Lucrarea de diplomă este dezvoltată în cadrul departamentului de Comunicații al Universității Politehnica din Timișoara. [309886]

[anonimizat]:

Prof.dr.ing Naforniță Corina

Absolvent: [anonimizat], 2019

Acronime

Sinteza lucrării

Lucrarea de diplomă este dezvoltată în cadrul departamentului de Comunicații al Universității Politehnica din Timișoara.

Scopul acestei lucrări este de a analiza si de a [anonimizat] a [anonimizat]: Timișoara-UPT, Cluj-UTCN, Iași-TUIAȘI.

Aria de acoperire a [anonimizat]. [anonimizat]: [anonimizat], [anonimizat] (SDCM) și sistemul de navigație Augmented Navigation (GAGAN) ajutat de GPS. [anonimizat]: o raportare automată a performanței EGNOS pe teritoriul României și evaluarea altor SBAS vizibile din România.

[anonimizat] o [anonimizat], transportul la sol și pentru alte aplicații .

Figure 1: EGNOS Ranging and Integrity Monitoring Stations (RIMS) Sites

Noțiuni introductive

Prin sisteme de navigație prin satelit (GNSS – Global Navigation Satellite Systems), se înțelege un sistem independent care reușește să calculeze poziția geospațială a obiectelor de pe pământ sau din spațiu cu ajutorul semnalelor recepționate de la sateliții de navigație sau de la pseudoliți (relee terestre). [anonimizat], rachetelor etc. .

Pentru stabilirea unei poziții receptorul trebuie să recepționeze semnale (poziția și ora) simultan de la cel puțin 4 sateliți. Micile diferențe dintre semnale sunt apoi folosite la determinarea poziției receptorului. . [anonimizat] (viteza luminii). [anonimizat]-[anonimizat].

[anonimizat]. În ceea ce privește influența ionosferei (strat ionizat al atmosferei) și a troposferei, mărimea erorilor provocate depinde de activitatea solară și de elevația satelitului. [anonimizat] o [anonimizat].

[anonimizat], trei componente:

[anonimizat] o constelație de sateliți ce orbitează deasupra Pământului și transmit semnale pe cel puțin două frecvențe;

segmentul de control sau terestru, acesta fiind responsabil de monitorizarea semnalelor emise de sateliți, calculul datelor de navigație și transmiterea acestora către sateliți; acesta este compus dintr-un grup de stații de monitorizare dispersate la nivel global (sau local), antene de sol pentru comunicarea cu sateliții, un centru de control principal și un centru de rezervă într-o locație diferită;

segmentul de utilizatori, format din receptoare GNSS de la sol, de pe mare, din aer și chiar din spațiu, atât civile cât și militare.

De multe ori, termenii GNSS (Global Navigation Satellite System) și GPS (Global Positioning System) sunt utilizați interschimbabil, dar există diferențe esențiale între cele două. În momentul actual, cel mai cunoscut sistem de navigație prin satelit este GPS (Global Positioning System).

GNSS (Global Navigation Satellite System) reprezintă sistemul global de navigație prin satelit și este termenul generic standard pentru sistemele de navigație prin satelit care oferă o poziționare geo-spațială autonomă cu acoperire globală. Acest termen include, de ex. sistemele GPS, GLONASS, Galileo, Beidou și alte sisteme regionale. GNSS este un termen folosit în întreaga lume. Avantajul de a avea acces la mai mulți sateliți este acuratețea, redundanța și disponibilitatea în orice moment. Deși sistemele prin satelit nu eșuează adesea, dacă nu reușim, receptoarele GNSS pot recepționa semnale de la alte sisteme. De asemenea, dacă linia de vedere este obstrucționată, accesul la mai mulți sateliți este, de asemenea, un avantaj. Sistemele GNSS comune sunt GPS, GLONASS, Galileo, Beidou și alte sisteme regionale.

3. Clasificare și scurta descriere a sistemelor de navigație prin satelit

Sisteme globale de navigație prin satelit

3.1.1 GPS (Global Positioning System sau Sistem de Poziționare Global) este un sistem global de navigație prin satelit și unde radio.

Sistemul GPS este o rețea de sateliți care orbitează în jurul Pământului în puncte fixe deasupra planetei, transmițând semnale tuturor receptorilor aflați la sol. Segmentul spațial GPS cuprinde un număr de 32 de sateliți dispuși pe 6 plane orbitale înclinate la la o altitudine de 20230 km, perioada de revoluție a sateliților fiind de 11 ore si 56 de minute. Sateliții emit semnale modulate cu coduri și mesaje de navigație, fiecare satelit transmițând semanle radio sub forma a două unde, pentru utilizatori civili și pentru utilizatori militari.

