MASZYNY ROBOCZE I POJAZDY

NR47 1997

(ICJ53

Zeszyty Naukowe Politechniki Pomańskiej

Maszyny Robocze i Pojazdy

Zeszytnr47

Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej ~ Poznań 1997

Redaktor Zeszytów Naukowych Politecłmiki Poznańskiej

prof. dr hab. inż . EUGENIUSZ MITKOWSKI

Komitet Redakcyjny serii Maszyny Robocze i Pojazdy

dr hab. inż . ZBIGNIEW Kws (przewodniczący), mgr inż. DARIUSZ MICHALAK (sekretarz), dr hab. inż .

LEON BOGUSŁAWSKI, prof. nadzw., prof. dr hab. inż . MARIAN KOWALCZYK

Projekt okładki PIOTR GOŁĘBNIAK

Skład tekstu AUTORZY

Artykuły z okresu styczeń - wrzesień 1997

Wydano za zgodą Rektora Politecłmiki Poznańskiej

© Copyright by Politechnika Poznańska, Poznań 1997

1977. publikacja WPP

WYDAWNIClWO PoLITECHNTI<I POZNAŃSKIEJ

60-965 Poznań, pl. M. Skłodowskiej-Curie 2, tel. 8313216

Wydanie I

Druk wykonano w Zakładzie Graficznym Politecłmiki Poznańskiej

Zamówienie nr S/288/97

SPIS TREŚCI - CONTENTS

1. Włodzimierz GĄSOWSKI - Dziś i jutro polskiego transportu kolejowe-go (rec. doc. dr inż. Marian Medwid) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Today and to-morrow of polish railway transportation

2. Włodzimierz GĄSOWSKI, Tomasz KUCZMA - Sposoby zmniejszenia hałasu wywołanego ruchem pociągu stosowane w budowie dróg kolejo-wych i ich otoczeniu (rec. doc. dr inż . Ryszard Lang) ...... .. ........ ............. 17 Methods of lessening the noise generated by the motion of a train, which are used at constructing the railway tracks and in their surrounding

3. Włodzimierz GĄSOWSKI, Marian SZYMAŃSKI - Analityczna ocena bezpieczeństwa jazdy wagonów platform (rec . doc. dr inż . Ryszard Lang) ... .......... ........ .... .......................... ..... ...... .. ...... .... ... ... .............. ... .. 31 Analytical evaluation of a platform car safe drive

4. Adam KADZIŃSKI, Edward MIERZEJEWSKI - Ilościowa analiza stanów bezpieczeństwa systemu człowiek - technika kolejowa- środowi-

sko (rec . dr hab. inż . Jan Zbigniew Czajgucki, prof. nadzw.) ........ ..... .... 45 Quantified analysis of safety states for man - railway technology - envi­ronment system

5. Jerzy GIRTLER, Jacek RUDNICKI - Metoda podejmowania decyzji eksploatacyjnych przy znanej wiarygodności diagnozy o stanie technicz-nym silników spalinowych (rec. prof. dr hab. inż . Jan Gronowicz). .... ..... 63 Method of making decisions concerning exploitation with likelihood of diagnosis on the technical state of combustion engines

6. Antoni ISKRA - Zdolność przyjmowania kształtu cylindra przez pier-ścień zgarniający (rec. prof. dr hab . inż . Stefan Żmudzki) .... .. .. . . . . . . . ....... 73 Conformability of an oil control ring to the shape of a cylinder liner

7. Zbigniew KŁOS - Próba określenia zakresu tematycznego nauki o jako-ści w Polsce (rec. doc . dr inż . Andrzej Jazdon) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Attempt of subjects range definition in science of quality in Poland

8. Zbigniew KŁOS - Environmental evaluation of machines (rec. dr inż. Stanisław Bugajski, prof. nadzw.) . ........... .. ....... . .. .. . . . . . . . . . . ... .... ...... .. ...... 95 Środowiskowa ocena maszyn

G~ J9. Krzysztof K. VORBRlCH - Wykorzystanie różnicowego systemu sate­litarnego DGPS oraz zintegrowanego systemu DGPS/IMU w nawigacji pojazdów na lądzie (wiadomości ogólne) (rec. prof. dr hab . Edwin Wnuk) .... .. ... .. .. .......... .... ... ..... ...... ..... ... .. ... .. .. ... .... ............... .. ...... ........... 107

4

Usage of the differential global positioning system DGPS and of the

integrated system DGPS/IMU in the vehicular navigation (basics) 10 . Krzysztof K. VORBRICH - Exploring the advantages of testing the

newly designed DGPS/IMU navigation system on a dedicated Poznań

racing car track (rec. prof. dr hab . Edwin Wnuk) ... .. . „ . . „„„ ....... „„. .. ...... 127

Pewne zalety testowania prototypu nawigacyjnego systemu DGPS/IMU

na torze samochodowym Poznań

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI POZNAŃSKIEJ

Nr47 Maszyny Robocze i Pojazdy

Krzysztof K. VORBRICH •

WYKORZYSTANIE RÓŻNICOWEGO SYSTEMU SATELITARNEGO DGPS

ORAZ ZINTEGROWANEGO SYSTEMU DGPS/IMU

1997

W NAWIGACJI POJAZDÓW NA LĄDZIE (wiadomości ogólne)

Na wstępie podano aktualne informacje o systemie GPS i o zasadzie wyznaczania po­zycji statycznej (w spoczynku). Najpierw dla porównania przedstawiono metody używane w różnicowych zastosowaniach GPS do wyznaczania dokładnej pozycji statycznej, następ­nie zdefiniowano różnicowy system satelitarny DGPS i podano możliwe do osiągnięcia dokładności w nawigacji pojazdów na lądzie . W rozdziale omawiającym zastosowanie DGPS w nawigacji lądowej podano pewne uwagi dotyczące wielkości obserwowanych pseudoodległości i fazy tzw. odzyskanej nośnej oraz długości baz. Specjalną uwagę po­święcono problemowi pewności pozycji otrzymanych z DGPS. Wskazano, że zintegrowany system satelitarny łączący DGPS, tani układ inercjalny (Low-Cost-IMU), wzorzec często­tliwości, mapę elektroniczną, pomocnicze sensory: kierunku, wysokości elipsoidalnej i zliczania drogi, są w stanie sprostać wielu wymaganiom nawigacji pojazdów.

Słowa kluczowe: Differentia! Global Positioning System (DGPS), Inertial Measurement Unit (IMU), zintegrowany satelitarny system nawigacyjny (DGPS/IMU)

WSTĘP

Od kilku lat w Polsce gwałtownie wzrasta zainteresowanie systemami GPS i DGPS oraz zintegrowanym systemem DGPS/IMU. Użytkownicy morscy i lotniczy w Polsce prowadzą w sposób skoordynowany badania nad zastosowaniem DGPS w nawigacji. Jak dotychczas nie istnieje u nas organizacja koordynująca badania nad zastosowaniem DGPS w nawigacji lądowej. Tymczasem przewiduje się, że system

• Polska Akademia Nauk, Centrum Badań Kosmicznych, Obserwatorium Astrogeody­namiczne, Borowiec k. Poznania.

108 K.K. Vorbrich

DGPS znajdzie największe zastosowanie właśnie w nawigacji lądowej . Istnieje za­tem pilna potrzeba zapoznania czytelników z problemami zintegrowanej nawigacji satelitarnej DGPS na lądzie . Artykuł ten ma charakter monograficzny. Stanowi on wstęp do serii artykułów przygotowanych przez autora do druku w Zeszytach Na­ukowych Politechniki Poznańskiej i opisujących jego osobiste doświadczenia w zakresie nawigacji pojazdów lądowych za pomocą systemu DGPS i DGPS/IMU.

1. AKTUALNE NAJWAŻNIEJSZE WIADOMOŚCI O GPS

Szczegółowe informacje o Global Positioning Satellite System GPS są zawarte m.in. w pracach [17, 26]. Poniżej przedstawiono w dużym skrócie charakterystykę tego systemu.

