GPS Modernization: Δέκτες GPS, Ακρίβεια με χαμηλό κόστος κτήσης.

Τα αναμενόμενα οφέλη από τον εκσυγχρονισμό του συστήματος GPS δεν σταματούν μόνο στην καλύτερη διαθεσιμότητα και ακρίβεια. Στο μέλλον, οι δέκτες του συστήματος GPS αναμένεται να σημειώσουν σημαντική μέιωση στο κόστος κτήσης. Αξίζει να σημειωθεί ότι η πτώση θα αφορά τα προϊόντα GPS και δεν αναφέρεται κατ’ ανάγκη σε προϊόντα που θα συνδυάζουν δέκτες GPS/GLONASS/GALILEO κλπ.

Ας εξετάσουμε τους λόγους βάσει των οποίων αναμένεται σημαντική μείωση των τιμών:

Σήμερα, οι κατασκευαστές δεκτών GPS δύο συχνοτήτων είναι λίγοι. Το μικρό πλήθος κατασκευαστών οφείλεται στο γεγονός του ότι η συχνότητα L2 είναι κλειδωμένη και διαθέσιμη μόνο για στρατιωτική χρήση. Εντούτοις, στη δεκαετία του 1980 κάποιοι τεχνικοί κατάφεραν αναπτύξουν τεχνικές που αξιοποιούσαν το κωδικοποιημένο σήμα της L2 και να τις εφαρμόσουν σε δέκτες GPS. Οι τεχνικές αυτές κατατέθηκαν ως πατέντες αποκλείοντας έτσι νέους κατασκευαστές να μπουν στην αγορά.

Η επερχόμενη συχνότητα L5 θα είναι μια ελεύθερη - δημόσια συχνότητα γεγονός που θα οδηγήσει πολλούς κατασκευαστές στο να την υιοθετήσουν στα προϊόντα τους χωρίς κόστη σε δικαιώματα κλπ. παράγοντας προϊόντα δύο συχνοτήτων L1/L5. Ο ανταγωνισμός θα σπρώξει τις τιμές προς τα κάτω. Χαρακτηριστικό είναι το παράδειγμα των κατασκευαστών δεκτών GPS L1 (ανέκαθεν ελεύθερη – δημόσια συχνότητα) όπου το κόστος του ηλεκτρονικού υλικού δέκτη GPS είναι περίπου 2 - 4 ΕΥΡΩ ανά τεμάχιο για προϊόντα πλοήγησης ενώ πριν 15 χρόνια το αντίστοιχο κόστος ήταν περίπου 200 ΕΥΡΩ.

Καθώς θα μειώνεται το κόστος σταδιακά αναμένεται η ενσωμάτωση δεκτών GPS L1/L5 σε συσκευές καταναλωτικές όπως τα κινητά τηλέφωνα δίνοντας έτσι τη δυνατότητα συλλογής γεωδεδομένων υψηλής ακρίβειας.

Όλα τα παραπάνω έχουν ένα συγκεκριμένο χρονοδιάγραμμα. Με δεδομένο ότι το 31-12-2020 παύει η εκπομπή των γνωστών συχνοτήτων L1/L2, θεωρητικά το χρονικό παράθυρο πλήρους επιχειρησιακής ετοιμότητας της συχνότητας L5 θα πρέπει να υπολογίζεται λίγο πριν την εκπνοή της παραπάνω ημερομηνίας.

Το γεγονός ότι το Ευρωπαϊκό σύστημα GALILEO θα υποστηρίζει τις συχνότητες L1/L5 πιθανότητα να οδηγήσει σε εξελίξεις στην αγορά στα μέσα της δεκαετίας 2010 μιας και σύμφωνα με τα τρέχοντα χρονοδιαγράμματα αναμένονται περίπου 10-12 δορυφόροι ενεργοί από κάθε ένα σύστημα GNSS. Στα παραπάνω ας προσθέσουμε τις εξελίξεις στο σύστημα GNSS της Κίνας, BEIDOU-2,/COMPASS το οποίο πιθανότατα θα είναι συμβατό με L1/L5.

GNSS, Τι μας επιφυλλάσει το μέλλον;

Σε μια δεκαετία από σήμερα, ο χρήστης ενός δέκτη GNSS θα έχει στη διάθεσή του περισσότερους από 100 δορυφόρους. Πρακτικά, αυτό μεταφράζεται σε μεγαλύτερη διαθεσιμότητα, μείωση και σε μερικές περιπτώσεις εξάληψη του φαινομένου Canyon, καλύτερες ακρίβιες Real Time, καλύτερους χρόνους επίλυσης RTK, υψηλότερο ποσοστό εμπιστοσύνης της επίλυσης είναι μερικά από τα οφέλη.

