Directoraat-Generaa
MD-MT-R-9226
RADIO PLAATSBEPALINGSEN -NAVIGATIE SYSTEMEN
2e (herziene) versie, augustus 1992
MINISTERIE V A N V E R K E E R E N WATERSTAAT
RIJKSWATERSTAAT
MEETKUNDIGE DIENST
KANAALWEG 3B-4
POSTBUS 5023
2600 GA D E L F T
T E L . 015-691111
VOORWOORD
Het Ministerie van Verkeer en Waterstaat heeft een nota "radioplaatsbepalings- en
navigatieplan" in voorbereiding.
Een eerste stap hiervoor is de eerste versie van onderliggende inventarisatie van
plaatsbepalings- en navigatiesystemen geweest, verschenen in december 1991.
De Meetkundige Dienst van Rijkswaterstaat geeft ook in deze tweede, iets uitgebreidere versie, een overzicht van de belangrijkste systemen.
Het rapport tracht inzicht te geven in de theorie van radioplaatsbepaling, en
daarnaast een naslagwerk te zijn met betrekking tot de verschillende systemen die
hiervoor bestaan.
Het theoretische deel omvat de verschillende methoden van radioplaatsbepaling, de
kwaliteit, en de mogelijkheden om de kwaliteit te optimaliseren.
In een bijlage worden alle belangrijke systemen voor gebruik op land, op zee of in
de lucht beschreven. Om praktische redenen zijn erg lokaal georienteerde systemen
niet opgenomen.
Het rapport is verkrijgbaar bij de Meetkundige Dienst,
ir. E. van Bremen
ir. M. Hofman
tel. 015 - 691385/691386
august us 1992
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATIESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DIENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
2
INHOUDSOPGAVE
1
INLEIDING
4
2
DE THEORIE VAN RADIOPLAATSBEPALING
6
ALGEMENE KENMERKEN
2.1
2.2
RADIOPLAATSBEPALINGSMETHODES
2.2.1
de circulaire methode
2.2.2
de hyperbolische methode
2.2.3 de pseudo-circulaire methode
2.2.4
de polaire methode
2.2.5
de Doppler methode
3
KWALITEIT
3.1
KWALITEITSBEPALENDE FAKTOREN
3.1.1 propagatie-eigenschappen
3.1.2
de geometrie
3.1.3
coordinatenstelsels
3.2
DE BESCHRIJVING VAN KWALITEIT
3.2.1 precisie
3.2.2 betrouwbaarheid
4
OPTIMALISATIE
4.1
DIFFERENTIELE REFERENTIES
4.2
MONITORING
4.3
MODELLEN
4.3.1 propagatiemodel
4.3.2 filteren
4.3.3 toetsen
4.3.4 hoogtemodel
4.4
INTEGRATIE VAN SYSTEMEN
4.5
VOORZORGSMAATREGELEN
6
8
8
9
10
10
11
12
12
12
14
16
18
18
19
21
21
22
23
23
24
26
27
27
28
BIJLAGEN
30
BIJLAGE A RADIOPLAATSBEPALINGSSYSTEMEN
A.1 SYSTEEMBESCHRIJVINGEN
OMEGA
DECCA Navigator System
LORAN-C
PULSE/8
Non Directional Beacons (NDB)
HYPERFIX
ILS
N.N.S.S. / TRANSIT
ARGOS
SYLEDIS
31
32
34
36
38
40
41
43
45
48
50
52
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATTESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DDSNST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
3
A.2
VOR/DME
TACAN
GPS
GLONASS
MLS
EUTELTRACS
OVERIGE SYSTEMEN
BIJLAGE B
54
56
58
61
62
64
66
ONTWIKKELINGEN
67
BIJLAGE C VOORBEELDEN DIFFERENTIELE SYSTEMEN
C. l Differentiele GPS
69
70
BIJLAGE D VOORBEELDEN GEINTEGREERDE SYSTEMEN
D. l GPS-Loran-C
D.2 (D)GPS-INS
D.3 Radioplaatsbepaling met Dead-Reckoning/Map-Matching
72
72
72
73
LIJST VAN AFKORTINGEN
74
INDEX
77
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATEESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DD3NST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
Jg
l |
4
1
INLEIDING
Plaatsbepaling van schepen is al eeuwenlang belangrijk, maar ook een groot
probleem. Sinds de komst van de radio is een grote vooruitgang geboekt. Positie-,
koers- en snelheidsbepaling werd veel eenvoudiger, waardoor ook het gebruik een
grote vlucht nam.
Sindsdien zijn er meer radiosystemen op de markt gekomen en onder andere door
de steeds betere nauwkeurigheid groeit het aantal toepassingen.
Dit soort systemen zijn bij uitstek geschikt voor toepassing in voer-, vaar-, of
vliegtuig.
De klassieke toepassing in de scheepvaart, maar ook in de luchtvaart en de meetpraktijk van overheidsinstellingen (Rijkswaterstaat, de Dienst der Hydrografie van
Defensie) en ondernemingen in de offshore-industrie, zijn bekende voorbeelden.
Deze systemen worden bovendien steeds vaker gebruikt in de transportsektor als
ondersteuning bij de logistieke bedrijfsvoering.
De meest bekende toepassing van plaatsbepaling is uiteraard de "navigatie".
Al van oudsher zoeken zeevarenden en vliegeniers naar doelmatige methodes, teneinde zo snel en veilig mogelijk op de plaats van bestemming te geraken. Plaatsbepaling en navigatie worden dan ook wel als synoniemen gebruikt, alhoewel
navigeren -letterlijk stuurmanskunst- meer is dan alleen plaatsbepaling. Niettemin
is plaatsbepaling een belangrijk element.
Voor de overheid is goede plaatsbepaling van belang vanwege de veiligheid van het
scheeps- dan wel luchtverkeer. Op zee vooral bij havennadering, voor de luchtvaart
in alle navigatiefasen.
Daarnaast worden sinds kort ook in de auto navigatiesystemen toegepast. De
systemen die hiervoor op de markt komen maken allereerst gebruik van wielsensoren, een kompas en een digitale kaart. Radio-, maar ook infra-rood, bakens worden
wel gebruikt om de betrouwbaarheid van deze autonavigatiesystemen te verbeteren.
Op dit soort elektronische plaatsbepalingssystemen zal niet verder worden ingegaan.