System GPS jest administrowany przez Departament Obrony Stanów Zjedno­czonych Ameryki Północnej. Obecnie GPS udostępnia dla społeczności cywilnej docelową konstelację 21 + 3 satelitów umieszczonych w 3 płaszczyznach orbity po 8 satelitów [26]. Satelitom GPS postawiono duże wymagania dotyczące stabilności, równomierności i globalności konstelacji. W związku z powyższym nałożono okre­ślone warunki między innymi na takie elementy orbity, jak duża półoś a (lub okres obiegu T), mimośród e. Stabilność konstelacji uzyskano przez zminimalizowanie perturbacji od spłaszczenia Ziemi. Zapewnia to w dużym stopniu znaczna wysokość satelity i kołowa orbita (e bliskie zeru) .

W celu uzyskania równomierności satelitarnych seansów radiowych na Ziemi założono, że współrzędne geograficzne punktów podsatelitamych powinny układać się w trasę powtarzającą się cyklicznie co jeden obrót Ziemi dookoła osi (obrazowo - każdy satelita GPS przelatuje w zenicie nad tym samym punktem raz na dobę gwiazdową SD = 23h55m56,6s czasu średniego słonecznego) . Warunek ten jest spełniony dla satelitów, dla których stosunek SDfT jest liczbą całkowitą. Dla GPS wybrano SDfT = 2, półsynchroniczny okres obiegu T = l lh57m58,3s (duża półoś orbity a równa około 26,5 tys . km, wysokość nad ZiemiąH równa ok. 20,2 tys . km) . Każdy satelita GPS jest widoczny z dowolnego punktu na powierzchni Ziemi przy­najmniej raz na dobę (z reguły dwa razy na dobę przy obserwacji tzw. gałęzi wstę­pującej i zstępującej) . Dla danego miejsca na Ziemi efemeryda satelity GPS jest niezmienna w czasie gwiazdowym. Pomijamy tu precesyjny ruch węzłów orbity odbywający się z prędkością około 12 stopni na rok. Dla informacji podajemy, że efemeryda jest określeniem zaczerpniętym ze słownictwa astronomicznego i pozwala określić położenie satelity GPS np. w horyzontalnym układzie współrzędnych ob­serwatora na Ziemi.

GPS jest systemem radionawigacyjnym. Satelity GPS transmitują na dwu czę­stotliwościach pasma L, tzn. f = 1575,4 MHz i f = 1227,6 MHz. Nośne Li i L2

Wykorzystanie różnicowego systemu satelitarnego ... 109

są modulowane bifazowo pseudolosowym kodem P (przemianowanym na PPS -Precise Positioning Service PPS) o częstotliwości!= 10,23 MHz i o okresie powta­rzania 38 tygodni (odcinki tygodniowe są przydzielone poszczególnym satelitom).

Nośna Li jest obecnie modulowana dodatkowo przez pseudolosowy kod Cour­se/Acquisition CIA (przemianowany na Standard Positioning Service SPS) o czę­

stotliwości!= 1,023 MHz i o okresie powtarzania 1 ms . Satelity GPS transmitują również depesze z informacjami m.in. o elementach orbity [2] i pokładowym lokal­nym oscylatorze.

Zasadę wyznaczania pozycji za pomocą GPS można w skrócie opisać następują­co. Odbiorniki dysponują repliką kodu CIA (militarne i autoryzowane również repli­

ką kodu P) . Techniką korelacji jest wyznaczana, skalowana wartością prędkości

światła, tzw. pseudoodległość od satelity GPS do anteny odbiorczej, obarczona

przede wszystkim błędem synchronizacji zegarów SSZ i odbiornika. Błąd synchro­nizacji jest jedną z czterech niewiadomych w równaniach obserwacyjnych ułożonych dla problemu obliczenia trójwymiarowej (30) pozycji. Minimalna liczba jednocze­śnie obserwowanych satelitów jest równa liczbie niewiadomych. Dla nawigacji

w modzie 30 + czas wymagana minimalna liczba obserwowanych satelitów GPS

wynosi więc 4. Pojedynczy odbiornik zapewnia dokładność pozycji (dwa sigma)

15 m dla kodu Pi ok. 100 m dla kodu CIA w wypadku intencjonalnego pogarszania inherentnych właściwości Cl A przez Departament Obrony USA (Department of Defence DoD) poprzez wprowadzenie tzw. Selective Availability SIA [2, 24].

2. RÓŻNICOWE ZASTOSOWANIE GPS W POZYCJI STATYCZNEJ

W czasie prac nad zastosowaniem GPS do statycznego wyznaczania pozycji w geodezji zauważono, że większą dokładność pozycji można uzyskać przez różnicowe

obserwacje za pomocą dwu lub więcej odbiorników GPS . Obserwacje różnicowe

umożliwiały uwolnienie się od wielu systematycznych błędów wspólnych dla obser­

wacji na dwu stanowiskach [13]. Najważniejsze błędy systematyczne związane z danym satelitą GPS mają nastę­

pujące źródła :

a) naturalne - niestabilność pokładowego wzorca częstotliwości , niedokładność

efemerydy (efemeryda zawiera informacje wystarczające do wyznaczenia pozycji

satelity na jego orbicie), opóźnienia propagacji przez jonosferę i troposferę [2, 11 ,

14, 30, 42, 43], b) sztuczne- intencjonalne pogarszanie dokładności przez SIA [17]. W statycznych zastosowaniach geodezyjnych użytkownik posługuje się dziś me­

todą podwójnych lub potrójnych różnic fazy pseudonośnej opracowywanych

110 K.K. Vorbrich

off-line. Zazwyczaj poprawia się elementy wektorów położenia wszystkich odbior­ników uczestniczących w tzw. kampanii obserwacyjnej . Na jednym stanowisku od­biorniki obserwują w czasie sesji trwających do kilku godzin.

3. RÓŻNICOWE,ZASTOSOW ANIE GPS (DGPS) W NAWIGACJI

W technice różnicowego GPS, zwanego Differentia! GPS (DGPS), zastosowa­nego w nawigacji do wyznaczania w czasie rzeczywistym pozycji i składowych wektora prędkości poruszającej się anteny, zakłada się istnienie nieruchomej stacji odniesienia. Technika ta jest oparta na założeniu, że dobrze znana pozycja nieru­chomej anteny umożliwia wyliczenie spodziewanych wartości tzw. pseudoodległości lub, inaczej mówiąc, pseudodługości topocentrycznych wektorów wodzących do satelitów GPS będących w zasięgu anteny odbiorczej . Porównanie spodziewanych i obserwowanych wartości pseudoodległości umożliwia obliczenie systematycznych błędów obserwacji GPS . Błędy te, w postaci tzw. poprawek do pseudoodległości, są

transmitowane do poruszającego się odbiornika. Jeżeli stacjonarny i poruszający się odbiornik są położone wystarczająco blisko siebie, aby systematyczne błędy GPS były jednakowe dla obu odbiorników, to pseudo-odległości obserwowane przez po­ruszający się odbiornik mogą być poprawione przez ich błędy zmierzone na stacji odniesienia i wszystkie błędy systematyczne wspólne dla obu odbiorników mogą być praktycznie wyeliminowane.

Technika DGPS wprowadza z definicji pewne ograniczenia co do długości baz, jak również wymaga pewnego minimum szybkości w radiowym przekazywaniu danych i obliczeniach.

Konieczność zachowania podobnych stanów atmosfery i warunków geometrycz­nych przelotów satelitów sprawia, że dwie stacje nie powinny być oddalone od siebie na odległość większą niż 200 km. Gdy jest włączony mechanizm sztucznego pogar­szania dokładności GPS przez tzw. Selective Availability, należy pamiętać o tym, że sumaryczne opóźnienie w przekazywaniu danych i ich obróbce, wynoszące ok. 1 s może prowadzić do błędu pozycji około 0,5 m. Badania wykazały bowiem, że ze względu na wpływ SI A pomiary pseudoodległości mogą być obarczone błędem,

który daje się zamodelować krzywą o nachyleniu 0,5 mis lub większym .

