Global Navigation Satellite Systems: A proven and evolving technology

Transcriptie

1 Global Navigation Satellite Systems: A proven and evolving technology Inhoudstafel Global Navigation Satellite Systems: a proven and evolving technology Editorial, door Alain Muls, Royal Military Academy Glossaire - Woordenboek The global positioning system - a revolution in navigation, geodesy and surveying, door A. De Wulf, T. Willems, Universiteit Gent, Alain Muls, Royal Military Academie. Global and European reference systems: theory and practice, door C. Bruyninx, Royal Observatory of Belgium Permanente referentienetwerken in België voor de real-time GPS-gebruiker: M. Brondeel, Universiteit Gent; J-P Dejardin, Ministère wallon de l'equipement et des Transports (MET); W. Van Huele, Ondersteunend centrum GIS Vlaanderen; P. Voet, Nationaal Geografisch Instituut; A. De Wulf, T. Willems, Universiteit Gent GNSS time transfer developments and applications at the ROB, door P. Defraigne, C. Bruyninx, F. Roosbeek, Royal Observatory of Belgium Utilisation de mesures de phaseurs synchronisés dans la conduite des réseaux électriques, J-C Maun, Université Libre de Bruxelles; L. Philippot, NetCeler France A look into the future of global navigation satellite systems, door A. Muls, Royal Military Academy; T. Willems, Universiteit Gent Het Nieuws Septentrio EUGIN

2 Global Navigation Satellite Systems: a proven and evolving technology The global positioning system - a revolution in navigation, geodesy and surveying Geschreven door A. De Wulf, T. Willems, Universiteit Gent, Alain Muls, Royal Military Academie. Gedurende de laatste decennia is satellietbepaling een belangrijk hulpmiddel voor geogetische plaatsbepaling geworden. Van deze satellietsystemen is het meest verspreide het NAVSTAR-GPS (Navigation System with Timing and Ranging - Global Positioning System), dat ontwikkeld werd door het departement van defensie (DoD) van de Verenigde Staten. Alhoewel het een militair systeem betreft, is kosteloos civiel gebruik toegelaten, zij het met bepaalde beperkingen. NAVSTAR- GPS is een satellietgebaseerd radioplaatsbepalingssysteem dat gebruikers met compatibele ontvangstapparatuur toelaat zeer nauwkeurig hun positie, snelheid en tijd te bepalen. Het systeem was oorspronkelijk ontworpen voor real-time drie-dimensionele navigatie van militaire objecten, op of nabij het aardoppervlak, met een nauwkeurigheid beter dan 10 meter, om het even waar tere wereld, op ieder ogenblik en bij alle weersomstandigheden. GPS is performanter dan oudere terrestrische systemen voor radionavigatie omwille van de hogere nauwkeurigheid en de weredwijde dekking. GPS levert onmiddellijk de lengte- en breedteligging, alsook de hoogte bover de aardellipsoïde WGS84. Naast het gebruik van GPS voor de navigatie van schepen en vliegtuigen, is ook terrestrische navigatie van auto's, vrachtwagens, treinen en het volgen van dieren mogelijk. GPS kan ook gezien worden als een nauwkeurig geodetisch en landmeetkundig plaatsbepalingssysteem, op voorwaarde dat twee fase-ontvangers tegelijkertijd worden ingezet. GPS is een ideale aanvulling op het gamma van traditionele landmeetkundige instrumenten zoals totaalstations en automatische waterpastoestellen. Het vervangt echter deze klassieke instrumenten niet, aangezien GPS ook een aantal beperkingen met zich meebrengt. Tenslotte is GPS een onschatbaar instrument geworden in e fotogrammetrie, aangezien GPS nauwkeurig de coördinaten van grondcontrolepunten alsook die van het opnamepunt en de oriëntatie van de luchtcamera tijdens de vlucht kan bepalen. Global and European reference systems: theory and practice Geschreven door C. Bruyninx, Royal Observatory of Belgium Met GPS berekende coördinaten refereren naar een geocentrisch referentiesysteem, zoals bv. het World Geodetic System 1984 (WGS84) of het International Terrestrial Reference System (ITRS). Vermits de meest recente WGS84 en ITRS realisaties op 2-cm na overeenkomen, moet er voor veel praktische toepassingen geen onderscheid meer gemaakt worden tussen beide referentiesystemen. Het grote verschil tussen beiden is echter dat ITRS coördinaten met een hogere nauwkeurigheid kunnen berekend worden.

