. Το χαμηλό τροχιακό ύψος οφείλεται κυρίως στο γεγονός ότι η Ρωσία, σε σχέση με τις ΗΠΑ, δεν είχε τις ίδιες δυνατότητες κατανομής των Σταθμών Παρακολούθησης και Ελέγχου σε παγκόσμιο επίπεδο, έτσι ώστε ήταν απαραίτητο να εξασφαλιστεί η τακτική εμφάνιση των δορυφόρων πάνω από την Σοβιετική Ένωση, γεγονός που επιτυγχάνεται με το δεδομένο σχηματισμό. Η μεγαλύτερη διαφορά του GPS και GLONASS είναι ο τρόπος εκπομπής των σημάτων από τους δορυφόρους. Στο GPS όλοι οι δορυφόροι εκπέμπουν στις συχνότητες L 1 = MHz και L 2 = MHz και ο κάθε δορυφόρος διακρίνεται από το χαρακτηριστικό σήμα του κώδικα που εκπέμπει. Οι εκπομπές του GLONASS, για τη συχνότητα L 1, καλύπτουν τις συχνότητες από τη περιοχή 1602 μέχρι MHz, με διαχωρισμό μεταξύ των συχνοτήτων του κάθε δορυφόρου ανά MHz, δηλαδή ο κάθε δορυφόρος εκπέμπει σε κάπως διαφορετική συχνότητα L 1 = Κ (MHz), όπου Κ είναι ο δείκτης του καναλιού της συχνότητας του εκάστοτε δορυφόρου. Μέχρι το 1998, οι τιμές των δεικτών Κ κυμαίνονταν από 1 έως 24. Ωστόσο οι συχνότητες των καναλιών που αντιστοιχούν στις μεγαλύτερες τιμές Κ δημιουργούσαν παρεμβολές στις συχνότητες που χρησιμοποιούνται από τα ραδιοτηλεσκόπια. Έτσι αποφασίστηκε από το 1998 μέχρι το 2005, οι αντιδιαμετρικά τοποθετημένοι δορυφόροι να χρησιμοποιούν κανάλια με κοινούς δείκτες Κ=1,2,, 12, ενώ μετά το 5 - ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΠΛΟΗΓΗΣΗΣ 6

7 2005, θα χρησιμοποιούνται κανάλια με τιμές Κ από 7 έως 6. Αντίστοιχα, για τη συχνότητα L 2, χρησιμοποιείται η ζώνη 1246 μέχρι MHz, με διαχωρισμό μεταξύ των συχνοτήτων του κάθε δορυφόρου ανά MHz, δηλαδή ο κάθε δορυφόρος εκπέμπει σε κάπως διαφορετική συχνότητα L 2 = Κ (MHz). Η τεχνική αυτή, για την δημιουργία του σήματος, είναι γνωστή σαν Πολλαπλή Πρόσβαση με Διαίρεση Συχνότητας (Frequency Division Multiple Access, FDMA), ενώ η αντίστοιχη τεχνική στην οποία βασίζεται το GPS είναι γνωστή σαν Πολλαπλή Πρόσβαση με Διαίρεση του Κώδικα (Code Division Multiple Access, CDMA). Έτσι, στους δέκτες του σήματος GLONASS, ο κάθε δορυφόρος διακρίνεται από τη συχνότητα του. Η διαφορά αυτή, ενώ Περίοδος Released under περιστροφής a δεν επηρεάζει την ακρίβεια λειτουργίας του συστήματος, κάνει το GLONASS λιγότερο εύχρηστο σε σχέση με το GPS. Για στρατιωτικούς κυρίως σκοπούς, το GLONASS χρησιμοποιεί ένα κώδικα ανάλογο του Ρ-κώδικα του GPS, του οποίου η διαρκείας είναι 5.11 MHz (σε σύγκριση με τη διάρκεια των MHz στη περίπτωση Τεχνική του Ρ-κώδικα) και μήκους 5.11x10 6 chips. Αντίστοιχα, για τους πολιτικούς χρήστες, το GLONASS χρησιμοποιεί ένα κώδικα ανάλογο του C/Α-κώδικα του GPS, του οποίου η διαρκείας είναι MHz (σε σύγκριση με τη διάρκεια των MHz στη περίπτωση του C/Α-κώδικα) και μήκους 511 chips. Σε αντίθεση με το GPS, τα σήματα του GLONASS δεν υπόκεινται σε οποιαδήποτε εσκεμμένη υποβάθμιση του συστήματος, ανάλογη της Επιλεκτικής Διαθεσιμότητας του GPS, ενώ σχεδιάζεται οι επόμενοι (μελλοντικοί) δορυφόροι της σειράς GLONASS-Μ, να παρέχουν τον αντίστοιχο C/Α-κώδικα τους και στις δύο συχνότητες L 1 και L 2, και κατά συνέπεια θα παρέχουν βελτιωμένη ακρίβεια εντοπισμού, σε σχέση με την ακρίβεια που παρέχεται σήμερα από το C/Α-κώδικα του GPS. Συγκριτικά τεχνικά χαρακτηριστικά των συστημάτων GPS και GLONASS GPS GLONASS # Δορυφόροι εφεδρικοί εφεδρικοί # Τροχιές 6 3 Κλίση τροχιών 64.8 ο 55 ο Ύψος τροχιών km km 11 h 15 m 40 s 11 h 58 m 00 s Γεωδαιτικό Datum PZ-90 WGS-84 Κλίμακα Χρόνου UTC UTC σημάτων Συχνότητα L1 Συχνότητα L2 Μήκος C/Aκώδικα (# Chips) Μήκος P-κώδικα (# Chips) Ρυθμός C/Aκώδικα (kbps) Ρυθμός P- κώδικα (Mbps) FDMA MHz MHz CDMA 1575 MHz 1227 MHz x x ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΟΥ GPS ΣΕ ΑΛΛΑ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ Το GPS και το σύστημα TRANSIT, καθώς και τα συστήματα της πρώην Σοβιετικής Ένωσης, το GLONASS (το αντίστοιχο σύστημα του GPS) και το TSICADA (το αντίστοιχο σύστημα του TRANSIT), σχεδιάστηκαν αρχικά για στρατιωτικούς σκοπούς. Το κοινό χαρακτηριστικό τους είναι ότι όλα ανήκουν στη κατηγορία των παθητικών δορυφορικών συστημάτων εντοπισμού, δηλαδή τα σήματα τους μεταδίδονται μονοσήμαντα από τους δορυφόρους προς τους χρήστες. Για λόγους στρατιωτικής σκοπιμότητας αυτή η λειτουργική διαδικασία αποτελεί ένα επιθυμητό χαρακτηριστικό, αφού με αυτό τον τρόπο ο χρήστης του συστήματος δεν είναι υποχρεωμένος να μεταδίδει ο ίδιος οποιοδήποτε σήμα, το οποίο θα μπορούσε να εκμεταλλευθεί ο πιθανός εχθρός του και να τον εντοπίσει. Ένα άλλο χαρακτηριστικό, της στρατιωτικής φύσης των συστημάτων αυτών, είναι ότι οι δορυφόροι πρέπει απαραίτητα να έχουν τη δυνατότητα λειτουργίας για μεγάλα χρονικά διαστήματα (π.χ., σε περιόδους κρίσης) χωρίς την ανάγκη επικοινωνίας με τους επίγειους σταθμούς παρακολούθησης και ελέγχου. Παράλληλα με τις στρατιωτικές εφαρμογές, η χρήση τους 5 - ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΠΛΟΗΓΗΣΗΣ 7

8 έχει επίσης επεκταθεί και σε πολιτικές εφαρμογές, όπου μάλιστα ο αριθμός των χρηστών υπερβαίνει κατά πολύ τον αντίστοιχο αριθμό των στρατιωτικών χρηστών. Σε αντίθεση με τα στρατιωτικά συστήματα, αντίστοιχα δορυφορικά συστήματα, που έχουν δημιουργηθεί καθαρά για πολιτικούς σκοπούς, δεν είναι απαραίτητο να βασίζονται σε λειτουργικές αρχές παθητικού χαρακτήρα ή να λειτουργούν αυτόνομα σε περιόδους κρίσης. Κατά συνέπεια, είναι δυνατόν να λειτουργούν με σήματα αντίστροφης εκπομπής (δηλαδή από τους χρήστες προς τους δορυφόρους) ή σήματα διπλής διαδρομής. Αυτός ο βασικά διαφορετικός τρόπος λειτουργίας συνήθως επιτρέπει τη χρήση δορυφόρων απλούστερης κατασκευής και κατά συνέπεια μικρότερου κόστους, αλλά συγχρόνως απαιτεί πιο πολύπλοκους δέκτες ή πιο πολύπλοκες διαδικασίες ελέγχου του όλου συστήματος. Παραδείγματα πολιτικών δορυφορικών συστημάτων, που βασίζονται σε σήματα αντίστροφης εκπομπής, είναι τα συστήματα DORIS και ARGOS, τα οποία είναι ήδη σε λειτουργία. Ένα σύστημα εντοπισμού βασισμένο στην αρχή της λειτουργίας σημάτων διπλής διαδρομής μεταξύ του εκάστοτε χρήστη και των δορυφόρων, το σύστημα GEOSTAR, είχε προταθεί στα τέλη της δεκαετίας του '80 και λειτούργησε πειραματικά στις Η.Π.Α. για ένα μικρό χρονικό διάστημα, αποδεικνύοντας το εφικτό της λειτουργικότητας ενός τέτοιου συστήματος. Ένα παρόμοιο εμπορικό σύστημα, βασισμένο στην επανεκπομπή σημάτων από σταθμούς εδάφους στους χρήστες μέσω γεωκεντρικών δορυφόρων, είναι το σύστημα STARFIX, που λειτουργεί στις περιοχές της Βόρειας Αμερικής και επιτρέπει εφαρμογές εντοπισμού θέσης και τη παράλληλη μετάδοση διαφορικών διορθώσεων GPS. Το γερμανικό σύστημα PRARE (Precise Range And Range-Rate Equipment), που λειτουργεί από το 1995 στον δορυφόρο ERS-2, βασίζεται επίσης σε μετρήσεις Doppler και απόστασης διπλής διαδρομής από ραδιοσήματα στις περιοχές Χ- και S- του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Το ευρωπαϊκό σύστημα NAVSAT ήταν ένα σύστημα, που είχε σχεδιαστεί ήδη από τη δεκαετία του 1980 για εφαρμογές σε παγκόσμια κλίμακα, βασισμένο σε ένα δορυφορικό σχηματισμό από 6 γεωστατικούς δορυφόρους και 12 δορυφόρους σε τροχιές παρόμοιες με τις τροχιές των δορυφόρων GPS. Το NAVSAT παρέμεινε τελικά στα στάδια του προγραμματισμού, κυρίως εξ αιτίας της ευρείας διάδοσης του GPS. Ωστόσο αποτέλεσε την απαρχή μιας νέας τάσης συνδυασμού της τεχνολογίας του GPS και επιγείων ή δορυφορικών τηλεπικοινωνιών (π.χ., μέσω των δορυφόρων INMARSAT), ιδιαίτερα για εφαρμογές διαφορικού GPS στη ναυσιπλοΐα και την αεροπλοΐα. Η τάση αυτή έχει οδηγήσει σήμερα στην ανάπτυξη νέων συστημάτων, όπως το Παγκόσμιο Δορυφορικό Σύστημα Πλοήγησης (Global Navigation Satellite System, GNSS) που υλοποιείται σταδιακά σήμερα από τα εν εξελίξει συστήματα EGNOS και GALILEO της Ευρωπαϊκής Ένωσης, των οποίων οι αρχές λειτουργίας και τα βασικά χαρακτηριστικά τους θα αναφερθούν συνοπτικά στις επόμενες ενότητες. 5 - ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΠΛΟΗΓΗΣΗΣ 8

