Akademia Marynarki Wojennej w Gdyni
Mateusz Mania, Mariusz Specht
Politechnika Gdańska
ANALIZA PORÓWNAWCZA FORMATÓW
DANYCH SATELITARNYCH (ALMANAC) W SYSTEMIE GPS
Uruchomienie odbiornika nawigacji satelitarnej GPS wymaga uzyskania synchronizacji z sygnałami satelitów znajdujących się ponad jego minimalną wysokością topocentryczną. Czas do uzyskania pierwszej pozycji przez odbiornik nawigacyjny zależny jest od możliwości określenia zbioru satelitów, których sygnały będą dostępne dla współrzędnych pozycji urządzenia, w określonym momencie czasu. Z tego względu aktualność zbioru danych satelitarnych (almanac) ma istotny wpływ na proces określania pozycji przez urządzenia GNSS.
W artykule przedstawiono, omówiono i porównano formaty danych plików almanac GPS zapisane w publicznie dostępnych standardach SEM i YUMA. Opisano również system dystrybucji danych orbitalnych funkcjonujący w GPS.
Słowa kluczowe: GPS, almanac, SEM, YUMA.
WSTĘP
Satelitarne systemy nawigacyjne wykorzystywane są powszechnie we współ-czesnej profesjonalnej nawigacji morskiej [1, 17, 18] oraz lotniczej [13], będąc podstawowym źródłem pozycjonowania dla rozwijającej się, względem klasycznej nawigacji [2], koncepcji e-Navigation [19, 20]. Są one również elementem innych złożonych systemów zapewniających bezpieczeństwo, do których należy System Automatycznej Identyfikacji (AIS – ang. Automatic Identification System) [3, 4]. Również w geodezji stosowanie technik satelitarnych wykorzystujących aktywne sieci GNSS jest dziś powszechne [14], głównie ze względu na rozległą aplikacyj-ność, obejmującą w szczególności geodezję inżynieryjną [5, 6, 7] oraz Systemy Informacji Geograficznej (GIS – ang. Geographic Information System) [13]. Równocześnie niezmiernie szybko rozwija się rynek odbiorników personalnych funkcjonujących w obszarze nawigacji lądowej, obejmując aplikacje transportowe, rekreacyjne [16] czy sportowe [15]. W tej sferze zasadniczym problemem eksploatacyjnym jest zdolność odbiornika ograniczonego znaczną liczbą przesłon terenowych do szybkiej akwizycji sygnałów. Jest ona realizowana przede
wszystkim poprzez nowoczesne rozwiązania elektroniczne modułów odbiorników, wykorzystujące m.in. protokół binarny SIRF (ang. SIRF Binary Protocol), zapewniający blisko 100% dostępność nawet w tak trudnym obszarze [12].
Zasadniczym czynnikiem decydującym o szybkim uzyskaniu przez odbiorniki systemów GNSS (ang. Global Navigation Satellite Systems) synchronizacji z sygnałami satelitarnymi jest ich zdolność do rozpoczęcia śledzenia ich przez tory odbiorcze. Jest ona możliwa pod warunkiem posiadania w pamięci urządzenia pliku, określanego mianem almanac, stanowiącego podzbiór danych systemu GPS, opisujących stan zegara systemowego i danych efemerydalnych satelitów prezento-wanych z ograniczonym poziomem precyzji. Należy w tym miejscu podkreślić, iż dane zawarte w plikach almanac nie mają za zadanie wyznaczać położenia satelitów GPS na moment pomiaru pseudoodległości. Do tego celu przeznaczone są dane efemerydalne, których precyzja (liczba wartości po przecinku) jest znacząco większa. Dane almanac są niezbędne do przybliżonego wyznaczenia położenia satelity na orbicie, określając, czy możliwy jest odbiór jego sygnałów dla lokalizacji odbiornika.