3 Vermits zowel WGS84 en ITRS globale referentiesystemen zijn, zijn hun coördinaten tijdsafhankelijk. Dit maakt hen onbruikbaar voor verschijdene praktische toepassingen. In Europa verhelpt het ETRS89 systeem aan dit probleem.. Het ETRS89 wordt door de Europese Gemeenschap ondersteund als zijnde de Europese geodetische datum. Het systeem is vastgehecht aan de Europese continentale plaat, hetgeen betekent dat, bv. in België, coördinaten constant zijn. Opeenvolgende realisaties van het ETRS89 worden rechtstreeks, via gekende transformatieformules, berekend uit de ITRS realisaties. De ETRS89 realisaties hebben een nauwkeurigheid van 1-cm en zijn consistent met het ITRS. ITRS en ETRS89 coördinaten kunnen via relatieve positiebepaling ten opzichte van stations met gekende ITRS coördinaten bepaald worden. Deze stations maken in het algemeen deel uit van permanente GPS-netwerken zoals het IGS of het "EUREF Permanent Network" (EPN). Vier Belgische permanente GPS-stations, geëxploiteerd door de Koninklijke Sterrewacht van België (KSB), maken deel uit van dit EPNnetwerk en verschaffen mm à cm toegang tot het ITRS en ETRS89, op voorwaarde dat de precieze IGS satellietbanen gebrukt werden tijdens de dataverwerking. In België heeft het Nationaal Geografisch Instituut (NGI) zijn eigen realisatie van het ETRS89 gecreëerd, en dit is gebaseerd op een eerste orde netwerk van 36 grondpunten, waaronder de 4 KSB permanente stations. Dit eerste orde netwerk heeft een consistentie van 1-cm. Het NGI-netwerk van geodetische grondpunten (4000 punten), werd aan dit netwerk gehecht en heeft bijgevolg ook gekende ETRS89 coördinaten. Deze activiteit is momenteel nog bezig en een volledige herberekening van het netwerk zal uitgevoerd worden voor eind Toegang tot deze realisatie van het ETRS89 is dan mogelijk via relatieve positiebepaling ten opzichte van dit NGI-netwerk. Permanente referentienetwerken in België voor de real-time GPSgebruiker Geschreven doot M. Brondeel, Universiteit Gent; J-P Dejardin, Ministère wallon de l'equipement et des Transports (MET); W. Van Huele, Ondersteunend centrum GIS Vlaanderen; P. Voet, Nationaal Geografisch Instituut; A. De Wulf, T. Willems, Universiteit Gent In België houden drie instanties zich bezig met het opstellen van een GPSreferentienetwerk en het versturen van differentiële fasecorrecties. Eind 2000 stelde het Nationaal Geografisch Instituut een netwerk van 4 permanente GPS-stations op dat het gehele Brusselse gewest bedekt. Het doel van dit netwerk was in de eerste plaats het onderzoek naar de integriteitscontrole van een dergelijk netwerk. Niettemin staan de data van het station van de Koninklijke Steerewacht te Ukkel ter beschikking van de gebruikers. Zowel real-time als post-processing gebruikers kunnen over de data van dit station beschikken. Voor Wallonië werd het Ministère de l'equipement et des Transports (MET) met een gelijkaardige opdracht belast. Een netwerk van 23 stations, samen met de bijhorende transformatieparameters naar Lambert-72 moeten in het Franstalige landsgedeelte voor een unieke referentie zorgen. GPS-gebruikers kunnen rechtstreeks op een bepaald station inbellen, of via het controlecentrum specifiek voor hen berekende correctieparameters krijgen. Uiteraard kan men ook hier via het internet de data van de stations opvragen. Ook voor Vlaanderen moet een netwerk van 38 permanente GPS-stations voor een unieke referentie zorgen. Dit netwerk is zowel qua doelstelling als qua gebruik grotendeels te vergelijken met het netwerk in Wallonië. Ook hier kunnen de RTK-