Το βέβαιο είναι ότι το μέσο κόστος των δεκτών GNSS θα ανέβει τουλάχιστον μεσοπρόθεσμα μιας και θα πρέπει να αποσβεστούν κόστη επιπλέον υλικού (hardware) στους δέκτες αλλά και κόστη έρευνας, ανάπτυξης (R and D) και κόστη ενσωμάτωσης (Integration).

Από την άλλη, το επιπλέον κόστος θα μπορεί να αποσβεστεί από την ιδιαίτερα αυξημένη παραγωγικότητα καθώς και την ευρύτερη χρήση του εξοπλισμού ακόμη και σε περιβάλλον που σήμερα δεν τολμά κανείς να διανοηθεί.

Με λίγα λόγια, είναι κοντά η εποχή που θα περπατάμε στο δρόμο με μια συσκευή λίγο μεγαλύτερη από το κινητό μας, η οποία με χρήση διορθώσεων μέσω GPRS θα μας δίνει ακρίβιες τάξης 10cm.

Ashtech Z-survayor

Αναπολώντας το παρελθόν, θυμάμαι το 1998 μετρούσαμε με 12 κιλά εξοπλισμό ανά δέκτη 2 συχνοτήτων βάσεις μήκους 2-4km κάνοντας στατικές παρατηρήσεις των 20 λεπτών. Το 30% των σημείων ήταν Float με μόλις το υπόλοιπο 70% να είναι αξιοποιήσιμο. Το δε κόστος των 4 δεκτών Ashtech Ζ-survayor 12 καναλιών GPS only ήταν ανάλογο με το κόστος αγοράς μιας νεόδμητης γκαρσονιέρας.

BEIDOU-2/COMPASS

Από τη στιγμή που η Κίνα ανεξαρτητοποιήθηκε από το σύστημα GALILEO, ξεκίνησε την ανάπτυξη του δικού της συστήματος με το όνομα BEIDOU-1. Το σύστημα προοριζόταν για τοπική κάλυψη της χώρας (όχι GNSS) και η τεχνική προσέγγιση του συστήματος ήταν αρκετά διαφορετική από αυτή των GPS και GLONASS. To BEIDOU-1 ολοκληρώθηκε το 2007 με 4 γεωστατικούς δορυφόρους.

Στα τέλη του 2006 η Κίνα ανακοίνωσε την πρόθεσή της να αναπτύξει ένα νέο σύστημα GNSS. Το όνομα του νέου συστήματος BEIDOU-2 ή COMPASS στην Αγγλική. Βασικές προδιαγραφές του συστήματος:

1. Σύνολο 30 δορυφόρων με τροχιές ανάλογες ώστε να καλύπτεται όλη η γη + 5 γεωστατικοί δορυφόροι
    
2. Συχνότητες εκπομπής με μικρή επικάλυψη με τις αντίστοιχες του GALILEO και του επερχόμενου εκσυγχρονισμένου GPS.
    
3. 2 παρεχόμενες υπηρεσίες, μια ανοιχτή – δημόσια και μια κλειδωμένη.

Σύμφωνα με το τρέχων χρονοδιάγραμμα το σύστημα θα πρέπει να έχει ολοκληρωθεί το 2015

GALILEO

Αποτελεί  το πολυσυζητημένο Ευρωπαϊκό σύστημα GNSS του οποίου η αρχική συμφωνία ανάπτυξης υπογράφθηκε το 2002 με χρονοδιάγραμμα έναρξης λειτουργίας το 2012. Οι κυριώτεροι λόγοι που οδήγησαν στη απόφαση υλοποίησης του συστήματος είναι οι εξής:

1. Η απεξάρτηση από στρατιωτικά συστήματα GNSS των οποίων η διαθεσιμότητα μπορεί να αρθεί εφόσον κρίνουν σκόπιμο οι ΗΠΑ και Ρωσία αντίστοιχα.

