Laboratorium DGNSS/GIS POLPOS w ramach europejskiego systemu EUPOS

LABORATORIUM DGNSS/GIS POLPOS

W RAMACH EUROPEJSKIEGO SYSTEMU EUPOS

DGNSS/GIS POLPOS LABORATORY WITHIN

THE FRAMEWORK OF EUROPEAN EUPOS SYSTEM

Andrzej Fellner2_{, Janusz Œledziñski}3_{, Pawe³ Trómiñski}1_, Józef Zaj¹c1

1 _{Pañstwowa Wy¿sza Szko³a Zawodowa w Che³mie} 2 _{Szefostwo S³u¿by Ruchu Lotniczego Si³ Zbrojnych RP}

3 _{Politechnika Warszawska}

S³owa kluczowe: system, GNSS, GIS, EUPOS, nawigacja, ³¹cznoœæ, zarz¹dzanie Keywords: system, GNSS, GIS, EUPOS, navigation, communication, management

Dynamiczny rozwój naukowo­techniczny determinuje znaczenie nawigacji – dyscypliny naukowej, która stanowi system wiedzy o prowadzeniu obiektów jako systemów ergono-micznych, przemieszczaj¹cych siê w ziemskiej ekosferze. Zaznaczyæ nale¿y, ¿e to prze-mieszczanie i kierowanie obiektami rozpatrywane jest jako jednolity proces informacyjno-decyzyjny zapewniaj¹cy: dok³adne, niezawodne i bezpieczne osi¹gniêcie funkcji celu tego przemieszczania. Tote¿ nawigacja jako interdyscyplinarna dziedzina wiedzy obejmuje ca³o-kszta³t wiedzy teoretycznej i praktycznej niezbêdnej do prowadzenia obiektów w ekosferze ziemskiej, wyznaczania optymalnych tras, planowania i zastosowania niezbêdnej infrastruk-tury. Natomiast o interdyscyplinarnoœci nawigacji najlepiej œwiadczy fakt, ¿e w³¹czone w obszar jej zainteresowania zosta³y ró¿norodne techniki i technologie np. GIS, RTK, DGPS, a trwaj¹ce i podejmowane prace naukowo­badawcze zmierzaj¹ w kierunku stosowania syste-mu GNSS (rys. 2).

Koniecznoœæ nowego spojrzenia na zarz¹dzanie ruchem lotniczym z uwzglêdnieniem zdo-byczy naukowo-technicznych, doprowadzi³a w konsekwencji do opracowania œwiatowej strategii zarz¹dzania ruchem lotniczym „Air Traffic Management Strategy for the years 2000+”, która ma byæ zrealizowana w trzech piêcioletnich etapach do 2015 roku w celu jednolitego zarz¹dzania ruchem lotniczym. Prezentowana strategia oprócz wskazywania niezbêdnych do podjêcia dzia³añ, podkreœla perspektywiczn¹ koniecznoœæ stosowania systemów GIS, RTK DGPS, DGNSS. Jednak przedstawione przedsiêwziêcia w „Air Traffic Management Strategy for the years 2000+” mimo, ¿e s¹ bardzo korzystne dla zarz¹dzania ruchem lotni-czym, aby doczekaæ siê pe³nej realizacji musia³y uzyskaæ formaln¹ akceptacjê i zostaæ zaim-plementowane w ka¿dym pañstwie. Przewidywano, ¿e implementacja ta nie bêdzie ³atwym przedsiêwziêciem, bowiem zakres przedsiêwziêæ w przedstawionym dokumencie, które

po-42 Andrzej Fellner, Janusz Œledziñski, Pawe³ Trómiñski, Józef Zaj¹c

winny byæ zrealizowane wymagaj¹ wykonania ogromnych prac organizacyjnotechnicznych i poniesienia znacznych kosztów. W zwi¹zku z tym na bazie „Air Traffic Management Stra-tegy for the years 2000+” opracowany zosta³ dla krajów europejskich program standaryza-cji, implementacji i harmonizacji dzia³añ „European Convergence and Implementation Plan 2004–2008”. W oparciu o ten dokument ka¿dy kraj zosta³ zobligowany do opracowania i realizowania w³asnego – lokalnego programu standaryzacji, implementacji i harmonizacji dzia³añ „Local Convergence and Implementation Plan”. Polska równie¿ uczestniczy w tym progra-mie i podejmuje dzia³ania wynikaj¹ce z „Local Convergence and Implementation Plan – Po-land 2005–2009”.