Główna Stacja Kontrolna systemu GPS (ang. Master Control Station), realizując proces kompleksowej kontroli i sterowania pracą systemu, wyznacza wszystkie dane niezbędne do wykorzystania przez użytkowników obu serwisów: ogólnego dostępu (SPS – ang. Standard Positioning Service) i precyzyjnego (PPS – ang. Precise Positioning Service). Na bieżąco wyznaczane są dane almanac w dwóch formatach SEM i YUMA, status systemu dotyczący Przeciwdziałania Zakłóceniom Celowym (A-S Status – ang. Anti-Spoofing Status), Informacje Nawigacyjne dla Użytkowników (NANU – ang. Notice Advisory to Navstar Users), informujące o aktualnym stanie pracy poszczególnych podsystemów GPS oraz pliki zawierające informacje o statusie segmentu kosmicznego (OA – ang. Operational Advisory). System GPS został stworzony przez Departament Obrony USA (ang. United States Department of Defense) do celów militarnych, w związku z czym transfer informacji do użytkowników cywilnych realizowany jest odmiennym kanałem poprzez Centrum Nawigacyjne Straży Granicznej USA (USCG NAVCEN – ang. U.S. Coast Guard Navigation Center). Poniższy schemat prezentuje system dystrybucji danych z segmentu kontrolnego do Centrum Nawigacyjnego Straży Granicznej USA.
Rys. 1. Schemat dystrybucji danych z segmentu kontrolnego do Centrum Nawigacyjnego
Straży Granicznej USA [8]
Fig. 1. GPS CS to USCG NAVCEN interface [8]
Na kolejnym rysunku przedstawiono system dystrybucji danych z segmentu kontrolnego do użytkowników.
AMCS – Alternatywna Główna Stacja Kontrolna
NIPRNET – Sieć Przesyłowa Niezabezpieczonych Protokołów Internetowych
DHS USCG – Departament Bezpieczeństwa Krajowego Straży Granicznej Stanów Zjednoczonych
SAFB – Baza Sił Powietrznych USA Schriever
DOT FAA – Departament Transportu Federalnej Administracji Lotnictwa
SIPRNET – Sieć Przesyłowa Tajnych Protokołów Internetowych
MCS – Główna Stacja Kontrolna VAFB – Baza Sił Powietrznych USA Vandenberg
Rys. 2. Schemat dystrybucji danych z segmentu kontrolnego do użytkowników [9]
1. GENEROWANIE INFORMACJI ALMANAC GPS
Podlegająca Departamentowi Bezpieczeństwa Krajowego Straż Graniczna Stanów Zjednoczonych (DHS USCG – ang. Department of Homeland Security
U.S. Coast Guard) publikuje na stronie internetowej (http://www.navcen.uscg.gov) pliki zawierające informacje o statusie segmentu kosmicznego systemu GPS (OA) z rozszerzeniem *.oa1 (konstelacja, konserwacja wybranych satelitów, ich awarie, itp.), pliki almanac w formacie YUMA (rozszerzenie *.alm) i SEM (rozszerzenie *.al3) oraz wiadomości dla użytkowników systemu (NANU) w plikach z roz-szerzeniem *.nnu. Wszystkie typy wiadomości są archiwizowane i możliwe do odczytania w dowolnym edytorze tekstu (pliki *.txt). Struktura wszystkich forma-tów jest ściśle ustalona i nie zostanie zmieniona, choć po wprowadzaniu Operacyjnego Systemu Kontroli Następnej Generacji (OCX – ang. Next Generation Operational Control System) należy się spodziewać nowych formatów danych.
Zestawienie przesyłanych danych przez stację kontrolną zaprezentowano w tabelach 1 i 2.