2. Η εξέλιξη στη διαστημική τεχνολογία και τεχνογνωσία

Αν και Ευρωπαϊκό σύστημα GNSS κατά την αρχική φάση ανάπτυξής του συμμετείχαν και χώρες όπως Ουκρανία, Ιδία, Μαρόκο, Σαουδική Αραβία, Νότια Κορέα και Κίνα. Στην πορεία και για λόγους που δεν άπτονται του συγκεκριμένου κειμένου η Ινδία αποχώρησε και συνεργάστηκε με τη Ρωσία στην εξέλιξη του GLONASS και η Κίνα αποφάσισε την ανάπτυξη του δικού της συστήματος GNSS.

Θεωρητικά, το GALILEO θα είναι το πλέον τεχνολογικά άρτιο σύστημα GNSS μιας και συγκεντρώνει την εμπειρία 30 ετών εξέλιξης των GPS και GLONASS. Αυτό με τη σειρά του αναμένεται να δώσει νέο ορισμό στις έννοιες ακρίβεια και διαθεσιμότητα συστημάτων GNSS

Ο σχεδιασμός του συστήματος αναφέρει 30 δορυφόρους σε μέση τροχιά με νέας τεχνολογίας (Hydrogen Maser) ρολόγια υψηλότερης ακρίβειας από τα αντίστοιχα του GPS. Επίσης προβλέπει:

Υπηρεσία OS (Open Service): Δημόσια δωρεάν παροχή κώδικα συχνότητας αντίστοιχης των L1 και L5 του GPS

Υπηρεσία CS (Commercial Service): Μισθωμένες υπηρεσίες 2 συχνοτήτων

Υπηρεσία PRS (Public Regulated Service) και SOL (Safety Of Life): Κλειστός ασφαλής κώδικας 2 συχνοτήτων με υψηλή διαπερατότητα και υψηλή αντοχή σε παρεμβολές

Αν και η αρχική αντιμετώπιση του GALILEO από τις Η.Π.Α. ήταν εχθρική λόγω της φιλοσοφίας του ως δημόσιο και όχι στρατιωτικό σύστημα (σε καιρό πολέμου το σύστημα θα λειτουργεί κανονικά δίνοντας πλεονέκτημα σε εχθρικές δυνάμεις που χωρίς αυτό δεν θα το είχαν), εντούτοις το 2004 υπογράφηκε σύμφωνο συνεργασίας μεταξύ των Η.Π.Α. και της Ε.Ε. με σκοπό τη συμβατότητα των 2 συστημάτων.

Το αναθεωρημένο χρονοδιάγραμμα του συστήματος έχει ως εξής: 

1. Σήμερα, υπάρχουν ήδη 2 δορυφόροι του GALILEO οι οποίοι εκπέμπουν δοκιμαστικά με έναν τρίτο να ενεργοποιείται σύντομα.
2. Η επόμενη εκτόξευση υπολογίζεται στο 2011 με 4 επιπλέον δορυφόρους
3. Μεταξύ 2012 και 2016 υπολογίζεται να συμπληρωθεί το σύστημα με επιπλέον 16 δορυφόρους.

Η έλευση του GALILEO αναμένεται να επιρεάσει θετικά τις εξελίξεις στους τομείς Τοπογραφία, Χαρτογραφία και σε όλες τις εφαρμογές που σχετίζονται με εντοπισμό θέσης αυξάνοντας τη διαθεσιμότητα των δορυφόρων κατά 30 επιπλέον. 

Το σύστημα θα δουλεύει προσθετικά στο GPS και με την ολοκλήρωσή του θα αποτελεί ένα ξεχωριστό και αυτόνομο GNSS. Η εκτίμιση είναι ότι η ενσωμάτωση του GALILEO σε δέκτες GPS θα είναι πολύ πιο εύκολη και άμεση απ’ ότι αυτή του GLONASS από τους κατασκευαστές μιας και οι κατασκευαστές των δύο συστημάτων συνεργάζονται ως προς αυτό το σκοπό.

GLONASS/GNSS

Το σύστημα GLONASS αναπτύχθηκε κατά τη διάρκεια του «ψυχρού πολέμου» από την ΕΣΣΔ (νυν Ρωσία) ως τον αντίποδα του συστήματος GPS. Οι βασικές αρχές λειτουργίας των δύο συστημάτων είναι ίδιες ενώ οι τεχνικές και τεχνολογίες των 2 συστημάτων διαφέρουν.