Priorytetowo traktowane s¹ równie¿ na forum miêdzynarodowym zagadnienia zwi¹zane z implementacj¹ systemu GNSS (Global Navigation Satellite System), realizacj¹ programu „Jednolitego Europejskiego Nieba – SES (Single European Sky), funkcjonowania œwiatowej sieci stacji IGS (International GPS Service) oraz rozwijania programu EUPOS (European Position Determination System). Taki stan rzeczy determinuj¹ podpisane umowy miêdzyna-rodowe, koniecznoœæ realizowania postanowieñ zawartych w dokumentach normatywnych m.in. „ANNEX 10 TO THE CONVENTIONON INTERNATIONAL CIVIL AVIATION OR-GANIZATION”. Na forum europejskim pojawiaj¹ siê ju¿ podstawy prawne, do których zalicza siê m.in. cztery rozporz¹dzenia Parlamentu Europejskiego i Rady Europejskiej, wszyst-kie z dnia 10 marca 2004 r., oznaczone odpowiednio: Nr 549/2004 – „The Framework Regulation”, Nr 550/2004 – „The Provision Regulation”, Nr 551/2004 – „The Airspace Re-gulation”, Nr 552/2004 – „The Interoperability Regulation”.

Sekcja Sieci Geodezyjnych Komitetu Geodezji Komisji Geodezji Satelitarnej Komitetu Ba-dañ Kosmicznych i Satelitarnych Polskiej Akademii Nauk w 2000 r. wykona³a ekspertyzê „Techniczno-ekonomiczne uwarunkowania wykonalnoœci geodezyjnego systemu stacji per-manentnych GPS (CORS-PL) dla potrzeb krajowej s³u¿by geodezyjnej i kartograficznej”. Przedstawiono w niej Miêdzynarodow¹ S³u¿bê GPS (International GPS Service) ze szcze-gólnym uwzglêdnieniem: sieci permanentnych stacji EUREF, systemów regionalnych i krajo-wych (funkcjonuj¹cych w Republice Czeskiej, Austrii, Wielkiej Brytanii, Szwecji – SWE-POS, Niemczech – SASWE-POS, Szwajcarii – SWISWE-POS, USA – CORS oraz w Polsce). W eksper-tyzie zawarty równie¿ zosta³ przewidywany rozwój europejskich systemów satelitarnych – projekty EGNOS i Galileo. Na tej bazie dokonano analizy aktualnego i prognozowanego za-potrzebowania naszego kraju na tworzenie permanentnych stacji referencyjnych oraz na dane i us³ugi zwi¹zane z GSSP (przewidywani u¿ytkownicy tego systemu w Polsce, ich kwalifikacje i niezbêdne wyposa¿enie). Mimo, ¿e idea tworzenia permanentnych stacji i per-manentnych sieci GPS (np. w rejonach o du¿ej aktywnoœci sejsmicznej) powsta³a w latach osiemdziesi¹tych, to praktyczna realizacja geodezyjnych systemów takich stacji rozpoczê³a siê w drugiej po³owie lat dziewiêædziesi¹tych i trwa nadal. Wœród celów przyœwiecaj¹cych koncepcji zak³adania permanentnych stacji GPS nale¿y wymieniæ:

m umo¿liwienie zespo³owi pomiarowemu, dysponuj¹cemu pojedynczym odbiornikiem

GPS, wyznaczenie pozycji z wymagan¹ dok³adnoœci¹ w dowolnym rejonie kraju (oszczêdnoœæ inwestycyjna, czasowa, kosztowa);

m dostarczenie obserwacji nadliczbowych przy ka¿dorazowym wyznaczaniu pozycji,

niezale¿nie od liczby odbiorników GPS, uczestnicz¹cych w pomiarze (zwiêkszenie wiarygodnoœci pomiaru, a tak¿e oszczêdnoœæ czasu i zmniejszenie kosztów);

m dowi¹zanie pomiarów do krajowego systemu odniesienia bez koniecznoœci

m dostarczenie danych do monitorowania regionalnych i lokalnych procesów

geodyna-micznych (mo¿liwoœæ monitorowania kinematyki uk³adu odniesienia oraz stworzenia warunków do prowadzenia badañ geodynamicznych);

m umo¿liwienie lokalnego i regionalnego modelowania jonosfery i troposfery.