În figura 2 este prezentată distribuția sateliților sistemului de navigație GPS.

Figura 2: Distribuția sateliților GPS

Segmentul de control are în vedere funcționarea corectă a sistemului GPS și este format dintr-o rețea de monitorizare, o stație principală de control și antene de sol. De-asemenea, sistemul de control este responsabil și pentru problemele de securitate ale sistemului.

Segmentul utilizator este format din receptoarele GPS care au principala funcție de a recepționa semnalele GPS și de a rezolva ecuațiile de navigație pentru obținerea coordonatelor și pentru obținerea unui timp foarte exact.

În figura 3 este prezentată arhitectura sistemului de navigație GPS cu toate cele 3 segmente ale sale: segmetul spațial, segmentul terestru și segmentul utilizator.

Figura 3: Arhitectura sistemului de navigație GPS

3.1.2 GALILEO reprezintă sistemul de navigație prin satelit, aflat în prezent în dezvoltare, reprezintă un produs al colaborării dintre ESA (European Space Agency) și EC (European Commission). Primii sateliți au fost lansați în 2011, pentru ca, la sfârșitul lui 2016 să fie furnizate primele servicii.

Sistemul este încă în construcție, în timp vor fi testate și puse la dispoziție servicii noi, finalizarea sistemului fiind estimată pentru 2020 și prevăzând segmental spațial cu o constelație formată din de 30 de sateliți dispuși pe 3 plane orbitale înclinate la la o altitudine de 23616 km, având perioada de revoluție a unui satelit de aproximativ 14 ore. La momentul în care Galileo va fi pe deplin funcțional, acesta va îngloba sistemul EGNOS, un sistem complementar de îmbunătățire a navigației prin satelit, bazat, la ora actuală, pe datele oferite de GPS.

În figura 4 este prezentată distribuția sateliților sistemului de navigație GALILEO.

Figura 4: Distribuția sateliților GALILEO

Segmentul terestru este responsabil pentru precizia pe orbită și controlul semnalelor sistemului Galileo și este alcătuit din două centre de control, stații de telemetrie, stații de uplink și stații de senzori. Controlul constelației sateliților, procesarea integrității semnalului și manipularea datelor legate de elemente interne și externe sunt realizate de cele două centre de control aflate în Germania și Italia.

Segmentul utilizator cuprinde receptoare care au ca principal scop recepționarea semnalelor Galileo.

În figura 5 este prezentată arhitectura sistemului de navigație GALILEO cu toate cele 3 segmente ale sale: segmetul spațial, segmentul terestru și segmentul utilizator.

Figura 5: Arhitectura sistemului de navigație GALILEO

3.1.3 GLONASS (Global Navigation Satellite System/ Global’naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema)

Segmentul spațial GLONASS cuprinde un număr de 24 de sateliți dispuși pe trei plane orbitale, câte opt în fiecare plan orbital, încliante la , la o înălțime de aproximativ 19100 km. Perioada de revoluție a sateliților este de 11 ore si 16 minute, în fiecare moment fiind 5 sateliții în vedere din orice loc de pe pământ. Fiecare satelit al sistemului va ocupa aceeași poziție dupa 8 zile, neexistând o repetare identică după o zi siderală, întrucât acea pozițe va fi ocupată de un alt satelit. Acest lucru diferențează sateliții sistemului GLONASS de sateliții sistemului GPS, în care are loc o repetare identică după o zi siderală.

În figura 6 este prezentată distribuția sateliților sistemului de navigare GALONASS.

Figura 6: Distribuția sateliților GLONASS

3.1.4 BeiDou își are originea într-un sistem regional care a luat naștere în anul 2003, format din 3 sateliți, destinat pentru deservirea utilizatorilor din China si regiunile învecinate.

La momentul actual, sistemul a devenit unul global, însă se află în curs de dezvoltare, iar în anul 2020 va asigura o acoperire globală. Constelația sistemului va fi compusă din 35 de sateliți dintre care 5 sateliți în orbita geostaționară.

În figura 7 este prezentată distribuția sateliților sistemului de navigare BeiDou.

Figura 7: Distribuția sateliților BeiDou2

În afară de aceste sisteme globale de navigație prin satelit, merită amintite și alte sisteme regionale de poziționare.