Een tweede toepassing is meetwerk op het water. Voor de scheepvaart is de
overheid al zeer lang leverancier van (zee-)kaarten, en beheerder van (vaar-)wegen.
Voor beide taken moet veel gemeten worden, evenals in de off-shore industrie. Zo
moeten de posities van obstakels (bijv. wrakken) in kaart worden gebracht en
diepten worden gemeten, die aan een bepaalde plaats worden gerelateerd. Plaatsbepaling, en wel met hoge nauwkeurigheid, is hier van essentieel belang. Deze vorm
van plaatsbepaling wordt ook "puntsbepaling" genoemd.
De laatste en nieuwste toepassing van (radio-)plaatsbepaling is die waarin niet in
het voer/vaar/vliegtuig, 'het mobiel', bekendheid met de positie nodig is, maar op
een centrale plaats (thuisbasis). Dit wordt "lokalisatie" genoemd.
Men kan hierbij denken aan oceanografisch onderzoek waarbij boeien gevolgd
worden om een zeestroming in kaart te brengen, maar ook aan de planner van een
wegtransport-onderneming die met behulp van de posities van alle wagens een
optimale planning kan verzorgen. Ook verkeersgeleiding gebeurt op basis van
lokalisatie-gegevens, in veel gevallen met behulp van radar. Radar zal in dit stuk
niet behandeld worden.
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATD3SYSTEMEN
MEETKUNDIGE DDSNST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
5
Er zijn dus verschillende termen die met plaatsbepaling samenhangen. In enge zin
betreft het positiebepaling, in meer funktionele zin omvat het de geografische
informatie voor navigatie, lokalisatie of puntsbepaling.
Het doel van deze inventarisatie is inzicht te verschaffen in de verschillende
aspekten van mobiele plaatsbepaling, en een overzicht te geven van de meest
gangbare radiosystemen, die in de verkeer- en vervoer-sector (kunnen) worden
gebruikt.
Een aantal bijzondere toepassingen komen bewust niet aan de orde, te weten
"landmeetkundige" puntsbepaling, en tijdsoverdracht.
Ook lokalisatie op basis van radar en navigatie op basis van dead-reckoning/mapmatching (autonome autonavigatie) worden buiten beschouwing gelaten.
Voorafgaande aan de systeembeschrijvingen worden in drie hoofdstukken een
aantal algemene onderwerpen behandeld.
- In hoofdstuk 2 worden de methodes van mobiele plaatsbepaling geschetst.
- In hoofdstuk 3 worden de termen waarmee de kwaliteit van plaatsbepaling wordt
beschreven uitgelegd, alsmede de faktoren die daarop van invloed zijn.
- In hoofdstuk 4 wordt beschreven hoe in de praktijk de plaatsbepaling kan worden
geoptimaliseerd; hierbij komen de integratie van systemen, differentiele referenties, modellen en monitoring aan de orde.
De systeemgerichte beschrijvingen zijn opgenomen in bijlagen.
-
In bijlage
In bijlage
In bijlage
In bijlage
A de beschikbare, of in ontwikkeling verkerende, systemen.
B (mogelijke) nieuwe systemen.
C de differentiele systemen.
D voorbeelden van gei'ntegreerde systemen.
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATTESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DEENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
6
2
DE THEORIE VAN RADIOPLAATSBEPALING
Plaatsbepaling is het bepalen van de geografische ligging van een objekt, 'het
mobiel', of de daaraan gerelateerde informatie, zoals koers en snelheid, of richting
en afstand tot een bestemming.
Dit soort gegevens kunnen worden beschreven ten opzichte van de omgeving, of
automatisch worden geregistreerd met speciale apparatuur .
1
De meest gangbare elektronische plaatsbepalingssystemen, die gebruik maken van
radiosignalen, bestaan uit minimaal twee komponenten, namelijk een infrastruktuur en een gebruikerseenheid. In het vervolg wordt met radioplaatsbepaling
geduid op deze infrastruktuur-gebonden radiosystemen, cq. plaatsbepalingsmethoden of -randapparatuur.
2.1
ALGEMENE KENMERKEN
Radioplaatsbepaling is gebaseerd op het doen van waarnemingen, metingen aan
ontvangen radiosignalen. Uit deze waarnemingen berekent men grootheden, zoals
afstanden, afstandsverschillen, richtingen, etc., die positielijnen defmieren.
Deze positielijnen of LOP's worden bepaald ten opzichte van bakens .
Vervolgens wordt een positie berekend uit het snijpunt van minimaal twee (in het
2-dimensionale geval) of drie (in het 3-dimensionale geval) positielijnen.
Bij sommige systemen leveren de gemeten grootheden al de gewenste gegevens en
kan positiebepaling achterwege worden gelaten. Dit geldt bijvoorbeeld voor ILS, een
luchtvaart(landings)systeem, dat de aanvlieglijn naar de landingsbaan markeert.
2
3
4
5
De infrastruktuur bestaat uit bakens, vaak opgesteld in een keten van een
gelimiteerd aantal bakens.
Het aantal opgestelde bakens, of ketens, is afhankelijk van de effektieve reikwijdte
van de radiosignalen, en van de (gewenste) grootte van het dekkingsgebied.
1
bijvoorbeeld het "meten" van posities (Eng.:fix),of het "bepalen" van coordinaten
2
(Eng.: LOP, Line of Position) een positielijn is een lijn (een cirkel, een hyperbool, o.i.d.) waarop de te
bepalen positie ligt bij een bepaalde waarde van een meting
3
een baken is een onderdeel van de systeem-infrastruktuur, dat autonoom of selektief (als antwoord op
een ondervraging) een radiosignaal uitzendt naar de "gebruiker" (meestai de boordeenheid, in enkele
gevallen een centraal rekencentrum)
4
ook wel geometrische infrastruktuur, vanwege de geometrische informatie die daarmee kan worden
bepaald
5
een keten (Eng.: chain) is een aantal bij elkaar horende bakens
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DIENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
7
Naast de infrastruktuur dient de gebruiker te beschikken over een apparaat,
waarmee de feitelijke plaatsbepaling wordt gerealiseerd. Deze (mobiele) gebruikerseenheid is een "passieve" radio-ontvanger, of een "aktieve" radio-zender/-ontvanger.
Meestai wordt de plaatsbepaling door de gebruikerseenheid uitgevoerd. Bij sommige
aktieve systemen wordt "het rekenen" uitgevoerd op een centrale plaats .