Tabela 1. Tablica wymiany informacji przed wprowadzeniem GPS OCX [8]
Table 1. Information exchange matrix before the GPS OCX era [8]
Producent Odbiorca Przekazywane informacje informacjiOpis przekazywania Sposób
danych
Bezpieczeństwo GPS CS Oprogramowanie stacji kontrolnej Parametry konstelacji Almanac Dyskietka Niesklasyfikowane GPS CS USCG NAVCEN Status systemu NANU Poczta elektroniczna Niesklasyfikowane GPS CS USCG NAVCEN
Podsumowanie stanu
konstelacji
OA Strona internetowa Niesklasyfikowane GPS CS USCG NAVCEN Parametry konstelacji Almanac Strona internetowa Niesklasyfikowane
GPS CS Użytkownicy wojskowi Status systemu NANU
Strona internetowa i strony sieci SIPRNET Niesklasyfikowane GPS CS Użytkownicy wojskowi Podsumowanie stanu konstelacji OA Strona internetowa i strony sieci SIPRNET Niesklasyfikowane
GPS CS Użytkownicy wojskowi Parametry konstelacji Almanac
Strona internetowa i strony sieci SIPRNET
Tabela 2. Tablica wymiany informacji po wprowadzeniu GPS OCX [9]
Table 2. Information exchange matrix after the GPS OCX era [9]
Producent Odbiorca Przekazywane informacje informacjiOpis przekazywania Sposób
danych
Bezpieczeństwo
GPS CS
DHS USCG / DOT FAA / inni użytkownicy cywilni*
Status systemu NANU
Poczta elektroniczna i strona internetowa Niesklasyfikowane GPS CS DHS USCG / DOT FAA / inni użytkownicy cywilni Podsumowanie stanu konstelacji OA Strona internetowa Niesklasyfikowane GPS CS DHS USCG / DOT FAA / inni użytkownicy cywilni
Status A-S Status A-S Strona internetowa Niesklasyfikowane
GPS CS
DHS USCG / DOT FAA / inni użytkownicy cywilni
Parametry konstelacji i stan pracy satelitów
Almanac Strona internetowa Niesklasyfikowane
GPS CS Użytkownicy wojskowi Status systemu NANU
Strona internetowa i strony sieci SIPRNET
Niesklasyfikowane
GPS CS Użytkownicy wojskowi Podsumowanie stanu konstelacji OA
Strona internetowa i strony sieci SIPRNET
Niesklasyfikowane
GPS CS Użytkownicy wojskowi Status A-S Status A-S
Strona internetowa i strony sieci SIPRNET Niesklasyfikowane GPS CS Użytkownicy wojskowi Parametry konstelacji i stan
pracy satelitów Almanac
Strona internetowa i strony sieci SIPRNET
Niesklasyfikowane * Dane NANU są również automatycznie wysyłane do wybranych użytkowników
2. Dywizjonu Operacji Kosmicznych (2 SOPS – ang. 2d Space Operations Squadron)
przez pocztę elektroniczną
Dane zawarte w plikach almanac mogą być z powodzeniem wykorzystywane przez okres około 60 dni [10], jednak nie można przewidzieć nagłej awarii konkretnego satelity, stąd standardy SEM i YUMA muszą zawierać informacje dotyczące aktualnego stanu pracy wszystkich satelitów. Dopuszcza się trzy stany pracy: aktywny, niewłaściwy oraz nieaktywny (ang. active, bad, dead), które definiowane są przez Główną Stację Kontrolną systemu. W przyszłości przewiduje się możliwość zdefiniowania dodatkowych stanów, które określono terminem „inny” (ang. other). W dokumentach [8, 9] przedstawiono interpretację sześcio-bitowego słowa określającego stan pracy satelity, stosowanego w depeszy nawigacyjnej GPS, oraz jego dziesiętną reprezentację wykorzystywaną w plikach almanac SEM oraz YUMA.
2. FORMAT SEM
SEM jest to format plików almanac. W jego wstępie znajduje się nagłówek identyfikujący liczbę rekordów (satelitów), dla których przedstawiono dane oraz nazwa pliku (CURRENT.AL3). Należy zauważyć, że przygotowano również drugą wersję pliku w tym standardzie z rozszerzeniem *.bl3, która różni się jedynie moż-liwą maksymalną liczbą satelitów, do których się odnosi (*.al3, *.bl3).