9 5.05 ΣΥΣΤΗΜΑ NAVSAT-Ο ΠΡΟΔΡΟΜΟΣ ΤΟΥ GALILEO Το δορυφορικό σύστημα NAVSAT είχε αρχικά προταθεί από τον Ευρωπαϊκό Διαστημικό Οργανισμό (European Space Agency, ESA) στα μέσα της δεκαετίας του '80, αλλά τελικά παρέμεινε μόνο στα στάδια προγραμματισμού. Το σύστημα είχε πολλά κοινά χαρακτηριστικά με το GPS και θα παρείχε παρόμοιες δυνατότητες εντοπισμού θέσης και πλοήγησης σε παγκόσμια κλίμακα. Η μεγαλύτερη διαφορά, σε σχέση με το GPS, ήταν ότι θα λειτουργούσε κάτω από πλήρη πολιτικό έλεγχο και θα περιοριζόταν σε καθαρά πολιτικές εφαρμογές. Το γεγονός αυτό θα επέτρεπε τη κατασκευή απλούστερων δορυφόρων και δεκτών και κατά συνέπεια λιγότερο κόστος και οικονομικότερη χρήση του όλου συστήματος. Οι αρχές λειτουργίας του NAVSAT αναπτύχθηκαν κυρίως σαν αποτέλεσμα της επιτυχούς λειτουργίας του GPS και του GLONASS και η κεντρική ιδέα ήταν να μεταφερθεί η πολυπλοκότητα του συστήματος από το δορυφορικό τμήμα στους σταθμούς εδάφους. Ο ρόλος των δορυφόρων έτσι θα περιοριζόταν στην επανεκπομπή σημάτων, που θα ελάμβαναν από ένα δίκτυο έξι σταθμών ελέγχου. Χρησιμοποιώντας συχνότητες στη φασματική περιοχή C-band, κάθε σταθμός θα μπορούσε να εκπέμπει προς τους ορατούς δορυφόρους του συστήματος, σήματα αποτελούμενα από: (α) ένα συνεχές φέρον κύμα διαμορφωμένο με ένα κώδικα ψευδοτυχαίων θορύβων, που έχει διάρκεια μετάδοσης περίπου 5 MHz και (β) ένα μήνυμα πλοήγησης με πληροφορίες για τις τροχιές των δορυφόρων και άλλα δεδομένα. Οι δορυφόροι, με τη σειρά τους, θα αναμετέδιδαν τα λαμβανόμενα σήματα προς τους χρήστες, χρησιμοποιώντας τη συχνότητα GHz και τον ίδιο κώδικα ψευδοτυχαίων θορύβων. Για την αποφυγή τυχόν παρεμβολών, μεταξύ των σημάτων των εκάστοτε δορυφόρων, θα μπορούσε να γίνει χρήση της τεχνικής της Πολλαπλής Πρόσβασης με Διαίρεση του Κώδικα (Code Division Multiple Access, CDMA): δηλαδή, με τη σειρά του ο κάθε δορυφόρος θα μπορούσε να εκπέμπει διαδοχικά, περίπου κάθε δύο λεπτά της ώρας, ένα τμήμα του σήματος διαρκείας 230 msec. Με τον τρόπο αυτό, η σταθερότητα της συχνότητας, που χρησιμοποιείται για τη παραγωγή του σήματος, επιτυγχάνεται με τη βοήθεια ατομικών χρονομέτρων που υπάρχουν στους σταθμούς ελέγχου. Έτσι σε αντίθεση με το GPS, αποφεύγεται η χρήση ατομικών χρονομέτρων υψηλής ακρίβείας στους δορυφόρους. Σύμφωνα με τις προδιαγραφές του δορυφορικού σχηματισμού του συστήματος, έξι δορυφόροι σε γεωστατικές τροχιές και 12 δορυφόροι σε ελλειπτικές τροχιές, με μεγάλη εκκεντρότητα, θα μπορούσαν να προσφέρουν πλήρη παγκόσμια 24ωρη κάλυψη. Οι γεωστατικοί δορυφόροι θα μπορούσαν να είναι τηλεπικοινωνιακοί δορυφόροι, κατάλληλα εξοπλισμένοι με τους πομπούς των σημάτων NAVSAT. Ως προς τη χρήση του συστήματος, οι σχεδιαστές του NAVSAT αποβλέπανε σε τρεις κατηγορίες εφαρμογών: (i) στιγμιαίου εντοπισμού θέσης ή πλοήγησης σκαφών με ακρίβειες της τάξης ± 100 m (π.χ. κάνοντας χρήση μετρήσεων Doppler), (ii) στιγμιαίου εντοπισμού θέσης ή 5 - ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΠΛΟΗΓΗΣΗΣ 9

10 πλοήγησης με ακρίβειες της τάξης ± 5-10 m (π.χ., κάνοντας συνδυασμένη χρήση των μετρήσεων Doppler και του εκπεμπόμενου κώδικα ψευδοτυχαίων θορύβων των αντιστοίχων μετρήσεων ψευδοαπόστασης) και (iii) γεωδαιτικές εφαρμογές με απαιτούμενες ακρίβειες της τάξης ± m ή καλύτερες (π.χ. κάνοντας χρήση των μετρήσεων φάσης του φέροντος κύματος). Μέχρι σήμερα, αν και η υλοποίηση του συστήματος δεν προχώρησε πέρα από τα σχέδια σχεδιασμού του, η γενική ιδέα του NAVSAT αποτέλεσε την κεντρική ιδέα συνδυασμού δορυφορικών συστημάτων τηλεπικοινωνιών (όπως του INMARSAT), του GPS και του GLONASS, με σκοπό τη δημιουργία ενός υβριδικού παγκοσμίου δορυφορικού συστήματος πλοήγησης και εντοπισμού για τις ανάγκες του 21ου αιώνα. Το 1985 δημιουργήθηκε από την αμερικανική Επιτροπή Ομοσπονδιακών Τηλεπικοινωνιών (Federal Communications Commission, FCC) η Υπηρεσία Δορυφορικών Ραδιοεντοπισμών (Radiodetermination Satellite Service, RDSS). Η υπηρεσία RDSS αποσκοπούσε στη προώθηση των συγχρόνων τεχνολογιών πλοήγησης και τηλεπικοινωνιών με τη βοήθεια γεωστατικών δορυφόρων. Για τις εν λόγω ανάγκες, η FCC αποδέχτηκε την χρήση των συχνοτήτων UHF στη περιοχή MHz (για την εκπομπή σημάτων προς τους δορυφόρους) και στη περιοχή MHz (για την εκπομπή σημάτων από τους δορυφόρους προς τους χρήστες), καθώς επίσης και τη χρήση σημάτων σε υψηλότερες συχνότητες ( MHz), για τις απαιτούμενες σταθερές διασυνδέσεις μεταξύ επιγείων σταθμών και τη μετάδοση μηνυμάτων προς κινούμενους χρήστες ΣΥΣΤΗΜΑ GEOSTAR Το GEOSTAR ήταν ένα από τα πολλά συστήματα, πού προτάθηκαν στην υπηρεσία RDSS και αναπτύχθηκαν, για εμπορικούς σκοπούς, από την αμερικανική εταιρία Geostar Positioning Corporation. Αρχικά, το σύστημα αναπτύχθηκε με βάση τη χρήση των δύο αμερικανικών γεωστατικών δορυφόρων Spacenet-3 and GSTAR-3, των οποίων ο βασικός ρόλος ήταν η επανεκπομπή σημάτων από ένα κεντρικό σταθμό ελέγχου (το λεγόμενο GEOSTAR Central) και διάφορους χρήστες εφοδιασμένους με κατάλληλες, χαμηλού κόστους, τερματικές μονάδες. Η λειτουργία του συστήματος ακολουθούσε περίπου την εξής συνοπτική διαδικασία: (1) Ένας από τους δύο γεωστατικούς δορυφόρους μετέδιδε προς τους επίγειους χρήστες (ακίνητους ή εν κινήσει) κατάλληλα σήματα στη συχνότητα MHz. (2) Οι χρήστες, μέσω και των δύο δορυφόρων, επανεκπέμπανε στη συχνότητα MHz προς κάποιους άλλους κεντρικούς σταθμούς εδάφους τα λαμβανόμενα σήματα, μαζί με ένα διακριτικό δείκτη για την αναγνώριση του εκάστοτε χρήστη καθώς και άλλα συναφή δεδομένα, κάνοντας χρήση της τεχνικής της Πολλαπλής Πρόσβασης με Διαίρεση της Συχνότητας (Frequency Division Multiple Access, FDMA). (3) Από το χρόνο της διπλής διαδρομής των σημάτων υπολογίζονταν οι αποστάσεις του εκάστοτε χρήστη από τους δύο δορυφόρους. 5 - ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΠΛΟΗΓΗΣΗΣ 10

