PRIMIJENJENA SATELITSKA NAVIGACIJA Povezivanje GNSS prijamnika GPS i

PRIMIJENJENA SATELITSKA NAVIGACIJA Povezivanje GNSS prijamnika GPS i Glonass sustav

UVOD - GPS sustav je GNSS sustav pod upravom SAD-a. - Sustav se sastoji od nominalno 24 satelita u MEO – medium altitude Earth orbit. - GPS program započeo je 1970. , postao potpuno operativan 1995. godine. - Sateliti su u kružnoj orbiti s orbitalnim radijusom od 26 559 km. Orbite satelita imaju inklinaciju od 55° u odnosu na ekvatorsku ravninu. - Postoji šest orbitalnih ravnina. U svakoj orbitalnoj ravnini nalazi se po 4 satelita koji su jednoliko raspoređeni u odnosu na Zemaljsku rotacijsku (polarnu) os. - Šest orbitalnih ravnina su označene slovima : A , B , C , D , E , F. - Nominalne lokacije 24 satelita u određenoj epohi definiraju tzv. “slot-ove”. Označeni su kombinacijom slova-broja. Npr. : A-1 je prvi satelit “slot” unutar orbitalne ravnine A.

NOMINALNI GPS KONSTELACIJSKI PARAMETRI Tablica prikazuje nominalne GPS konstelacijske parametre. Ciklusi ponavljanja zemaljske staze satelita odnose se na siderički ili zvjezdani dan (sid d) = 23 h 56 m 4 s.

NOMINALNA GPS 24 - SATELITSKA KONSTELACIJA Slika prikazuje nominalnu GPS 24 -satelitnu konstelaciju za dan 01. 07. 1993. god. Nominalna visina satelita omogućuje orbitalni period od približno ½ sideričkog dana (11 h 58 m) , pa se satelitska staza na Zemlji ponavlja dnevno 2 puta. Danas je konstelacija satelita nadopunjena s 31 satelitom. Prva 3 satelita iznad 24 su pozicionirana u proširene “slot-ove”. Svaki od 3 slot-a B 1, D 2 i F 2 može se podijeliti u 2 “slot-a” prikazano u Tablici. Slika Tablica

ZEMALJSKE STAZE GPS SATELITA Za svaki satelit zahtjeva se da održava ekscentričnost unutar veličine od 0 – 0. 02 , inklinaciju u rasponu od 52°-58° , argument razmaka geografske širine unutar 4° od nominalne vrijednosti. Kada satelitu istekne rok uporabe on se postavlja u orbitu za odlaganje na cca 500 km visine. Slika prikazuje zemaljske staze GPS satelita za 01. 09. 2015. godine.

ARHITEKTURA SUSTAVA GPS • Prostorni segment • Kontrolni segment • Korisnički segment • Prijenosni medij KOMUNIKACIJA MEĐU ELEMENTIMA GPS SUSTAVA

PROSTORNI (SATELITSKI) SEGMENT • 31 satelit raspodijeljena u 6 orbitalnih ravnina na visini od 20180 km iznad površine Zemlje • Kretanje jednog GPS satelita (prikazana su mjesta na kojima se satelit nalazi u zenitu za promatrača na površini Zemlje):

PROSTORNI GPS (SATELITSKI) SEGMENT • Položaj svih satelita u izabranom trenutku (2001):

GPS SATELITI Tablica prikazuje vrste satelita i njihove tehničko-tehnološke karakteristike :

GPS SATELITI BLOCK I SATELITI - 3 rubidijska sata , zadnjih osam ima dodatno i cezijumski sat. - orbitalna masa od 450 kg , duljina od kraja do kraja solarnih ploča iznosi 5, 3 m. - Energetski sustav napajanja su dvije solarne ploče površine 5 m 2 – daju cca 400 W snage – nikal kadmijum (Ni. Cd) baterije. - Vijek trajanja 5 godina – neki su u uporabi i 10 godina BLOCK II/IIA SATELITI - 2 rubidijska i 1 cezijumski sat. - Solarne ploče imaju površinu od 7, 2 m 2 - daju snagu od cca 700 W , duljina od kraja do kraja solarnih ploča iznosi 5, 3 m. - Vijek trajanja 7, 5 godina. Orbitalna masa 990 kg. - Antena ima 12 spiralnih elemenata raspoređenih u dva koncentrična prstena (8 vanjski prsten , 4 unutarnji prsten). Dva Block IIA satelita imaju laserske reflektore.

GPS SATELITI BLOCK IIR i IIR-M sateliti - 3 rubidijska sata. - Vijek trajanja 7, 5 godina. - Dvije solarne ploče površine 13, 6 m 2 – daju snagu od 1140 W – nikal hidrogen (Ni. H 2) baterije. - Sedmi Block IIR-M satelit (SVN 49) nosi sustav za emitiranje signala L 5. Block IIF sateliti - F – znači follow –on (slijedi) - Udaljenost od kraja do kraja cca 17, 5 m. - 6 solarnih panela s galijum arsenid (Ga. As) solarnim ćelijama- površina 22, 2 m 2 - Energetski sustav – nikal hidrogen baterije. Proizvodi 2160 W. - Orbitalna masa 1630 kg.

GPS SATELITI GPS III sateliti - 3 rubidijska sata - omogućuje četvrti civilni GPS navigacijski signal. - Orbitalna masa 2200 kg. - 4 galijum arsenid (Ga. As) solarna panela s površinom od 28, 5 m 2. , nikal-hidrogen (Ni. H 2) baterije – snaga 4480 W. - Vijek trajanja 15 godina. - Tijelo satelita ima dimenzije : 3, 4 m x 2, 5 m x 1, 8 m.

