KURZUS: Közlekedéstechnika III.

MODUL: A vízi közlekedés irányítása

8. lecke: Műholdas navigáció

|  | Tanulási célok
| A lecke elsajátítása után Ön képes lesz:
| felsorolni a műholdas navigációs rendszerek három fő összetevőjét (szegmensét) felsorolni a NAVSTAR rendszer földi szegmensének összetevőit. felsorolni a NAVSTAR rendszer űrszegmensének összetevőit, és meghatározni a földi lefedettségének jellemzőjét. megnevezni a NAVSTAR rendszer felhasználói berendezéseit. egy sematikus ábrán értelmezni a műholdas helymeghatározás elvét saját szavaival megfogalmazni a hajózásnál alkalmazott GPS felhasználói készülékek minimális adatszolgáltatásait. felsorolni a GMDSS rendszer szerinti hajózási körzeteket saját szavaival megfogalmazni, hogy mit jelent a háromutas vészhelyzeti riasztás. felsorolni a vészhelyzeti SAR kommunikácós viszonylatokat. saját szavaival megfogalmazni, az elsődleges és másodlagos riasztás eszközeit. felsorolni a WWNWS (World Wide Navigational Warning Services) rendszerhez tartozó információs hálózatokat.
| 4.6.1. A műholdas navigációs rendszerek általános jellemzői
1. | Műholdakkal való helymeghatározásra a '60-as években kezdődtek kísérletek. A '70-es években az USA-ban egy újabb - katonai és polgári felhasználókat egyaránt kiszolgáló - műholdas navigációs rendszer kifejlesztésébe fogtak. Ez a NAVSTAR (Navigation Satellite Timig And Ranging - Navigációs műhold idő- és távolságmérés) GPS (Global Positioning System - Globális helymeghatározó rendszer) rendszer, amely a '90-es évek elején kezdte meg teljes körű működését.
| A műholdas navigációs rendszereknek három fő összetevőjük (szegmensük) van:
| űrszegmens, vezérlő szegmens és felhasználói szegmens.
| Az űrszegmenshez tartoznak a földkörüli pályán keringő műholdak, amelyek adását a felhasználók vevőkészülékei veszik, dekódolják és elvégzik a helymeghatározással kapcsolatos számításokat. A műholdak adása pontos időadatokat, a műholdak pályaadatait, valamint egyéb információkat tartalmaz. A műholdak pályája nem állandó, ezért szükség van a pályaadatok rendszeres időközönkénti aktualizálására.
| A vevőkészülék az adás alapján valamilyen fizikai mennyiséget (Doppler - eltolódás, jel terjedési ideje) mér, amely a helymeghatározás szempontjából, mint navigációs paraméter funkcionál. A helymeghatározást a mért mennyiség, valamint az adásban közölt idő - és pályaadatok alapján a vevőkészülékbe beépített számítógép végzi el.
| A vezérlő szegmens a rendszer földi állomásait foglalja magába. Ezek közé tartoznak a műholdkövető állomások, a rendszer vezérlő (számító- és pontos idő) központja, valamint az adatbetápláló állomások.
| 4.6.1.1. A NAVSTAR GPS rendszer
2. | Általános jellemzők
| A NAVSTAR GPS csúcstechnológiai szinten automatizált mérési és informatikai rendszer. A rendszer űrszegmense 18 db működő (+ 3 tartalék) műholdból áll, 6 egyenletesen elosztott pályasíkban (4.12. ábra).
A NAVSTAR GPS rendszer
4-12. ábra
| A Föld bármely pontjáról egyszerre legalább 4 műhold észlelhető. A műholdak szinkron időjeleket, saját pályájuk adatait és egyéb kiegészítő információkat sugároznak két hordozó (L1 = 1575,42 MHz és L2 = 1227,60 MHz ) frekvencián. A vivőhullámokat az úgynevezett C/A és a P kóddal fázismodulálják. A C/A kód ál-véletlen jelekből áll, a jelsorozat ismétlődési ideje 1 ms. A kódolás algoritmusa hozzáférhető. A P kód ugyancsak ál-véletlen jelekből áll, a jelsorozat ismétlődése azonban 267 nap és a kódolás titkos.
| A vezérlő szegmensben 5 követő állomás működik, amelyek közül három adatinjektálást is végez, egyik pedig egyben a vezérlő központ is. A követő állomások az észleléseket a vezérlő központba küldik, amely pályaszámítást végez, óra - korrekciókat határoz meg, összeállítja a műholdüzenet adatait, és ezeket injektálás céljából az adatbetápláló állomásokhoz továbbítja.