Na rysunku 3 zaprezentowano przykładowy format pliku almanac typu SEM.
Rys. 3. Przykładowy plik almanac formatu SEM
(oznaczenia w czerwonych prostokątach nie są częścią formatu SEM, lecz zostały umieszczone w celu identyfikacji danych i ich opisu w tab. 3) [8, 9]
Fig. 3. SEM Data Sample for Current.al3
(the bold letters and numbers in the rectangles are not part of the SEM format; they are used for identification purposes in Table 3) [8, 9]
Opis danych, zakresy, dokładność oraz ich precyzję zaprezentowano w tabeli 3.
Tabela 3. Opis formatu SEM plików almanac [8, 9]
Table 3. SEM almanac file description [8, 9]
Linia Parametr Opis Jednostki Zakres Dokładność Precyzja
Liczba rekordów
Liczba satelitów do której odniesiono dane
Rekord Od 0 do 32 1 2 cyfry znaczące 1
Nazwa pliku Opisowa nazwa pliku almanac Nie dotyczy
Dowolna kombinacja znaków ASCII
Nie dotyczy 24 znaki znaczące Numer tygodnia GPS Numer tygodnia GPS do którego odniesione są dane almanac
Tygodnie Od 0 do 1023 1 4 cyfry znaczące 2 Czas GPS Liczba sekund od początku tygodnia GPS, do której odniesiono dane almanac (toa)
Sekunda Od 0 do 602112 1 6 cyfr znaczących
cd. tabeli 3
Linia Parametr Opis Jednostki Zakres Dokładność Precyzja
R-1 Numer PRN satelity
Numer identyfikacyjny satelity GPS
Brak Od 1 do 32 Brak 2 cyfry znaczące
R-2 Numer SVN satelity
Numer referencyjny, unikatowy dla każdego satelity GPS
Brak Od 0 do 255 Brak 3 cyfry znaczące
R-3 Numer średniej wartości URA Numer odnoszący się do średniej wartości URA transmitowanej przez satelitę
Brak Od 0 do 15 1 2 cyfry znaczące
R-4 Mimośród orbity Miara określająca kształt orbity (e) Bezwym. Od 0 do 3,125⋅10-2 4,77⋅10-7 7 cyfr znaczących
b Offset inklinacji orbity
Offset inklinacji orbity (δi) niezawierający wartości referencyjnej (i0) 0,30 półokręgu Półokrąg Od -6,25⋅10 -2 do +6,25·10-2 1,91⋅10-6 7 cyfr znaczących c Zmiana rektascensji w funkcji czasu Tempo zmian w pomiarze kąta rektascensji (Ω-DOT) Półokrąg/ sekundę Od -1,1921⋅10 -7 do +1,1921⋅10-7 3,64⋅10-12 7 cyfr znaczących R-5 Pierwiastek kwadratowy dużej półosi elipsy Pomiar wykonywany z centrum orbity do punktu apogeum lub perygeum (A1/2) Metry1/2 Od 0 do 8192 4,88·10-4 9 cyfr znaczących d Długość węzła wstępującego orbity Długość węzła wstępującego orbity na określoną epokę (Ω0) Półokrąg Od -1,0 do +1,0 1,19·10-7 9 cyfr znaczących e Argument perygeum Kąt od równika do perygeum (ω) Półokrąg Od -1,0 do +1,0 1,19·10-7 9 cyfr
znaczących R-6 Anomalia średnia Kąt opisujący pozycję satelity na orbicie względem perygeum (M0) Półokrąg Od -1,0 do +1,0 1,19·10-7 9 cyfr znaczących f Korekta zegara zerowego rzędu Określenie korekty zegara zerowego rzędu dla pliku
almanac (af0) Sekunda Od -9,7657⋅10 -4 do +9,7657⋅10-4 9,54·10-7 5 cyfr znaczących g Korekta zegara pierwszego rzędu Określenie korekty zegara pierwszego rzędu dla pliku
almanac (af1) Sekunda/ sekundę Od -3,7253·10-9 do +3,7253·10-9 3,64·10-12 5 cyfr znaczących R-7 Stan satelity Sześciobitowy kod opisujący stan satelity