3.1.5 QZSS (Quasi-Zenith Satellite System) este un sistem regional de poziționare aflat în curs de dezvoltare în Japonia, zona de servicii acoperind Asia de Est și Oceania. Sistemul spațial QZSS este format din trei sateliți plasați pe orbite înclinate la o altitudine de 32000 km și un al patrulea satelit geostaționar. Dintre cei trei sateliți plasați pe orbite înclinate, unul dintre ei trebuie să se afle tot timpul la zenit în Japonia, lucru necesar datorat existenței clădirilor înalte care blochează cu ușurință semnalul satelitar.

3.1.6 NAVIC (Navigation with Indian Constellation), denumit inițial IRNSS (Indian Regional Navigation Satellite System), este sistemul regional de navigație prin satelit, aflat în curs de dezvoltare în India, care oferă servicii de poziționare și sincronizare în timp real. Primul satelit a fost în luna iulie a anului 2013, la ora actuală constelația fiind completă și având în componență trei sateliți geospațiali și patru sateliți aflați pe orbite înclinate. Sistemul este conceput să ofere o precizie a poziției de 10 m pe terioriul indian, 20 m în Oceanul Indian, precum și o regiune care se întinde pe o distanță de 1500 km în jurul Indiei.

Sisteme complementare de îmbunătățire a navigației prin satelit

3.2.1 EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service)

La momentul în care Galileo va fi pe deplin funcțional, acesta va îngloba sistemul EGNOS, un sistem complementar de îmbunătățire a navigației prin satelit, bazat, la ora actuală, pe datele oferite de GPS. EGNOS nu este singurul sistem de acest tip, în Statele Unite ale Americii funcționând WAAS (Wide Area Augmentation System), în Japonia MSAS (Multi-functional Satellite Augmentation System). India deține un sistem similar denumit GAGAN (GPS and GEO Augmented Navigation), iar Federația Rusă își modernizează sistemul GLONASS prin propriul SBAS – SDCM (System for Differential Corrections and Monitoring); similar, China își modernizează sistemul de navigație denumit BEIDOU.

O diferență importantă între SDCM și celelalte SBAS este că acesta este conceput ca un sistem de îmbunătățire a navigației ce folosește atât semnalele furnizate de sateliții GPS, cât și cele furnizate de cei ai GLONASS, în timp ce celelalte SBAS furnizează corecții și mesaje de integritate bazate doar pe sateliții GPS.

În ceea ce privește sistemul european de îmbunătățire a navigației prin satelit, cele mai importante componente ale EGNOS sunt

componenta terestră formată din:

RIMS (Ranging & Integrity Monitoring Stations) – stații de referință care monitorizează sateliții;

MCC (Mission Control Centres) – centre de control;

NLES (Navigation Land Earth Stations) – stații de up-link;

componenta spațială formată din sateliții geostaționari.

La momentul actual, componenta terestră este formată din aproximativ 40 de stații de referință, 4 centre de control (situate în Germania, Italia, Spania și Marea Britanie) și 6 stații de up-link, o privire de ansamblu a sistemului fiind oferită în figura 8.

Figura 8: Arhitectura EGNOS

Fiecare stație de monitorizare, a cărei locație este cunoscută foarte exact, colectează date brute de la sateliți, transmițând erorile detectate la centrele de control. La acestea din urmă se realizează o prelucrare a datelor în timp real, efectuându-se corecții diferențiale care se transmit prin intermediul stațiilor de up-link către sateliții geostaționari fiind difuzate apoi către utilizatori, în aria de acoperire. Astfel, precizia actualelor semnale GPS este îmbunătățită la mai puțin de 2 m, având o disponibilitate de peste 99%. Mai mult, sistemul furnizează un mesaj de integritate referitor la continuitatea și disponibilitatea semnalului, cât și un semnal de timp universal extrem de exact.

EGNOS este esențial pentru aplicații în care precizia și integritatea sunt critice. În 2011 EGNOS a fost certificat pentru aviația civilă, satisfăcând standardele ICAO (International Civil Aviation Organization). Pe lângă acest sector, de acest sistem beneficiază numeroase alte domenii, cum ar fi transporturile, navigația maritimă, supravegherea și cartografierea.

Aria de acoperire a EGNOS cuprinde majoritatea Europei, aceasta depinzând de dispunerea stațiilor de monitorizare, iar România se află la granița acestei zone, beneficiind doar parțial de serviciile acestui sistem. În prezent, sunt în derulare câteva proiecte pentru extinderea EGNOS. Monitorizarea performanței sistemului în zonele de frontieră este fundamentală pentru acest proces de extindere, România fiind o locație ideală pentru realizarea de măsurători.

Mai mult decât atât, receptoarele plasate în România vor putea urmări atât sistemul SDCM (System for Differential Corrections and Monitoring) al Federației Ruse, cât și sistemul GAGAN (GPS and GEO Augmented Navigation) al Indiei. Colectarea datelor și efectuarea de măsurători pe aceste sisteme oferă posibilitatea comparării performanțelor lor cu cele ale EGNOS și, eventual, se pot crea premisele aducerii unor îmbunătățiri sistemului european.