Technika DGPS prowadzi do znacznego poprawienia dokładności wyznaczania pozycji poruszającej się stacji. Błąd maleje z kilkudziesięciu lub kilkuset metrów w przypadku nieróżnicowego GPS do poziomów szumów odbiornika, a więc do kilku metrów (obserwacje kodu CIA) lub nawet kilku centymetrów (obserwacje fazy pseudonośnej) w przypadku DGPS. Jeżeli SIA jest aktywne, dokładność DGPS może ulec zmniejszeniu, a wpływ na nią ma, jak już wspomniano, w dużym stopniu szybkość transmisji danych i obliczeń.

Wykorzystanie różnicowego systemu satelitarnego .. . 111

4. PARAMETRY NAWIGACYJNE SYSTEMÓW SATELITARNYCH

Nawigacja ziemska jest dyscypliną na pograniczu inżynierii i nauki, zajmującą się metodami prowadzenia różnego rodzaju obiektów między wybranymi punktami na powierzchni Ziemi i w atmosferze Ziemi z uwzględnieniem bezpieczeństwa życia ludzkiego, bezpieczeństwa ładunku oraz efektywności ekonomicznej w czasie dzia­łalności pokojowej .

Rodzaj podróży ziemskiej, czy to lądowej , wodnej czy lotniczej, determinuje do­bór odpowiednich parametrów systemu nawigacyjnego w celu bezpiecznego prze­mi~szczania się na określonych trajektoriach między wybranymi punktami zwrot­nymi (zwanymi w języku nawigatorów z angielska way points). Optymalny sateli­tarny system nawigacyjny powinien spełniać wymagania wszystkich oczekiwanych parametrów nawigacyjnych dla wszystkich ośrodków, w których odbywa się ruch (na lądzie, na i pod wodą i w powietrzu) i wszystkich rejonów ruchu. Dla nawigacji lądowej podział na rejony może być dokonany według dwu głównych grup propo­nowanych przez European Radionavigation Plan 1996 (ERNP96) [5], tzn. na Road-Land-Mobile (tzn. pojazdy lądowe bez kolei) i Rai! (koleje, tramwaje, metro z użyciem pseudolitów - naziemnych urządzeń nadawczych symulujących GPS -w tunelach [7] i z użyciem GPS w części otwartego horyzontu itp .).

Ocena systemu GPS i DGPS powinna brać pod uwagę spełnianie warunków na­łożonych przez ogólnie uznane parametry nawigacyjne. Wszystkie parametry nawi­gacyjne służące do wyznaczania pozycji w nawigacji ziemskiej w warunkach pokoju określają parametry techniczno-eksploatacyjne. Należą do nich (w kolejności waż­ności arbitralnie dobranej przez autora zgodnie z tendencją reprezentowaną przez ERNP96): 1) dokładność, 2) ostrzeżenie o stopniu nieprawidłowości (integrity) , 3) dostępność, 4) zasięg, 5) niezawodność . Wszystkie wymienione parametry wpły­wają bezpośrednio na jakość pracy systemu, a pośrednio na bezpieczeństwo nawiga­cji, z wykorzystaniem danego satelitarnego systemu radionawigacyjnego. Poniżej

opisano pokrótce wymienione wyżej parametry.

Dokładność satelitarnych systemów radionawigacyjnych jest definiowana różno­rako. Niżej przytoczono kilka najważniejszych definicji tej dokładności . Błąd pozycji użytkownika ruchomego obiektu określany jest w jedno-, dwu- oraz trzywymiaro­wym układzie współrzędnych (ID, 2D, 3D). Rozkłady błędów pozycji użytkownika ziemskich satelitarnych systemów radionawigacyjnych są zwykle znane. Stąd para­metr dokładności pozycji może być wyrażony prawdopodobieństwem tego, że błąd pozycji nie przekroczy pewnej określonej wartości. Często przyjmuje się, że dokład­ność pozycji jest określona z prawdopodobieństwem 95% (odpowiadającym warto­ści 2 sigma dla rozkładu normalnego błędów). Poziomu zaufania równego 95% używa np. w swojej definicji dokładności pozycji międzynarodowa organizacja

112 K.K. Vorbrich

lotnictwa cywilnego International Civil Aviation Association ICAO [14]. Poziomu zaufania równego 95% używa się przy definicj i dokładności wchodzącej w skład pakietu czterech parametrów określających prawidłowość rozwiązania nawigacyjne­go. Wartości graniczne dla parametrów tego pakietu pod nazwą Requested Naviga­tion Performance Parameters RNPP [5] są uznawane przez ICAO oraz European Radionavigation Plan ERNP96 [5]. Z drugiej strony ten sam ERNP96 używa po­ziomu ufności 68,3% (odpowiadającego wartości 1 sigma dla rozkładu normalnego błędów) w odniesieniu do lądowych i wodnych środków transportu. Analiza błędów pozycji w systemach satelitarnych zależy od wielu czynników. Na całkowity błąd pozycji wpływa wiele elementów, takich jak: oscylacja wartości sygnału (w tej kategorii zawiera się np. również „administracyjna" oscylacja sy­gnału GPS typu zapobiegawczych zakłóceń wprowadzanych przez Departament Obrony USA DoD, takich jak S/A - Selective Availability i AS - Anti-Spoofing), wpływ warunków troposfery oraz jonosfery na propagację, inne fizyczne zmiany ośrodka oraz błędy odbiornika, a nawet błędy operatora. Rozróżnia się trzy rodzaje dokładności: przewidywaną (predictable) , odtwórczą (repeatable) i względną (relative) . W pierwszym wypadku dokładność pozycji jest związana z określeniem współrzędnych geograficznych lub geodezyjnych i jest również definiowana jako pozycja absolutna. W drugim z wymienionych wypadków pojęcie dokładności pozy­cji wiąże się z możliwością powrotu obserwatora na współrzędne pozycji, które poprzednio osiągnął w danym systemie nawigacyjnym z wykorzystaniem tego same­go urządzenia nawigacyjno-odbiorczego. W ostatniej sytuacji chodzi o pozycję zmierzoną względem innego obserwatora w tym samym systemie nawigacyjnym. Ten typ dokładności dotyczy określania pozycji na podstawie metod różnicowych (np. DGPS).

Ostrzeżenie o stopniu nieprawidłowości, czyli integrity. Nawigacyjny sens znaczeniowy parametru integrity jest trudny do przetłumaczenia na język polski jednym słowem. Najbliższe jego odpowiedniki w języku polskim to : zaufanie (stopień zaufania operatora do systemu), ostrzegalność (neologizm) lub sprawność alarmowania (w sensie umiejętności szybkiego ostrzegania), samodetekcja i samo­usuwalność (awarii) itp . Odcień znaczeniowy integrity jest sumą wszystkich poda­nych wyżej określeń i opisanych niżej cech. Dla wielu zastosowań integrity jest najważniejszym parametrem nawigacyjnym, znacznie ważniejszym niż dokładność, i decydującym, czy dany system nawigacyjny może być zakwalifikowany przez międzynarodową organizację nawigacyjną, taką jak np . ICAO, jako samodzielny system pokładowy, tzw. stand alone lub single means navigation system SMNS. Jak dotychczas wszystkie istniejące ziemskie sys­temy nawigacji satelitarnej charakteryzują się poziomem integrity tak niskim, że nawet nie można dla nich podjąć dyskusji o przyznaniu im statusu single means

Wykorzystanie różnicowego systemu satelitarnego ... 113

navigation system SMNS . Dotyczy to naturalnie zarówno GPS, jak i DGPS, rosyj­

skiego systemu nawigacji satelitarnej GLONASS i ich połączeń [19, 31].