| A rendszer felhasználói szegmensét alkotják a GPS vevőkészülékek és a hozzájuk tartozó feldolgozó programok összessége. A NAVSTAR műholdak vételére alkalmas GPS vevőkészülékek a Föld felületén álló vagy mozgó, illetve a földközeli térségben mozgó objektumok helyzetének és mozgási sebességének a meghatározására, valamint időrendszerének illesztésére szolgálnak. Fogadják a NAVSTAR - holdak mérőjeleit és üzeneteit, ezeket elemzik, és valamilyen szinten feldolgozzák. Sokféle GPS vevőkészüléket készítenek a cél, az operativitás, a bonyolultság és a pontosság függvényében.
| Helymeghatározás
| A NAVSTAR műholdakkal való helymeghatározás elvét a 4-13. ábra szemlélteti.
A helymeghatározás elve
4-13. ábra
| A hajózásban alkalmazott kétdimenziós helymeghatározásra három műhold egyidejű észlelésére van szükség.
| A GPS rendszerben a műholdak távolságának a meghatározása a jelek terjedési idejének a megmérése alapján történik. A vevőkészülékben lévő kódgenerátor előállítja azt a kódot, amelyet a készülék a műholdtól is vesz. Ha műhold és a vevő órái pontosan szinkronizálva vannak, akkor a vett és a helyileg előállított kód ugyanazon pontjai közötti időeltérés ( Δ t ) azzal az időtartammal egyenlő, amely alatt a jel a műholdtól a vevőig eljut. A Δ t időtartam alatt a jel p=c⋅Δ t utat tesz meg, ahol c a fénysebesség. Az így meghatározott p távolságot pszeudotávolságnak (4-14. ábra) nevezik, mivel a mérést terhelő hibák következtében a tényleges p távolság eltér ettől. A távolság-meghatározás elvéből következően minden időmérési hiba egyfajta távolsági hibaként jelenik meg.
A pszeudo távolság meghatározása
4-14. ábra
| A GPS rendszer vezérlő központjában nagy pontosságú atomórákkal határozzák meg a pontos időt - ez az úgynevezett GPS rendszeridő.
3. | A GPS rendszer szolgáltatásai
| A GPS rendszerben a kétdimenziós helymeghatározás mellett, négy műhold vételével háromdimenziós helymeghatározásra is lehetőség nyílik, azaz magasság is mérhető. Kétdimenziós helymeghatározásnál a vevőkészülék a helyzetpont földrajzi koordinátáit ( ϕ; λ) és a pontos időt jelzi ki grafikus képernyőn. A vevőkészülékek a helymeghatározás adatait típustól függő időkorláton belül megújítják (0,5-1sec) újramérik. Az egymást követő helyzetpontok alapján megállapítják a hajó átlagos sebességét és az (előzőleg követett) útirányát a tengerfenékhez viszonyítva.
| A készülékek általában rendelkeznek egy útvonalkövető rendszerrel (programmal) is. A készülék képernyőjén az aktuális térképszelvényen grafikailag is ábrázolja a hajó helyzetét és irányát. Ehhez kapcsolódóan különböző szoftveres feldolgozási lehetőségeket nyújtanak.
| A NAVSTAR rendszerrel való helymeghatározás pontossága függ attól, hogy a vevőkészülék hány csatornás, milyen kódokat vesz, milyen jelfeldolgozási technikát alkalmaz és milyen (abszolút-, vagy relatív) helymeghatározást végez. A GPS rendszer igen nagypontosságú helymeghatározást tesz lehetővé, mindazonáltal a rendszer üzemeltetőinek célja - a katonai alkalmazások lehetőségére való tekintettel - hogy az azonnali (on-line), abszolút helymeghatározást végző polgári felhasználók (ilyen pl. a hajózás is) ne érhessenek el 50%-os valószínűséggel 50 m-nél pontosabb helymeghatározást.
| A GPS-szel való helymeghatározás abszolút és relatív (differenciális) módon történhet, továbbá a jelel fázismérésével, vagy - mint ahogy azt a korábbiakban bemutattuk - a kódok mérésével. A kódok mérésével való helymeghatározásnak három abszolút és egy relatív alkalmazási módja van:
| PPS (Precise Positioning Service - Pontos helymeghatározási szolgálat): kétcsatornás, P kódot használó vevőkészülék esetén. Helymeghatározás (50%-os) pontossága: 7 m. SPS (Standard Positioning Service - Szokványos helymeghatározási pontosság): szelektív hozzáférésű - tehát a torzítatlan jelet alkalmazó - L1 frekvenciát és C/A kódot használó vevők. Helymeghatározás pontossága: 15 m. SPS (Degraded): Csökkentett pontosságú SPS. A csökkentett pontosságú pályaadatokat és órajeleket vevő készülékek. Az ezzel való helymeghatározás pontossága L1 frekvencia és C/A kód esetén 50 m. Differenciális (relatív) GPS technika: kb. 3 m.