Czynnikiem determinuj¹cym tworzenie i funkcjonowanie geodezyjnych systemów per-manentnych stacji GPS, by³o utworzenie w 1994 roku œwiatowej sieci perper-manentnych stacji Miêdzynarodowej S³u¿by Geodynamicznej – IGS (International GPS Service For Geodyna-mics), nosz¹cej obecnie nazwê Miêdzynarodowej S³u¿by GPS (International GPS Service). Natomiast dziêki w³¹czeniu sieci IGS do Miêdzynarodowej S³u¿by Ruchu Obrotowego – IERS (International Earth Rotation Service) nast¹pi³a znakomita poprawa parametrów defi-niuj¹cych Miêdzynarodowy Ziemski Uk³ad Odniesienia – ITRF (International Terrestial Re-ference Frame). Permanentne obserwacje GPS przyczyni³y siê do rozwiniêcia przez IGS w³asnej s³u¿by efemerydalnej, zapewniaj¹cej dok³adnoœæ orbity finalnej rzêdu 5 cm. Istot-nym impulsem do tworzenia permanentnych stacji GPS w krajach europejskich by³o po-wstanie w 1996 roku permanentnej sieci GPS EUREF (rys. 1), której punkty definiuj¹ Euro-pejski Ziemski Uk³ad Odniesienia – ETRF’89 (European Terrestial Reference Frame 89). W konsekwencji tworzenie krajowych sieci stanowi naturalne zagêszczenie sieci europejskiej.

44 Andrzej Fellner, Janusz Œledziñski, Pawe³ Trómiñski, Józef Zaj¹c

Natomiast dokonana analiza stanu geodezyjnych istniej¹cych systemów permanentnych stacji GPS wskazuje, ¿e tworzone tam permanentne sieci maja charakter wielofunkcyjny, wiêc poza umo¿liwieniem dostêpu do posiadanych zbiorów, wyników obserwacji poprzez internet, oferuj¹ one tak¿e inne us³ugi u¿ytkownikom korzystaj¹cym z technik DGPS i RTK. Analiza wykaza³a te¿, ¿e istotny wp³yw na tworzenie i funkcjonowanie geodezyjnych syste-mów permanentnych stacji GPS maj¹ krajowe s³u¿by geodezyjne i kartograficzne, wspó³-dzia³aj¹c z szerokim wachlarzem zainteresowanych resortów i instytucji.

Czynniki techniczno­technologiczne (ogólna dostêpnoœæ technik i technologii satelitar-nych, praktyczna informatyzacja ka¿dej sfery dzia³alnoœci cz³owieka, zaawansowane opro-gramowanie, sztuczna inteligencja, instalowanie u¿ytkownikom zintegrowanych odbiorni-ków) oraz u¿ytkowe (zapotrzebowanie na precyzyjne dane; zagêszczenie komunikacyjnych szlaków i potrzeba zapewnienia bezpieczeñstwa; ekonomiki, elastycznoœci; precyzja prowa-dzenia akcji poszukiwawczo-ratowniczych, walka z klêskami ¿ywio³owymi; turystyka i re-kreacja; transport i komunikacja; ³¹cznoœæ; ochrona œrodowiska) spowodowa³y, ¿e od 2002 r. rozwijana jest Europejska Sieæ Wielofunkcyjnych Stacji Referencyjnych GNSS (European Network of Multifunctional Reference Stations) – EUPOS (rys. 3). Z za³o¿enia EUPOS bêdzie bazowa³ na standardach systemu Galileo, ale tak¿e mo¿liwe jest korzystanie z innych dostêpnych sygna³ów np. GPS, GLONASS, EGNOS. Stacje permanentne s¹ rozmieszczane sukcesywnie w promieniu 70 km, a ich wspó³rzêdne wyznaczane w oparciu o ETRS 89 i inne konwencjonalne geodezyjne systemy odniesienia poprzez punkty europejskiej sieci EU-REF. W polskiej sieci wielofunkcyjnych stacji referencyjnych GNSS – POLPOS (Polish Position Determination System), stanowi¹cym integtraln¹ czêœæ systemu EUPOS, planowa-nych jest 75 stacji, które powinny zapewniaæ trzy zasadnicze typy us³ug: EUPOS DGNSS (w czasie rzeczywistym lub postprocesingu z submetrow¹ dok³adnoœci¹), EUPOS RTK (w czasie rzeczywistym z centymetrow¹ dok³adnoœci¹), EUPOS Geodetic (dla precyzyjnych potrzeb geodezyjnych).