11 Στη συνέχεια, δεσμεύοντας το υψόμετρο του χρήστη, στη τιμή που προσδιορίζονταν από κάποιο μοντέλο της μορφολογίας του εδάφους της περιοχής του, υπολογίζονταν οι οριζόντιες συντεταγμένες του κάθε χρήστη. Η ακρίβεια εντοπισμού ήταν δυνατόν να βελτιωθεί με τη χρήση αναλόγων μετρήσεων από σταθμούς αναφοράς (μέχρι 200 km) στη περιοχή του κάθε χρήστη, μία διαδικασία που ουσιαστικά είναι παρόμοια της γνωστής διαδικασίας του διαφορικού GPS. Η παραπάνω διαδικασία επέτρεπε την εκπομπή πληροφοριών και άλλων μηνυμάτων από τους χρήστες προς το κεντρικό σταθμό εδάφους ή αντίστροφα. Για παράδειγμα, η χρήση του συστήματος από ένα αεροσκάφος θα επέτρεπε τη λήψη πληροφορίας του ύψους πτήσης, στοιχεία για τις τοπικές καιρικές συνθήκες στη περιοχή κάποιου Το σύστημα STARFIX αναπτύχθηκε από την αμερικανική ιδιωτική εταιρία John Chance & Associates, μία εταιρία γεωφυσικών και υδρογραφικών εφαρμογών, και άρχισε να λειτουργεί εμπορικά το 1986, αρχικά, στη περιοχή του κόλπου του Μεξικού για τις ανάγκες των εταιριών που ασχολούνται με παράκτιες εφαρμογές εξόρυξης πετρελαίου, υδρογραφικές αποτυπώσεις και άλλες παρόμοιες εφαρμογές γεωφυσικού ενδιαφέροντος. Το STARFIX είναι το πρώτο σύστημα εντοπισμού θέσης, που βασίζεται στη χρήση γεωστατικών δορυφόρων και παρέχει ακρίβειες σχετικού εντοπισμού της τάξης ±5-10 m (2 Drms), κάνοντας χρήση της τεχνικής των διαφορικών διορθώσεων ΣΥΣΤΗΜΑ STARFIX Από την έναρξη της λειτουργίας του, το σύστημα STARFIX άρχισε να χρησιμοποιεί τους γεωστατικούς τηλεπικοινωνιακούς δορυφόρους Galaxy II, Westar IV και Satcom FIR για την κάλυψη του κόλπου του Μεξικού. Από το 1988, με τη χρήση και ενός επιπλέον δορυφόρου, το STARFIX επιτρέπει τη ταυτόχρονη ορατότητα (και συνεπώς τη χρήση) τεσσάρων δορυφόρων από τους χρήστες του συστήματος, σε όλη σχεδόν την Βόρεια Αμερική. Επιπλέον, δέκα επίγειοι σταθμοί αναφοράς, που είναι κατανεμημένοι στις παράκτιες περιοχές των αεροδρομίου κλπ. Η χρήση δύο δορυφόρων είναι ικανοποιητική για τις ανάγκες του συστήματος στην ηπειρωτική περιοχή των Η.Π.Α. και τις γύρω παράκτιες περιοχές. Για σχεδόν πλήρη παγκόσμια κάλυψη, εκτός από τις πολικές περιοχές της Γης, απαιτούνται τουλάχιστον άλλοι τέσσερις δορυφόροι. Η δυνατότητα, που προσφέρει ένα σύστημα σαν το GEOSTAR για την αναμετάδοση της θέσης ενός χρήστη σε κάποιο κεντρικό σταθμό, με τις πιθανότητες χρήσης χαμηλού κόστους τερματικών, είναι ιδιαίτερα ελκυστική για εφαρμογές παρακολούθησης στόλων, οχημάτων ή σκαφών, όπως π.χ., για τη μεγάλων διαδρομών διακίνηση και μεταφορά εμπορευμάτων και πρώτων υλών από φορτηγά, τα δρομολόγια αμαξοστοιχιών, κλπ. Η.Π.Α. χρησιμοποιούνται για την εκπομπή διαφορικών διορθώσεων, γεγονός που επιτρέπει, εκτός από τη βελτίωση της ακρίβειας και αξιοπιστίας του όλου συστήματος, και την επέκταση της περιοχής που το σύστημα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διαφορικές εφαρμογές. Σήμερα, το σύστημα STARFIX το λειτουργεί η εταιρεία Fugro International μέσω 80 περίπου σταθμών διαφορικού GPS ανά τον κόσμο. Οι κύριοι σταθμοί αναφοράς, στο Ηοuston (Texas), Aberdeen (Scotland) και Perth (Australia) μεταδίδουν σήματα πλοήγησης προς τους δορυφόρους, κάνοντας χρήση ενός φέροντος κύματος στη συχνότητα 6 GHz. Τα σήματα αυτά επανεκπέμπονται προς τους χρήστες και τους επίγειους σταθμούς αναφοράς, στη συχνότητα 4 GHz, κάνοντας χρήση ενός κώδικα ψευδοτυχαίων θορύβων μήκους MHz. Οι υψηλές συχνότητες, που χρησιμοποιούνται για την εκπομπή των σημάτων, ελαττώνουν την επίδραση της ιονόσφαιρας στο σήμα κατά τη διάδοση του μέσα από την ατμόσφαιρα. Από τα επανεκπεμπόμενα σήματα υπολογίζονται οι ψευδοαποστάσεις του εκάστοτε χρήστη από τους δορυφόρους και κατά συνέπεια το στίγμα του χρήστη. Ο κύριος σταθμός αναφοράς στο Houston, συγχρονίζει την 5 - ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΠΛΟΗΓΗΣΗΣ 11

12 εκπομπή των σημάτων πλοήγησης και επίσης λαμβάνει διαφορικές διορθώσεις από τους επίγειους σταθμούς αναφοράς, οι οποίες, μαζί με άλλα δεδομένα, που σχετίζονται με τις τροχιές των δορυφόρων, διαμορφώνονται στο φέρον κύμα και εκπέμπονται από τους δορυφόρους με ένα ρυθμό εκπομπής 150 Hz. Δεδομένου ότι η διάταξη των γεωστατικών δορυφόρων δημιουργεί περιορισμούς στη γεωμετρία των παρατηρήσεων ψευδοαπόστασης, που εκτελούνται από τον εκάστοτε σταθμό, συνήθως κατά την ανάλυση των μετρήσεων, για τον υπολογισμό του στίγματος του σταθμού, το υψόμετρο του σταθμού θεωρείται γνωστό. Με τον τρόπο αυτό, η χρήση ταυτοχρόνων παρατηρήσεων στους τέσσερις δορυφόρους οδηγεί σε μία πλεονάζουσα παρατήρηση και βελτιώνει την αξιοπιστία του υπολογιζόμενου δυσδιάστατου στίγματος. Εκτός από τη δυνατότητα εντοπισμού θέσης, που παρέχεται από το σύστημα, το STARFIX επιτρέπει επίσης τη μετάδοση αλφαριθμητικών μηνυμάτων (μέχρι 80 χαρακτήρες ανά μήνυμα) προς στους χρήστες. Η ιδιότητα αυτή έχει οδηγήσει σήμερα στη συνδυασμένη δοκιμαστική χρήση του STARFIX και του GPS, για τη μετάδοση διαφορικών διορθώσεων GPS, γεγονός που προσφέρει μεγάλα πλεονεκτήματα για εφαρμογές διαφορικού GPS σε ολόκληρη την Βόρεια Αμερική. Αν και σήμερα οι εφαρμογές του συνδυασμού STARFIX/GPS έχουν περιοριστεί, προς το παρόν κυρίως, σε θαλάσσιες εφαρμογές, υφίστανται οι προϋποθέσεις για την ευρύτερη περαιτέρω εφαρμογή του συνδυασμένου συστήματος στην αεροπλοΐα, δεδομένου ότι στο άμεσο μέλλον οι νέοι δέκτες STARFIX/GPS αναμένεται να χρησιμοποιούν αντένες απεριορίστου ορίζοντα (σε αντίθεση με τις πρώτες αντένες STARFIX, που ήταν κατευθυνόμενου τύπου) ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΔΙΑΦΟΡΙΚΟΥ GPS Οι μετρήσεις GPS περιέχουν διάφορα σφάλματα που οφείλονται σε εξωγενείς ή ενδογενείς επιδράσεις και οποιουσδήποτε άλλους παράγοντες (όπως της μέχρι πρότινος εσκεμμένης υποβάθμισης της ακρίβειας των σημάτων GPS με τη λειτουργία της Επιλεκτικής Διαθεσιμότητας (Selective Availability). Για την βελτίωση της απόδοσης, της ακρίβειας και της αξιοπιστίας των αποτελεσμάτων εντοπισμού από την εκάστοτε χρήση του συστήματος επινοήθηκε η τεχνική της Διαφορικής Λειτουργίας GPS ή το Διαφορικό GPS (Differential GPS, DGPS) που ουσιαστικά βασίζεται στην σχεδόν εξ ολοκλήρου απαλοιφή των σημαντικών σφαλμάτων των μετρήσεων GPS απλά ως αποτέλεσμα της μέτρησης των εν λόγω σφαλμάτων από γνωστούς σταθμούς αναφοράς και τη μετάδοση καταλλήλων διορθώσεων προς τους χρήστες που χρησιμοποιούν το GPS στην περιοχή εμβέλειας κάθε τέτοιου σταθμού. Όπως έχει επιβεβαιωθεί στη πράξη, με εξαίρεση τα σφάλματα των πολλαπλών διαδρομών του σήματος GPS και τις τυχόν τεχνικές ανεπάρκειες των εκάστοτε δεκτών GPS, οι παράγοντες που έχουν επιπτώσεις στη ακρίβεια του αυτόνομού προσδιορισμού της θέσης ενός χρήστη είναι κοινοί σε μια περιοχή που μπορεί να καλύπτει μέχρι και μερικές χιλιάδες τετραγωνικά χιλιόμετρα. Όλοι οι χρήστες GPS σε μια περιοχή έχουν τη δυνατότητα να παρατηρούν τους ίδιους δορυφόρους των οποίων τα σήματα περνούν μέσα από τα ίδια σχεδόν στρώματα της ατμόσφαιρας υφιστάμενα σχεδόν τις 5 - ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΠΛΟΗΓΗΣΗΣ 12