Dezvoltarea mai multor SBAS în vecinătatea Europei, având sateliți geostaționari apropiați ca poziție de cei folosiți de EGNOS, sporește importanța monitorizării acestor semnale datorită apariției necesității de a observa modul în care acestea interferează cu sistemul european.

De asemenea, sunt foarte importante măsurătorile asupra calității semnalelor unui satelit geostaționar aflat la o elevație foarte joasă, lucru care presupune faptul că receptoarele utilizatorilor se află departe de direcția lobului principal al antenei satelitului respectiv. Aceste evaluări pot furniza date importante referitoare la performanțele sistemului la nivel de utilizator în zonele de la marginile ariei de acoperire.

Pentru România, EGNOS reprezintă o oportunitate pentru îmbunătățirea siguranței și eficienței aviației, pentru agricultură, transportul la sol și pentru alte aplicații.

Prin studii recente s-a demonstrat că estimările cu privire la performanțele sistemului sunt optimiste în țările aflate la granița ariei de acoperire și în realitate semnalul suferă o degradare semnificativă, mai ales acolo unde vizibilitatea este redusă (de exemplu, în zonele împădurite) sau în zonele urbane.

În cazul Finlandei – o altă țară care se află la limita zonelor de acoperire a sistemului european (EGNOS) și a celui rusesc (SDCM) – studii efectuate de Institutul Finlandez de Cercetări Geospațiale au demonstrat că, în anumite situații, sistemul rusesc oferă o precizie mai bună decât cel european.

Cea mai plauzibilă explicație pentru acest rezultat ar fi faptul că sistemul rusesc utilizează atât semnalele furnizate de sateliții GPS, cât și pe cele furnizate de cei ai GLONASS, în timp ce EGNOS furnizează corecții și mesaje de integritate bazate doar pe sateliții GPS.

3.2.2 MSAS (Multi-functional Satellite Augmentation System) este un sistem japonez de îmbunătățire a navigației prin satelit care are în componență 6 stații de referință ( situate în Japonia, una in Hawaii, una în Australia) și 2 sateliți geostaționari. (Figura 9)

În ceea ce privește sistemul japonez de îmbunătățire a navigației prin satelit, acesta este format din trei segmente:

Segementul terestru care conține 4 stații de monitorizare la sol (GMS) care colectează informații referitoare la semnalele GPS și MTSAT (Multifunctional Transport Satellites).

Segmentul spațial conține 2 sateliți geosincroni, sateliții MTSAT (Multifunctional Transport Satellites), care sunt utilizați și în scopuri meteorologice.

Segmentul utilizator conține receptorul GPS și SBAS. Acesta utilizează informațiile transmise de la fiecare satelit GPS pentru a determina locația, ora curentă și care primește corecții MSAS (Multi-functional Satellite Augmentation System) din segmentul spațial.

În figura 9 este prezentată arhitectura sistemului de navigație MSAS:

Figura 9: Arhitectura MSAS

3.2.4 WASS (Wide Area Augmentation System) este un sistem american de îmbunătățire a navigației prin satelit care are în componență 3 segmente principale:

segmentul terestru cuprinde stațiile de referință care sunt localizate aproape în fiecare stat care face parte din S.U.A., precum și alte câteva state poziționate în Canada, Mexic și Puerto Rico.

Segmentul spațial este alcătuit din mai mulți sateliți de comunicații. Acestia difuzează mesaje de corecție și informații privind raza de acțiune. De asemenea, o caracteristică comună, atât pentru sateliții de comunicații cât și pentru sateliții GPS obișnuiți, este reprezentată prin difuzarea informațiilor privind raza de acțiune.

Segmentul utilizator cuprinde receptorul GPS și WAAS. Acestea utilizează informațiile transmise de la fiecare satelit GPS pentru a determina locația și ora curentă, primind corecții WAAS din segmentul spațial.

În figura 10 este prezentată arhitectura sistemului de navigație WASS:

Figura 10: Arhitectura WAAS

3.2.4 SDCM (System for Differential Corrections and Monitoring) face parte din categoria SBAS aflat în curs de dezvoltare în Federația Rusă ca componentă a GLONASS. Deja s-au implementat 3 sateliți geostaționari dispuși la și longitudine estică, respectiv longitudine vestică. Performanțele de poziționare oferite de SDCM vor fi de 1 până la 1,5 metrii în plan orizontal și de 2 până la 3 metrii în plan vertical. Spre deosebire de alte sisteme, sistemul rusesc poate oferi corecții bazate atât pe datele furnizate de sateliții GLONASS cât și pe cele oferite de GPS.