GPS SATELITI Slika prikazuje izgled različitih vrsta GPS satelita : Gore lijevo : Block IIA. Gore desno : Block IIR. Dolje lijevo: Block IIF. Dolje desno : GPS III.

KONTROLNI SEGMENT • Održava funkcionalnost sustava prema zadanim specifikacijama, koordinira rad svih segmenata, prati status sustava i definira korekcije pogrešaka • Sastoji se od glavne kontrolne stanice MSC(Colorado Springs, USA), te od pomoćnih promatračkih stanica raspodijeljenih po površini Zemlje AFSCN – Air Force Satellite Control Network NGA – National Geospatial – Intelligence Agency Alternate MCS – Rezervna MSC

KONTROLNI SEGMENT -GPS sateliti se nadziru, upravljaju i kontroliraju pomoću kopnene mreže GPS CS – Control station. CS uključuje MCS – Master Control Station – Glavna kontrolna stanica u Schriever Air Force Base (AFB) u Coloradu i globalnu mrežu monitorskih stanica i zemaljskih antena. - Motriteljske stanice imaju visoko-precizne GPS prijamnike koji prate L band navigacijski signal emitiran od svakog vidljivog satelita – koriste se hemisferične antene (hvataju signal iz svih smjerova iznad horizonta). Mjerenja se šalju u MSC. - MSC ima računarske resurse za procesiranje primljenih mjerenja od CS-a kako bi generirao procijenjene vrijednosti položaja GPS satelita, brzinu satelita, pogreške sata i stope pomaka sata. - Izrazito usmjerene zemaljske antene očitavaju telemetrijske podatke s GPS satelita i omogućuju upravljanje satelitima i slanje navigacijskih podataka satelitima. Emitira se na frekvenciji 1783, 74 MHz, a prima na 2227, 50 MHz. Zemaljske antene su visoke cca 10 m , i pridružene su svakom pojedinačnom satelitu. - Uobičajeno jednom dnevno MSC kontaktira sa svakim GPS satelitom – (dostavlja podatke satelitu za 1 – 2 dana emitiranja) - Ukrcaj podataka na svaki satelit mora biti izvršen unutar 45 minuta (31 sat x 45 min = 1395 min=23. 25 h) - Neki sateliti sa slabijim satovima mora imati upload i 2 puta dnevno

KONTROLNI SEGMENT - CS monitorske stanice neprekidno prate GPS L 1 i L 2 P(Y) code signale sa svih vidljivih satelita pomoću preciznih dvokanalskih geodetskih prijamnika. - Svaka CS stanica opremljena je s GPS antenom, redundantnim cezijumskim satom , meteorološkim senzorima, radnom stanicom i komunikacijskom opremom. - Svakih 1, 5 sek svaka CS stanica šalje podatke : pseudo-udaljenosti, mjerenja vala-nosioca signala, demodulirane navigacijske poruke i kvalitetu prijema signala – glavnoj kontrolnoj stanici (MSC). - MSC ili AMSC (Alternate Master Control Station – Rezervna MSC) ispravlja MSC mjerenja za različite pogreške , editira podatke i dostavlja rezultate u prošireni Kalman filtar. Ionosfersko kašnjenje signala se uklanja korištenjem standardne linearne kombinacije , za troposfersko kašnjenje se koristi Niell-Saastamoinen model. - Stopa ažuriranja mjerenja na MSC Kalman filtru je 15 minuta. Izlaz iz Kalman filtra uključuje: - za svaki uporabni GPS satelit -3 pozicijske koordinate i 3 brzine sve u Earth centered inertial (ECI)koordinatnom sustavu, 2 parametra solarnog tlaka, 3 parametra sata (pogreška sata i njena prva i druga derivacija) - Za svaku CS stanicu- troposferska mokra visina i 2 parametra sata (pogreška sata i prva derivacija) - Sateliti Block IIA, IIR-M i IIF imaju ukrcano navigacijskih podataka za najmanje 60 dana emitiranja.

KONTROLNI SEGMENT Za modeliranje GPS satelitskih sila MSC koristi : - Zemaljski gravitacijski model (Earth gravitational model EGM) iz 1996. god. koji uključuje 12 x 12 sferičnih harmonijskih ekspanzijskih koeficijenata - Sunce – Mjesec gravitaciju - Modeliranje morskih mijena za Zemlju kao čvrsto tijelo - Jet Propulsion laboratory (JPL) empirijske modele solarnog radijacijskog tlaka - Zonske , dnevne i poludnevne korekcije mijena za Zemaljske orijentacijske parametre NGA – National Geospatial Intelligence Agency – dostavlja podatke od NGA monitorskih stanica – Earth orientation parameter predictions (EOPP) – neophodno za CS Kalman filtar za ECI –ECEF (Earth Centered Earth fixed) koordinatne transformacije USNO – United States Naval Observatory – pruža vremensku službu za održavanje GPS vremena u sinkronizaciji s UTC vremenom. Ova služba održava alternate master clock (AMC)- rezervni glavni sat – u Schriever-u u Coloradu. Jet Propulsion Laboratory – omogućuje procjene GPS satelitskog hardver-a – grupno kašnjenje signala na različitim valovima nosiocima. CS stanice – izdaju konstelacijske almanake i obavijesti za korisnike GPS sustava.