13 ίδιες επιδράσεις. Με την τοποθέτηση ενός δέκτη GPS σε ένα σημείο με γνωστές συντεταγμένες, είναι σχετικά απλό να προσδιοριστεί η έκταση των οποιωνδήποτε σφαλμάτων στα δορυφορικά σήματα. Τυπικά η θέση ενός τέτοιου δέκτη αναφοράς, ή όπως συνήθως αποκαλείται Σταθμού Αναφοράς (Reference Station), υπολογίζεται από ανεξάρτητες γεωδαιτικές μετρήσεις με ακρίβεια μερικών χιλιοστών. Γνωρίζοντας τη θέση του, ο Σταθμός Αναφοράς μπορεί να συγκρίνει τον χρόνο που λαμβάνεται κάθε σήμα GPS, με τον χρόνο που υπολογίζει ότι το σήμα χρειάζεται για να διανύσει την απόσταση μέχρι τον δέκτη από τον εκάστοτε δορυφόρο GPS. Αυτές οι χρονικές αποκλίσεις ή οι διαφορές μεταξύ της υπολογισμένης θέσης και της αληθινής θέσης είναι οι διορθώσεις που παρέχονται σε άλλους ακίνητους ή κινούμενους χρήστες του GPS στη περιοχή των σταθμών - ως εκ τούτου και η ονομασία Διαφορικό GPS. Οι διορθώσεις λαμβάνονται από τον χρήστη και επιβάλλονται στο στίγμα, που εκείνος προσδιορίζει με τις δικές του παρατηρήσεις GPS. Η ακρίβεια του εντοπισμού της θέσης του, με τη τεχνική αυτή, εξαρτάται από το είδος των μετρήσεων GPS, πόσο συχνά υπολογίζονται οι διαφορικές διορθώσεις GPS, καθώς και από την απόσταση του χρησιμοποιούμενου σταθμού DGPS και του χρήστη. Για την εφαρμογή αυτής της τεχνικής, απαιτείται συνεχής τηλεπικοινωνία μεταξύ των σταθμών DGPS με τους χρήστες των διαφορικών διορθώσεων. Η φύση αυτής της σύνδεσης ποικίλει σύμφωνα με την υπηρεσία DGPS που χρησιμοποιείται (π.χ. από εμπορικούς προμηθευτές ή κρατικούς φορείς) και μπορεί να περιλάβει ραδιοσήματα από επίγειους μεταδότες ή δορυφορικές ζεύξεις επικοινωνίας. Τα προβλήματα που συνδέονται με επίγειους μεταδότες είναι χαρακτηριστικά των ιδιοτήτων των ραδιοσυχνοτήτων (π.χ. VHF, UHF, HF, κλπ.) που χρησιμοποιούνται. Στις συχνότητες αυτές, τα ραδιοσήματα είναι πιο ευαίσθητα στους ηλεκτρομαγνητικούς θορύβους και τις καιρικές συνθήκες, την ατμοσφαιρική διαστρέβλωση, παρεμβολές και άλλα εμπόδια στη διέλευση του σήματος ώστε η μετάδοση τους να περιορίζεται σε μια συγκεκριμένη περιοχή εμβέλειας γύρω από τον εκάστοτε σταθμό αναφοράς. Αντίθετα, διαφορικές διορθώσεις που εκπέμπονται από γεωστατικούς δορυφόρους μπορούν να παραληφθούν από τους χρήστες οπουδήποτε μέσα σε μια μεγάλη περιοχή στην επιφάνεια της Γης και με σχετικά απλό εξοπλισμό. Οι διορθώσεις διαβιβάζονται στους χρήστες συνήθως σε μια μορφή γνωστή ως πρωτόκολλο RTCM SC-104, ένα συμφωνημένο σε διεθνές επίπεδο πρότυπο ανταλλαγής δεδομένων DGPS που επιτρέπει σε οποιοδήποτε δέκτη GPS ικανό για διαφορική λειτουργία GPS, να λαμβάνει και να εφαρμόζει τις διαφορικές διορθώσεις. Η Διεθνής Ένωση Αρχών για τη λειτουργία των Φάρων (International Association of Lighthouse Authorities, IALA) έχει καθιερώσει επίσης ένα δικό της πρωτόκολλο για τη μετάδοση διαφορικών διορθώσεων GPS από το διεθνές δίκτυο ραδιοφάρων ΣΥΣΤΗΜΑ OMNISTAR Το OMNISTAR είναι ένα σύστημα διαφορικού GPS ευρείας κάλυψης που σχεδιάστηκε με τους ακόλουθους στόχους: (1) να προσφέρει παγκόσμια ηπειρωτική κάλυψη (2) ακρίβεια καλύτερη από ±1 m σε ολόκληρη την περιοχή κάλυψης του συστήματος και (3) τη δυνατότητα χρήσης φορητών μονάδων. Ο πρώτος στόχος υπαγόρευε ότι το σύστημα μετάδοσης έπρεπε να είναι από αναμεταδότες σε γεωστατικούς δορυφόρους. Σήμερα για τη μετάδοση των διαφορικών διορθώσεων χρησιμοποιούνται οι γεωστατικοί δορυφόροι AMSC, AMSAT, EMS, APSAT και OPTUS, καθώς και ο δορυφόρος EASAT ως back-up. Το δίκτυο των σταθμών αναφοράς OmniSTAR αποτελείται σήμερα από 86 σταθμούς σε όλο τον κόσμο, ώστε το σύστημα καλύπτει πάνω από 90% της επιφάνειας της Γης, ενώ νέοι σταθμοί αναφοράς ιδρύονται συνεχώς με σκοπό την πλήρη παγκόσμια κάλυψη. Οι σταθμοί είναι εξοπλισμένοι με σύγχρονου τύπου, χαμηλού θορύβου, με 12 κανάλια δέκτες διαφορικού GPS. 5 - ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΠΛΟΗΓΗΣΗΣ 13

14 Το OmniSTAR χρησιμοποιεί το δίκτυο των σταθμών αναφοράς για τον υπολογισμό διαφορικών διορθώσεων για την μείωση των σφαλμάτων της ιονόσφαιρας, της τροπόσφαιρας και άλλων ενδογενών σφαλμάτων στις μετρήσεις GPS. Οι υπολογισμένες διαφορικές διορθώσεις από τους σταθμούς αναφοράς διαβιβάζονται σε τρία Κέντρα Ελέγχου, στρατηγικά τοποθετημένα στις ΗΠΑ, Ευρώπη και Αυστραλία, όπου ελέγχονται για την ακεραιότητα και την αξιοπιστία τους, συμπιέζονται σε ένα πακέτο δεδομένων και μεταδίδονται στους δορυφορικούς αναμεταδότες. Εκείνοι με τη σειρά τους εκπέμπουν τα εν λόγω στοιχεία, περίπου κάθε 2-3 sec, στις περιοχές εμβέλειας τους, σε κατάλληλα εξοπλισμένους με δέκτες OmniSTAR χρήστες του GPS. Τα κέντρα ελέγχου παρέχουν τις αναγκαίες λειτουργίες διαχείρισης, εντολών και ελέγχου, συγκεντρώνουν τα στοιχεία από τα επιμέρους δίκτυα των σταθμών αναφοράς και εφαρμόζουν εκτενείς ελέγχους διασφάλισης ποιότητας προτού διαβιβάζουν τις διαφορικές διορθώσεις GPS προς τους χρήστες μέσω των γεωστατικών δορυφόρων. Η συνεχής επικοινωνία των κέντρων ελέγχου με τους σταθμούς αναφοράς γίνεται μέσω αποκλειστικών γραμμών ταχείας μεταγωγής δεδομένων, έτσι ώστε παρέχεται η δυνατότητα ελέγχου της εύρυθμης λειτουργίας και της ακεραιότητας των δεδομένων του συστήματος σε 24ωρη βάση. Η παραπάνω λειτουργίες επιτελούνται με τρόπο που εξασφαλίζεται ότι οι διαφορικές διορθώσεις που παράγονται από τις μετρήσεις των σταθμών αναφοράς, είναι άμεσα διαθέσιμες στους διαφορικούς δέκτες GPS που χρησιμοποιούν οι χρήστες του OmniSTAR. Οι διαφορικές διορθώσεις GPS παραλαμβάνονται από ειδικούς δέκτες OmniSTAR με μια αντένα L-band παντός ορίζοντα (omni directional antenna). Το λαμβανόμενο σήμα αποδιαμορφώνεται και περνά σε έναν επεξεργαστή που διαμορφώνει τις διορθώσεις σε κατάλληλη μορφή για την άμεση χρήση τους είτε σε έναν εσωτερικό είτε σε ένα εξωτερικό δέκτη GPS ικανό για διαφορική λειτουργία. Ο παραπάνω τρόπος επεξεργασίας εξαρτάται από τον τύπο του δέκτη OmniSTAR που χρησιμοποιείται. Οι πρωτογενείς διαφορικές διορθώσεις μεταδίδονται σε μορφή που είναι συμβατή με το διεθνώς αποδεκτό πρότυπο RTCM - SC-104, έκδοση 2, για την άμεση εφαρμογή τους από κοινούς διαφορικούς δέκτες GPS. Εναλλακτικά, είναι δυνατή η μετατροπή τους σε μορφή συμβατή με το διεθνώς αποδεκτό πρωτόκολλο NMEA 0183, για τη χρήση τους από δέκτες OmniSTAR που περιέχουν μια εσωτερική μηχανή-δέκτη GPS. Οι διαφορικές διορθώσεις GPS βελτιστοποιούνται αυτόματα στο κάθε δέκτη OmniSTAR για τη θέση του εκάστοτε χρήστη. Αυτό επιτυγχάνεται σταθμίζοντας τις διαφορικές διορθώσεις από τους διαφορετικούς σταθμούς αναφοράς χρησιμοποιώντας σαν βάρος την αντίστροφη τιμή της απόσταση του χρήστη από τους αντίστοιχους σταθμούς αναφοράς. Η μεθοδολογία αυτή είναι παρόμοια με εκείνη των εικονικών σταθμών αναφοράς VRS του συστήματος LandStar και διασφαλίζει ομοιόμορφη ακρίβεια σε όλη την περιοχή κάλυψης του συστήματος, άσχετα από την απόσταση του εκάστοτε χρήστη από τους σταθμούς αναφοράς. 5 - ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΠΛΟΗΓΗΣΗΣ 14