W środowisku międzynarodowych organizacji nawigacyjnych, takich jak ICAO,

US Federat Aviation Association FAA, ERNP96, proponuje się obecnie rozmaite

definicje tzw. integrity ziemskich systemów satelitarnych, głównie w zastosowaniu

do GPS i DGPS, przy czym podkreśla się, że ze względu na brak przez GPS statusu

SMNS, dyskusję integrity powinno się prowadzić jedynie w kontekście zintegrowa­

nych systemów łączących zarówno sensory satelitarne, jak i niekosmiczne (np. iner­

cjalne) . Dla celów tej pracy najbliższa wydaje się definicja, która podając miarę

integrity podkreśla zdolność zintegrowanego systemu satelitarno/niekosmicznego do

podawania odpowiednio szybko użytkownikowi (operatorowi) poruszającego się

obiektu ostrzeżetl. o nieprawidłowościach działania tego systemu nawigacyjnego.

W odniesieniu do części satelitarnej dotyczy to zarówno członu kosmicznego

(satelitów), naziemnej kontroli (DoD), jak i członu użytkownika (odbiorników).

Również w tej wyżej wymienionej kategorii definicji integrity jako parametru

ostrzegania istnieje wiele odcieni pojęciowych. Jedna z grup definicji wiąże integrity z numerycznie wyrażonym poziomem za­

ufania (w sensie prawdopodobieństwa), którym można darzyć informację o rozwią­

zaniu nawigacyjnym, dostarczoną przez cały (zintegrowany satelitarno/niekosrni­

czny) system pokładowy poruszającego się obiektu.

Inna grupa definicyjna integrity w ujęciu numerycznym to prawdopodobie11.stwo

w sensie poziomu ryzyka odnoszonego do wszystkich składników zintegrowanego

systemu. W tym wypadku integrity jest miarą prawdopodobietl.stwa zaistnienia wy­

padku niosącego niebezpiecze11stwo (życia ludzkiego) spowodowanego zaistniałymi

odchyleniami od normy w poszczególnych składnikach zintegrowanego satelitarnego

systemu nawigacyjnego . Trzecia grupa definicji integrity opiera się na dokładności jako kryterium i mówi,

że pojęciowo integrity jest równoznaczne z umiejętnością systemu do szybkiego

sprawdzania i szybkiego powiadamiania operatora poruszającego się obiektu, czy

dokładność (zewnętrzna pozycji) przyjmuje wartości wewnątrz tzw. tunelu prawdo­

podobieństwa wartości granicznych utworzonych dla zapewnienia bezpieczetl.stwa

prowadzenia danego zadania nawigacyjnego.

Wreszcie jeszcze inna grupa podaje definicję integrity w kategoriach bardziej

opisowych niż numerycznych i opisuje ją jako umiejętność systemu dokonania sa­

moistnej detekcji nieprawidłowości i powiadomienia o tym operatora poruszającego

się obiektu, np. pilota (i autooperatora obiektu, np . autopilota samolotu, jeśli jest

aktywny), samodzielnego wyizolowania przyczyny tej nieprawidłowości i szybkiego

usunięcia awarii. Ta ostatnia grupa definicji jest bliska takim definicjom, jak: defini­

cja F AA z 1992 roku, która mówi: „ „ . integrity jest to umiejętność systemu nawiga­

cyjnego odpowiednio szybkiego informowania użytkownika, czy jego system nawi­

gacyjny nadaje się do przeprowadzenia odpowiedniego zadania nawigacyjnego",

114 K.K. Vorbrich

oraz definicja, która mówi, że integrity jest to umiejętność systemu powiadamiania operatora poruszającego się obiektu, czy jego system może być użyty do nawigacji .

Dostępność satelitarnego systemu radionawigacyjnego jest zdefiniowana jako procentowa ilość czasu, w którym ten system może być użyteczny i wykorzystany przez nawigatora. Dostępność oznacza zdolność systemu do pracy w określonym obszarze pokrycia przydatnym do prowadzenia dokładnej radionawigacji za pomocą sygnału satelitarnego. Dostępność sygnału jest to procentowa ilość czasu, w którym sygnał nadawany z nadajników satelity może być odbierany przez użytkownika .

Zależy to od właściwości charakterystyki fizycznej sygnału, środowiska i technicz­nych parametrów odbiornika.

Zasięg systemu satelitarnego (coverage) wyraża wielkość powierzchni lub przestrzeni, w których sygnały są na tyle silne, że użytko·wnik może określić swoje położenia z wymaganą dokładnością. Zasięg w systemie zależy od geometrii źródeł nadających sygnały, mocy i poziomu tych ostatnich oraz czułości odbiornika. Wpływ na zasięg mają też warunki ośrodka propagacyjnego oraz inne czynniki pro­pagacyjne.

Niezawodność (reliability) może być wyrażona funkcją częstości uszkodzeń pracy elementów systemu. Zwykle niezawodność określa się przez prawdopodobień­stwo działania systemu w określonych warunkach w określonym przedziale czasu.

Prościej można to wyrazić zależnością: P = 1 -PF, gdzie P - prawdopodobieństwo

niezawodności, PF- prawdopodobieństwo uszkodzenia systemu.

Ważnymi parametrami w nawigacji za pomocą GPS są tzw. parametry rozmycia dokładności definiowane matematycznie na podstawie elementów przekątnej głównej macierzy wariancji - kowariancji rozwiązania nawigacyjnego [17]. Sens fizyczny tych parametrów jest taki, że definiują one względną geometrię konstelacji satelitów widocznych nad horyzontem anteny użytkownika i działają jak czynnik skalujący błędy pseudoodległości w przenoszeniu ich na błędy rozwiązania nawigacyjnego. W nawigacji najczęściej jest używany tzw. Position Delusion of Precision PDOP. Współczynnik PDOP określa geometryczne warunki seansu obserwacyjnego wyni­kające z wzajemnych położeń obserwatora i satelitów uczestniczących w formuło­waniu równań obserwacyjnych. Współczynnik PDOP jest związany z dokładnością

wyznaczenia pozycji odbiornika aP równaniem:

aP = PDOP * UERE ,

gdzie UERE - tzw. User Equivalent Range Error - określa błąd ,jeden cr" wyzna­czenia pseudoodległości . Tak wiec znając błąd wyznaczenia pseudoodległości

UERE, można w przybliżeniu oszacować spodziewany błąd pozycji anteny odbior­

czej aP, mnożąc UERE przez PDOP . Wartość PDOP jest zależna od geometrii

Wykorzystanie różnicowego systemu satelitarnego ... 115

konstelacji GPS nad horyzontem obserwatora i jest większa od PDOP minimum

równego 13. W wielu zastosowaniach nawigacji lądowej geometrię konstelacji

(geometryczne warunki obserwacji) GPS można uważać za zadowalającą przy

PDOP mniejszym od 5.

5. ZASTOSOWANIE DGPS W NAWIGACJI LĄDOWEJ

Od około 1 O lat są prowadzone na świecie poważne prace nad zastosowaniem

DGPS do nawigacji lądowej [8, 9, 18, 21, 23 , 24, 27, 28, 32, 34, 40, 41]. Zagad­

nienia satelitarnej nawigacji lądowej są często ściśle związane z zagadnieniami sate­

litarnej nawigacji morskiej [5, 13, 33, 36, 37] i lotniczej [6, 16, 36, 37, 40, 42].

Znalazło to odzwierciedlenie w tym opracowaniu. Zarówno w nawigacji lądowej, jak

i morskiej i lotniczej przy założonej dokładności pozycji od 2 m do 5 m dwa sigma

można ograniczyć się do pomiarów pseudoodległości (tzn. nie wykorzystywać wiel­

kości obserwowanej fazy) i przekazywać poprawki DGPS z częstotliwością do

0,1 Hz. Format danych w metodzie DGPS jest często zgodny z zaleceniami The Radio

Technical Commission For Maritime Services (RTCM), a ściśle ze standardem

RTCM SC-104 V. 2.0 [29]. Dane są modulowane na nośną sygnału telemetrii .