6
Al met al zijn er verschillende aspekten, die een radioplaatsbepalingssysteem
karakteriseren: het toepassingsgebied wordt grotendeels bepaald door de infrastruktuur, terwijl de funktionaliteit van een systeem in grote mate afhankelijk is
van de gebruikerseenheid.
Afhankelijk van de gebruikswijze moet een systeemkeuze worden gemaakt. Vaak is
de infrastruktuur al aanwezig, zodat een afstemming moet plaatsvinden tussen
infrastruktuur en gebruikerseenheid.
Zo kan worden gekozen voor het al dan niet gekombineerd gebruik van systemen.
Ook kan de gebruikerseenheid, naast de standaard funkties, een aantal andere
funkties vervullen. Een bekend voorbeeld daarvan zijn de zogenaamde Area
Navigation (RNAV) systemen, waarbij de gebruiker een aantal posities voorprogrammeert, aan de hand waarvan de gebruikerseenheid de gewenste navigatieinformatie berekent.
7
Naast de hiervoor genoemde overwegingen geldt voor veel gebruiksdoeleinden
bovendien de eis, dat er een vorm van bewaking en alarmering aanwezig is.
Naast de basisvoorzieningen is er dan sprake van een derde faciliteit. Deze kan
worden gesplitst in alarmeringen (door het systeem zelf) en mededelingen of
waarschuwingen, bijvoorbeeld in verband met periodiek onderhoud. Bekend zijn de
berichten aan zeevarenden (BAZ) en aan vliegeniers (NOTAM, NOtice to Air Men),
en de systeemgerichte status-informatie, zoals die met name door de United States
Coast Guard (USCG) wordt verzorgd.
Soms wordt het systeem bij disfunktioneren zelfs in zijn geheel uitgezet.
Allereerst zal worden stilgestaan bij de methodes van (radio-)plaatsbepaling.
Met deze methodes kan volledige plaatsbepaling worden uitgevoerd, dus inklusief
de positiebepaling. Andere informatie, zoals koers/snelheid of afstand/richting, kan
natuurlijk ook worden verkregen, ofwel rekenkundig, ofwel rechtstreeks uit de
metingen.
bij enkele satellietsystemen is deze centrale plaats het grondstation van het systeem
de -tussentijdse- bestemmingen langs de route (Eng.: waypoints)
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATD2 SYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
8
2.2
RADIOPLAATSBEPALINGSMETHODES
De verschillende vormen van radioplaatsbepaling zijn vernoemd naar het wiskundig
principe.
Beschreven worden:
- de circulaire methode (meting van afstanden),
- de hyperbolische methode (afstandsverschillen),
- de pseudo-circulaire methode (pseudo-afstanden),
- de polaire methode (richting en afstand),
- de Doppler methode (Doppler-effekt).
2.2.1
?
de circulaire methode
iguur 1 de positielijnen
bij circulaire
plaatsbepaling
De circulaire methode is gebaseerd op het simultaan bepalen van minimaal twee
afstanden tussen bakens en gebruikerseenheid, en wordt daarom ook range-range
(of rho-rho) genoemd.
Het is een aktieve wijze van plaatsbepaling, omdat het baken reageert op de
uitzending van de gebruikerseenheid.
8
9
8
afstandmeting vindt plaats door de looptijd te meten van een radiosignaal, dat uitgezonden en via een
baken terugontvangen wordt (of eventueel andersom); de afstand wordt verkregen door de looptijd te
vermenigvuldigen met de voortplantingssnelheid en te delen door twee (heen en terug)
ook wel transponder, de samentrekking van transmit en respond
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATIESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
9
Deze methode wordt toegepast in een aantal terrestrische systemen (d.i. met een
aardgebonden infrastruktuur), en in een zogenaamd RDSS-systeem (Radio Determination Satellite Service). Dit laatste is een satellietsysteem ten behoeve van
datacommunicatie, dat beschikt over een lokalisatie-faciliteit.
De benaming circulair wordt verklaard aan de hand van figuur 1: de positielijnen
vormen circels (of bollen in het 3-dimensionale geval).
Aktieve systemen kennen in het algemeen twee beperkingen:
- de gebruikerseenheid bestaat uit een zender/ontvanger-eenheid en is dus wat
komplexer dan alleen een ontvanger;
- doordat iedere gebruikerseenheid een uitzending van de bakens initieert, is het
aantal gebruikers (per tijdseenheid) beperkt.
Het aantal gebruikers van een aktief systeem is beperkt. Het alternatief wordt
gevonden in de passieve systemen, die werken volgens de hyperbolische en pseudocirculaire methode.
2.2.2
de hyperbolische methode
Figuur 2 de positielijnen
bij hyperbolische
plaatsbepaling
De hyperbolische methode is een passieve vorm van plaatsbepaling. De positie
wordt berekent uit de snijding van hyperbolische positielijnen (zie figuur 2), of
hyperboloiden in het 3-dimensionale geval.
10
een hyperbool is een lijn waarop het afstandsverschil naar twee punten gelijk blijft
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DIENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
10
Bij de hyperbolische methode wordt de tijd van uitzenden van de bakens door een
van de bakens gestuurd. Dit baken heet dan "master", de volgende bakens heten
"slave" of "secundary".
De ontvanger bepaalt per baken-paar een afstandsverschil. Dit afstandsverschil kan
worden berekent uit meting van het verschil in aankomsttijden, of van fase-verschillen , tussen beide signalen.
11
2.2.3
de pseudo-circulaire methode
Ook de pseudo-circulaire of pseudo-range methode is een passieve variant van
radioplaatsbepaling. Een voorwaarde bij de pseudo-circulaire methode is, dat ieder
baken uitzendt op vastgestelde tijdstippen, bijvoorbeeld ten opzichte van een
universele tijd. Een bijkomend praktisch voordeel is, dat scheiding in ketens niet
meer noodzakelijk is.
De gemeten grootheid is "de aankomsttijd" van het signaal. Hiermee kan de looptijd
tussen zender en ontvanger worden benaderd, met een zekere (on-)nauwkeurigheid
ten gevolge van een tijdsverschil tussen de beide klokken. In de berekening wordt
gebruik gemaakt van het feit dat deze "klokfout" voor iedere meting gelijk is. Er is
dus een onbekende meer dan het aantal dimensies van de te berekenen positie.
Daarom is altijd een extra positielijn nodig, dus minimaal drie positielijnen nodig
voor een 2-dimensionale positie, en vier voor een 3-d positie.