NAVIGACIJSKI SIGNALI - Satelitski sintesajzer je dizajniran da proizvodi frekvenciju od 10, 23 MHz. Korisnik na Zemlji će u skladu sa specijalnom i općom teorijom relativnosti primati nižu frekvenciju na 10, 229999995453 MHz zbog kombiniranog efekta relativnosti. - GPS signali uključuju : coarse/acquisition (C/A) code signal na L 1 , noseća frekvencija od 1575, 42 MHz , te precison (P) code signal na L 1 i L 2 na frekvenciji od 1227, 6 MHz. C/A code je nekodiran , a P-code ili P(Y) code je kodiran i namijenjen samo za ovlaštene korisnike (vojska, . . ). - GPS signali se generiraju korištenjem DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum modulacije (direktni slijed širenja spektra). Formira se kao produkt tri komponente: radio frekvencije (RF) vala nosioca signala, valnog oblika podataka (dana waveform) i širenja valnog oblika (spreading waveform). TC - minimalni period između promjena kod širenja valnog oblika signala TC = 1/(1, 023 MHz) za C/A code TC = 1/(10, 23 MHz) za P(Y) code

NAVIGACIJSKI PODACI I ALGORITMI Sadržaj važnijih podokvira navigacijske poruke (za C/A i P(Y) kod) prikazuje slika. Podaci su organizirani u 300 bit podokvira koji sadrže deset 30 bit riječi. Svaka 30 bit riječ prenosi 24 informacijska bit-a , preostalih 6 omogućuju korisničkoj opremi da otkrije pogreške u prijenosu podataka. Emitira se 50 bit/s. Svaki podokvir započinje s TLM – Telemetry (riječ) i Handover word (HOW) – protokol predaje podataka.

NAVIGACIJSKI PODACI I ALGORITMI Svaki podokvir započinje s TLM – Telemetry (riječ) i Handover word (HOW) – protokol predaje podataka. Slika prikazuje primjere sadržaja TLM i HOW riječi u navigacijskoj poruci : Prvo emitiranje navigacijske poruke uključuje podokvire 1 -3 , zatim slijedi prva stranica podokvira 4 i podokvira 5. Podokviri 1 -3 se ponavljaju , zatim slijedi druga stranica Podokvira 5 , i tako ciklički. Za emitiranje navedenog potrebno je 12, 5 minuta.

NAVIGACIJSKI PODACI I ALGORITMI Podokvir 1 Zadnja 4 parametra služe korisničkom prijamniku da ispravi odstupanja između emitiranog satelitskog vremena ( odnosi se na SV time- space vehicle time) i GPS vremenske skale. GPS prijamnici izračunavaju pseudoudaljenosti na osnovu izmjerenih vrijednosti vremena propagacije satelitskog signala od svakog satelita do prijamnika : ρ – pseudoudaljenost , c = 299 792 458 m/s , tr – vrijeme prijama signala , t. SV - vrijeme emitiranja signala Dvo frekvencijski GPS prijamnici određuju pseudoudaljenosti na frekvenciji L 1 i L 2 za svaki satelit – to omogućuje da se eliminira efekt grupnog ionosferskog kašnjenja signala: - f. L 1 - frekvencija 1575, 42 MHz , f. L 2 - frekvencija 1227, 6 MHz Linearnom kombinacijom dobije se ionospheric free pseudoudaljenost. Korekcija pseudoudaljenosti Δρ može dostići vrijednost i do 300 km – dodaje se na ionospheric free pseudoudaljenost korištenjem zadnja 4 parametra prikazanih u tablici 1. :

NAVIGACIJSKI PODACI I ALGORITMI Tablica 1. – Parametri Podokvira 1 (SV - Space vehicle )

NAVIGACIJSKI PODACI I ALGORITMI - Točnost emitiranih korekcija satova , srednja vrijednost za sve operativne GPS satelite za vremenski period od 2008. godine do 2014. godine iznosi 50 cm u 68% slučajeva i 1, 85 m u 95 % slučajeva. - Ako satelitski sat odstupa od GPS vremena više nego što je moguće otkloniti pomoću parametara emitiranih korekcija satova ( približno +/- 1 ms) , satelit može biti privremeno isključen iz uporabe (od strane CS stanice) dok se ne povrati unutar dozvoljenog odstupanja od GPS vremena. - Takve akcije potrebne su barem jednom godišnje za Block IIA satelite. - Satelitski satovi na novijim generacijama satelita (Block IIR i poslije) se kontroliraju u fazi, frekvenciji i pomaku frekvencije.

NAVIGACIJSKI PODACI I ALGORITMI Podokviri 2 -3 - Služe za prijenos efemeridskih podataka na korisnički prijamnik. Prikazani su u donjoj tablici : LSB – faktor veličine-jačina zadnjeg značajnog bit-a IODE – Issue-of –data ephemeris IDOT – rate of inclination angle Efemeridski parametri sadrže šest Keplerovih elemenata : Glavna poluos A - drugi korijen od A Ekescentricitet staze satelita e Glavna anomalija Mo - vrijedi za referentno vrijeme toe Longituda uzlaznog čvora – Ωo - vrijedi za tjednu GPS epohu ; Inklinacijski kut io - vrijedi za vrijeme toe , ω – argument perigeja Navedeni elementi omogućuju korekcije za eliptičnu orbitu satelita pomoću Keplerovih parametara.