15 5.10 ΣΥΣΤΗΜΑ LANDSTAR Με μια σειρά σταθμών αναφοράς που λειτουργούν σε 24ωρη βάση σε όλο τον κόσμο το σύστημα LandStar αντιπροσωπεύει το πιο εκτενές δίκτυο διαφορικού GPS ευρείας κάλυψης που λειτουργεί σήμερα στην Ευρώπη, τη Βόρεια και Νότια Αμερική, την Μέση Ανατολή, την Αφρική, την Ασία στις περιοχές του Ειρηνικού και την Αυστραλία. Το σύστημα χρησιμοποιεί δορυφορικές συχνότητες L-Band για τη μετάδοση διαφορικών διορθώσεων στους χρήστες GPS προσφέροντας σημαντικά οφέλη από την άποψη της κάλυψης, της αξιοπιστίας και της διαθεσιμότητας. Όπως χαρακτηρίζει και η ονομασία του, στοχεύει στις χερσαίες εφαρμογές και ιδιαίτερα τους χρήστες στον γεωργικό τομέα. Χρησιμοποιείται συχνά ως το κυρίως υποσύστημα εντοπισμού στίγματος στα Συστήματα Ακριβούς Καλλιέργειας (Precision Farming Systems) και οι δέκτες LandStar συμπεριλαμβάνονται σε διάφορα προϊόντα κατασκευαστών αγροτικού εξοπλισμού. Η λειτουργία του συστήματος βασίζεται σε μια τεχνική γνωστής ως Ιδεατοί ή Εικονικοί Σταθμοί Αναφοράς (Virtual Reference Stations,VRS). Σε κάθε περιοχή ευρείας κάλυψης από το σύστημα LandStar δημιουργείται ένα δίκτυο εικονικών σταθμών αναφοράς κατά ένα τρόπο παρόμοιο με τις κυψέλες των δικτύων της κινητής τηλεφωνίας. Κάθε σταθμός VRS βρίσκεται στο κέντρο μιας κυψέλης έτσι ώστε να εξασφαλίζεται ότι ο εκάστοτε χρήστης δεν απέχει τυπικά περισσότερο από 400 km από ένα σταθμό VRS. Με τον τρόπο αυτό ο δέκτης του εκάστοτε χρήστη χρησιμοποιεί αυτόματα τις διορθώσεις από τον πλησιέστερο εικονικό σταθμό VRS. Αυτό εξασφαλίζει ότι παρέχεται στον χρήστη μια ομοιόμορφη και υψηλή ακρίβεια. Στα Κέντρα Ελέγχου η επεξεργασία και ο υπολογισμός των διαφορικών διορθώσεων για μια περιοχή ευρείας κάλυψης (π.χ. Βόρεια Αμερική) εστιάζεται στη μοντελοποίηση διαφόρων σφαλμάτων του GPS που εξαρτώνται από διαφόρους παράγοντες για τη συγκεκριμένης περιοχής (π.χ. γεωμετρία των δορυφόρων GPS, ατμοσφαιρικές συνθήκες κλπ.). Αυτό οδηγεί σε ένα σύνολο παραμέτρων των πολυσύνθετων μοντέλων (π.χ. ατμοσφαιρικές επιδράσεις, τροχιακά σφάλματα, κ.ά.) που χρησιμοποιούνται για να υπολογισθούν οι διαφορικές διορθώσεις για τις προκαθορισμένες θέσεις των εικονικών σταθμών. Τα Κέντρα Ελέγχου αποτελούν την καρδιά του συστήματος LandStar, δεδομένου ότι παρέχουν 24ωρο έλεγχο μέσω εκτενών διαδικασιών ποιοτικού ελέγχου για να εξασφαλίσουν συνολική αξιόπιστη απόδοση του συστήματος. Οι διορθώσεις μεταδίδονται σε γεωστατικούς δορυφόρους που με τη σειρά τους τις διαβιβάζουν, μέσω ενός σήματος στη συχνότητα L-Band, προς τους χρήστες, οι οποίοι είναι κατάλληλα εξοπλισμένοι με μια αντένα παντός ορίζοντα συνδεμένη με ένα ελαφρό δέκτη LandStar. Oι διορθώσεις μεταδίδονται στη μορφή του διεθνούς προτύπου RTCM SC-104 εξασφαλίζοντας έτσι συμβατότητα με σχεδόν όλους τους εμπορικά διαθέσιμους δέκτες διαφορικού GPS. Εκτός από την παραπάνω διαδικασία χρήσης διαφορικών διορθώσεων που αναφέρονται στις προκαθορισμένες θέσεις των εικονικών σταθμών VRS, υπάρχει επίσης η δυνατότητα υπολογισμού ενεργών διαφορικών διορθώσεων για κάθε χρήστη. Σε αυτή την περίπτωση, οι λαμβανόμενες διαφορικές διορθώσεις 5 - ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΠΛΟΗΓΗΣΗΣ 15

16 βελτιστοποιούνται, στο δέκτη LandStar, για την πραγματική θέση του χρήστη κάνοντας χρήση του στίγματος που υπολογίζει ο χρήστης από τις δικές του μετρήσεις GPS μαζί με τις παραμέτρους των διορθωτικών μοντέλων, οι οποίες μεταδίδονται μέσω των σημάτων του LandStar. Σχετικές δοκιμές σε περιοχές όπου οι μετρήσεις GPS έγιναν κάτω από συνθήκες μειωμένης ορατότητας των δορυφόρων (π.χ. κάτω από το φύλλωμα δένδρων) έδειξαν ότι η διαθεσιμότητα του LandStar είναι στα επίπεδα 84 με 89% ανάλογα με τις εκάστοτε εποχικές συνθήκες, ενώ οι εφικτές ακρίβειες είναι της τάξης ±1 m ή και καλύτερες ΠΟΛΙΤΙΚΟ ΠΑΓΚΟΣΜΙΟ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ (GNSS) Όσο τα δορυφορικά συστήματα GPS και GLONASS εξελίσσονται, οι διεθνείς υπηρεσίες Πολιτικής Αεροπορίας καθώς και οι χρήστες των διαφόρων συστημάτων πλοήγησης έχουν ξεκινήσει βασικές ενέργειες συντονισμού, που αφορούν τη διεθνή συνεργασία και τον έλεγχο των δορυφορικών συστημάτων. Οι ενέργειες αυτές αποσκοπούν επίσης να καθησυχάσουν τις κατά καιρούς εκφραζόμενες επιφυλάξεις για την ουσιαστικά πλήρη εξάρτηση της λειτουργίας των συστημάτων αυτών από τις στρατιωτικές υπηρεσίες των Η.Π.Α. και της πρώην Σοβιετικής Ένωσης. Ιδιαίτερη ανησυχία φαίνεται να υπάρχει στην Ευρώπη, δεδομένου ότι η σχεδόν μονοπωλιακή χρήση των συστημάτων GPS και GLONASS σαν διεθνή συστήματα πλοήγησης σε παγκόσμια κλίμακα, με τη σταδιακή κατάργηση των επιγείων ραδιοβοηθημάτων (π.χ., τα συστήματα LORAN, OMEGA, κ.ά.), θα μπορούσαν να αποτελέσουν ισχυρό μοχλό πολιτικής πίεσης. Κάτω από αυτές τις συνθήκες, το καλοκαίρι του 1993, μία μικτή επιτροπή των αμερικανικών Υπουργείων Άμυνας και Μεταφορών, μετά από μελέτες των αναγκών των χρηστών της Πολιτικής Αεροπορίας και λαμβάνοντας παράλληλα υπόψη τα συμφέροντα της εθνικής ασφάλειας των Η.Π.Α., αποφάσισαν την ενεργό συμμετοχή των οργανισμών της Πολιτικής Αεροπορίας στη διαχείριση και λειτουργία του GPS. Η συμφωνία αυτή αποτελεί ένα βασικό συμβιβαστικό βήμα για την ικανοποίηση των αναγκών του αμερικανικού Πενταγώνου, το οποίο ανέπτυξε και στηρίζει οικονομικά τη λειτουργία του GPS, και των αναγκών της παγκοσμίας πολιτικής αεροπορικής κοινότητας και των άλλων χρηστών του συστήματος, για διάφορες άλλες εφαρμογές (π.χ. στη ναυτιλία), οι οποίοι έτσι θα εξακολουθούν να έχουν ελεύθερη πρόσβαση στο GPS. Για τους μη στρατιωτικούς χρήστες του GPS, η διαχείριση της λειτουργίας του διαφορικού GPS θα γίνεται μέσω ενός διεθνούς οργανισμού (π.χ., INTELSAT, INMARSAT, κ.ά.). Παράλληλες ενέργειες στην Ευρώπη, ιδιαίτερα στη Σουηδία, Νορβηγία και Αγγλία, έχουν οδηγήσει σε παρόμοιες πρωτοβουλίες για τη σταδιακή καθιέρωση του GPS, τόσο στην εναέρια κυκλοφορία, όσο και στις προσεγγίσεις ακριβείας των αεροσκαφών προς τα αεροδρόμια. Ήδη η Σουηδική Υπηρεσία Πολιτικής Αεροπορίας (SCAA) αναπτύσσει ένα τέτοιο σύστημα επικοινωνιών πλοήγησης, επιτήρησης και διαχείρισης της εναέριας κυκλοφορίας, το οποίο μελλοντικά θα αντικαταστήσει ή θα αναβαθμίσει τα συμβατικά συστήματα εναέριας κυκλοφορίας τα βασισμένα στα ραντάρ. Παρόμοια συστήματα θα αποτελέσουν τη βάση ενός πολιτικού Παγκοσμίου Δορυφορικό Σύστημα (Εντοπισμού και) Πλοήγησης (Global Navigation Satellite System, GNSS), το οποίο ήδη μελετάται τελευταία από τη αμερικανική υπηρεσία FAA και το Παγκόσμιο Οργανισμό Πολιτικής Αεροπορίας (International Civil Aviation Organization, ICAO). Η λειτουργία του GNSS θα βασίζεται στην συνδυασμένη και αλληλοβοηθούμενη χρήση των σημάτων από τους δορυφόρους GPS και GLONASS, ενώ, για την εκπομπή διορθώσεων διαφορικού GPS/GLONASS ευρείας κάλυψης προς τα αεροσκάφη ή τα πλοία, θα γίνεται χρήση των τηλεπικοινωνιακών δορυφόρων όπως το σύστημα INMARSAT ή μελλοντικά άλλων συστημάτων (π.χ., μικρόή μίνι-) τηλεπικοινωνιακών δορυφόρων σε 5 - ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΠΛΟΗΓΗΣΗΣ 16