Το σύστημα ξεκίνησε το 1976 και ολοκληρώθηκε το 1995 έχοντας στο ενεργητικό του 24 δορυφόρους. Κατόπιν, ακολούθησε η κατάρευση της ΕΣΣΔ η οποία οδήγησε σε εγκατάληψη του συστήματος με αποτέλεσμα το 2002 από το σύνολο των 24 δορυφόρων επιχειρισιακά έτοιμοι να είναι μόνο 6-8 δορυφόροι.

Στα μέσα της δεκαετίας του 2000 η Ρωσική κυβέρνηση αποφάσισε την πλήρη αναβάθμιση του συστήματος ώστε μέχρι τα μέσα την επόμενης δεκαετίας αυτό να καταστεί επιχειρησιακά άρτιο.

Σήμερα, το σύστημα απαριθμεί περίπου 20 υγιείς δορυφόρους και βρίσκεται πολύ κοντά στην πλήρη ολοκλήρωσή του. Στη γρήγορη επαναφορά του συστήματος συνεισέφερε και η συνεργασία της Ιδίας από το έδαφος της οποίας εκτοξεύτηκαν 2 δορυφόροι το 2006 και 2008. Η Ινδία, επίσης, θα συνεισφέρει στην περαιτέρω φημολογούμενη εξέλιξη του συστήματος ώστε αυτό να καταστεί συμβατό με τα συστήματα GPS/GALILEO.

Τον Μάιο του 2007 ο Ρώσος πρόεδρος Πούτιν, υπέγραψε συμφωνία δημόσιας διάθεσης κώδικα των συχνοτήτων L1 και L2 του GLONASS χωρίς περιορισμούς και κόστη. Με στόχο τη διεθνή αναγνώριση και εξάπλωση του συστήματος η Ρωσία πρόκειτε να επιβάλει φόρο 25% από το έτος 2011 και μετά σε όλες τις εισαγόμενες συσκευές δεκτών GPS εκτός αν αυτές ενσωματώνουν και δέκτη GLONASS. Κατ’ αυτόν τον τρόπο σκοπεύει να πιέσει τους κατασκευαστές να ιοθετήσουν το Ρωσικό σύστημα GNSS.

GPS/GNSS

Πρόκειται για το αρχαιότερο σύστημα GNSS. Παρέχει αξιόπιστες υπηρεσίες εντοπισμού και χρόνου κάτω από οποιεσδήποτε καιρικές συνθήκες καλύπτοντας όλο τον πλανήτη εφόσον ο δέκτης GPS μπορεί να «δει» κατ’ ελάχιστον 4 δορυφόρους. Ως ιδέα γεννήθηκε το 1973 ενώ ο πρώτος από τους 24 ενεργούς δορυφόρους του συστήματος μπήκε σε τροχιά το 1978.

Αν και στρατιωτικό σύστημα, ο χαρακτήρας του είναι διπλός. Κώδικας εκπομπής ελεύθερος – δημόσιος αλλά και κρυφός/κλειδωμένος για στρατιωτική χρήση.
 

Δημόσια Χρήση – Εφαρμογές:
Τοπογραφία, Χαρτογραφία, Πλοήγηση (ξηρά, αέρα, θάλασσα), Κινητή τηλεφωνία, Παγκόσμια ώρα και εφαρμογές συγχρονισμού, Σεισμολογία, Υπηρεσίες εντοπισμού (ανθρώπων, ζώων, οχημάτων), Αναψυχή.
Στρατιωτική Χρήση – Εφαρμογές:
Προήγηση – διοίκηση, Σκόπευση και καθοδήγηση οπλικών συστημάτων, Έρευνα και διάσωση
 

Η παύση του επιπλέον θορύβου στο σήμα γνωστό και ως SA (Selective Availability) τον Μάιο του 2000 καθώς και η υλοποίηση των υποστηρικτικών δορυφορικών συστημάτων SBAS (WAAS για Αμερική, EGNOS για Ευρώπη, MSAS για Ασία) τα οποία βελτιώνουν την ακρίβεια του GPS, οδήγησαν σε φρενήρη εξέλιξη την αγορά δεκτών GPS. Νέες αγορές, νέα προϊόντα, νέες εφαρμογές, νέα είδη επιχειρηματικότητας, μείωση του κόστους κτήσης μερικά από τα οφέλη.