Projekt europejskiej sieci wielofunkcyjnych stacji referencyjnych – EUPOS zainicjowa-ny zosta³ podczas pierwszej konferencji “Multifunctional GNSS Reference Station System for Europe” (4-5 marzec 2002 r., Berlin, Niemcy). Ustanowiono wtedy, ¿e musi istnieæ sieæ wielofunkcyjnych stacji odniesienia GNSS w krajach centralnej i wschodniej Europy, a pro-jekt ten uzyska³ poparcie Europejskiej Akademii Urbanizacji Œrodowiska. Dla potrzeb koor-dynacji przedsiêwziêæ powo³any zosta³ Komitet Steruj¹cy, który postanowi³, ¿e sieæ EUPOS bêdzie liczyæ oko³o 420 stacji rozmieszczonych (tabela) w 14 pañstwach europejskich (Bo-œnia i Hercegowina, Bu³garia, Estonia, Federacja Rosyjska, Litwa, £otwa, Mo³dawia, Niem-cy, Polska, Republika Czeska, Rumunia, Serbia i Czarnogóra, S³owacja, S³owenia, Wêgry). Kolejne konferencje Komitetu Steruj¹cego przyczyni³y siê do nadania temu projektowi osta-tecznego kszta³tu (lipiec 2002 – Warszawa, listopad 2002 – Sofia, czerwiec 2003 – Ryga, listopad 2003 – Berlin, czerwiec 2004 – Bratys³awa, listopad 2004 – Sofia, kwiecieñ 2005 – Praga). Przyjête zosta³y nastêpuj¹ce za³o¿enia:

m stacje EUPOS trwale bêd¹ dzia³a³y jako wielofunkcyjne stacje odniesienia DGNSS; m œrednia odleg³oœæ pomiêdzy stacjami powinna wynosiæ oko³o 70 km (wiêksza gêstoœæ

wymagana w wielkich aglomeracjach miejskich);

m istniej¹ce systemy stacji odniesienia (np. EUREF, IGS) zostan¹ w³¹czone do sieci

EUPOS;

m wspó³rzêdne stacji bêd¹ okreœlone z wysok¹ precyzj¹, zarówno w ETRS’ 89, jak i w

m sieæ stacji EUPOS bêdzie u¿ywaæ jako standardu podstawowego sygna³ów systemu

satelitarnego Galileo, a sygna³y GPS przyjêto jako podstawowy standard a¿ do kom-pletnej dostêpnoœci systemu Galileo;

m wysok¹ jakoœæ geodezyjn¹ systemu GNSS zapewni¹ odbiorniki

dwuczêstotliwoœcio-we, w które wyposa¿ane s¹ stacje odniesienia sieci EUPOS;

m poszczególne stacje odniesienia bêd¹ ³¹czone w sieæ.

Zasadne jest podanie, ¿e obecnie w naszym kraju funkcjonuje ju¿ 18 stacji referencyjnych DGPS w ramach EUPOS, a w najbli¿szym czasie przewiduje siê uzupe³nienie tej sieci o dalszych 57 stacji (rys. 4). W najbli¿szym czasie uruchomione zostan¹ nastêpne. W zwi¹zku z tym 15 lutego 2005 r. zorganizowane zosta³o przez Pañstwow¹ Wy¿sz¹ Szko³ê Zawodow¹ (PWSZ) w Che³mie seminarium „Wykorzystanie technik satelitarnych w nawigacji oraz w systemach informacji geograficznej”, a ju¿ w kwietniu powsta³o laboratorium informacji geograficznej, korzystaj¹ce z zakupionego w firmie ESRI oprogramowania i stanowi¹ce zal¹¿ek regionalnego oœrodka systemu informacji geograficznej (GIS). Podjête dzia³ania do-prowadzi³y do tego, ¿e w maju Departament Geodezji, Kartografii i Systemów Informacji Geograficznej GUGiK, po przeprowadzonych badaniach lokalizacyjnych, uwzglêdni³ w pro-jekcie technicznym systemu ASG-EUPOS lokalizacjê na terenie PWSZ stacji referencyjnej systemu ASG-EUPOS (rys. 5, 6). Równie¿ w tym samym czasie EUROCONTROL zobo-wi¹za³a siê, ¿e przeka¿e do testowania PWSZ w Che³mie odbiorniki u¿ytkownika systemu satelitarnego EGNOS w celu dokonania odpowiednich badañ. Od wrzeœnia trwa wyposa¿a-nie dwóch laboratoriów (GIS – rys. 7 i GNSS – rys. 8). Od listopada trwa integrowawyposa¿a-nie tych