17 γεωστατικές (Geostationary Earth Orbit, GEO) ή άλλες χαμηλές (Low Earth Orbit, LEO) και μεσαίου ύψους (Medium Earth Orbit, MEO) τροχιές. Στις εφαρμογές της Πολιτικής Αεροπορίας, σαν ενδιάμεσο στάδιο, προβλέπεται ότι θα χρησιμοποιηθούν διάφορα τροποποιημένα υπάρχοντα συστήματα, που θα συνδυάζουν τις λειτουργίες όπως των ILS, MLS, VOR και GPS (ή GLONASS) και θα χρησιμοποιούν, όσον είναι τεχνικά δυνατόν, τις ήδη υπάρχουσες στα αεροδρόμια ζεύξεις μεταγωγής δεδομένων για τη διαβίβαση διορθώσεων DGPS προς τα προσεγγίζοντα για προσγείωση αεροσκάφη. Αντίστοιχα, στις εφαρμογές της ναυτιλίας, σαν ενδιάμεσο στάδιο, προβλέπεται ότι θα χρησιμοποιηθούν διάφορα τροποποιημένα υπάρχοντα συστήματα, όπως οι ραδιόφαροι (radiobeacons), που θα χρησιμοποιούν τις συχνότητες VHF, UHF, MF ή HF για την εκπομπή διορθώσεων DGPS τοπικής κάλυψης ΣΥΝΘΕΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ GPS ΚΑΙ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ Η υλοποίηση του συστήματος GNSS βασίζεται στη διασύνδεση ολοκληρωμένων συστημάτων GPS και τηλεπικοινωνιών (GPS Overlays ή GPS Augmentation Systems), τα οποία εφαρμόζουν την τεχνική του DGPS σε δύο βασικές ενισχυμένες μορφές: (α) τη διαφορική λειτουργία τοπικής κάλυψης (Local Area DGPS) και (β) τη διαφορική λειτουργία ευρείας κάλυψης (Wide Area DGPS, WADGPS). Στα συστήματα DGPS τοπικής κάλυψης (Local Area Augmentation System, LAAS), οι διαφορικές διορθώσεις GPS, εκπέμπονται προς τα αεροσκάφη, πλοία ή άλλους χρήστες μέσω τηλεπικοινωνιακών ζεύξεων τοπικής ή περιφερειακής εμβέλειας (π.χ., σε ραδιοσυχνότητες VHF, UHF, HF, κλπ). Αντίστοιχα, στα συστήματα DGPS ευρείας κάλυψης (Wide Area Augmentation System, WAAS), οι διαφορικές διορθώσεις των σφαλμάτων GPS εκπέμπονται προς τους χρήστες, μέσω τηλεπικοινωνιακών ζεύξεων μεγάλης εμβέλειας (π.χ., μέσω γεωστατικών δορυφόρων). Σε σχέση με την αυτόνομη λειτουργία του GPS ή τα συμβατικά επίγεια συστήματα DGPS, τα παραπάνω ενισχυμένα συστήματα GPS χαρακτηρίζονται από τρεις βασικούς παράγοντες βελτιωμένης λειτουργίας: Υψηλότερη Ακρίβεια σαν αποτέλεσμα της εξάλειψης των επιπτώσεων οποιασδήποτε εσκεμμένης υποβάθμισης και των ατμοσφαιρικών ή άλλων επιδράσεων στα σήματα GPS. Αυξημένη διαθεσιμότητα κάτω από ορισμένους όρους. Στη περίπτωση της αυτόνομης λειτουργίας GPS, η παρεχόμενη ακρίβεια του συστήματος είναι εγγυημένη μόνο 95% του χρόνου. Αυτό οφείλεται στη συνεχώς μεταβαλλόμενη γεωμετρία των δορυφόρων που δημιουργεί συγκεκριμένες περιοχές κάλυψης και περιόδους όπου η διάταξη των δορυφόρων στο χώρο είναι ανεπαρκής για να υπολογιστεί με ακρίβεια το στίγμα ενός χρήστη. Πολλές εφαρμογές, όπως εκείνες της αεροπλοΐας, απαιτούν πολύ υψηλότερη διαθεσιμότητα (π.χ %), που είναι δυνατή μόνο με την χρήση επιπλέον δορυφορικών σημάτων, από πρόσθετους επίγειους μεταδότες πανομοιότυπων σημάτων GPS (τα λεγόμενα GPS pseudolites) ή πρόσθετους (π.χ. γεωστατικούς) δορυφόρους πέρα από το υπάρχον δίκτυο των δορυφόρων GPS. Αυξημένη ακεραιότητα, δηλαδή βελτιωμένο χρόνο αντίδρασης όταν παρατηρείται ένα σφάλμα ή ένα πρόβλημα στο δορυφορικό σύστημα GPS ή όταν ειδοποιούνται οι χρήστες για κάποιο πρόβλημα. Με την παρούσα γενιά των 5 - ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΠΛΟΗΓΗΣΗΣ 17

18 δορυφόρων GPS, οι χρήστες μπορούν να ειδοποιηθούν για τυχόν προβλήματα του συστήματος από τις πληροφορίες υγείας των δορυφόρων που περιλαμβάνονται στις εκπεμπόμενες τροχιακές εφημερίδες. Ωστόσο η διαβίβαση τέτοιων πληροφοριών στους δορυφόρους από τους Σταθμούς Ελέγχου μπορεί να πάρει μέχρι και μερικές ώρες. Στις μελλοντικές σειρές δορυφόρων GPS προβλέπεται ότι η δυνατότητα άμεσης επικοινωνίας μεταξύ των δορυφόρων θα μειώσει το χρόνο έγκαιρης ανανέωσης των πληροφοριών υγείας των δορυφόρων σε μερικά λεπτά ή ακόμα και δευτερόλεπτα. Ωστόσο, πολλές εφαρμογές, όπως εκείνες της αεροπλοΐας, απαιτούν ο χρόνος συναγερμού να μην υπερβαίνει 6-10 sec, κάτι που μπορεί να επιτευχθεί σε σχεδόν πραγματικό χρόνο μόνο από ενισχυμένα συστήματα Διαφορικού GPS. Η διαδικασία ελέγχου της αξιοπιστίας της πληροφορίας, που παρέχεται από τους δορυφόρους GPS, μέσω των διαφορικών διορθώσεων που εκπέμπονται από επίγειους σταθμούς, είναι γνωστή σαν Επιτήρηση της Αξιοπιστίας GPS (GPS Integrity Monitoring, GIC). Εναλλακτικά, για μελλοντικές εφαρμογές, ιδιαίτερα για τη πολιτική αεροπορία, μελετάται μία άλλου τύπου παρόμοια διαδικασία, γνωστή σαν Αυτόνομη Επιτήρηση της Αξιοπιστίας GPS (Receiver Autonomous Integrity Monitoring, RAIM). Η διαδικασία RAIM δεν εξαρτάται από τη λήψη πληροφορίας από επίγειους σταθμούς, αλλά στηρίζεται στην ικανότητα ειδικών δεκτών GPS, οι οποίοι θα μπορούν να παρακολουθούν και να επεξεργάζονται ταυτόχρονα τα σήματα τουλάχιστον έξι δορυφόρων GPS, αντί για τους συνηθισμένους τέσσερις, επιτρέποντας έτσι την ανίχνευση τυχόν εσφαλμένων σημάτων από κάποιο δορυφόρο GPS ΔΙΑΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΥΡΕΙΑΣ ΚΑΛΥΨΗΣ (WAAS) Στα πλαίσια υλοποίησης του συστήματος GNSS, τα τελευταία χρόνια έχει υπάρξει μια διαδεδομένη αύξηση ανεξάρτητων προσπαθειών ανάπτυξης δορυφορικά ενισχυμένων συστημάτων GPS (Satellite-based Augmentation Systems, SBAS) που αποσκοπούν στη παροχή υπηρεσιών DGPS ευρείας κάλυψης, πρωτίστως για τη βελτίωση των διαδικασιών υψηλής ακρίβειας στις πτήσεις και την προσγείωση επιβατικών αεροσκαφών, αλλά και άλλων σημαντικών εφαρμογών εντοπισμού θέσης, όπως στους τομείς της ναυσιπλοΐας, την μετακίνηση τραίνων, στόλων οχημάτων, κ.ά. εκπέμπονται διαφορικές διορθώσεις υψηλής ακρίβειας, μέσω γεωστατικών δορυφόρων τηλεπικοινωνίας, προς διάφορους χρήστες εξοπλισμένους με ειδικούς δέκτες GPS. Επιπλέον, οι τηλεπικοινωνιακοί δορυφόροι ενεργούν επίσης ως πρόσθετοι δορυφόροι εντοπισμού και πλοήγησης παρέχοντας έτσι αυξημένη διαθεσιμότητα, αξιοπιστία και έλεγχο της ακεραιότητας λειτουργίας του συστήματος GPS. Γενικά, τα Συστήματα διαφορικού GPS ευρείας κάλυψης (Wide Area GPS Augmentation Systems, WAAS) αποτελούνται από ένα δίκτυο ειδικών σταθμών αναφοράς (Wide-area Reference Stations, WRS) που παρακολουθούν συνεχώς τους δορυφόρους GPS. Οι μετρήσεις τους συνδυάζονται σε ένα Κέντρο Ελέγχου, όπου υπολογίζονται διάφορα μοντέλα (αλγόριθμοι διορθώσεων), που εκφράζουν τις καλύτερες δυνατόν διαφορικές διορθώσεις για ολόκληρη την περιοχή κάλυψης των σταθμών. Από τα μοντέλα αυτά υπολογίζονται και Ήδη από το 1999, η Ομοσπονδιακή Διεύθυνση Πολιτικής Αεροπορίας των ΗΠΑ (το γνωστό FAA, Federal Aviation Administration) λειτουργεί ένα τέτοιο σύστημα ευρείας κάλυψης WAAS που είναι σήμερα διαθέσιμο για πολιτική χρήση 5 - ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΠΛΟΗΓΗΣΗΣ 18

19 προσφέροντας εκτεταμένη κάλυψη, στην ενδοχώρα και τις παράκτιες περιοχές των ΗΠΑ, σε σύγκριση με χερσαία συμβατικά συστήματα διαφορικού GPS (π.χ. που λειτουργεί η αμερικανική ακτοφυλακή). Το αμερικανικό σύστημα WAAS πρόκειται να επεκταθεί στον Καναδά, την Ισλανδία, το Μεξικό και τον Παναμά, ενώ παρόμοια συστήματα βρίσκονται σε ανάπτυξη στην Ευρώπη με τα συστήματα EGNOS (European Global Navigation Overlay System) και GALILEO, στην Ιαπωνία με το σύστημα MSAS (Multifunctional Transport Satellite-based Augmentation System) και στην Κίνα με το σύστημα SNAS (Satellite Navigation Augmentation System). Όπως είναι φυσικό ένας από τα πλέον κρίσιμους παράγοντες στην παραπάνω προσπάθεια είναι η διαλειτουργικότητα (inter-operability) αυτών των ανεξάρτητα αναπτυσσομένων συστημάτων, έτσι ώστε ο εκάστοτε χρήστης που μετακινείται από την περιοχή κάλυψης ενός συγκεκριμένου συστήματος (π.χ. του αμερικανικού WAAS) στην περιοχή κάλυψης ενός άλλου συστήματος (π.χ. του ευρωπαϊκού συστήματος EGNOS) να μην αντιμετωπίζει οποιαδήποτε προβλήματα, ως προς τη παρεχόμενη ακρίβεια, κάλυψη ή ακεραιότητα της λειτουργίας του συστήματος που χρησιμοποιεί κάθε φορά. αεροπλοΐας. Ως εκ τούτου, σαν ένα βασικό κοινό χαρακτηριστικό των συστημάτων WAAS έχει αποφασισθεί, η διαβίβαση του σήματος από τους γεωστατικούς δορυφόρων προς στους χρήστες GPS, να γίνεται στη συχνότητα L 1 που χρησιμοποιείται και από τους δορυφόρους GPS, καθώς και με παρόμοιους κώδικες ψευδοτυχαίων θορύβων για τη μετάδοση διορθωτικών μηνυμάτων. Στο εγγύς μέλλον η συγχώνευση αυτών των συστημάτων, ακολουθώντας κοινώς αποδεκτά διεθνή πρότυπα διαλειτουργικότητας, θα δημιουργήσει μια ομοιόμορφη ικανότητα εντοπισμού και πλοήγησης παρόμοια με το GPS, αλλά με μεγαλύτερη ακρίβεια, διαθεσιμότητα και ακεραιότητα σε παγκόσμιο επίπεδο. Ειδικά για τις εφαρμογές της Πολιτικής Αεροπορίας αναμένονται ουσιαστικά οφέλη, όπως: μεγαλύτερη ικανότητα στη χρήση των διαδρόμων προσγείωσης-απογείωσης, μειωμένες αποστάσεις διαχωρισμού των αεροσκαφών που θα επιτρέπουν αυξανόμενη ικανότητα σε έναν δεδομένο εναέριο χώρο χωρίς αυξανόμενο κίνδυνο, αμεσότερες διαδρομές πτήσης, νέες υπηρεσίες προσεγγίσεων ακρίβειας, μειωμένους και απλουστευμένους εξοπλισμούς στα αεροσκάφη, και σημαντική μείωση του κόστους λόγω της εξάλειψης των δαπανών συντήρησης που συνδέονται με τις παλαιότερες επίγειες υποδομές των προγενέστερων συστημάτων 5.14 ΔΙΑΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΤΟΠΙΚΗΣ ΚΑΛΥΨΗΣ (LAAS) Τα συστήματα διαφορικού GPS τοπικής κάλυψης (Local Area Augmentation Systems, LAAS) προορίζονται να συμπληρώσουν τη λειτουργία των συστημάτων ευρείας κάλυψης WAAS, ώστε να εκπληρώσουν όλες τις υψηλές απαιτήσεις ακρίβειας, διαθεσιμότητας και ακεραιότητας των διαδικασιών πλοήγησης για όλες τις φάσεις των πτήσεων των αεροσκαφών. Τυπικά, οι χρήστες των συστημάτων WAAS και LAAS θα χρησιμοποιούν τον ίδιο εξοπλισμό στα αεροσκάφη (ώστε να μειωθεί το κόστος), με μόνη βασική διαφορά της λειτουργίας των συστημάτων LAAS ότι οι διαφορικές διορθώσεις GPS θα μεταδίδονται προς τους χρήστες μέσω ραδιοσημάτων σε πολύ υψηλές συχνότητες (π.χ. VHF). Γενικά, τα συστήματα LAAS σχεδιάζονται ώστε να ικανοποιήσουν κυρίως τις αυστηρότερες απαιτήσεις για τις φάσεις Κατηγορίας II και III των πτήσεων ακριβείας σε συγκεκριμένες περιοχές αυξημένης κίνησης αεροσκαφών. Επιπλέον, τα LAAS θα παρέχουν ραδιοσήματα που θα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για πλοήγηση κάτω από οποιεσδήποτε καιρικές συνθήκες επιτρέποντας την πιθανή χρήση των συστημάτων LAAS ως συστατικό ενός αυτοματοποιημένου συστήματος διαχείρισης και επιτήρησης της κυκλοφορίας 5 - ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΠΛΟΗΓΗΣΗΣ 19