NAVIGACIJSKI PODACI I ALGORITMI - Prikazani Keplerovi parametri primjenjuju se kod gibanja dva tijela (satelita). U stvarnosti se radi sa više od dva tijela istodobno, javlja se više različitih sila, pa za izračun treba imati još dodatne podatke (korekcije): - cos i sin harmonijske korekcije argumenta širine , orbitalnog radijusa i kuta inklinacije : Cus , CUC - sinus i kosinus argument širine), Crs , Crc - sinus i kosinus orbitalnog radijusa, Cis , Cic - sinus i kosinus kuta inklinacije - srednja razlika gibanja od izračunate veličine – Δn - stopa desnog uzlaznog kretanja , Ω - stopa promjene kuta inklinacije , IDOT - Točnost emitiranih efemeridskih podataka – srednja vrijednost za sve operabilne GPS satelite u periodu od 2008. do 2014. je 18 cm , 98 cm i 60 cm ( 68% za radijalni - u smjeru radijusa , uzdužni i poprečni smjer kretanja satelita) , te 0, 43 m , 2, 23 m , 1, 25 m ( 95% za radijalni , uzdužni i poprečni smjer kretanja satelita). - Finalni Podokvir 2 -3 sadrži parametre IODE – Issue –of –dana ephemeris – mijenja se svakih 6 sati - Emitirani parametri efemerida služe za izračun satelitskih koordinata (X, Y, Z) u WGS-84 koordinatnom sistemu

NAVIGACIJSKI PODACI I ALGORITMI Podaci potrebni za izračun položaja GPS satelita : Ove podatke generira CS – Control Station na Zemlji -šalje satelitu –on emitira. Konstante: Vrijednost WGS-84 gravitacijske konstante μ: Vrijednost WGS-84 kutne brzine rotacije Zemlje: Ωe = π = 3, 1415926535898 Vrijeme emitiranja t je za 60 -90 ms ranije od trenutka prijama.

NAVIGACIJSKI PODACI I ALGORITMI - Učinci specijalne i opće teorije relativnosti na mjerenje vremena izračunavaju se pomoću relativističkih korekcija : Korekcija pseudoudaljenosti Δρ se pridodaje izmjerenoj pseudoudaljenosti (nakon korekcije sata – podaci iz navigacijske poruke) na sljedeći način: Δtr – relativistička korekcija za vrijeme - parametri orbite satelita emitirani u navig. poruci F – konstanta koja se izračunava po prikazanoj formuli - WGS-84 gravitacijska konstanta c – brzina svjetlosti - Prikazana relativistička korekcija može iznositi i do 14 m , veća je kad orbita satelita ima ekscentricitet do 0, 02.

NAVIGACIJSKI PODACI I ALGORITMI Podokviri 4 -5 - Svaki ima po 25 stranica. Sadržaj podokvira 4 -5 : Stranice 1 -14 Podokvira 5 i stranice 2 -10 Podokvira 4 - almanah podaci – efemeride konstelacija GPS satelita- služe za određivanje procijenjene pozicije satelita i njihovu akviziciju. Stranica 13 Podokvira 4 – sadrži korekcijsku tablicu navigacijske poruke – samo za autorizirane korisnike (kodirano). Stranica 18 Podokvira 4 – sadrži korekciju ionosferskog kašnjenja GPS signala – omogućuje korisnicima s jedno-frekvencijskim prijamnicima (L 1) procjenu pogreške ionosferskog kašnjenja signala – podatke daje MSC – Master Control Station na osnovi dnevnog mjerenja sunčevog toka (fluksa) na 10, 7 cm za određeni dan u godini. - Podookvir 4 – sadrži podatke potrebne za povezivanje GPS vremenske skale s UTC vremenskom skalom – odgovoran UTC(USNO) - UTC US Naval Observatory

CNAV I CNAV-2 PODACI - CNAV – Civil Navigation - Svi modernizirani civilni GPS signali sadrže slične navigacijske podatke kao i C/A – code i P(Y) – code signali. Frekvencijski pojasevi L 1 C i L 5 prenose navigacijske podatke na 25 bit/s. Navigacijski podatkovni format za L 2 C i L 5 se odnosi na CNAV – civilna navigacija , format L 1 C – na CNAV-2. - Svi modernizirani GPS civilni signali imaju poboljšanu shemu otkrivanja pogrešaka. Koristi se 24 bit -na ciklička provjera redundance (CRC- cyclic redundanca check) – CRC code , ima 300 bit-a za L 5 – omogućuje otkrivanje jedne ili više bit pogrešaka. - CNAV i CNAV-2 GPS signal ima intersignalne ispravke , parametre Zemaljske orijentacije i poboljšan set diferencijalnih korekcija koje smanjuju pogreške sata i efemerida u odnosu na NMCT – Navigation message correction Table u LNAV - Lateral navigation (za zrakoplovstvo) – daje bolje pseudo-udaljenost korekcije.

KORISNIČKI SEGMENT • Prima satelitske signale, obrađuje ih te obavlja estimaciju navigacijskih parametara primjenom matematičkih algoritama • Sastoji se od prijamne antene, korisničkog GPS prijamnika, te pomoćnih elemenata (kabeli, napajanja, konzola za komunikaciju korisnika s uređajem • Obično je povezan s bazom geoprostornih podataka, kako bi omogućio korisniku prikladan prikaz rezultata estimacije položaja i brzine (elektronska karta) • GPS prijamnik procjenjuje položaj i brzinu (Timing mark –oznaka vremena 1 PPS – 1 Pulse per second do razine točnosti od 20 ns )) RTCM SC – Radio Technical Commission for Maritime Services Special Committee

PRIJENOSNI MEDIJ • Konstelacija satelita i njihov položaj, te frekvencijski spektar korišten za sustav GPS izabrani su tako da predstavljaju kompromis između napučenosti pojedinih dijelova Zemlje i specifičnosti EM signala, te jednostavnosti izvedbe korisničke opreme • U 90% vremena satelitski EM signali neometano (pravocrtno, brzinom širenja svjetlosti u vakumu) prolaze prostorom • U preostalom vremenu, satelitski signali prolaze slojevima Zemljine atmosfere (posebno ionosfera i troposfera) koji djeluju na karakteristike njihova širenja – najvažnije na vrijeme propagacije signala.