W różnych rozwiązaniach DGPS modulator telemetrii ma dwa niezależne wyjścia

radiowe RF, które pozwalają na generowanie dwu nośnych modulowanych danymi

DGPS . Ta druga nośna zwiększa niezawodność systemu DGPS i niezawodność

pozycji użytkownika systemu. W 1996 roku przeprowadzono w Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akade­

mii Nauk pierwsze w Polsce doświadczenia z nawigacją pojazdu na lądzie za pomo­

cą DGPS w ramach międzynarodowego projektu polsko-niemieckiego finansowane­

go przez Unię Europejską [37, 38, 39]. Doświadczenia te są opisane szczegółowo

w serii artykułów przygotowanych przez autora do Zeszytów Naukowych Politech­

niki Poznańskiej.

5.1. Zastosowanie DGPS w nawigacji lądowej o wymaganym dużym stopniu dokładności i pewności pozycji

W czasie nawigacji lądowej , gdy jest wymagana dokładność koło 1 OO m, wystar­

czy używać do nawigacji odbiornika GPS pracującego w trybie nieróżnicowym.

W takich zastosowaniach, jak ruch miejski, półautomatyczny ruch na autostradzie

i w kolejnictwie, automatyczna uprawa pól z użyciem traktora czy kołowanie sa-

116 K.K. Vorbrich

molotu na lotnisku lub ruch samochodów kontroli ruchu na lotnisku wymagania dokładności pozycji zwiększają się od 1 m do 3 m i w przypadku odbiornika GPS mogą być spełnione tylko przez DGPS . W tych zastosowaniach szczególnie zwięk­szają się też wymagania co do parametru integrity, których samoistnie działający system DGPS nie jest w stanie spełnić .

5.1.1. Pewne uwagi dotyczące wielkości obserwowanych, transmisji surowych danych oraz problem długości baz w DGPS

Jak potwierdziła praktyka, dokładność pozycji od 1 m do 3 m zapewnia obecnie w sprzyjających warunkach obserwacja DGPS kodu CIA nawet w obecności SIA [6, 27, 35, 37].

Obserwacje fazy pseudonośnej w technice DGPS umożliwiają uzyskanie dokład­ności pozycji około 1 dcm [3 , 20], a więc co najmniej o rząd wielkości lepszej niż w przypadku obserwacji kodu Cl A. Tak duża dokładność pozycji może znaleźć zasto­sowanie zarówno podczas automatycznego kołowania samolotu w czasie zerowej widoczności na lotnisku, jak i w automatycznym ruchu pojazdu na autostradzie, pojazdu szynowego, traktora w uprawach itp .

Z wielkością obserwowaną fazy pseudonośnej jest związany problem nieozna­czoności N211 fazy. Istnieją algorytmy pozwalające wyznaczyć tę nieoznaczoność dla problemu stacjonarnego. Dotychczas mimo wielu prób opisanych np . w [1 , 20] problem ten nie został zadowalająco rozwiązany na potrzeby rachunków w czasie rzeczywistym. W praktyce w technice DGPS w nawigacji pojazdów lądowych nadal trzeba posługiwać się wyłącznie obserwacjami pseudoodległości .

Obecnie uważa się, że do takich zastosowań w dokładnej nawigacji lądowej , jak kołowanie samolotu, automatyczny ruchu samochodu na autostradzie lub traktora na polu system DGPS wykorzystujący transmitowane poprawki (np . w formacie standardu RTCM) jest niewystarczający [8, 10]. Transmitowanie ze stacji odniesie­nia surowych danych umożliwia ich dokładne zsynchronizowanie z odbiornikiem pojazdu (specjalnie waźne, gdy SIA jest aktywne) i zapobiega przypadkowemu sto­sowaniu róźnych efemeryd dla obu porównywanych strumieni danych (efemeryda satelity GPS jest transmitowana na Ziemię w jego depeszy i zawiera informacje wystarczające do wyznaczania pozycji satelity na jego orbicie okołoziemskiej).

Na dokładność pozycji anteny użytkownika systemu DGPS ma wpływ długość bazy i obecność SI A. W przypadku baz dłuższych niż 1 OO km za pomocą techniki DGPS nie moźna często wyeliminować wpływu atmosfery w stopniu wystarczają­cym do automatycznej i półautomatycznej nawigacji lądowej i wtedy konieczne jest posługiwanie się modelami troposfery i jonosfery. Dla baz dłuższych niż 1 OO km, gdy aktywne jest SIA, to technika DGPS również nie może zapewnić dokładności

Wykorzystanie różnicowego systemu satelitarnego ... 117

potrzebnej do automatycznej nawigacji lądowej i należy zastosować dodatkowo inne techniki w celu zwiększenia dokładności . Doświadczenia wykazały, że dla dłuższych baz istnieje możliwość zwiększenia dokładności przez zastosowanie dwu stacji od­niesienia leżących mniej więcej na jednej linii z poruszającym się odbiornikiem.

5.1.2. Problem pewności pozycji DGPS w nawigacji lądowej

Obecnie uważa się, że w nawigacji lądowej DGPS nie wspomagany przez inne urządzenia nawigacyjne może być używany jedynie jako pomocniczy system, które­go pewność należy ciągle sprawdzać, np . przez stacje monitorujące integrity, zwane Integrity Monitoring Stations IM. Powodem tego jest inherentna niedoskonałość GPS w sensie jego pewności i dostępności .

Dostępność systemu GPS jest rozumiana tutaj jako okres, gdy co najmniej 4 sa­telity są obserwowane powyżej kata odcięcia h = 5° z PDOP mniejszym niż 10 [33]. Obecnie GPS jest dostępny na całym świecie w 100% z konstelacją 21 + 3 satelity tzw. zapasowe (spare) . W razie (mało prawdopodobnej) jednoczesnej awarii 3 sate­litów pewne małe powierzchnie Ziemi mogą mieć przez ok. 1 h PDOP > 1 O.

W przypadku DGPS kąt odcięcia sygnału GPS docierającego do anteny odbior­czej musi być powiększony do wartości 10° (nawet 15°). Spowodowane jest to wy­maganiami zmniejszenia wpływu efektu wielodrożności sygnału - multipath, złym śledzeniem sygnału i degradacją atmosferycznej poprawki DGPS dla małych wyso­kości nad horyzontem. Przy h = 10° w wielu miejscach na Ziemi w pewnych krót­kich odcinkach czasu PDOP będzie większy niż zakładane maksimum 1 O nawet bez awarii jakiegokolwiek satelity. Dla kierującego pojazdem poruszającym się w pobli­żu takich przesłon, jak budynki, drzewa itp . PDOP ulegnie dalszemu zwiększeniu ze względu na czasowe zasłanianie sygnału niektórych SSZ i w związku z tym pogor­szenie geometrii konstelacji.

Problemu maskowania sygnału GPS przez ekrany znajdujące się nieznacznie powyżej dachu samochodu (ekrany tak wysokie jak pojazdy ciężarowe typu TIR itp .) nie można ominąć przez umieszczenie anteny GPS np . na pionowym telesko­powym maszcie na dachu poruszającego się pojazdu. Tak umieszczona antena GPS prowadziłaby do gwałtownego pogorszenia dokładności, spowodowanego przez zjawisko wielodrożności sygnału SSZ [15, 35]. Dach samochodu ekranuje znaczny procent sygnału odbitego od gruntu i nie należy takiego ekranu neutralizować przez wynoszenie anteny GPS zbyt wysoko.

Dodatkowy problem może stanowić chwilowa przerwa w prawidłowej łączności telemetrycznej przekazującej poprawki DGPS.

Lokalne oscylatory niektórych odbiorników są czułe na przyspieszenie, co w przypadku dużej dynamiki ruchu pojazdu może prowadzić do błędów pozycji. Pro-

118 K.K. Vorbrich

blem ten można częściowo rozwiązać przez stosowanie kilku różnych odbiorników GPS na pokładzie tego samego pojazdu.