Το 1998 ο αντιπρόεδρος των Η.Π.Α. Al Gore παρουσιάζει το σχέδιο εκσυγχρονισμού του συστήματος GPS. Ο εκσυγχρονισμός του συστήματος αφορά τα παρακάτω:
 

GPS – Modernization: L2C
Νέος κώδικας δημόσια διαθέσιμος στη συχνότητας L2. Ο νέος κώδικας έχει επιπλέον και νέα διαμόρφωση η οποία καθιστά τη λήψη της L2 πιο αξιοποιήσιμη ακόμη και σε χαμηλότερα επίπεδα εκπομπής από αυτή της L1. Η ελεύθερη και ταυτόχρονη λήψη και των δυο συχνοτήτων επιτρέπει την αφαίρεση σφαλμάτων που οφείλονται στην ιονόσφαιρα.
 

GPS Modernization: L5
Νέα συχνότητα με όνομα L5 με δημόσια διάθεση κώδικα που υπόσχεται καλύτερη λήψη.
 

GPS Modernization: L1C
Με τη νέα γενιά δορυφόρων Block III αναμένονται μια σειρά βελτιώσεων στη συχνότητα L1 καθιστώντας τη συμβατή με τις εκομπές του επερχόμενου συστήματος GALILEO.

Οι παλιές εκπομπές των συχντοτήτων L1 και L2 θα παραμείνουν ενεργές μέχρι το έτος 2020.

Χρονοδιάγραμμα Υλοποίησης
Κάθε φάση του εκσυγχρονισμού του συστήματος GPS απαιτεί χρόνο μέχρι να ολοκληρωθεί. Το εκτιμώμενο χρονοδιάγραμμα έχει ως εξής:
 

L2C: Στην παρούσα η αναβάθμηση έχει γίνει σε περίπου 6 δορυφόρους και χρονικά αναμένεται η ολοκλήρωση μεταξύ 2013-2015
L5: Πρώτη εκτόξευση 2010, χρονική εκτίμηση για πλήρη αναβάθμηση μεταξύ 2015-2017
L1C: Πρώτη εκτόξευση περίπου το 2013, εκτίμηση για πλήρη αναβάθμιση μετά το 2019

Συστήματα GNSS, Χτές, Σήμερα, Αύριο. Περίληψη:

Μέσα από μια σειρά δημοσιεύσεων θα προσπαθήσουμε να δώσουμε μια εικόνα των συστημάτων GNSS από την αρχή της ιστορίας τους μέχρι σήμερα και επιπλέον, θα παρουσιάσουμε τις μελλοντικές εξελίξεις και το νέο χάρτη όπως αυτός θα διαμορφωθεί τα επόμενα χρόνια.

Ορισμοί:

GNSS: Global Navigation Satellite Systems. Αποτελεί ένα γενικό όρο με τον οποίο περιγράφονται όλα τα δορυφορικά συστήματα που παρέχουν υπηρεσίες αυτόνομου χωρικού εντοπισμού παγκόσμιας κάλυψης. Οι παρεχόμενες υπηρεσίες δίνουν τη δυνατότητα σε δέκτες χειρός να δώσουν συντεταγμένες της θέσης τους με ακρίβεια μερικών μέτρων. Προκειμένω τα συστήματα GNSS να παρέχουν υπηρεσίες παγκόσμιας κάλυψης, απαιτείται ένα πλήθος 20 -30 δορυφόρων μέσης τροχιάς με περίοδο τροχιάς περίπου 12 ώρες σε ύψος περίπου 20.000Km.

GPS: Global Positioning System: Στρατιωτικό σύστημα GNSS Αμερικάνικης προέλευσης. Τελεί υπό την αιγίδα της Αμερικάνικης πολεμικής αεροπορίας (U.S. Air Force).

GLONASS: GLObal NAvigation Satellite System: Στρατιωτικό σύστημα GNSS που αναπτύχθηκε από την πρώην Σοβιετική Ένωση. Σήμερα, λειτουργεί υπό τη Ρωσική Υπηρεσία Διαστήματος για λογαριασμό της Ρωσικής κυβέρνησης.

GALILEO: Υπό ανάπτυξη σύστημα GNSS από την Ευρωπαϊκή Ένωση και την Ευρωπαϊκή Υπηρεσία Διαστήματος. Το όνομά του προέρχεται από τον Ιταλό αστρονόμο Galileo Galilei.

BEIDOU-2/COMPASS: Αποτελεί την εξέλιξη του Κινέζικου συστήματος BEIDOU-1. Στην παρούσα το σύστημα είναι υπό ανάπτυξη με στόχο να αποτελέσει ένα πλήρως λειτουργικό σύστημα GNSS.