Brak Od 0 do 63 Brak 2 cyfry znaczące
R-8 Konfiguracja satelity
Czterobitowy kod opisujący
konfigurację satelity Brak Od 0 do 15 Brak
2 cyfry znaczące
3. FORMAT YUMA
Format YUMA jest bardziej czytelny od formatu SEM. Każda linia zawiera opis przedstawionej informacji w języku angielskim. Obecnie pliki zawierające parametry ruchu satelitów w tym formacie posiadają rozszerzenie *.alm. Nowe rozszerzenie *.blm będzie, podobnie jak w formacie SEM, różnić się jedynie maksymalną liczbą satelitów, do których będzie mogło się odnosić. Parametry używane w formacie YUMA nie są takie same jak w formacie SEM. Wartości kątowe są podawane w radianach, natomiast inklinacja bezpośrednio, a nie za pomocą offsetu. Nazwa tego formatu pochodzi od jednego z największych na świecie poligonów wojskowych znajdującego się w Arizonie (ang. Yuma Proving Ground), gdzie w marcu 1977 roku testowano naziemne nadajniki systemu GPS w fazie walidacji [11].
Przykład pliku almanac w standardzie YUMA zaprezentowano na rysunku 4.
Rys. 4. Przykładowe dane almanac w formacie YUMA [8, 9]
Fig. 4. YUMA almanac data sample format [8, 9]
PODSUMOWANIE
Prognozowanie pozycji satelitów, planowanie pomiarów i ściśle związana z tym procesem minimalizacja współczynników geometrycznych DOP (ang.
Dilution Of Precision) wymuszają określenie pozycji satelitów w danym
momencie czasowym. Przybliżone współrzędne satelitarne zawarte w plikach almanac nie są tak dokładne jak efemerydy, lecz pozwalają na określenie pozycji satelitów z wystarczającą dokładnością. Dostępne publicznie poprzez strony internetowe pliki almanac dla satelitów GPS są publikowane w dwóch formatach: SEM (*.al3) i YUMA (*.alm), a w przyszłości dodatkowo z rozszerzeniami *.bl3 i *.blm.
Parametry ruchu satelity dostępne w formatach SEM i YUMA różnią się od siebie sposobem zapisu i interpretacją właściwych wartości. Przypisanie znaczenia wartościom liczbowym w formacie SEM nie jest tak jednoznaczne jak dla formatu YUMA, co powoduje, że format SEM wymaga specjalistycznego oprogramo-wania, umożliwiającego szybkie dekodowanie danych.
Wartości w formacie SEM zapisywane są z dokładnością kilkunastu miejsc po przecinku, co może mieć wpływ na predykcję położenia satelity systemu GPS w porównaniu do formatu YUMA.
LITERATURA
1. Czaplewski K., Podstawy nawigacji morskiej i śródlądowej, Wydawnictwo Bernardinum, Pelplin 2014.
2. Czaplewski K., Positioning with Interactive Navigational Structure Implementation, Annual of Navigation, Gdynia 2004, No. 7.
3. Gackowska A., Śniegocki H., System AIS w rejonie Zatoki Pomorskiej, materiały XIV Sympozjum „Podstawowe problemy energoelektroniki, elektromechaniki i mechatroniki”, PPEEm 2011, Wisła 2011.
4. Jaskólski K., Availability of AIS Binary Data Transmission Based on Dynamic measurements Performed on the Southern Baltic and the Danish Straits, Annual of Navigation, Gdynia 2013, No. 20, s. 25–36.