De positielijnen zijn circels, of bollen in het 3-dimensionale geval, met een vaste
fout, veroorzaakt door het klokverschil.
2.2.4
de polaire methode
Met behulp van radiosignalen kunnen ook richtingen (of hoeken) worden gemeten.
Van deze eigenschap wordt bijvoorbeeld gebruik gemaakt in radar-systemen en
radio-richtingszoekers.
Voor de polaire methode is bovendien een afstand noodzakelijk.
Het navigatiesysteem bestaat uit twee of drie sensoren. Ten opzichte van een
(grond-)baken worden hiermee afstand en richting (azimut en/of elevatie) bepaald.
De richtingen worden door het passieve deel van de gebruikseenheid bepaald,
terwijl de afstandsmeting op aktieve wijze plaatsvindt, dat wil zeggen dat het
baken reageert op een signaal van de gebruikerseenheid.
Vanwege de aktieve afstandsbepaling geldt ook hier dat het aantal gebruikers is
gelimiteerd.
De polaire methode wordt ook wel de rho-theta methode genoemd. De positielijnen
zien er uit als circels voor de afstandsmetingen, en als rechte lijnen voor de richtingsmetingen (respektievelijk bollen en vlakken in het 3-d geval).
1 1
met de fase wordt het trillingsstadium van een sinusvormig signaal beschreven; twee punten die in
gelijke fase verkeren, liggen op een onderlinge afstand die overeenkomt met een geheel aantal
golflengtes
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVTGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
11
2.2.5
de Doppler methode
Het verschijnsel van een frekwentieverschuiving in een (radio-)signaal, dat optreedt
door de (relatieve) snelheid tussen zender en ontvanger, heet Doppler-effekt.
Plaatsbepaling op basis van dit effekt is mogelijk als de gebruikerseenheid en het
baken ten opzichte van elkaar bewegen. De methode wordt toegepast in satellietsystemen. Hierbij wordt er van uitgegaan, dat het Doppler-effekt wordt veroorzaakt
door de -zich voortbewegende- satelliet. Een (extra) onnauwkeurigheid in de positiebepaling treedt op als de gebruikerseenheid eveneens beweegt.
Voor de positiebepaling kunnen twee berekeningsmethoden worden toegepast.
Wanneer men het
signaal gedurende
enige tijd volgt kan
men de Dopplerverschuiving (d.i. de
snelheid van de satelliet ten opzichte
van de mobiel) bepalen. De positielijn is
hierbij een kegel. De
positie wordt berekend uit de snijding
van meerdere kegels,
bepaald op verschillende (opeenvolgende) momenten.
Figuur 3 de positielijnen
bij
Doppler-plaatsbepaling
De andere manier maakt gebruik van meting van het verschil in Doppler-verschuiving op twee tijdstippen. Hierdoor wordt een positielijn (of eigenlijk vlak) bepaald
met de vorm van een (drie-dimensionale) hyperboloide. Snijding van verschillende
positielijnen geeft weer de positie (overeenkomstig aan de hyperbolische methode).
De positiebepaling via de Doppler methode kent twee nadelen/beperkingen:
- positiebepaling is beperkt tot de periode waarin de satelliet in zicht is, en vergt
een redelijk lange meettijd;
- de nauwkeurigheid van de positiebepaling is mede afhankelijk van nauwkeurigheid waarmee de snelheid, de koers en de hoogte van de mobiel bekend zijn.
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
12
3
KWALITEIT
De kwaliteit van radioplaatsbepaling wordt bepaald door verschillende faktoren.
Deze faktoren worden in dit hoofdstuk beschreven (par. 3.1). De kwaliteit zelf wordt
beschreven met de termen precisie en betrouwbaarheid. Ook deze termen worden in
dit hoofdstuk behandeld (par. 3.2).
3.1
KWALITEITSBEPALENDE FAKTOREN
Voor radioplaatsbepaling zijn een drietal soorten gegevens nodig:
- de posities van de bakens, in een bekend cobrdinatenstelsel;
- meetgegevens, verkregen uit de radiosignalen;
- de propagatie-eigenschappen en een adekwate geometrie.
De kwaliteit van radioplaatsbepaling wordt dus, naast de nauwkeurigheid van de
bakenposities en de kwaliteit van de metingen aan de radiosignalen, mede bepaald
door de voortplantings- of propagatie-eigenschappen van die radiosignalen, en door
de geometrie.
Andere zaken die de kwaliteit van de plaatsbepaling bei'nvloeden zijn het toepassen
van differentiele korrekties, integratie van systemen, modellen (zie hoofdstuk 4) en
transformaties tussen verschillende coordinatenstelsels.
3.1.1
propagatie-eigenschappen
Bij radioplaatsbepaling wordt gebruik gemaakt van de eigenschappen van radiogolven. Deze zogenaamde propagatie-eigenschappen blijken in grote mate samen te
hangen met de frekwentie van het radiosignaal.
De belangrijkste eigenschappen zijn achtereenvolgens:
- de voortplantingssnelheid;
- het trajekt waarlangs het signaal zich voortplant;
- de richting waarin het signaal zich voortplant.
12
Het trajekt is onder andere bepalend voor de reikwijdte van het baken: in het
algemeen kan worden gesteld dat (relatief) hoge frekwenties niet verder reiken dan
de optische horizon. Dit heeft voor terrestrische systemen een belangrijke konsekwentie, namelijk dat het aantal benodigde bakens per oppervlakte-eenheid
toeneemt bij hogere frekwenties. Voor satellietsystemen betekent dit dat er vrij
zicht moet bestaan tussen de satelliet en de gebruiker.
de propagatie-, of voortplantings-, eigenschappen worden beschreven in een propagatiemodel
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DIENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
13
Propagatie-eigenschappen hangen op hoofdlijnen samen met de algemeen geldende
frekwentie-banden. Voor radioplaatsbepaling zijn er een viertal relevant, met als
algemene kenmerken:
- Zeer-laag-frekwent (VLF, 3-30 kHz):
Zeer-laag-frekwente signalen, met een bijbehorende golflengte in de orde van
tientallen kilometers, kunnen wereldwijd worden ontvangen.
De propagatie-snelheid kan aanzienlijk varieren, afhankelijk van de soort
ondergrond en de atmosferische kondities. De propagatiesnelheid kan daarom
slechts worden geschat in de orde van 10". De signalen planten zich vanaf het
baken in alle richtingen voort.