GPS USLUGE I PERFOMANCE SUSTAVA GPS trenutno pruža dvije vrste usluga : - za civilne korisnike –SPS – Standard Positioning Service , - za autorizirane korisnike (vojska, policija, …) – PPS – Precise Positioning Service. Specificirana točnost GPS SPS usluga je : - 13 m - 95% - pozicioniranje u horizontalnoj ravnini - 22 m – 95% - pozicioniranje u vertikalnoj ravnini. - Stvarne perfomance su ponekad značajno bolje od specificirane točnosti : Npr. osmotrena 95% položajna točnost za 28 GPS SPS prijamnika raspoređenih uzduž Sjeverne Amerike od 01. 04. do 30. 06. 2013. godine bila je : horizontalno 3, 0 m , vertikalno 4, 3 m. Specificirana točnost GPS PPS usluga je : - 1 -2 m – 95% - pozicioniranje u horizontalnoj ravnini - 1 -2 m – 95% - pozicioniranje u vertikalnoj ravnini Specificirana točnost GPS geodetskih prijamnika koji koriste diferencijske tehnike u horizontalnoj i vertikalnoj ravnini kreće se unutar 1 cm.

GLONASS SUSTAV UVOD Prethodnik Glonass sustava bio je nisko-orbitalni TSYCLON/TSIKADA navigacijsko-komunikacijski sustav ( položajna točnost 80 – 100 m , frekvencija pozicioniranja 1, 5 – 2 h). Operabilnost sustava počinje od 2011. godine s 24 satelita. - Glonass – Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema - Glonass sustav za raspored satelita koristi Walker 24/3/1 geometrijsku konstelaciju t/p/f – ukupan broj satelita/broj orbitalnih ravnina/fazni parametri. Glonass konstelacija – proljeće 2016 Nominalni Glonass konstelacijski parametri

GLONASS sustav Uvodni dio Sastoji se od 4 komponente: prostorne, kontrolne (zemaljske), korisničke i prijenosnog medija • - 24 nominalna satelita se nalaze u tri orbitalne ravnine (kod GPS-a ih je 6) na visini od 19100 km i inklinaciji od 64, 8° s namjerom da osiguraju pokrivenost satelitima u sjevernim predjelima Rusije. Orbitalni period je 11 sati 15, 8 minuta i orbitalne ravnine su raspoređene pod 120° jedna u odnosu na drugu. Sateliti su raspoređeni svakih 45° u svakoj orbitalnoj ravnini.

GLONASS SUSTAV GLONASS KONSTELACIJA SATELITA - Longituda uzlaznog čvora svake orbitalne ravnine razlikuje se za ΔΩ = 360°/p = 120° od ravnine do ravnine. - Postoji t/p = 24/3 = 8 satelita po orbitalnoj ravnini , razdvojenih sa 360°/8 = 45° argument širine - Razlika u argumentu širine satelita –isti slot u dvije različite orbitalne ravnine: Δu = 360°/24 = 15° Svaki Glonass satelit identificira se sa slot brojem – definira orbitalnu ravninu i položaj na njoj. Slot brojevi 1 -8 su ravnina 1 , 9 -16 ravnina 2 17 -24 ravnina 3. Slika-položaj Glonass satelita unutar orbitalne ravnine:

GLONASS SUSTAV GLONASS KONSTELACIJA SATELITA - Period obilaska satelita oko Zemlje iznosi 17 potpunih obilazaka za 8 dana – svakih 8 dana satelit pređe iznad iste točke na površini Zemlje. Orbitalna inklinacija Glonass satelita (~ 65°) je približno 10° veća od ostalih Medium altitude Earth orbit (MEO) GNSS sustava ( GPS, Beidou, Galileo) – to omogućuje bolju vidljivost satelita iznad Ruske federacije. - Zbog pomicanja u orbitalnim ravninama svi Glonass sateliti se pomiču relativno u odnosu na površinu Zemlje uzduž iste zemaljske staze

GLONASS SUSTAV GLONASS GEODETSKI REFERENTNI SUSTAV PZ – 90 - PZ-90 – Parametri Zemlji – geodetski datum koji koristi Glonass sustav od 1990. godine. Sustav objedinjuje fundamentalne geodetske konstante , parametre Zemaljskog elipsoida i parametre Zemaljskog gravitacijskog polja , geocentrični referentni sustav (GRS) koji je definiran na osnovu konvencija (IERS) – International Earth Rotation and Reference Systems Service (Frankfurt, Pariz, Washington, . . )i (BIH) Bureau International De l’Heure(Međunarodni Biro za Vrijeme – Pariz). Fundamentalni parametri referentnog sustava PZ-90 :

GLONASS SUSTAV GLONASS GEODETSKI REFERENTNI SUSTAV PZ – 90 - IGS – International GNSS Service , DORIS – Doppler orbitography and radiopositioning integrated by satellite Prikaz referentnih položaja nadzora Glonass sustava na teritoriju Ruske federacije :