W praktyce poddano testowaniu wiele sposobów zwiększenia pewności (i do­kładności) pozycji DGPS do nawigacji lądowej . Jednym z nich może być przedłuże­nie nawigacji w modzie 3D + czas lub 3D w sytuacji, gdy nad horyzontem radio­wym jest odbierany sygnał od mniej niż odpowiednio 4 i 3 satelitów. Można to uzy­skać przez wyposażenie pojazdu w dobry wzorzec częstotliwości umożliwiający dokładną nawigację w przypadku dużych PDOP i chwilowym braku czwartego sa­telity gwarantującego odpowiednią geometrię konieczną do wyznaczenia poprawki czasu. Można również używać wartości średniej wysokości nad poziomem morza, wyznaczanej na podstawie przebiegu ruchu pojazdu, w czasie którego prowadził on nawigację 3D. Tego średniego poziomu można używać w momencie prowadzenia nawigacji w modzie 2D jako tzw. wspomagania wysokości elipsoidalnej - altitude aiding. Tak więc w okresach małego PDOP (dobrej geometrii konstelacji) można wyznaczać wysokość elipsoidalną i używać jej potem w momentach złej geómetrii, gdy kierujący pojazdem jest zmuszony prowadzić nawigację 2D. Ten sposób nawi­gacji musi być jednak prowadzony z dużą ostrożnością, szczególnie podczas jazdy w terenie zafałdowanym lub tym bardziej w terenie górzystym.

Stopień pewności pozycji systemu DGPS w nawigacji lądowej można dodatkowo zwiększyć, gdy DGPS jest wspomagany przez inne urządzenia nawigacyjne, takie jak tzw. piąte koło, skomputeryzowany system samochodowy ABS, mierniki skrętu kół, mapę elektroniczną, technikę tzw. map matching, czujniki elektromagnetyczne, tanie układy inercjalne, np. Low-Cost Inertial Measurement Unit IMU itp.

Ważną częścią systemu DGPS jest monitorowanie parametru integrity za pomo­cą tzw. Integrity Monitors !Ms, które mają za zadanie ciągłą weryfikację poprawno­ści działania całości systemu. IM jest ulokowany w miejscu o dokładnie znanych współrzędnych, znajdującym się w pobliżu danej stacji odniesienia DGPS. Jest on wyposażony w ten sam co i ona odbiornik GPS oraz w demodulator. IM śledzi

wszystkie satelity powyżej kąta odcięcia, oblicza pseudoodległości i dodaje do nich odebrane poprawki odnoszące się do stacji odniesienia DGPS . Gdy różnica między dokładnie znaną pozycją a rozwiązaniem nawigacyjnym przekracza uzgodnioną granicę, jest powiadamiana stacja odniesienia, która przekazuje odpowiednią infor­mację w depeszy DGPS transmitowanej do użytkowników systemu.

Inherentną niedoskonałość geometryczną GPS można również ominąć przez do­datkowe obserwacje satelitów geostacjonarnych i/lub rosyjskiego systemu nawigacji satelitarnej GLONASS [10, 19, 31].

Wykorzystanie różnicowego systemu satelitarnego .. .

6. ZINTEGROWANY SYSTEM DGPS!IMU W NAWIGACJI LĄDOWEJ POJAZDÓW

119

Atrakcyjnym i najpewniejszym, choć drogim, rozwiązaniem prowadzącym do zwiększenia pewności pozycji jest zastosowanie w nawigacji lądowej pojazdów zin­tegrowanych systemów łączących DGPS oraz jednostkę inercjalną (tzw. Inertial Measurement Unit IMU). Obecnie są dostępne modele IMU (należące do rodziny tzw. Low-Cost-IMU), charakteryzujące się bardzo dobrą charakterystyką błędów i stosunkowo małym kosztem, na poziomie 20 OOO PLN [22, 36, 37, 38, 40].

Zalety integracji DGPSl(Low-Cost-IMU) w nawigacji lądowej pojazdów wyni­kają z uzupełniania się systemów DGPS i IMU i ekonomiki rozwiązania . IMU cha­rakteryzuje się stosunkowo małym długoterminowym dryftem, małymi błędami przy dużych częstotliwościach przekazywania informacji i bezawaryjnością, jest więc komplementarny do DGPS, charakteryzuje się wystarczającą dokładnością długo­terminową i małymi błędami, ale ma takie wady, jak niska częstotliwość uzyskiwa­nia pozycji i niedostateczna pewność rozwiązania nawigacyjnego.

Ideą zintegrowanego systemu DGPS/IMU jest to, że DGPS używa się do esty­macji w czasie rzeczywistym modelu błędu czujników inercjalnych. Z kolei IMU zapewnia zliczenie pozycji w czasie między dwiema kolejnymi pozycjami DGPS (nawet w sytuacji, gdy do ok. kilkunastu sekund odbiera się sygnał tylko od jednego satelity [25, 37]) . W wypadku używania jako wielkości obserwowanej DGPS fazę pseudonośną IMU można wykorzystać do łączenia momentów „skoku fazy" o war­tości N2TI . Najważniejszym elementem systemu DGPS/IMU jest filtr Kalmana. Na wejściu filtru występują wielkości obserwowane z: DGPS, żyra i akcelerometrów IMU, kompasu elektronicznego, np . typu jl.ux gate wspomagającego określenie

w sposób ciągły kąta drogi pojazdu, barometru wspomagającego określenie wysoko­ści nad elipsoidą odniesienia, lokalnego oscylatora wspomagającego określenie błę­dów czasu, układów zliczania drogi pojazdu lądowego, mapy elektronicznej pracu­jącej w modzie map matching [8, 35, 38] . Zadaniem filtru jest obliczenie modelu matematycznego aproksymującego zachowanie się błędów czujników oraz kalibra­cja błędów w czasie rzeczywistym. Stopień integracji zależy m.in. od rodzaju użyte­go czujnika inercjalnego. System tzw. strapdown !MU wymaga zamkniętej pętli,

która przez wprowadzanie estymacji filtru do inercjalnego rozwiązania nawigacyj­nego zapobiega gwałtownym skokom błędów, na które strapdown !MU sztywno związany z samolotem jest podatny.

Wektor stanu filtru Kalmana może zawierać np. wartości następujących błędów: pozycji 2D, wysokości nad elipsoidą odniesienia, prędkości, przyspieszeń, żyra,

kierunku północy geograficznej . W zamkniętej pętli system DGPS jest traktowany jako odniesienie. Różnica między kalibrowanym IMU i DGPS jest sprowadzana do wartości możliwie bliskiej zeru. W wypadku chwilowej utraty sygnału od wszy-

120 K.K. Vorbrich

stkich prócz jednego satelity GPS brakujące pomiary odległości są zastępowane przez obliczone różnice między hybrydową pozycją pojazdu lądowego, obliczoną z uprzednio kalibrowanego IMU i ekstrapolowaną pozycją satelity, i służą do pod­trzymania filtru Kalmana. Taka ekstrapolacja wektora stanu prowadzi do zwiększe­nia błędów estymacji, których amplituda zależy od dokładności ostatnich pomiarów wejściowych do filtru, profilu toru pojazdu lądowego w czasie utraty sygnału SSZ i czasu tej utraty.

W Europie pierwszy zintegrowany system DGPS/IMU został opracowany pod koniec lat 80. przez Institut fuer Flugfuehrung, Technische Universitaet Braunschweig w Niemczech (TUBS.IFF) i zamontowany na samochodzie laborato­rium oraz na pokładzie samolotu doświadczalnego należących do tego Instytutu [12, 22, 27, 28, 35, 37]. W czasie jazd samochodu oraz próbnych lotów samolotu zaob­serwowano m.in., że podczas manewrów prowadzących do chwilowej utraty sygnału od wszystkich prócz jednego satelity GPS hybrydowa pozycja z wykalibrowanego IMU umożliwiała podtrzymanie prawidłowej pracy filtru Kalmana do 20 s.