3
- Laag-frekwent (LF, 30-300 Khz):
Ook laag-frekwente signalen buigen mee met de kromming van het aardoppervlak. Naast het direkte -met het aardoppervlak meebuigende- golffront, is er
ook sprake van een indirekt signaal (de zogenaamde sky-wave: zie figuur 4). Het
indirekte signaal kan de meting verstoren. De mate waarin is afhankelijk van de
afstand tussen zender en ontvanger en de ionosferische condities, die worden
beinvloed door de zonnestand (schemering, zomer/winter). De invloed van dit
indirekte signaal kan worden onderdrukt met een speciaal meet-mechanisme, of
door de afstand tussen zender en ontvanger te beperken.
Het effektieve bereik, dat sterk afhankelijk is van het systeemtype en het
tijdstip van de meting, varieert tussen 200 en 2000 km. De propagatiesnelheid
kan worden geschat in de orde van 10". De signalen planten zich vanaf de
zender in alle richtingen voort.
4
Figuur 4 het voortplantingstrajekt
van laagfrekwente
(skywave
hoogfrekwente (groundwave en direkt) radiogolven
en direkt)
en
- Midden-frekwent (MF, 0.3-3 Mhz):
De midden-frekwente systemen werken op een golflengte van ongeveer 100
meter. Het effektieve bereik is beperkt tot 100-200 km, o.a. door sky-wave
effekten.
Binnen dit bereik kan de propagatiesnelheid worden benaderd tot op 10". De
signalen planten zich vanaf de zender in alle richtingen voort.
5
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DIENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
14
- (Zeer)-hoog-frekwent (VHF/UHF/SHF, 30 Mhz-30 GHz)
Naast een aantal terrestrische, "aardgebonden", systemen vinden we in deze
banden alle satellietsystemen.
Omdat de signalen zich voortplanten langs een nagenoeg rechte lijn, zijn de
terrestrische ketens slechts lokaal toepasbaar.
Bij deze frekwenties wordt de propagatiesnelheid volledig bepaald door de
atmosferische kondities, die zeer goed kunnen worden benaderd (in de orde 10").
Deze faktor is bij terrestrische systemen dan ook niet maatgevend voor de
kwaliteit van de plaatsbepaling. Bij satellietsystemen is deze onnauwkeurigheid
echter wel signifikant.
Afhankelijk van het antenne-type breiden de signalen zich vanaf de zender in
een bepaalde richting uit. Door deze richtingsgevoeligheid moet het baken
worden gericht op het gebied van plaatsbepaling.
6
In het algemeen kan worden gesteld, dat de nauwkeurigheid van een meting in
negatieve zin wordt bei'nvloed door elektromagnetische stoorbronnen.
Hoog-frekwente signalen zijn bovendien gevoelig voor reflektie en absorptie.
Reflektie kan optreden aan grotere, met name "gladde" objekten, of aan de ionosfeer
(sky-wave). De gelijktijdige ontvangst van het direkte en indirekte -gereflekteerdesignaal heet "multi-path".
Van absorptie zijn legio voorbeelden te noemen. Zo absorberen waterdruppels (mist,
regen, natte bomen) hoog-frekwente signalen in hoge mate. Ook de zonne-aktiviteit,
met een periodiciteit van ca. 11 jaar, is van invloed op satellietbanen en signaalontvangst. In extreme gevallen kan de signaalontvangst zelfs volledig worden geblokkeerd.
3.1.2
de geometrie
De positie kan worden berekend met behulp van meerdere positielijnen (zie
bijvoorbeeld figuren 1 en 2).
Een eerste voorwaarde is dat er voldoende positielijnen beschikbaar zijn. Overbepaaldheid, dat wil zeggen meer positielijnen dan noodzakelijk, verhoogt de kwaliteit
van de plaatsbepaling. Naast overbepaaldheid is het belangrijk dat de geometrie ,
goed genoeg is. De geometrie wordt bepaald door de plaatsbepalingsmethode, d.i. de
vorm van de positielijnen, en de positie van de gebruiker ten opzichte van het
netwerk van bakens .
Vanuit wiskundig oogpunt wordt de kwaliteit van de plaatsbepaling dus bei'nvloed
door:
- de mate van overbepaaldheid ,
- de kwaliteit van de geometrie.
13
14
15
Bij terrestrische, d.i. aardgebonden, systemen zijn minimaal twee positielijnen
nodig voor de 2-dimensionale plaatsbepaling. Bij 3-dimensionale toepassing kan de
de geometrie beschrijft de snijdingshoeken van de positielijnen
de vorm van het netwerk van bakens is de konfiguratie (bij satellietsystemen ook konstellatie)
ook wel oplossend vermogen, aantal vrijheidsgraden, of redundance (Eng.: redundancy)
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
15
hoogte als foutenbron worden beschouwd, tenzij extra sensoren (altimeter) worden
gebruikt. Ruimtelijke, of satelliet-, systemen kunnen 2- of 3-dimensionaal worden
toegepast. In beide gevallen onder de voorwaarde dat het systeem minimaal drie
positielijnen levert.
Per positielijn (-vlak) zijn een of twee bakens noodzakelijk, afhankelijk van de
meetmethode. De minimum konfiguratie wordt dus bepaald door de vereiste
kwaliteit en het aantal te bepalen dimensies.
Minimum konfiguratie (aantal bakens) voor een positiebepaling:
2-d positie
3-d positie
circulaire methode
2
inklusief hoogtemodel bij satellietsystemen
hyperbolische methode
3
eventueel 4, bij overgang tussen
2 ketens (2 zenders per keten)
pseudo-circulaire
methode
3
inklusief hoogtemodel bij satellietsysteem
polaire methode
1
mits richting en afstand naar het
zelfde baken worden bepaald
Doppler-methode
1
gedurende enige tijd
circulaire methode
3
eventueel 2 als hoogte "bekend"
is
pseudo-circulaire
methode
4
eventueel 3 als hoogte "bekend"
is
polaire methode
1
mits twee richtingen en afstand
naar het zelfde baken
Ook de geometrie moet aan minimum voorwaarden voldoen. Bij een goede geometrie
is de invloed van meetfouten op de positie zo gering mogelijk.
Voor het kwantificeren van de geometrie in een bepaald punt, wordt de GDOPfaktor (Geometric Dilution of Precision) gebruikt. In 2-d gevallen gebruikt men de
HDOP (Horizontal DOP), in 3-d gevallen de PDOP (Position DOP). Ook kan alleen
de invloed van de geometrie op de vertikale cobrdinaat beschreven worden (VDOP,
Vertical DOP).