GLONASS SUSTAV GLONASS VRIJEME - Glonass system time (GST) – zajednička referenca na koju su sinkronizirani svi Glonass satelitski satovi. Bazira se na hidrogenskim maserima (uređaj koji koristi stimuliranu emisiju radijacije pobuđenih atoma za stvaranje koherentne monokromatske elektromagnetske radijacije u mikrovalnom rasponu)- smješteni na kopnu Ruske federacije. Sinkronizaciju provodi UTC(SU) – Universal Time Coordinated of Russia – kao referentna vremenska skala. UTC(SU) održava National Metrology Institute of the Russian Federation u Mendelejevu (blizu Moskve) kao dio Službe : STFS- State Time and Frequency Service. - Razlika između UTC i UTC(SU) vremena se konstantno nadzire od strane BIPM – Bureau International des Poids et Mesures (Sevres, Francuska)- 2016. razlika manje od 2 ns. - Glonass System Time (GLST) vezan je za vremensku zonu Moskve – veza između GLST i UTC(SU) : GLST = UTC(SU) + 3 h – C. C – frakcijska razlika , manja je od 1μs – Korekcijski parametar vremena τc emitira se kao dio navigacijske poruke, druga korekcija GLST vremena ± 1 s se emitira simultano. - Zemaljski GLST sistem generira sustav vremenske skale, računa frekvenciju i vremenske korekcije, određuje razliku između GLST i UTC(SU) za svaku orbitu satelita i to emitira satelitu.

GLONASS SUSTAV GLONASS VRIJEME - Vremensku skalu i frekvenciju održava Glonass central synchronizer (CS). Frekvencije i faze od 4 hidrogenska frekvencijska standarda se neprekidno uspoređuju i najtočniji sat se uzima kao primarni standard. - Rezultantni 5 MHz Glonass signal sadrži pogrešku frekvencije < i stabilnost signala < po jednom danu. - U svrhu redundancije nezavisna glavna (MCS) i rezervne kontrolne stanice (CS) smještene su u Schelkovom (blizu Moskve) i u Komsomolsku. Kontrolira se Glonass vrijeme – točnost unutar 3 – 13 ns. - Frakcijska razlika između UTC i Glonass (GLST) vremenske skale se neprekidno nadzire od strane BIPM – Bureau International des Poids et Mesures – stabilnost vremenskih odnosa je < 10 ns.

GLONASS SUSTAV NAVIGACIJSKI SIGNALI I USLUGE Glonass pruža dvije vrste usluga : - Otvorena usluga bez kriptiranih signala na tri frekvencije (L 1 , L 2 , L 3) – dostupno svim korisnicima bez ograničenja – SPS – Standard Positioning Service ; Točnost – 5 m u horizontalnoj ravnini za 95% (2Ϭ) , 10 m- u vertikalnoj ravnini za 95% (2Ϭ) - Autorizirana usluga s kriptiranim signalima na dvije frekvencije (l 1, L 2) – dostupno samo autoriziranim korisnicima- HPS – High Precision Service - Svaki Glonass satelit emitira signale za otvorenu uslugu i autoriziranu uslugu - Glonass sustav koristi FDMA – Frequency division multiply access – modulaciju. Signal emitiran od strane pojedinog satelita koristi kod , a malo različite frekvencije da omogući procesiranje signala u prijamniku. - Od 2011 Glonass emitira dodatni signal sa CDMA – Code division multiple access modulacijom (sateliti Glonass –K-1) – L 3 signal (uskoro i na L 1 i L 2 frekvenciji).

GLONASS SUSTAV NAVIGACIJSKI SIGNALI I USLUGE Glonass signali se identificiraju s frekvencijom (prva dva znaka) , vrstom usluge ( O- open , S – special- autorizirani korisnici ) i vrstom modulacije ( F- FDMA , C- CDMA). Pregled vrsta Glonass signala po satelitima :

GLONASS SUSTAV - NAVIGACIJSKI SIGNALI I USLUGE - L 1 i L 2 FDMA signali koriste malo više ( ~ 20 MHz ) frekvencije u odnosu na iste GPS signale. Glonass L 3 signal se emitira na nižoj frekvenciji f = 1202, 025 MHz u odnosu na isti GPS signal – f = 1381, 05 MHz. Frekvencija Glonass L 3 signala je vrlo bliska frekvenciji Galileo E 5 b frekvenciji. Prikaz Glonass FDMA (Frequency division multiple access) i CDMA (Code division multiple access) signala na L 1 , L 2 i L 3 frekvencijskom pojasu : OF – open Service , FDMA , SF – Special Service , FDMA Frekvencija L 1 – emitira se Open Service s CDMA + Special Service s CDMA Frekvencija L 2 - emitira se Open Service s CDMA + Special Service s CDMA Frekvencija L 3 - emitira se Open Service s CDMA

GLONASS SUSTAV - FDMA signali NAVIGACIJSKI SIGNALI I USLUGE FDMA – Frequency division multiple access – signali – emitiraju se na frekvencijama L 1 i L 2 za Open Service i Special Service. Koriste se dva koda C/A – Coarse and Acquisition code i P- code (Precise code) Glavne karakteristike Glonass FDMA signala : Glonass FDMA signali koriste različiti skup frekv. kanala za različite signale. Svaki kanal se identificira s brojem kanala k koji jedinstveno definira odgovarajuću frekvenciju signala : f L 1 (k) = ( 1602, 0 + k 0, 5625) MHz f L 2 (k) = ( 1246, 0 + k 0, 4375) MHz Susjedni kanali su odvojeni s Δf ~ 0, 5 MHz

GLONASS SUSTAV OPEN SERVICE SIGNALI FDMA Open Service usluga emitira se na frekvencijama L 1 i L 2 i koristi BPSK – Binary phase-shift keying modulaciju. Val nosilac signala se modulira s binarnom sekvencom , što rezultira s tri individualne komponente: - PRN –pseudorandom noise ranging code - navigacijski podaci - pomoćna krivuljna sekvenca PRN code ima duljinu od 511 chip-a (1 chip = 1 μs=0, 000001 s) na 511 MHz – ukupno trajanje 1 ms. Navigacijski podaci se emitiraju po 50 Hz proporcionalnoj frekvencijskoj stopi i imaju duljinu od 20 ms po podatkovnom bit-u. Pomoćna krivuljna sekvenca se emitira na 100 Hz frekvencijskoj sekvenci mijenjanja 1 i 0 , s vremenom trajanja od 10 ms po simbolu.