20 αεροσκαφών και οχημάτων στους χώρους ενός αεροδρομίου, συνεισφέροντας έτσι στην ασφάλεια λειτουργίας και την αποφυγή τυχόν ατυχημάτων, ιδιαίτερα κάτω από δύσκολες συνθήκες ορατότητας (π.χ. λόγω ομίχλης, σκότους). ασφάλειας, με τη μείωση των ατυχημάτων στις φάσεις των πτήσεων κατά τη διαδικασία προσέγγισης προς τα αεροδρόμια, καθώς και την επέκταση της παντός καιρού ικανότητας προσεγγίσεων ακριβείας σε μικρότερους αερολιμένες. Τα εν λόγω οφέλη είναι ιδιαίτερα σημαντικά για τις διαδικασίες πτήσεων ελικοπτέρων, ιδιαίτερα σε περιστάσεις όπως η παροχή άμεσων ιατρικών υπηρεσιών (π.χ. επείγουσα διακομιδή ασθενών από νησιά), επιχειρήσεις έρευνας και διάσωσης (π.χ. ναυάγια) ή προσεγγίσεις ακριβείας σε θαλάσσιες εγκαταστάσεις γεώτρησης πετρελαίου. Στη τελική τους μορφή, τα αναπτυσσόμενα συστήματα LAAS προβλέπεται ότι θα επιτρέπουν τον εντοπισμό της θέσης των αεροσκαφών με ακρίβεια καλύτερη από ένα μέτρο, σε πραγματικό χρόνο, γεγονός που αναμένεται να οδηγήσει σε μια σημαντική βελτίωση στην εκτέλεση των πτήσεων, με ανάλογες επιπτώσεις στην ευελιξία των παρεχόμενων υπηρεσιών και τις λειτουργικές δαπάνες των χρηστών. Οι κυρτές διαδρομές κατά τις προσεγγίσεις ακρίβειας, που είναι αδύνατον να εκτελεστούν σήμερα χρησιμοποιώντας τα υπάρχοντα συστήματα προσγείωσης με όργανα, θα είναι δυνατές με τα συστήματα LAAS. Τέτοιες προσεγγίσεις είναι σημαντικές δεδομένου ότι έχουν ως σκοπό να αποφύγουν τυχόν εμπόδια, απαγορευμένες περιοχές του εναέριου χώρου, ευαίσθητες περιοχές θορύβου, ή κορεσμένες περιοχές του εναέριου χώρου. Επιπλέον, θα αποτελέσουν μια χαμηλού κόστους εναλλακτική λύση στις συνήθως πολλαπλάσιες εγκαταστάσεις συστημάτων προσγείωσης με τη βοήθεια οργάνων (Instrument Landing Systems, ILS), ενώ θα διευκολύνουν επίσης τις βελτιώσεις Η εφαρμογή των συστημάτων LAAS αναμένεται να έχει τις ακόλουθες σημαντικές επιπτώσεις: Οι ελεγκτές εναέριας κυκλοφορίας θα είναι σε θέση να παράσχουν βελτιωμένη ικανότητα πλοήγησης στους πελάτες τους (αερομεταφορείς, ιδιωτικά και εμπορικά αεροσκάφη), δεδομένου ότι θα έχουν να παρακολουθούν μόνο τα συστήματα WAAS και LAAS. Η ολοκληρωμένη διασύνδεση GPS/WAAS/LAAS ως κύριο μέσο πλοήγησης θα μειώσει το φόρτο εργασίας στο πιλοτήριο των αεροσκαφών και τον αριθμό απαραίτητων συστημάτων αεροπλοήγησης. Ο αριθμός των συστημάτων αεροπλοήγησης και επιτήρησης της εναέριας κυκλοφορίας θα μειωθεί με την εφαρμογή του LAAS. Ο κύκλος ζωής των συστημάτων LAAS προβλέπεται να είναι είκοσι έτη με την αντικατάσταση του υλικού κάθε πέντε έως επτά έτη, παρέχοντας δυνατότητες ευκολότερης συντήρησης και σημαντικά οφέλη από την μείωση του κόστους λειτουργίας τους ΣΥΣΤΗΜΑ EGNOS (GNSS-1) Το σύστημα EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System) αποτελεί το πρώτο ευρωπαϊκό εγχείρημα στη τεχνολογία των δορυφορικών συστημάτων εντοπισμού του 21 ου αιώνα. Υλοποιείται μέσα από ένα κοινό πρόγραμμα της Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας Διαστήματος (European Space Agency, ESA), της 5 - ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΠΛΟΗΓΗΣΗΣ 20

21 Ευρωπαϊκής Επιτροπής και την Ευρωπαϊκή Οργάνωση για την ασφάλεια της αεροπλοΐας (το γνωστό Eurocontrol) και συνιστά τη συμβολή της Ευρώπης στην πρώτη φάση ανάπτυξης του παγκόσμιου πολιτικού δορυφορικού συστήματος εντοπισμού και πλοήγησης (GNSS-1). είναι σήμερα διαθέσιμη από την αυτόνομη χρήση των εν λόγω συστημάτων. Το σύστημα EGNOS αναμένεται να λειτουργήσει πλήρως μέχρι το Στο μεταξύ, αναπτύσσεται η αναγκαία υποδομή του διαστημικού τμήματος του συστήματος και των σταθμών εδάφους, που συμπεριλαμβάνουν: συστήματος. Αρχικά, το σύστημα EGNOS έχει στόχο να επαυξήσει τις δυνατότητες που παρέχουν σήμερα τα υπάρχοντα δορυφορικά συστήματα GPS και GLONASS, περιλαμβάνοντας ένα μηχανισμό άμεσης προειδοποίησης των χρηστών για τυχόν δυσλειτουργίες (με την έννοια της ακεραιότητας), τον οποίο δεν διαθέτουν πρωτογενώς τα συστήματα GPS και GLONASS. Η παροχή της εν λόγω υπηρεσίας είναι απαραίτητη για διάφορες εφαρμογές, κυρίως από τον τομέα των μεταφορών, όπως στην πλοήγηση των αεροσκαφών ή τη ναυσιπλοΐα μέσω στενών καναλιών, όπου οποιαδήποτε απαρατήρητη λειτουργική ανωμαλία του χρησιμοποιούμενου συστήματος πλοήγησης θα είχε επικίνδυνες επιπτώσεις. Σε δεύτερη φάση, το σχεδιαζόμενο ευρωπαϊκό μέρος του συστήματος GNSS-2 θα βασισθεί σε ένα σχηματισμό νέων δορυφόρων υπό πολιτικό έλεγχο, το σύστημα GALILEO. Αποτελούμενο από τρεις γεωστατικούς δορυφόρους και ένα δίκτυο επίγειων σταθμών, το EGNOS θα παρέχει ραδιοσήματα σε συχνότητες της φασματικής ζώνης L που θα περιέχουν έγκυρες και έγκαιρες πληροφορίες για την αξιοπιστία και την ακρίβεια των σημάτων που εκπέμπονται από τα συστήματα GPS και GLONASS. Οι επιπλέον πληροφορίες θα επιτρέπουν στους χρήστες του GPS και GLONASS στην Ευρώπη να καθορίσουν τη θέση τους με ακρίβεια καλύτερη από ±5 m έναντι της τυπικής ακρίβειας των περίπου m που ένα Κέντρο Ελέγχου Αποστολής (Mission Control Centre, MCC), που συνίσταται σε μια κεντρική μονάδα επεξεργασίας δεδομένων και μια κεντρική μονάδα ελέγχου, 34 σταθμούς Παρακολούθησης και Ελέγχου ακεραιότητας του συστήματος (Ranging and Integrity Monitoring Stations, RIMS) και εγκαταστάσεις υποστήριξης του όλου Η βασική λειτουργία των επίγειων σταθμών RIMS περιλαμβάνει: την εκτέλεση μετρήσεων ψευδοαπόστασης και φάσης του φέροντος σήματος (στις συχνότητες L1 και L2 για το GPS και στη συχνότητα L1 για τη το GLONASS και τους γεωστατικούς δορυφόρους). Το δίκτυο επικοινωνίας των σταθμών RIMS βασίζεται σε δορυφορικές ζεύξεις με μικρά τερματικά (Very Small Aperture Terminals, VSAT). Παράλληλα ένα δοκιμαστικό σήμα που εκπέμπεται από δύο δορυφόρους Inmarsat επιτρέπει σε κατάλληλα εξοπλισμένους χρήστες να εξοικειωθούν με τη λειτουργία και τις δυνατότητες του συστήματος και να εξετάσουν τη χρησιμότητά του. Το EGNOS θα καλύψει τις περισσότερες από τις απαιτήσεις των χρηστών για έναν μεγάλο αριθμό θαλάσσιων εφαρμογών του GNSS, που καλύπτουν τις ακόλουθες λειτουργίες: ναυσιπλοΐα, διαδικασίες διαχείρισης κυκλοφορίας σκαφών και λειτουργίας λιμένων, εξερεύνηση και εκμετάλλευση παράκτιων ζωνών, αλιεία κ.ά.. Στη λειτουργική του φάση, το EGNOS θα παράσχει συμπληρωματικές υπηρεσίες σε σχέση με εκείνες που παρέχει σήμερα η χρήση των συμβατικών ραδιοφάρων. Επιπλέον αναμένεται να έχει ανεκτίμητη συνεισφορά στην ικανοποίηση των αναγκών της μελλοντικής διαχείρισης της κυκλοφορίας των μέσων μεταφοράς, όπου ο κύριος στόχος είναι να αυξηθεί η ικανότητα και η ασφάλεια των θαλάσσιων, των οδικών, 5 - ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΠΛΟΗΓΗΣΗΣ 21