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
16
Voorbeelden 2-d geometrie
- HDOP = "oneindig" treedt op wanneer twee positielijnen samenvallen,
tenzij het systeem overbepaald is.
treedt op indien twee positielijnen elkaar loodrecht
- HDOP = 1.4
snijden.
treedt op indien drie positielijnen elkaar snijden onder
- HDOP = 1.15
gelijke hoeken (120°).
Deze faktor op zichzelf heeft weinig praktische waarde. Alleen in samenhang met
de kwaliteit van de positielijnen kan worden beoordeeld of deze faktor aan de
gebruikseisen voldoet. Desalniettemin kan in het algemeen worden gesteld dat de
geometrie zodanig moet zijn, dat de DOP kleiner is dan 5 a 10.
3.1.3
cobrdinatenstelsels
De kwaliteit van plaatsbepaling wordt niet alleen bepaald door de specifieke
eigenschappen van het radioplaatsbepalingssysteem. Het radioplaatsbepalingssysteem levert namelijk de positie ten opzichte van het bakennetwerk. Ter vergelijking
met bijvoorbeeld een kaart dient de gebruiker de bepaalde positie te transformeren
naar het coordinatenstelsel van die kaart. De kwaliteit van de transformatieparameters bei'nvloedt de kwaliteit van de uiteindelijke vergelijking.
Er zijn verschillende soorten cobrdinatenstelsels. Twee veel gebruikte zijn:
- aardgebonden cobrdinatenstelsels,
- cobrdinatenstelsels in het platte vlak,
Een aardgebonden (geografisch) stelsel wordt gedefinieerd door middel van geografische cobrdinaten (lengte- en breedtegraad, de zogenaamde meridianen en parallellen) t.o.v. een omwentelingsellipsoide , waarvan het zwaartepunt en de rotatie-as
bij benadering overeenstemmen met het massa-middelpunt resp. de rotatie-as van
de aarde.
16
Er zijn uiteenlopende referentie-stelsels ontwikkeld. In het algemeen wordt gebruik
gemaakt van een van de volgende Datums :
- WGS: het wereldwijd toepasbare World Geodetic System, gedefinieerd op de
WGS-ellipsoide, dat wordt gedefinieerd door de WGS72 of de WGS84 parameters,
- ED:
het (continentale) European Datum, dat is gedefinieerd op de internationale ellipsoide van Hayford, wordt bepaald door de ED50- of de ED87parameters;
17
een omwentelingsellipsoide is de meetkundige figuur waarmee de vorm van de aarde wordt benaderd
(de zogenaamde geolde is een nauwkeuriger, maar ingewikkelder, benadering van deze vorm)
een Datum is de definitie van een geografisch coordinatenstelsel
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
17
Een kaartgebonden stelsel is een (rechthoekig) coordinatenstelsel in het platte vlak,
dat wordt gedefinieerd door middel van een kaartprojektie t.o.v. de ellipsoi'de.
Internationaal wordt tegenwoordig veel gebruik gemaakt van de Universal Transverse Mercator (UTM-)projektie, die is onderverdeeld in geografische zones.
18
Veel landen beschikken over een eigen, nationaal, Datum.
In Nederland is dit het Rijksdriehoeksstelsel (RD-stelsel), dat is gedefinieerd op de
ellipsoi'de van Bessel. Het kaartgebonden stelsel is gebaseerd op de stereografische
projektie en kent een verschoven en niet-verschoven (met als nulpunt de OLV-kerk
in Amersfoort) variant. De eerste variant wordt het meest gebruikt, en is zodanig
dat de coordinaten (in Nederland!) dan altijd een positieve waarde hebben en de ycoordinaat altijd groter is dan de x-coordinaat.
een kaartprojektie is een transformatie van een geografisch coordinatenstelsel naar het platte vlak.
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVTGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DIENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
18
3.2
DE BESCHRIJVING VAN KWALITEIT
De kwaliteit van plaatsbepaling kan niet in een getal worden vastgelegd. Dit wordt
veroorzaakt door het uiteenlopende karakter van de diverse foutenbronnen.
In het algemeen kunnen twee soorten fouten worden gedefinieerd:
- stochastische of random fouten ("ruis"): fouten waarvan het moment van verschijning onvoorspelbaar is, maar soms wel de grootte kan worden geschat;
- systematische of voorspelbare fouten ("bias"): fouten waarvan het moment van
verschijning, en vaak ook de grootte, voorspelbaar is.
Tijdens of na afloop van de meting kunnen, afhankelijk van het fout-type, maatregelen worden getroffen om de kwaliteit van de plaatsbepaling te verbeteren (zie
verder onder "optimalisatie", hoofdstuk 4).
De (statistische) invloed van meetfouten op de plaatsbepaling kan worden beschreven. Deze beschrijving bestaat uit twee elementen:
- de precisie: d.i. een getal, dat de tijd- en/of plaats-afhankelijke onnauwkeurigheid
van de plaatsbepaling beschrijft;
- de betrouwbaarheid: d.i. een getal, dat aangeeft in welke mate fouten kunnen
worden gesignaleerd en geidentificeerd.
Het begrip betrouwbaarheid wordt zowel in relatie tot de infrastruktuur als tot de
plaatsbepaling gebruikt.
3.2.1
precisie
De precisie-beschrijving bestaat uit een drietal komponenten.
- De absolute nauwkeurigheid
geeft een maat voor de nauwkeurigheid van de
waargenomen positie, ten opzichte van de ware positie.
- De herhalingsnauwkeurigheid
(herhaalbaarheid) geeft een maat voor de nauwkeurigheid van de positiebepaling, ten opzichte van een vorig moment.
- De relatieve nauwkeurigheid
geeft een maat voor de nauwkeurigheid van de
positiebepaling, ten opzichte van een andere gebruiker.
Daarnaast bestaan er begrippen, die een engere betekenis hebben en sporadisch
worden gebruikt. Onder "predictable accuracy" wordt de nauwkeurigheid verstaan,
die kan worden behaald indien alle voorspelbare fouten zijn gekorrigeerd. Een
ander begrip is geodetische nauwkeurigheid. Dit is de absolute nauwkeurigheid in
relatie tot een geografisch coordinatenstelsel.