GLONASS SUSTAV OPEN SERVICE SIGNALI Struktura Glonass Open service signala : Data – navigacijski podaci 20 ms M code – pomoćna krivuljna sekvenca 10 ms PRN code–pseudoudaljenost kod – 1 ms

GLONASS SUSTAV STRUKTURA NAVIGACIJSKE PORUKE Glonass navigacijska poruka za FDMA Open service koristi fiksnu strukturu – sastoji se od okvira (frame) i nizova (string). Skup okvira formira super okvir – ponavlja se u pravilnim intervalima : String – se sastoji od 85 bit-a + vremenska oznaka Vremenska oznaka -30 simbola – odgovara hexadecimalnoj vrijednosti 0 x 3 E 375096. Na dužini bit-a od 20 ms i dužini simbola od 10 ms , (string-niz) se emitira u 1, 7 s + 0, 3 s = 2 s. Podaci o efemeridama satelita se uobičajeno ažuriraju u polusatnim intervalima ( puni sat , 30 minuta) – podaci vrijede za ± 15 minuta unutar referentne epohe u sredini intervala. Odstupanja satelitskog sata se definiraju kao linearni polinom. Glonass FDMA navigacijska poruka sadrži podatke o efemeridama , almanah i informacije za vremensku skalu – ne sadrži informacije za ionosfersko i troposfersko kašnjenje signala za jedno frekvencijske prijamnike. Za to treba koristiti dvo-frekvencijske prijamnike (L 1/L 2 frekvencije)

GLONASS SUSTAV STRUKTURA NAVIGACIJSKE PORUKE Struktura superokvira navigacijske poruke za FDMA Open Service: HC – Hammning kod pariteni bitovi – omogućuju jednokratnu ispravku pogrešaka TM – time mark – vremenska oznaka Strings 1 -4 svakog okvira sadrži efemeride svakog satelita ponavlja se svakih 30 sekundi. Strings 5 -15 okvira sadrži pod-ispravljačke almanah podatke za najviše 5 satelita. Ostatak bit-a u petom okviru sadrži parametre za pretvorbu Glonass vremena u UT 1 vrijeme (UT 1 – uvođenjem prijestupne sekunde UT 1 vrijeme aproksimira UTC vrijeme) i podatak o prijestupnoj (leap) sekundi. Svaki superokvir se emitira u 2, 5 min i neprekidno ponavlja iz između ažuriranja efemerida (unutar 30 minuta).

GLONASS SUSTAV CDMA GLONASS SIGNALI Povećana navigacijska točnost, povećana pouzdanost i povećana otpornost na smetnje. Koriste se : OC- Open Service CDMA signali – za korisnike bez ograničenja , SC- Special Service CDMA signali – samo za autorizirane korisnike Parametri Glonass CDMA signala : BOC – Binary offset carrier BPSK- Binary phase-shift keying OC – Open CDMA Service OCM-Open CDMA modernized Service SC – Special CDMA Service (autorizirani korisnici) F - frekvencija Raspodjela frekvencija Glonass CDMA signala :

GLONASS SUSTAV VRSTE GLONASS SATELITA Postoje tri generacije satelita: - Glonass- I/II sateliti – lansirani 1982. - Glonass –M sateliti – lansirani 2003. - Glonass –K sateliti – lansirani 2011. Prikaz Glonass satelita : a) Glonass- IIv satelit b) Glonass –M satelit c) Glonass – K 1 satelit d) Glonass – K 2 satelit

GLONASS SUSTAV VRSTE GLONASS SATELITA Glonass - I/II sateliti - Masa 1, 4 t (uključujući gorivo za održavanje satelita u orbiti) - Cilindrična struktura duljine ~ 3, 3 m - Dva solarna panela površine ~ 24 m 2 - snaga ~ 1 k. W - Opremljen s magnetometrom i raketnim propulzorima (2 potisnika od 5 N za korekciju orbite i 24 potisnika za podešavanje orijentacije satelita od 0, 1 N ) - Uzdužna x-os cilindrične strukture satelita usmjerena prema Zemlji i nosi L-band antenu koja se sastoji od 12 spiralnih elemenata i vanjskog kruga s 8 elemenata – obrazac M – antene – dobiva se jači intenzitet signala usmjerenog prema Zemlji - Glonass-I satelit opremljen laserskim reflektometrom , s dva 5 MHz BERYL rubidijska sata - Glonass-II satelit opremljen s tri cezijumska sata

GLONASS SUSTAV VRSTE GLONASS SATELITA Glonass-M sateliti - Četiri solarna panela površine ~ 34 m 2 – snaga 1, 5 k. W - Laserski reflektometri - Opremljeni su s ISLNCS – Inter-Satellite Laser Navigation and Communication System – omogućuje intersatelitsku vezu i mjerenje udaljenosti između satelita s točnošću od ~ 3 cm i sinkronizaciju satova na satelitima - Emitirane frekvencije signala su pomaknute na niže : L 1 = (1598, 0625 …. 1605, 375 ) ± 5, 11 MHz L 2 = ( 1242, 9375 …. 1248, 625) ± 5, 11 MHz emitira se civilni signal na L 2 – open dual-frequency service