a w t s ñ a P Obszar m k [ 2_{] plan}L_oic_wz_ab_na_ych -y n j y c n e r e f e r ij c a t s h c e i n e z c z s ê g a Z ij c a t s 0 0 0 0 1 / s [ m k 2_] a i n d e r Œ æ œ o ³ g e l d o y z d ê i m o p ] m k [ i m a j c a t s a n i w o g e c r e H i a i n œ o B 51100 12 2,3 65 a ir a g ³ u B 110990 23 2,1 70 a k s e z C a k il b u p e R 78870 16 2,0 70 a i n o t s E 45100 13 2,2 70 y r g ê W 93030 19 2,0 70 a w t o £ 64500 14 2,0 70 a w ti L 65200 13 2,0 70 a i n o d e c a M 25710 8 2,0 70 a k s l o P 312680 75 2,3 70 a i n u m u R 237500 48 2,0 70 a j c a r e d e F a k s j y s o R 17075000 150 – 30-100 a r ó g o n r a z C i a i b r e S 88360 18 2,0 70 a j c a w o ³ S 49040 12 2,0 70 a i n e w o ³ S 20250 8 2,0 70 æ œ o tr a w a n z c y r a m u S 1242230 )i js o R z e b ( 429 2,0 70

46 Andrzej Fellner, Janusz Œledziñski, Pawe³ Trómiñski, Józef Zaj¹c

Rys. 4. Istniej¹ce i planowane stacje polskiej sieci POLPOS w ramach EUPOS

laboratoriów (GIS, GNSS) w PWSZ poprzez sieæ LAN. W nastêpnym roku, po wykonaniu przedsiêwziêæ zwi¹zanych z przeszkoleniem u¿ytkowników, planowane jest, ju¿ z zastoso-waniem sieci WAN, przyst¹pienie do udostêpniania wyników pracy tych laboratoriów dla potrzeb potencjalnych u¿ytkowników. Z przyjêtych za³o¿eñ wynika, ¿e laboratoria GIS/RTK DGNSS w Pañstwowej Wy¿szej Szkole Zawodowej w Che³mie umo¿liwi¹ testowanie opro-gramowania zwi¹zanego z geoinformacj¹ oraz podejmowanie badañ zwi¹zanych z metodami po³¹czenia danych pochodz¹cych z systemów informacji geograficznej z danymi uzyskiwa-nymi z Europejskiej Sieci Wielofunkcyjnych Stacji Referencyjnych GNSS, w celu zbierania, archiwizowania, przetwarzania (dokonywania analiz sieciowych i przestrzennych) i udo-stêpniania tych danych u¿ytkownikom poprzez powstaj¹c¹ polsk¹ sieæ stacji referencyjnych – POLPOS.

Rys. 5. Budynek PWSZ w Che³mie, wybrany do za³o¿enia anteny dla RTK DGPS

48

Andrzej Fellner, Janusz Œledziñski, Pawe³ Trómiñski, Józef Zaj¹c

,

,

1

1

7

7

(

(

*

*

5

5

$

$

&

&

-

-

$

$





'

'

$

$

1

1

<

<

&

&

+

+





$

$

1

1

$

$

/

/

,

,

=

=

<

<





6

6

,

,

(

(

&

&

,

,

2

2

:

:

(

(





$

$

1

1

$

$

/

/

,

,

=

=

<

<





3

3

5

5

=

=

(

(

6

6

7

7

5

5

=

=

(

(

1

1

1

1

(

(





0

0

$

$

3

3

<

<





7

7

(

(

0

0

$

$

7

7

<

<

&

&

=

=

1

1

(

(

35=(675=( 

Rys. 8. Laboratorium GNSS

Literatura

Æwiklak J., Fellner A., Œledziñski J., Trómiñski P., Zaj¹c J., 2005: EGU General Assembly, Precision Approach by Polish Aviation Differential GPS-POLPOS.