| A geodéziában alkalmazott - fáziskülönbséget mérő, differenciális és nem on-line helymeghatározást végző berendezésekkel - cm-es nagyságrendű helymeghatározási pontosság érhető el.
| 4.7. Felkutatás és mentés - SAR
4. | A hajók biztonságos közlekedéséhez a navigációs és az összeütközés-elhárítási adatokon túlmenően számos más információra is szükség van (pl. az időjárásra és a tengerállapotra, illetve a vízállásokra vonatkozó adatok, forgalmi korlátozások stb.). Előfordulhatnak vészhelyzetek, amikor a hajó irányításának célja a normál üzemtől (szállítás) eltérően a saját hajó mentése, vagy más - segélykérő - hajók felkutatása és mentése lesz.
| 4.7.1. A GMDSS rendszer
| A GMDSS (Global Maritime Distress and Safety System = Globális Tengeri Vészjelző és Biztonsági Rendszer) alapgondolata, hogy a parti bázisú mentési és felkutatási központokat, valamint a szerencsétlenül járt hajóhoz elérhető közelségben levő hajókat a korszerű vészjelző berendezések segítségével rendkívül gyorsan riasszák. Ennek köszönhetően elérthetővé válik, hogy a mentést minimális időkéséssel megkezdjék. Emellett az RCC (Rescue Coordination Centre - Mentési Koordináló Központ) összehangolja, irányítja a mentést, így növelve annak hatékonyságát. A rendszer további előnye, hogy lehetővé válik a biztonságos hajózást segítő közleményeknek az eddigieknél gyorsabb továbbítása, elsősorban part - hajó viszonylatban. Ilyen közlemények például időjárás-jelentés, navigációs információk stb. A hajók működési körzetüktől függetlenül, a földfelszín bármely pontjáról riaszthatják a rendszert, illetve beszerezhetik a biztonságos hajózáshoz szükséges adatokat. A GMDSS rendszert a 4-15. ábra mutatja be.
A GMDSS rendszer
4-15. ábra
| RCC = Mentési Koordináló Központ CRS = Parti rádióállomás CES = INMARSAT Földi - partiállomás LUT = Helyi felhasználó számítógép terminál N/I NW = Nemzeti és nemzetközi távközlési hálózat
| A rendszer három nagy feladatköre a következő:
| riasztás, mentés és felkutatást koordináló kommunikáció, helyszíni kommunikáció.
| Tekintve, hogy a GMDSS alapkoncepciója az, hogy - függetlenül attól, hogy milyen messze van a partoktól,- elsődlegesen a SAR körzet szerinti RCC-t kell riasztani. Azért, mert a RCC-nek van kellő rátekintése arra, hogy az adott helyzetben milyen technikát kell és lehet bevonni a mentésbe. A rendszerhez tartozó különféle rádiófrekvenciás alrendszerek földrajzi hatótávolság tekintetében egymástól eltérő lehetőségeket biztosítanak, ezért azt, hogy egy hajón ezen berendezések közül melyeket követelik meg a "hajó működési körzete" dönti el.
| Az elsődleges riasztás a DSC modem használatával történik. A DSC (Digital Selektiv Coll) lényegében a hajón kötelezően előírt - GPS-el közvetlen kapcsolatban lévő - rádióberendezés egyik menüpontjára utal mely alkalmas a vészhelyzeti előírásoknak megfelelő vészjelzést adni a területileg illetékes (M)RCC- felé. A készülék által minimálisan továbbított adatok: MMSI: hajópozíció: időpont.
| A másodlagos riasztás eszköze az (EPIRB= Emergency Position Indicating Radio Beacon) keresztül.
| Az MMSI(Maritime Mobile System Indentification) egy azonosító szám amiből az MRCC azonosítani tudja a hajót.