22 των σιδηροδρομικών και εναέριων μεταφορών. 5 - ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΠΛΟΗΓΗΣΗΣ 22

23 5.16 ΣΥΣΤΗΜΑ GALILEO (GNSS-2) Το σύστημα ΓΑΛΙΛΑΙΟΣ (GALILEO) αποτελεί την ευρωπαϊκή συμμετοχή στην 2 η φάση ανάπτυξης του, υπό πολιτικό έλεγχο, παγκοσμίου δορυφορικού συστήματος εντοπισμού και πλοήγησης (GNSS-2). Ο σχεδιασμός του έχει ήδη αρχίσει με το πρόγραμμα GalileoSat της Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας Διαστήματος (ESA) που καλύπτει τον λεπτομερή καθορισμό, την ανάπτυξη και τη δοκιμή του διαστημικού και του επίγειου τμήματος του συστήματος GALILEO. Παράλληλα έχει διαμορφωθεί μια στρατηγική για το ήδη εν εξελίξει σύστημα EGNOS και την ένταξη του στο σύστημα GALILEO, με σκοπό την εξασφάλιση της συνοχής, της ακεραιότητας και της ενίσχυσης των δυνατοτήτων που θα παρέχει στο μεταξύ η τρέχουσα υποδομή της τεχνολογίας του EGNOS. Το νέο σύστημα, που θα αποτελείται από ένα εντελώς νέο δορυφορικό σχηματισμό, θα είναι διαλειτουργικό με το GPS και GLONASS, δηλαδή ο εκάστοτε χρήστης του θα είναι σε θέση εντοπίζει τη θέση του με τον ίδιο δέκτη χρησιμοποιώντας οποιουσδήποτε δορυφόρους από τα εν λόγω συστήματα. Ωστόσο, με τη διάθεση προς τους χρήστες ραδιοσημάτων σε δύο συχνότητες, το GALILEO θα επιτρέπει τον εντοπισμό θέσης με ακρίβειες καλύτερες από 4 m, κάτι πρωτόγνωρο για ένα μηστρατιωτικά ελεγχόμενο σύστημα. Η πλήρως αναπτυγμένη υπηρεσία του συστήματος GALILEO αναμένεται να λειτουργήσει το αργότερο μέχρι το 2008, όταν 30 δορυφόροι (27 επιχειρησιακοί και 3 ενεργά εφεδρικοί) θα έχουν τοποθετηθεί σε κυκλικές τροχιές περίπου km επάνω από τη Γη. Οι πρώτοι δορυφόροι θα τεθούν σε τροχιά το 2004 και μέχρι το 2006 αναμένεται να υπάρχει ένας ικανοποιητικός αριθμός δορυφόρων ώστε να είναι δυνατή η επιβεβαίωση διαφόρων εφαρμογών. Οι δορυφόροι θα είναι στις λεγόμενες γήινες τροχιές μεσαίου ύψους (Μedium Earth Οrbits, MEO) με κλίση 55 o -60 o, σε σχέση με το επίπεδο του ισημερινού, γεγονός που επιτρέπει πολύ καλή κάλυψη μέχρι και γεωγραφικά πλάτη 75 o. Ο μεγάλος αριθμός δορυφόρων και η διαθεσιμότητα των εφεδρικών θα εξασφαλίσουν ότι η απώλεια ενός δορυφόρου δεν θα έχει καμία ευδιάκριτη επίδραση στους χρήστες. Οι δορυφόροι του συστήματος GALILEO, στις τροχιές μεσαίου ύψους, σχεδιάζεται να συμπληρωθούν και από μερικούς γεωστατικούς δορυφόρους (τουλάχιστον τρεις για την κάλυψη του ευρωπαϊκού χώρου). Το Επίγειο Τμήμα του συστήματος θα αποτελείται από περίπου 14 επίγειους σταθμούς κατάλληλα κατανεμημένους σε όλη την υδρόγειο, που θα ελέγχουν ανελλιπώς τη κίνηση των δορυφόρων του συστήματος στις παραπάνω τροχιές και την ακρίβεια των χρονομέτρων τους. Οι επίγειοι σταθμοί θα συνδέονται με τις κεντρικές εγκαταστάσεις ελέγχου του συστήματος στην Ευρώπη μέσω ενός αποκλειστικού δικτύου επικοινωνιών. Οι εγκαταστάσεις ελέγχου θα υπολογίζουν τις διορθώσεις που θα διαβιβάζονται πίσω στους δορυφόρους μέσω των επίγειων σταθμών και εν συνεχεία προς στους χρήστες, μαζί με κατάλληλα μηνύματα για την λειτουργική κατάσταση των δορυφόρων. Το σύστημα GALILEO θα προσφέρει τρεις διαφορετικές κατηγορίες υπηρεσιών. Η "βασική υπηρεσία", που θα είναι διαθέσιμη σε όλους τους χρήστες δωρεάν, προορίζεται για το ευρύ κοινό, κυρίως για εφαρμογές που θα εξυπηρετούν ψυχαγωγικές δραστηριότητες (π.χ. ποδηλασία, πεζοπορία, πλοήγηση μικρών σκαφών κ.ά.). Μια δεύτερη "υπηρεσία συνδρομής", θα παρέχει 5 - ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΠΛΟΗΓΗΣΗΣ 23

24 περιορισμένη πρόσβαση, για τις εμπορικές και επαγγελματικές εφαρμογές που θα χρειάζονται υψηλά επίπεδα απόδοσης και ακρίβειας. Επιπλέον, θα προσφερθεί μια τρίτη "πολύ υψηλού επιπέδου υπηρεσία ελεγχόμενης πρόσβασης", που θα είναι επίσης διαθέσιμη μόνο σε χρήστεςσυνδρομητές, παρέχοντας τις εγγυήσεις πλήρους διαθεσιμότητας και αξιοπιστίας της λειτουργίας του συστήματος κάτω από οποιεσδήποτε συνθήκες, εκτός από ακραίες περιστάσεις, και θα ενημερώνει τους χρήστες σχεδόν αμέσως (<6 sec) για τυχόν λειτουργικές ανωμαλίες οποιουδήποτε δορυφόρου. Αυτό θα το καταστήσει κατάλληλο για τις εφαρμογές όπου η ασφάλεια είναι κρίσιμη (όπως π.χ. στην πολιτική αεροπορία) ΕΝΣΩΜΑΤΩΣΗ ΤΟΥ EGNOS ΣΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ GALILEO Όπως ήδη αναφέρθηκε το σύστημα EGNOS, το ευρωπαϊκό πρόδροµο σύστημα του GALILEO, σχεδιάστηκε ως συμπλήρωμα του GPS και του GLONASS αποσκοπώντας να επιφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα κόστους στους χρήστες του και να επιτρέψει μακροπρόθεσμα την αντικατάσταση ορισμένων τεχνολογικών υποδομών της συμβατικής ραδιοπλοήγησης και εντοπισμού. Ωστόσο, το σύστημα έχει ορισμένους περιορισμούς, οι οποίοι μειώνουν τα ενδεχόμενα πλεονεκτήματα του, όπως π.χ. ότι εξαρτάται απόλυτα από την απόδοση των συστημάτων GPS και GLONASS, πέρα από οποιοδήποτε ευρωπαϊκό έλεγχο, ενώ οι γεωστατικοί δορυφόροι του δεν καλύπτουν πλήρως τις σκανδιναβικές περιοχές της Ευρώπης και ουσιαστικά το σύστημα περιορίζεται σε περιφερειακή κάλυψη (Ευρώπη και Β. Αμερική) και όχι παγκοσμίως. Η απαραίτητη υποδομή για το σύστημα EGNOS θα ενταχθεί προοδευτικά σε εκείνη του συστήματος GALILEO, διατηρώντας τα ελάχιστα απαραίτητα στοιχεία για την παροχή μέχρι περίπου το 2015 μιας υπηρεσίας συμμορφούμενης με τα διεθνή πρότυπα. Η ενσωμάτωση του EGNOS στο σύστημα GALILEO προβλέπεται να εξελιχθεί σε τρία στάδια και θα εστιάζεται στην αρχιτεκτονική του συστήματος και τις λειτουργικές δομές διαχείρισης του. Από το 2003, το EGNOS θα παρέχει εγγυημένες υπηρεσίες, βασισμένες στην έγκαιρη προειδοποίηση των χρηστών για τυχόν δυσλειτουργίες του GPS (και δευτερευόντως του GLONASS). Από το 2008, η υποδομή του EGNOS θα ενσωματωθεί πλήρως στην αρχιτεκτονική του GALILEO διασφαλίζοντας ότι: η διάταξη των σταθμών ελέγχου του EGNOS θα είναι τέτοια ώστε αυτοί να αποτελέσουν επίσης ένα από τα στοιχεία ελέγχου του GALILEO, διατηρούνται οι σταθμοί αναφοράς και οι σταθμοί ανοδικής σύνδεσης του EGNOS με τους γεωστατικούς δορυφόρους, μακροπρόθεσμα τα δίκτυα επικοινωνίας του EGNOS βελτιστοποιούνται έτσι, ώστε να ενσωματωθούν στο επίγειο τμήμα του GALILEO, και μέχρι περίπου το 2015, οι γεωστατικοί δορυφόροι του EGNOS θα διατηρηθούν σε πλήρη λειτουργία. Από το 2015 και μετά, η υπηρεσίες GPS με συγκεκριμένες εγγυήσεις ακεραιότητας θα παρέχονται εξ ολοκλήρου από το σύστημα GALILEO και ενδεχομένως από τους δορυφόρους GPS τρίτης γενιάς. Επιπλέον, ο έλεγχος λειτουργίας του EGNOS θα αναληφθεί από τη δομή διαχείρισης που θα τεθεί σε εφαρμογή για το GALILEO. 5 - ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΠΛΟΗΓΗΣΗΣ 24