Fellner A., Olszanowski G., Trómiñski P., 2005: Laboratorium transformacji danych ze stacji referencyjnej ASG-PL/EUPOS w PWSZ w Che³mie, Dzia³ania PWSZ w Che³mie w dziedzinie propagowania GIS, PWSZ. Fellner A., Œledziñski J., Trómiñski P., Zaj¹c J., 2005: Europejski system EUPOS w laboratorium DGNSS/ GIS Pañstwowej Wy¿szej Szko³y Zawodowej w ramach ogólnie dostêpnego systemu POLPOS, PWSZ. Fellner A., Trómiñski P., 2005:GIS EPOS w internecie, PWSZ .

Fellner A., Zaj¹c J., 2005: System CNS/ATM w programie Single European Sky, AM . Materia³y z posiedzeñ grup roboczych CNS/ATM NATMC, 2005, NATO/EUROCONTROL.

Materia³y z posiedzeñ Zespo³u ds. Wdro¿enia Nawigacji Satelitarnej (ZWNS) w celu opracowania „Strategii nawigacyjnej dla Polski 2004–2015”.

Summary

Four European Parliament and European Council Resolutions of 10 March 2004 (No. 549/2004 The Framework Regulation, No. 550/2005 The Provision Regulation, No. 551/2004 The Airspace Regula-tion, and No. 552/2004 The Interoperability Regulation) obliged Member States to implement GNSS (Global Navigation Satellite System). Additional guidelines can be found in Annex 10 to the Convention of International Civil Aviation. In view of the above, a document on the realization of these Resolutions, entitled Local Convergence and Implementation Plan – Poland 2005-2009 has been prepared in our country. Poland treats the issues connected with GNSS implementation with priority which is confir-med by the fact that an ordinance on the issue in question is being prepared by the Minister of Transport (Infrastructure).

50 Andrzej Fellner, Janusz Œledziñski, Pawe³ Trómiñski, Józef Zaj¹c

Since 2002 European Network of Multifunctional Reference GNSS Stations (EUPOS – European Position Determination System) has been developed, and ultimately it is going to have 420 stations deployed in 14 countries. It is assumed that EUPOS will be based on Galileo system standards, but it will also be possible to make use of other available signals, like for example GPS, GLONASS, and EGNOS. Permanent stations are successively deployed within the radius of 70 km. Their coordinates are marked by means of EUREF points, taking into account ETRS 89 and some other conventional geodetic reference systems. Within the framework of the Polish Multifunctional Reference GNSS Sta-tions Network i.e. POLPOS (Polish Position Determination System), which holds a central position of the EUPOS system, it is planned to have 75 stations that in turn should provide three fundamental types of services, mainly EUPOS DGNSS (in real times or post-processing with submeter accuracy), EUPOS RTK (in real time with centimeter accuracy), and EUPOS Geodetic (for accurate geodetic needs).

Nowadays, 18 reference stations within the framework of EUPOS operate in our country. Some new ones will be established in the future, including in the State Higher School of Vocational Education in Chelm. Accordingly, new GIS/RTK DGNSS laboratory has been created. The aim of the laboratory is to perform tests on geoinformation software as well as make research on procedures to link this information with the data provided by European Network of Multifunctional Reference GNSS Stations. As a result, it will be used to collect, record, process (perform network and spatial analyses), and make the data available to users by means of the new Polish Multifunctional Reference GNSS Stations Network i.e. POLPOS.

Józef Zaj¹c jzajac@kul.lublin.pl tel. (0-82) 565 88 94 Andrzej Fellner afellner@o2.pl tel. (0-22) 682 11 05 Pawe³ Trómiñski ptrominski@interia.pl tel. (0-82) 565 88 94;

Rys. 2.

52 Andrzej Fellner, Janusz Œledziñski, Pawe³ Trómiñski, Józef Zaj¹c