| A GMDSS tengeri körzetekből az alábbi rendszerekkel lehet a riasztást teljesíteni, a körzetek a következők:
| A 1 körzet: a szárazföldön létesített VHF-n működő parti állomások hatótávolságán belüli tengerrész (20-30 tmf a partoktól). Elsődleges: VHF-DSC, Másodlagos: EPIRB a következő felsorolásból az egyik:VHF-DSC EPIRB, vagy INMARSAT-EPIRB, vagy COSPAS-SARSAT EPIRB
| A 2 körzet: a szárazföldön létesített középfrekvencián üzemelő parti állomások hatótávolságán belüli - az A 1-es körzeteken kívül eső - tengerrészek (rendeltetésszerű üzemnél 100 tmf.) Elsődleges: MF-DSC, Másodlagos: EPIRB a következő felsorolásból az egyik: INMARSAT-EPIRB, vagy COSPAS-SARSAT EPIRB
| A 3 körzet: a geostacionárius tengeri távközlési műholdak határterületén belül eső - az A 1 és A 2 körzeteken kívül eső - tengerrészek, óceánok (kb. 70° N-70° S közé eső területek.) Elsődleges: HF-DSC,és/vagy INMARSAT Másodlagos: EPIRB a következő felsorolásból az egyik: INMARSAT-EPIRB, vagy COSPAS-SARSAT EPIRB
| A 4 körzet: az A 1, A 2, A 3 körzeteken kívül eső többi tengeri körzet. Elsődleges: HF-DSC, Másodlagos: COSPAS-SARSAT EPIRB
| A riasztás alapvető feladata, hogy veszély esetén a katasztrófa gyors és sikeres bejelentése alapján, azonnal megkezdődjön a mentés, ill. ennek összehangolása. A rendszer háromutas riasztásra képes: hajóról - partra (H/P), hajóról - hajóra (H/H), partról - hajóra (P/H). A riasztás az alábbi módokon történhet:
| A riasztást foghatja a fenti körzetek függvényében elsődlegesen egy parti rádióállomás, vagy a rendszerhez tartozó valamely műhold. Esetlegesen szólhat egy közelben tartózkodó hajónak. A Mentési Koordináló Központ (RCC) azonnal riasztja a mentő és felkutató (SAR) egységeket, ill. a baleset környékén tartózkodó hajókat.
| A veszélyben levő hajó közelében tartózkodó hajók körzettől függően közvetlenül, vagy műholdon keresztül kapják a riasztást az RCC állomásoktól. Annak elkerülésére, hogy távolabbi - a mentésre nem képes - hajókat is riasszák, a riasztás "körzethívással" történik, amelynek következtében csak a szerencsétlenül járt hajó körzetében levő hajókat értesítik. A riasztás vételekor az említett hajóknak azonnal kapcsolatba kell lépni a RCC-vel.
| A felkutatást koordináló kommunikáció egyfelől a mentésben résztvevő hajók és légi járművek között, másfelől az RCC és az OSC (On-Scene Commander - Helyszíni Kutatásvezető), valamint a CSS (Coordinator Surface Search - Felszíni Kutatásirányító) együttműködéséhez szükséges. A helyszíni kommunikáció alatt a veszélybe jutott hajó és a mentésre érkező egységek közötti kommunikációt értjük. A közlemények továbbítására általában a vészjelző és biztonsági forgalomra kijelölt frekvenciákat használják.
5. | 4.7.2. A GMDSS kommunikációs rendszerei
| A GMDSS rendszerben műholdas és földi kommunikációs rendszerek működnek. A GMDSS műholdas rendszerei az
| INMARSAT (International Maritime Satellite Organization - Nemzetközi Tengerészeti Műhold Szervezet) és a COSPAS- SARSAT rendszer.
| Az INMARSAT rendszer egy általános tengerészeti és szárazföldi kommunikációs rendszer, amelyet a GMDSS - ben vészriasztásra (INMARSAT EPIRB), valamint vész- és biztonsági kommunikációra alkalmaznak. A hajózás biztonságával kapcsolatos kommunikáció az EGC rendszerrel (Enhanced Group Call System - Csoportos hívási rendszer) valósítható meg. A COSPAS - SARSAT rendszer a vészhelyzetjelző rádióbójákon (EPIRB, ELT) keresztül vész-riasztásra szolgál.