Ook kan de kwaliteit van de mens-machine relatie worden beschreven. Een bekend
en belangrijk begrip in de luchtvaart is de zogenaamde Flight Technical Error, die
een maat is voor de bedieningsnauwkeurigheid van het instrument.
De positie wordt bepaald in meerdere dimensies. Vandaar dat de precisie wordt
beschreven met een zogenaamd precisie- of waarschijnlijkheidsgebied. Een eenmalige plaatsbepaling bevindt zich, met een bepaalde waarschijnlijkheid, ergens in dit
gebied. Bij een voorspelling, of theoretische bepaling, van de precisie kunnen alleen
de vorm en grootte van het gebied worden beschreven.
Het zwaartepunt (de "ware positie") kan natuurlijk alleen worden berekend uit een
lange reeks van metingen op het zelfde punt. Uit zo'n meetreeks kan ook de
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
19
praktische precisie worden afgeleid, de
zogenaamde Distance Root Mean-Square error (DRMS).
De vorm en de grootte van het precisiegebied kunnen op verschillende manieren worden berekend. Vaak wordt het
precisiegebied door middel van een
getal beschreven (figuur 5). In dit rapport wordt gebruik gemaakt van het
getal dat de straal van een circel beschrijft, dat het precisiegebied omsluit.
De straal van de circel is dus gelijk
aan de halve lange as van de ellips.
Figuur 5 precisie en precisiegebied
Dit getal is de vermenigvuldiging van drie parameters:
- de standaarddeviatie: een parameter uitgedrukt in meters, die de kwaliteit van de
waarnemingen (de positielijnen) beschrijft;
- de geometrie-faktor: een dimensieloze parameter, die de kwaliteit van het netwerk
beschrijft;
- een "waarschijnlijkheidsfaktor": een percentage, dat aangeeft met welke kans de
berekende positie binnen het precisiegebied zal liggen (in deze inventarisatie
wordt 95% gebruikt, wat overeenkomt met tweemaal de standaarddeviatie).
De standaarddeviatie moet met grote zorgvuldigheid worden gedefinieerd, of
omgekeerd: precisie-getallen dienen zorgvuldig te worden geinterpreteerd.
Met name is het belangrijk om aan te geven voor welke tijdsperiode de opgegeven
waarde geldig is, welke foutenbronnen in acht zijn genomen en hoe de verschillende
foutenbronnen worden samengevat in een parameter.
In deze rapportage wordt voor de standaarddeviatie van de positielijnen dezelfde
waarden gekozen, die gelden voor een bepaald moment. Bovendien zijn een aantal
(met het seizoen varierende) fouten bij voorbaat uitgesloten door een (kunstmatige)
limiet te stellen aan de effektieve reikwijdte van de signalen. Tenzij anders vermeld
heeft de weergegeven precisie dus betrekking op de voorspelbare relatieve nauwkeurigheid.
In dit rapport is bewust geen gebruik gemaakt van -min of meer- gangbare kriteria.
Deze zijn namelijk slechts van bepaalde systemen bekend en hebben bovendien
betrekking op verschillende situaties. De weergegeven getallen kunnen dan ook een
schijnbaar optimistischer of pessimistischer beeld geven, in vergelijking met
bronnen die de lezer bekend zijn!
3.2.2
betrouwbaarheid
Radioplaatsbepaling is onderhevig aan verschillende verstoringen, die inherent zijn
aan het meetprincipe, of worden veroorzaakt door de meetomgeving.
Betrouwbaarheid geeft aan: "de mate waarin op het systeem (de infrastruktuur
en/of de plaatsbepaling) kan worden vertrouwd".
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVTGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
20
Er zijn verschillende begrippen die hiermee geassocieerd zijn:
- kontroleerbaarheid;
- integriteit;
- beschikbaarheid;
- eenduidigheid.
Kontroleerbaar wil zeggen dat fouten, in plaatsbepaling of meting, kunnen worden
opgespoord. Een eerste vereiste is voldoende overbepaaldheid, maar ook de kwaliteit
van de geometrie is van invloed.
Kontroleerbaarheid beschrijft de mate waarin een (geintegreerd) systeem in staat is
om fouten van een zekere grootte te detekteren. (In de Geodesie zijn kontroleerbaarheid en betrouwbaarheid synoniemen).
De integriteit geeft een indikatie van de garantie en de snelheid van een waarschuwing aan de gebruiker bij een systeemfout (in de infrastruktuur) groter dan een
zekere waarde. Deze waarschuwing wordt gegeven door de systeembeheerder, maar
de controle kan ook door de gebruiker zelf worden uitgevoerd (zogenaamde Receiver
Autonomous Integrity Monitoring of RAIM, bijvoorbeeld op basis van kontroleerbaarheid).
Beschikbaarheid geeft aan in hoeveel procent van de tijd de infrastruktuur volgens
de specificaties funktioneert. Meestai wordt de beschikbaarheid beschreven voor de
minimum-konfiguratie, of per individueel baken. (In de Engelse literatuur worden
beschikbaarheid en betrouwbaarheid ook wel als synoniemen gebruikt).
Eenduidigheid geeft aan of uit de meetgegevens op eenduidige wijze een positielijn,
en dus een positie, kan worden berekend.
Er bestaan twee vormen van meerduidigheid.
Ten eerste bij het berekenen van de positie, als twee positielijnen elkaar snijden in
meerdere punten (zie bijvoorbeeld figuur 1). Meestai kunnen bij voorbaat de
foutieve oplossingen worden uitgesloten.
De andere vorm van meerduidigheid treedt op in de fase-meting (zie voetnoot 9). De
Meerduidigheid is dan een gevolg van het feit, dat het gehele aantal golflengtes niet
kan worden gemeten, terwijl de golflengte van het radiosignaal kleiner is dan de
afstand tussen baken en gebruikerseenheid. De golflengte en konfiguratie bepalen
zogenaamde lanes (zie figuur 2: een lane is het gebied tussen twee opeenvolgende
lijnen van punten met gelijke fase, d.i. fase=0). De gebruikerseenheid kan een
nauwkeurige meting uitvoeren binnen zo'n lane, maar is niet in staat om de juiste
lane te identificeren. Meestai moet een kalibratie worden uitgevoerd, waarna de
ontvanger de juiste lane "onthoudt" door (lane-)telling.