GLONASS SUSTAV VRSTE GLONASS SATELITA Glonass-K sateliti - Postoje dvije podgrupe Glonass-K satelita. Podgrupa K-1 – lansirani su 2012. i 2017. Podgrupa K-2 – lansirani su 2016. K-1 imaju masu od 995 kg , a K-2 1645 kg. Koriste napredne Ga-As (galij – arsenid) solarne ćelije – površina 17 m 2 – snaga 1, 6 k. W. Imaju po dva cezijumska i dva rubidijska sata. Imaju Cospas-Sarsat detekciju upozorenja u nevolji i optički onboard sustav za lasersko mjerenje udaljenosti između satelita i daljinsku sinkronizaciju satova. - Svi Glonass K-1 sateliti emitiraju CDMA L 3 – (L 3 OC – Open Civil Service)

GLONASS SUSTAV Tabelarni pregled važnijih karakteristika Glonass satelita

GLONASS SUSTAV Zemaljski (kontrolni) segment Glonass sustava Glavne funkcije zemaljskog segmenta : - podrška operacijama lansiranja satelita - puštanje u operativni rad satelita - telemetrija, nadzor, kontrola i upravljanje satelitima - planiranje i održavanje odgovarajuće konstelacije satelita - održavanje satelita i njihovo uklanjanje na kraju radnog vijeka satelita - generiranje vremenske Glonass skale i povezivanje s UTC(SU) - Universal Time Coordinated of Russia - generiranje podataka za orbite i satove satelita - ažuriranje navigacijskih podataka za satelite - poboljšanje satelitskih dinamičkih modela - nadgledanje Glonass navigacijskih , položajnih i vremenskih perfomanci

GLONASS SUSTAV Zemaljski (kontrolni) segment Glonass sustava strukturne komponente Glonass zemaljskog sustava su: - SCC – System control center - CCs – Central clocks - TT and C – Telemetre , tracking and command stations - SLR – Satellite Laser Ranging Stations , Uplink stations Najvažnije komponente zemaljskog segmenta Glonass sustava smještene su u Rusiji :

GLONASS SUSTAV Zemaljski (kontrolni) segment Glonass sustava – SDCM - Dio meoderniziranog Glonass sustava koji se još uvijek razvija i nadopunjuje. SDCM – System for differential correction and monitoring. Bazira se na mreži zemaljskih referentnih stanica (na teritoriju Ruske Federacije i izvan nje) opremljenih kombiniranim GPS/Glonass dvo-frekvencijskim prijamnicima, (hidrogenski-vodikov) maser (uređaj koji stvara koherentne EM valove (mikrovalovi) stimuliranom emisijom radijacije) atomskim satovima i direktnim komunikacijskim linkovima za prijenos podataka u realnom vremenu. Vrši se stalni SLR – Satellite Laser Ranging. Mreža SDCM monitorskih stanica ( kraj 2014. ): Altay Laser Ranging Center :

GLONASS SUSTAV Glonass perfomance - U statističkom smislu položajne perfomance Glonass sustava mogu se izraziti kao umnožak PDOP – Position dilution of precision i URE- user range error. PDOP ovisi o broju i rasporedu praćenih satelita i geometrijskoj distribuciji njihovih linija vidljivog vektora satelita. URE – definira se kao srednje kvadratna pogreška između modeliranih i osmotrenih pseudoudaljenosti. U URE ulazi i veličina UEE – User equipment errors – nekompenzirano ionosfersko i troposfersko kašnjenje signala, višestruka refleksija signala i šum prijamnika – to sadrži SISRE – Signal in-space range error – učinak grešaka orbite satelita i parametara sata na izračun udaljenosti. - Perfomance Glonass Open Service sustava su : globalna dnevna raspoloživost sustava > 99% za maskirni kut satelita najmanje od 5 ° elevacije satelita i PDOP manji od 6. - Položajna točnost Glonass sustava u domeni brzine : vektor brzine 10 cm/s

GLONASS SUSTAV Glonass perfomance Trenutna PDOP karta za Glonass konstelaciju satelita na dan 8. 03. 2015. u 10: 30 UTC (mask angle 5°): PDOP vrijednost iznosi od 1, 5 – 2, 5 za najveći dio površine Zemlje , prelazi vrijednost od 3 za mali dio geografskih područja Zemlje.

GLONASS SUSTAV Glonass perfomance (SISRE – pogreške orbite satelita i parametara sata ) Pogreška SISRE – Signal in-space range error ( motreno od strane IAC- Interstate Aviation Committee) pokazuje tipične varijacije u rasponu od 1 -2 m u ovisnosti od odnosnog satelita. Srednje kvadratna pogreška SISRE za za godišnji period od 2013 -2014 iznosi 1, 9 m. Srednje kvadratna pogreška SISRE za Glonass konstelaciju satelita za 06. -08. 03. 2015. godine:

GLONASS SUSTAV Glonass perfomance (SISRE – pogreške orbite satelita i parametara sata ) Najvažniji faktor koji utječe na SISRE pogrešku je stabilizacija satelitskog sata. Glonass sustav razvija GPI – Glonass perfomance improvement plan koji ima za cilj smanjiti SISRE pogrešku na vrijednost manju od 0, 5 m do 2020. godine. Kronološki prikaz implementacije GPI plana za Glonass konstelaciju satelita do 2020. godine :

LITERATURA 1. Peter J. G. Teunissen, Oliver Montebruck (Eds. ) : Springer Handbook of Global Navigation Satellite Systems , 2017. , Springer International Publishing AG 2017 (ISBN: 978 -3 -319 -42926 -7).