| A földi kommunikációs rendszereket az adási frekvencia (VHF, HF, MF) és a hatótávolság alapján csoportosítjuk. A hatótávolság alapján a GMDSS földi kommunikációs rendszerei a következők:
| Nagy távolságú kommunikációs rendszerek Középtávolságú kommunikációs rendszerek Rövid távú kommunikációs rendszerek
| A GMDSS kommunikációs rendszerei közé tartoznak még a túlélési járműveken elhelyezett radartranszponder (SART) és a hordozható VHF rádiótelefon. A GMDSS rendszereit az elmondottak szerint az alábbi táblázat foglalja össze:
| A GMDSS rendszerei
| COSPAS/ SARSAT | WWNWS | VHF,HF,MF | SART,mobil VHF
Nemzetközi Tengerészeti Műhold Szervezet | Felkutatási és mentési műholdas rendszer (poláris pályán kis magasságban keringő műholdak) | Globális Navigációs Figyelmeztető Szolgálat | Parti és hajófedélzeti rádióállomások | Túlélési jármű-ben elhelyezett berendezések
H/P, P/H, H/H | H/P | P/H | H/P, P/H, H/H | H/H
EGC (P/H) Csoportos Hívási Rendszer | EPIRB Vészhelyzetjelző rádióbója (406 MHz) | NAVTEX 400 tmf - es adási körzet (518 KHz) | DSC Digitális Szelektív Hívás (70-156 MHz és 2-16 MHz közötti sávokban kijelölt frekvencián) | SART Radartranszponder
EPIRB Vészhelyzetjelző rádióbója (1,6 GHz) | ELT, LPB Légi és szárazföldi vészhelyzetjelző bóják | NAVAREA Nyílttengeri körzet |  |
|  | INMARSAT EGC rendszeren keresztül az A3 - as körzetben lévő hajók számára |  |
| 4.8. Irodalomjegyzék a 4. fejezethez
| 1. Ugróczky László-Kenéz Attila: Hajózástan I. (Földrajzi navigáció) Kézirat. Tankönyvkiadó, Budapest, 1989.
| 2. Ugróczky László: Hajózástan III. (Elektronikus navigáció) Kézirat. Tankönyvkiadó, Budapest, 1986.
| 3. Kenéz Attila: Navigációs berendezések II/1. Kézirat. Tankönyvkiadó, Budapest, 1982.
| 4. Bevezetés a GPS technikába Szerk.: Borza T.-Fejes I. - Mihályi Sz. FÖMI Satellite Geodetic Observatory, Budapest, 1989.
| 5. Sonneberg, G.J.: Radar and electronic navigation 5th ed. Newnes-Butterworths, London, 1979.
| 6. Global Maritime Distress and Safety System International Maritime Organization, London, 1987.
| Összefoglaló kérdések
| 1. Melyek a műholdas navigáció általános jellemzői?
| 2. Hogyan működik a NAVASTAR GPS rendszer?
| 3. Milyen szolgáltatásokat nyújt a NAVASTAR GPS?
| 4. Mi a GMDSS rendszer működési elve?
| 5. Milyen kommunikációs rendszerekből áll a GMDSS rendszer?
| Ellenőrző feladatok

|  | 1. Melyek a Navstar műholdak pályajellemzői?
| a) geostacionális pályán keringenek 36000km magasságban
| b) földfelszíntől 20200km magasban keringenek
| c) a pályasíkok az egyenlítővel 55 fokos szöget zárnak be
| d) a holdak konkrét helyét az adtaforgalom sűrűsége határozza meg
| e) a pályasíkok egyenletesen vannak elosztva
| 2. Milyen pontosságot lehet elérni a Navstar GPS rendszerrel?
| a) a rendszer egységesen 50%-os valószínűséggel 30méteres pontosságot garantál
| b) cm-es nagyságrendű pontosságot, de ezt csak tudományos kutatás és ellenőrzött katonai felhasználáshoz biztosítják
| c) on-line polgári felhasználás esetén Standard Positioing Service 15 méteres pontosságot nyújt
| d) bizonyos felhasználóknak legfeljebb 50%-os eséllyel 3 méteres pontosságig garantált
| 3. Milyen gyakorisággal mér (újítja fel a helymeghatározás adatait) a Navstar GPS?
| a) 10 percenként
| b) 30 szekundumonként
| c) a készülékektől függően általában 1 sec-on belül
| 4. Sarkvidéki körzetekben melyik kommunikációs műhold biztosítja a megfelelő kapcsolatokat?
| a) Navstar
| b) Inmarsat
| c) Cospass
| 5. Mi az EPIRB?
| a) hajókon használatos digitális adattároló bója (hasonlatos mint a repülőgépek fekete doboza)
| b) másodlagos vészriasztásra szolgáló jelzőbója amely műholdas kommunikáción keresztül riaszt
| c) Elsődleges pirotechnikai bója, amely vízbe kerülve narancssárga füsttel jelez