5. Koc W., Specht C., Application of the Polish Active GNSS Geodetic Network for Surveying and Design of the Railroad, Proceedings of the First International Conference on Road and Rail Infrastructure – CETRA 2010, Opatija 2010, s. 757–762.
6. Koc W., Specht C., Wyniki pomiarów satelitarnych toru kolejowego, TTS Technika Transportu Szynowego, Łódź 2009, nr 7–8, s. 58–64.
7. Koc W., Specht, C., Nowak A., Szulwic J., Szmagliński J. i inni, Dostępność fazowych rozwiązań GPS/GLONASS podczas geodezyjnej inwentaryzacji dróg szynowych – na przykładzie linii tramwajowej Gdańska, TTS Technika Transportu Szynowego, Łódź 2012, nr 9, s. 3441–3451. 8. Interface Control Document – Navstar GPS Space Segment / Navigation User Interfaces
(ICD-GPS-240), Revision A, 2010.
9. Interface Control Document – Navstar GPS Space Segment / Navigation User Interfaces (ICD-GPS-870), Revision A, 2011.
10. Interface Specification – Navstar GPS Space Segment / Navigation User Interfaces (IS-GPS-200), Revision H, 2013.
11. Navstar GPS User Equipment Introduction, United States of America Department of Defense, 1996.
12. Oszczak B., Serżysko K., Tanajewski D., Analiza Protokołu SIRF Binary, Logistyka, Poznań 2011, nr 6, s. 3255–3263.
13. Oszczak B., Tanajewski D., The use of geographical information system at local airport management, Proceedings of the International Conference Environmental Engineering, Vilnius 2014.
14. Skóra M., Specht C., Analiza porównawcza wybranych aktywnych sieci geodezyjnych, Zeszyty Naukowe AMW, Gdynia 2009, nr 50, s. 39–54.
15. Specht M., Szot T., Accuracy Analysis of GPS Sport Receivers in Dynamic Measurements, Annual of Navigation, Gdynia 2012, No. 19(1), s. 165–176.
16. Specht C., Szot T., Specht M., Badanie dokładności personalnych odbiorników GPS w pomiarach dynamicznych, TTS Technika Transportu Szynowego, Łódź 2013, nr 10, s. 2547–2555.
17. Śniegocki H., Bezpieczeństwo tankowców LNG podczas podejścia do portu ze szczególnym uwzględnieniem zmian istniejącego oznakowania nawigacyjnego na przykładzie Portu Zewnętrz-nego i Terminala Gazowego LNG w Świnoujściu, materiały XV Sympozjum „Podstawowe problemy energoelektroniki, elektromechaniki i mechatroniki”, PPEEm 2012, Gliwice 2012. 18. Śniegocki H., Wymogi organizacji międzynarodowych odnośnie do szerokości toru
podejścio-wego dla największych gazowców LNG, Logistyka, Poznań 2011, nr 6, s. 3751–3758.
19. Weintrit A., Elektroniczna mapa nawigacyjna: wprowadzenie do nawigacyjnych systemów infor-macyjnych ECDIS, Wydawnictwo Uczelniane WSM w Gdyni, Gdynia 1997.
20. Weintrit A., Telematic Approach to e-Navigation Architecture, Communications in Computer and Information Science, Vol. 104, Katowice – Ustroń 2010, s. 1–11.
COMPARATIVE ANALYSIS OF SATELLITE DATA FORMATS (ALMANAC) IN GPS SYSTEM
Summary
Starting a GPS receiver requires the synchronization of the signals of satellites above the minimum topocentric height. Time to first position by the navigation receiver depends on the possibility of identifying a set of satellites, whose signals will be available on the coordinate position of the device at a specific point in time and it depends on the news set of satellite data (almanac) taken during the previous run.
The paper presents, discusses and compares data formats GPS almanac files stored on a publicly available standards and YUMA SEM. Also describes the orbital data distribution system operating in the GPS.