4 gebruikers data verkrijgen van een station afzonderlijk of een netwerkoplossing die in het controlecentrum voor deze gebruiker specifiek berekend werd. Uiteraard kunnen ook hier de data voor naverwerking via het internet gedownload worden. GNSS time transfer developments and applications at the ROB Geschreven door P. Defraigne, C. Bruyninx, F. Roosbeek, Royal Observatory of Belgium De verschillende tijdsschalen, gebaseerd op GPS, zijn momenteel: De Internationale Atoomtijd (TAI), de GPS-tijd en de IGS (International GPS-Service) tijdschaal. De TAI wordt berekend uit een gewogen gemiddelde van ongeveer 250 atoomklokken, verspreid over verschillende laboratoria. De wettelijke tijd UTC (Universal Time Coordinated) is afgeleid van de TAI, waarbij gecorrigeerd wordt voor de zogenaamde schrikkelseconden. Deze correctie wordt uitgevoerd om de TAI in overeenstemlming met de aardrotatie te houden. Vermits de TAI à posteriori berekend wordt, is hij slechts beschikbaar na enkele weken. OM in reële tijd een schatting van de werkelijke tijd te bekomen, kan men enerzijds gebruik maken van de atoomklokken gestuurd op UTC, anderzijds is het ook mogelijk de GPS-tijd, gegeven in het navigatiebericht, te gebruiken; zijn verschil met UTC bedraagt ongeveer 14 nanoseconden (1 nanoseconde is ongeveer één biljoenste seconde). Omwille van de fouten inherent aan het uitgezonden GPS-signaal, zal de link tussen GPS-tijd en UTC in de praktijk slechts beschikbaar zijn met een nauwkeurigheid van 100 nanoseconden. Dankzij een nauwkeurige middeling en filtering van de waarnemingen kan deze nauwkeurigheid echter opgetrokken worden tot 15 nanoseconden. Een laatste mogelijkheid bestaat erin gebruik te maken van de klokproducten dagelijks geproduceerd door het IGS. Zij geven het gedrag van de stabiele atoomklokken, verbonden met permanente IGS-stations, en diegen aan boord van GPS-satellieten, ten opzichte van een gewogen gemiddelde van deze klokken, ook de IGS-tijdsschaal genoemd. GPS wordt ook gebruikt bij de berekening van de TAI: de verwijderde klokken worden vergeleken via de "common-view" methode, gebaseerd op GPSmetingen: door de simultaan twee verwijderde klokken en een identieke GPSsatellietklok te vergelijken, bekomt men het tijdsverschil tussen de twee verwijderde klokken. Deze "common-view"-methode kan, door gebruik te maken van verschillende GPS-waarnemingen (C/A code, P Code, fases), op verschillende manieren toegepast worden. We detailleren hier de mogelijkheden en de beperkingen van deze methodes. Dit gebeurt aan de hand van recent onderzoek uitgevoerd op de Koninklijke Sterrenwacht van België, met als doelstelling de frequentiestabiliteit van "common-view" tijdsoverdracht te verbeteren.

5 Utilisation de mesures de phaseurs synchronisés dans la conduite des réseaux électriques Geschreven door J-C Maun, Université Libre de Bruxelles; L. Philippot, NetCeler France De beschikbaarheid van vectoren, gesynchroniseerd met een nauwkeurigheid van de orde van de met microseconde met spanningen gemeten in verschillende knooppunten van het elektriciteitsnet, is nu een technische en economische haalbare realiteit. De digitale verwerking van de signalen, gemeten met een gemeenschappelijke tijdsschaal, laat een hoge meetnauwkeurigheid toe, die de weg opent voor een groot aantal toepassingen. De nettoestandsschatting wordt meer rechtstreeks toegankelijk waardoor de elektro-mechanische schommelingen in reële tijd gevolgd kunnen worden. Instabiliteiten kunnen dan ook vanaf hun ontstaan worden waargenomen. Dit artikel beschrijft ook het gebruik van deze gesynchroniseerde vectoren bij de netbescherming, bij de analyse van incidenten en bij sommige metingen, zoals de meting van de netfrequentie en van de elektrische transportnetparameters. A look into the future of global navigation satellite systems Geschreven door A. Muls, Royal Military Academy; T. Willems, Universiteit Gent Sinds het bereiken van de initiële operationele capaciteit kenden zowel de militaire als burgerlijke autoriteiten een briljante tokomst toe aan het Global Positioning System GPS, het eerste waarlijke globale satelliet-navigatiesysteem. De initiële opdracht van het systeem, zoals gedefinieerd door het Amerikaanse Ministerie van Defensie, bestaat uit het verzekeren van de navigatie en de tijdsynchronisatie van e Amerikaanse en geallieerde strijdkrachten. De civiele belangstelling voor het systeem volgde al snel en nieuwe, onvoorziene opportuniteiten en toepassingen ontwikkelden zich aan een snel tempo. Vandaag ondersteunt GPS een enorme militaire en civiele economische markt. Deze markt heeft echter de huidige GPS-configuratie tot op haar limiet uitgebaat en verdere ontwikkelingen vereisen nieuwe technologiën en diensten. Europa, heden afhankelijk van het Amerikaanse systeem voor haar navigatie, nam de handschoen op en startte de ontwikkeling van een eigen satelliet-navigatiesysteem, GALILEO, dat operationeel zal zijn in Ondertussen testen de Verenigde Staten en Europa augmentatiesystemen voor GPS. Dit artikel zet de beperkingen van het huidige GPS-systeem uiteen en beschrijft de lopende Europese ontwikkelingen naar het GALILEO systeem toe. Ter indicatie wordt ook de toekomst van het GPSsysteem met de bijbehorende signaalveranderingen beschreven.