Pozycja samochodu wyznaczona z systemu DGPS/IMU była porównywana z pozycją znaczników umieszczonych wzdłuż trasy ruchu samochodu przygotowanej na lotnisku Braunschweig i za pomocą dalmierzy laserowych i teodolitów. W czasie lotów pozycja samolotu wyznaczana z systemu DGPS/IMU była porównywana z pozycją uzyskaną za pomocą bardzo dokładnego lotniczego naziemnego radiowego systemu nawigacyjnego Instrumental Navigation System INS w Hanowerze. System INS doskonale nadaje się do testowania systemu DGPS/IMU w czasie lotu samolo­tu. Dokładność INS jest na poziomie metra, a jego integrity jest na tyle wysokie, że INS może być rutynowo używany do automatycznego lądowania samolotu .

Zarówno w czasie jazdy samochodu, jak i lotu samolotu zaobserwowano, że uzy­skane dokładności DGPS/IMU mieściły się w granicach kilku metrów, a nawet me­tra [38, 39]. Uzyskane integrity zintegrowanego systemu było znacznie wyższe od integrity DGPS lub IMU pracujących samodzielnie, tzn. w modzie stand a/one. Dużą dokładność oraz integrity zintegrowanego systemu DGPS/IMU wykorzystano podczas testowania praktycznych zastosowań w nawigacji samochodu i samolotu .

Dla celów nawigacji lądowej system DGPS/IMU zintegrowano w TUBS.IFF na poziomie programowym z informacją podawaną przez ABS, mierniki skrętu kół, barometr i kompas jlux gate. Uzyskano w ten sposób zintegrowany system nawiga­cji satelitarnej Integrated Satellite Navigation System ISNS. Wykorzystując infor­mację z ISNS, zbudowano w TUBS.IFF komputerowy system kierowania ruchem samochodu, który zdał z powodzeniem egzamin na pasie startowym lotniska w Braunschweig. System ISNS wykorzystywano też podczas jazdy samochodem w terenie, również w środowisku ciągłej zabudowy miejskiej . W terenie miejskim napotkano na duże trudności w utrzymaniu ciągłości rozwiązania nawigacyjnego.

W 1987 roku przeprowadzono w TUBS .IFF pierwszą na świecie zakoil.czoną sukcesem próbę automatycznego lądowania samolotu z użyciem~ DGPS/IMU

Wykorzystanie różnicowego systemu satelitarnego ... 121

w modzie stand a/one. Obecnie w TUBS.IFF wykonuje się tego typu lądowania w sposób rutynowy i pracuje się nad kolejnymi, ulepszanymi wersjami systemu DGPS/lMU. Prace te mają na celu m.in . dostarczenie materialu doświadczalnego potrzebnego międzynarodowej organizacji ICAO w jej pracach nad przyznaniem DGPS/IMU statusu samodzielnego systemu pokładowego single means navigation system SMNS.

Doświadczenia TUBS.IFF w zakresie nawigacji DGPS/IMU były kontynuowane podczas polsko-niemieckiego naukowego projektu finansowanego przez Unię Euro­pejską. Doświadczenia te w zakresie nawigacji lądowej są szczegółowo opisanie w serii artykułów przygotowanych przez autora do druku w Zeszytach Naukowych Politechniki Poznańskiej

PODSUMOWANIE , Teclmika różnicowego GPS (DGPS) w zastosowaniu do nawigacji polega na ob­

liczaniu na stacji odniesienia (o dokładnie znanych współrzędnych) systematycznych blędów obserwacji GPS i transmitowaniu ich do poruszającego się pojazdu wyposa­żonego w odbiornik GPS . Jeżeli stacjonarny i poruszający się odbiornik są na tyle blisko siebie, że systematyczne błędy są wspólne dla obu stacj i, to błędy te mogą być praktycznie wyeliminowane. Umożliwia to uzyskanie w czasie rzeczywistym dokladności od 1 do 3 m dla obserwacji kodu CIA lub około jednego decymetra dla obserwacji fazy pseudonośnej . Wprowadzenie do systemu GPS przez Departament Obrony USA tzw. Selective Availability może dla cywilnych użytkowników pogor­szyć dokładność o 0,5 m na każdą sekundę opóźnienia rozwiązania nawigacyjnego. W obecności S/A i w przypadku półautomatycznego lub automatycznego kierowa­nia ruchem pojazdu lądowego w celu zwiększenia dokładności pozycji DGPS należy przesyłać ze stacji odniesienia surowe dane pseudoodległości [37] .

Pewność systemu DGPS i jego integrity są zbyt małe, aby można było używać DGPS jako samodzielnej pomocy nawigacyjnej w nawigacj i l ądowej , morskiej i lotniczej . W niektórych zastosO\.vaniach nawigacji l ądovvej pojazdów zintegrowanie komplementarnych systemów DGPS oraz inercjalnego (IMU) umożliwia połączenie

dlugotenninowej stabilności i dokładności DGPS z precyzją uzyskiwaną przy dużej dynamice ruchu charakterystyczną dla IMU. W ten sposób można uzyskać doklad­ność i pewność pozycji pozwalające teoretycznie na automatyczne kierowanie takimi pojazdami lądowymi, jak kołujący samolot [27, 28, 41] , samochód na autostradzie [9, 18, 21 , 23, 32, 34], pojazd szynowy [24], traktor wykonujący prace polowe [4]. Zastosowania zintegrowanego systemu DGPS/IMU są wielorakie. Umożliwia on uniezależnienie się od widoczności podczas nawigacji pojazdu lądowego znajdujące­go się wystarczająco blisko stacji odniesienia DGPS . Jest to szczególnie atrakcyjne

122 K.K. Vorbrich

w sytuacji kołowania samolotu na dużych lotniskach, wyposażonych w urządzenia umożliwiające automatyczne lądowanie samolotów [25], jak również jest przydatne do automatycznego kierowania ruchem na autostradach i w kolejnictwie na trasach wyposażonych w dodatkowe czujniki, w akcji poszukiwania i ratownictwa, auto­matycznej kultywacji dużych obszarów upraw za pomocą traktorów i kombajnów. Potencjał nawigacji DGPS jest olbrzymi.

LITERATURA

[I] Abidin H.Z., et al. , Multi-monitor station: „On the Fly'' ambiguity resolution: Theory and preliminary results, w: Proc First Int. Symp. Real Time Differentia! Applications of the Global Positioning System, Sep. 1991, Braunschweig, s. 44.

[ 2) Colombo O.L. , Ephemeris Errors of GPS Satellites, Bull. Geod., 1986, No. 60,

s. 64- 84. [3] DeLoach S.R. , Remondi B., Decimeter positioning for dredging and hydrographic

surveying, w: poz. [I] , s. 258. [4) Elkaim G. , et al. , System identification of a farm vehicle using carrier-phase Diffe­

rentia! GPS, w: Proc. of the 9th Int. Tech. Meeting of the Satel. Div. of the Inst. of Nav., Kansas C., MI, USA, Sept. 17-20, s. 485-494.

[5) ERNP, European Radionavigation Plan (ERNP) - First draft for Working Group

review, Brussels, publ. March, 1996, Paris. [6] Fedorovich V.A, Shebshazevich V.S., Requirements for airborne Differentia! GPS

equipment for approaching airfields having no special landing aids, w: poz. [I], s. 136.

[7] Galijan R. , Analysis and simulation of candidate deployment geometries and cha­racteristics of pseudolites within a tunnel, w: Proc. of the 9th Int. Tech. Meeting of the Satel. Div. of the Inst. of Nav., Kansas C., MI, USA, Sept. 17-20, 1996,

s. 527-533. [8] Gu X. , A real time Differentia! GPS system for aircraft landing, w: poz. [I] , s. 248. [9] Harris C.B., Prototype for a land based automatic vehicle location and navigation

system, The Univ. of Calgary Dep. of Surv. Engin. (UCSE), Thesis-Master of Engin., 1989.

[IO] Hartmann R., Results from GPS/GLONASS flight and static tests, w: ibidem poz. [l], s. 95 .