În figura 11 este prezentată arhitectura sistemului de navigație SDCM:

Figura 11: Arhitectura SDCM

3.2.5 GAGAN (GPS and GEO Augmented Navigation), sistemul indian de îmbunătățire a navigației prin satelit, dispune de 15 stații de referință situate pe teritoriul Indiei și 3 sateliți geostaționari dispuși la 55o, 83 o, respectiv 93,5o longitudine estică.

Elementele cheie ale GAGAN sunt:

15 stații de referință (INRES)

2 centre de control (INMCC)

3 stații înalte (INLUS)

lanțuri de rețea (OFC și VSAT)

3 stații geostaționare.

În figura 11 este prezentată arhitectura sistemului de navigație SDCM:

Figura 12: Arhitectura GAGAN

3.2.6 Alte sisteme regionale

Pe lângă sistemele complementare spațiale prezentate, și-au exprimat dorința de a începe proiecte de realizare a unor sisteme SBAS și alte națiuni. Unele dintre aceste sisteme se află în curs de proiectare sau în faza de realizare. Dintre aceste sisteme complementare merită amintite:

ASAS (African Satellite Augmentation System) este un sistem SBAS aflat în dezvoltare în cadrul continentului african, care va avea o rețea formată din 55-60 stații de referință și 5 centre de control, iar segmentul spațial va fi format din 3 sateliți geostaționari dispuși la longitudine vestică respectiv și longitudine estică.

SACCSA (Soluciόn de Aumentaciόn para Caribe, Centro y Sudamérica) reprezintă o inițiativă de îmbunătațire a siguranței traficului aerian în regiunea Amercii de Sud și Caraibe prin intermediul unui sistem SBAS.

SNAS (Satellite Navigation Augmentation System) este dezvoltat de către guvernul chinez si va deservi sistemul BeiDou.

4. Îmbunătățirea navigației utilizând sistemul EGNOS prin implementarea unor stații de monitorizare pe teritoriul României

Aria de acopeire EGNOS depinde de dispunerea unor stații de monitorizare. Din prisma faptului ca România se află la granița acestei zone, beneficiind doar parțial de serviciile acestui sistem, un interes major este prezentat la studierea modului în care s-ar putea îmbunătăți performanțele sistemului de navigație prin implementarea unor stații de monitorizare pe teritoriul României și beneficiile pe care acest sistem le-ar aduce în diverse domenii.

În aria sa de acoperire, acest sistem își regăsește utilitatea în mai multe domenii:

transporturi rutiere – dezvoltarea unor aplicații de urmărire a flotelor de autovehicule sau a unor aplicații de plată automată a taxelor rutiere, reducând costurile necesare unei infrastructuri alternative;

transporturi pe apă – navigația pe canale înguste, apropierea de porturi;

agricultură – o precizie înaltă la pulverizarea îngrășămintelor și a pesticidelor, reducând cantitatea de chimicale necesară, realizându-se un randament optim și sporirea productivității, concomitent cu micșorarea impactului negativ asupra mediului înconjurător;

cartografiere – îmbunătățirea metodelor de măsurare folosite;

telecomunicații și informatică – semnalul foarte precis de timp poate fi folosit în rețelele informatice și de comunicații.

Dezvoltarea rețelei prin realizarea unor stații de monitorizare în mai multe locații ar duce la o modificare semnificativă a performanțelor sistemului, în special în partea estică a României. Pentru aceasta, au fost luate în considerare două scenarii: unul în care s-a luat în considerare implementarea a 4 stații de monitorizare (Timișoara, Cluj-Napoca, Iași și București) și unul cu 3 stații de monitorizare (Sibiu, Iași și Constanța).

4.1 Implementarea stației de monitorizare în Timișoara

Locația stației de monitorizare din Timișoara este Bd Vasile Parvan 2, în cadrul Universității Politehnica Timișoara, clădirea B. În Figura 13 putem vedea poziția antenei pe harta Google. Vederea reală a antenei într-o perspectivă panoramică a fost luată și pentru a vedea obstacolele.

Figura 13: Locația antenei în Timișoara

Figure 14: Receptorul și kit-ul de împământare

Figure 15: PildoBox configuration

Figura 18: Vederea antenă N

Figura 19: Vedere antenă NE.

Figura 20: Vedere antenă E.

Figura 21: Vedere antenă SE.

Figura 22: Vedere antenă S

Figura 23: Vedere antenă SV.