[11] Hartmann G.K. , Leitinger R. , Range errors due to ionospheric and tropospheric effects for signal frequencies above 100 MHz, Bulletin Geodesique, 1984, No. 58, s. 109-136.

[12] Haverland M., Redecker A , AeroNav and SeaNav. Integrating GPS and GLONASS with inertial sensors for highly accurate real time positioning and navigation, w: Proc. 2nd. Int. Symp. DSNS 93, Amsterdam, March 29 -Apr. 2, 1993, s. Il.

[13] Heimberg F., Seeber G., The Development of a GPS-Based Real Time Differentia!

Positioning System, w: poz. [I] , s. 333 .

Wykorzystanie różnicowego systemu satelitarnego ... 123

[14) ICAO, (1985), Aeronautical Telecommunications. International Civil Aviation

Organisation, (ICAO), Annex 10, Vol. 1, Part 1, 4th Edition, Apr. 1985 .

[15) Jacob Th, Shaenyer G„ System integration of Differentia! GPS and inertial measu­

rement sensors - A system to solve dynamical problems of GPS in high precision

navigation applications, w: poz. [l], s. 150. [16) Junemann K„ Airlines requirements for a Global Navigation Satellite System with

differentia! applications, w: poz. [1] , s. 122. [17 Understanding GPS, Principles and Applications, Ed. D. Kaplan, Artech House,

N.Y., 1996. [18) Kasties G„ et al„ Differentia! GPS in a land vehicle environment, w: Proc. 2nd Int.

Symp. on Diff. Sat. Sys. (DSNS93), Amsterdam, 29 March- 2 Apr. , 1993 .

[19) Kłzantsev V„ Karnauhov V„ GLONASS Satellite Radionavigation System, w: poz.

[l], s. 67. [20) Landau H„ Euler H.J„ The key to decimeter - level Differentia! GPS navigation

carrier phase ambiguity determination in real-time, w: poz. [l] , s.36 .

[21) Lapucha D„ Positioning for a highway precise GPS/INS inventory System, The Univ.

of Calgary Dep. of Surv. Engin. (UCSE) Rep. No 20038. Thesis-Master of Science,

1990, 128 [22) Lindemann U„ Haverland M„ AERONA V - An Integrated Navigation System for

Special Mission Aircraft, w: poz. [l], s. 38. [23) Liu K„ Enhanced GPS usage in urban environments, w: Proc. of the 9th Int. Tech.

Meeting of the Sat. Div. of the Inst. ofNav„ Kansas C„ MI, USA, Sept. 17-20, 1996,

s. 505-508. [24) Lissner A„ Kloss N„ GPS based positive train control: developments and field trials,

w: Proc. of the 9th Int. Tech. Meeting of the Sat. Div. of the Inst. ofNav„ Kansas C„

MI, USA, Sept. 17-20, 1996, s. 554-552. [25] Loh R„ Analysis of GPS for Precision Approaches, w: poz. [l] , s. 107.

[26] McDonald K.D „ Navigation Satellite Systems - A perspective, w: poz. [l], s. 20.

[27) Mohlenkamp K„ Precision navigation for aircraft taxi guidance, w: poz. [1], s. 316.

[28) Mohlenkamp K, Schramm U„ High precision taxiguidance based on a Satellite

Navigation System, w: Proc. 2nd Int. Symp. on Diff. Sat. Sys. (DSNS93), Anister­

dam, 29 March- 2 Apr„ 1993 . [29) RTCA, Minimum Operational Performance Specifications for Airborne Supplemen­

tal Navigation Using Global Positioning System (GPS), RTCA Document

RTCA/D0-208, July, 1993 . [30) Saastamoinen J„ Contributions to the theory of atmospheric refraction, Bulletin Geo­

desique, 1973, No. 107, s. 13-34. [31) Shebshayevich V.S „ Main problems of joint use of GLONASS and NAVSTAR in

differentia! navigation fixing, w: poz. [l], s. 81. [32) Sinko J„ Gilijan R. , An evolutionary Automated Highway System concept based on

GPS, w: Proc. of the 9th Int. Tech. Meeting of the Sat. Div. of the Inst. of Nav„

Kansas C„ MI, USA, Sept. 17-20, 1996, s. 535-544. [33 ] Torbjorn H„ Eivind W„ et al„ Diffstar - five years operational e>.'}Jerience with DGPS

services, w: poz. [l], s. 484.

124 K.K. Vorbrich

[34] Torii H. , Takechi Y. , Vehicle location using GPS in urban areas, w: Proc. of the 5th Int. Tech. Meeting, ION GPS-92, Albuquerque, USA, Sep. 6-18, 1992.

[35] Vieweg S. , Error estimation in a Hybrid Flight Navigation System using realtime Differentia! GPS and Inertial Measurement Units, w: poz. [l], s. 343.

[36] Vorbrich K.K. , Zielir1ski J.B ., Polish national maritime, aviation and SAR radio­navigation requirements for DGPS and integrated DGPS/IMU programs, w: Proc. of the 6th Int. Tech. Meeting of the Sat. Div. of the Inst. of Nav. Salt. Lake City, Sep. 16-18, 1993 .

[37] Vorbrich K.K, Kasties G., Kayser D., Lechner W., Modernisation and accuracy im­provement of the avionic and maritime navigation in Poland, A German - Polish Joint Research Proposal, w: Proc. Third Int. Conf. DSNS'94, London, Apr. 18- 22, 1994, paper no. 75, s. 14.

[38] Vorbrich K.K. , The Real-time positioning with DGPS/IMU for navigation applica­tions in Poland, w: Proc. 3rd International Workshop „High Precision Navigation", Stuttgart, Germany, April 3-5, 1993, s. 8.

[39] Vorbrich K.K. , et al ., Current Maritime and Land DGPS Experiments in Poland, w: Proc. of the 9th Int. Tech. Meeting of the Sat. Div. of the Inst. of Nav., Kansas C. , MI, USA, Sept. 17-22, 1996, str. 335-344.

[40] Vorbrich K.K. , Zieliński J.B., On the Possible Applications of the DGPS/(LOW­COST-IMU) Technique, w: Proc. of the 9th Int. Tech. Meeting of the Sat. Div. of the Inst. ofNav. , Kansas C. , MI, USA, Sept. 17-20, 1996, s. 1009-1018.

[41] Weise K. , The taxi guidance system „TAGSY" as a component for an Airport Ground Traffic Control System, w: poz. [l], s. 323 .

[42] Yuan J., Gu X., Error correction for Differentia! GPS with long separated ground station and user for aircraft landing, w: Proc. GPS'90 SYMP. Ottawa, Canada, Sept. , 1990.

[43] Yuan J. , et al . , Investigation of ionospheric time delay for the use of Differential GPS, w: poz. [l], s. 633 .

USAGE OF THE DIFFERENTIAL GLOBAL POSITIONING SYSTEM DGPS AND OF THE INTEGRA TED SYSTEM DGPS/IMU

IN THE VEHICULAR NAVIGATION (basics)

Sum mary

In the first part of the paper the fundamental aspects of the Global Positioning System GPS and the stand alone GPS static single positioning are summarised. As an introduction to the problem of the real time positioning of the roving platforms by means of the Diffe­rentia! GPS (DGPS) the paper describes the rudiments of the differentia! GPS for the static applications. The definition of the DGPS navigation concept follows. The paper then di­scusses the DGPS pseudo-range and phase observables applicability and optimal baseline lengths from the point of view of the accuracies expected in the landborne navigation. The

Wykorzystanie różnicowego systemu satelitarnego .. . 125

following part of the paper stresses the problem of the DGPS reliability and integrity and concludes tlrnt tl1e integrated satellite system, comprising DGPS, Low-Cost lnertial Me­asurement Unit, baro, fkux gate compass, computerised ABS, wheel sensor, electronic chart coupled wiU1 tl1e map matching technique is capable of elevating most of ilie inhe­rent insufficiencies of tl1e stand alone DGPS in the landborne navigation.