Systemen, die gebruik maken van meerdere frekwenties of een koderingstechniek,
hebben dit probleem niet, althans in mindere mate. De zogenaamde lane-ident,
respektievelijk de kodelengte, is dan maatgevend voor de meerduidigheid en groot
genoeg om deze rekenkundig op te lossen.
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
21
4
OPTIMALISATIE
Optimalisatie van de plaatsbepaling kan worden gerealiseerd door de "aanbieder",
dat wil zeggen verbeteringen aan de zijde van de infrastruktuur en door de
"gebruiker", dus aan de zijde van de plaatsbepaling.
Een afgewogen systeemkeuze en gebruiksprocedure wordt gebaseerd op een of
meerdere kriteria ten aanzien van precisie en betrouwbaarheid.
Omdat er sprake is van optimalisatie zullen er prioriteiten worden gesteld, die
mede worden bei'nvloed door voorschriften of internationaal geaccepteerde normen.
De optimalisatie kan op een aantal manieren worden uitgevoerd, waarbij de keuze
allereerst afhankelijk is van meer algemene randvoorwaarden.
Als voorbeelden kunnen worden genoemd: de aktualiteit van de informatie, het
proces, of applikatie, waarin de informatie wordt toegepast (navigatie, logistiek,
etc.) en de toelaatbare komplexiteit en prijs van de randapparatuur (een of meerdere systemen).
Afhankelijk van dit soort overwegingen zal de voorkeur worden gegeven aan een
van de volgende methodes van optimalisatie:
1 aan de zijde van de infrastruktuur:
- differentiele referenties (par.4.1)
- monitoring (par.4.2)
2 aan de zijde van de plaatsbepaling:
- modellen (par.4.3)
- systeemintegratie (par.4.4)
Daarnaast zal er altijd aandacht zijn voor:
3 algemene voorzorgsmaatregelen (par.4.5):
4.1
DIFFERENTIELE REFERENTIES
In de praktijk blijken bij radioplaatsbepaling aanzienlijke (systematische) fouten op
te (kunnen) treden, die niet binnen het systeem kunnen worden gereduceerd.
Afhankelijk van de situatie kunnen deze fouten hoog oplopen.
Per systeem kunnen deze fouten (lokaal) worden geregistreerd met behulp van een
vast opgesteld referentie-station. Deze referentie-registraties kunnen vervolgens
worden aangeboden aan de lokale gebruiker.In speciale situaties wordt deze faciliteit op "real-time" basis toegepast, door middel van een telemetrie-verbinding .
19
Zo'n "data-link", gekoppeld aan een radioplaatsbepalingssysteem wordt de zogenaamde "Differentiele mode" genoemd, die wordt aangeduid met een D voor de
naam van het betreffende radioplaatsbepalingssysteem.
Voorbeelden van differentiele plaatsbepalingssystemen worden gegeven in bijlage C.
een telemetrie-verbinding of data-link is een radioverbinding voor het oversturen van digitale
gegevens (data)
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATIESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
22
Uitgangspunt bij differentiele plaatsbepaling is de aanname dat systematische
fouten in twee verschillende punten identiek zijn. De geldigheid van deze aanname
is ondermeer afhankelijk van de afstand tussen die twee punten. Zodra de punten
te ver uit elkaar liggen, kan het effekt van differentiele korrekties verloren gaan.
Op het referentie-station worden waarnemingen gedaan die worden vergeleken met
de waarden, die men kan berekenen uit de posities van het referentie-station en het
plaatsbepalingssysteem. De verschillen tussen de overeenkomstige waarnemingen
en berekeningen zijn de korrekties. Deze korrekties kunnen vervolgens toegepast
worden op iedere gebruikerseenheid, zodat een (meestai in absolute zin) preciezere
plaatsbepaling mogelijk wordt.
Een alternatief voor het overzenden van korrekties naar de mobiele gebruikers, is
de waarnemingen van de mobiele gebruikers naar een centrale plaats te verzenden.
Hier kunnen dan differentiele korrekties worden toegepast. Dit is vooral interessant
voor "lokalisatie"-toepassingen.
4.2
MONITORING
Onder monitoring worden optimalisatie-procedures verstaan, die het operationele
gebruik ondersteunen. Vaak wordt monitoring uitgevoerd door de aanbieder van het
systeem, wat natuurlijk niet wegneemt dat de gebruiker, of andere dienstverleners,
eigen voorzieningen kunnen treffen.
Een bekend voorbeeld van monitoring is de integriteitsbewaking. Op het monitoringsstation wordt kontinu gekontroleerd of de bakens volgens de gehanteerde
specificaties functioneren. Zodra zich een afwijking voordoet wordt dit geregistreerd.
De wijze waarop deze informatie aan de gebruiker ter beschikking wordt gesteld,
verschilt per situatie. Soms wordt zo snel mogelijk een alarm verstuurd, maar in
ieder geval wordt er een lijst bijgehouden, die door de gebruiker kan worden
geraadpleegd.
De raadpleging achteraf kan bovendien nuttig zijn voor de precisie-optimalisatie.
Welbeschouwd betreft het een nabewerking ("off-line" procedure), die als alternatief
voor differentiele plaatsbepaling kan worden toegepast.
Een derde vorm van monitoring vindt plaats binnen het systeem, al dan niet op
verzoek van de gebruiker. Het gaat om de bewaking van het lange termijn gedrag
van het systeem. Aan de hand van deze informatie kan bijvoorbeeld op seizoenafhankelijke verschijnselen (systematische fouten) worden geanticipeerd. Vooral bij
laag-frekwente (lange-golf) systemen wordt hiervan gebruik gemaakt, waarbij de
gegevens in de vorm van tabellen worden gepubliceerd. Voorbeelden van dergelijke
gegevens zijn propagatie-anomalieen (atmosferische kondities) en interferentiebronnen (elektromagnetische storingen).
De korte termijn, bijvoorbeeld dagelijkse, variaties worden vaak onmiddellijk
gecorrigeerd, zonder dat de gebruiker dit merkt. SAM- (System Area Monitoring) en
TOT- (Time of Transmission) controle zijn voorbeelden van deze vorm van (aktieve)
monitoring.
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DIENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
23
De procedures worden met monitoring aangeduid, omdat de metingen worden
uitgevoerd op vaste lokaties. Soms wordt de informatie aangevuld met gegevens uit
mobiele metingen.
4.3
MODELLEN
De optimalisatie-methodes, die zijn gebaseerd op "parate" informatie, duidt men
aan met modellen. Deze worden meestai toegepast op het moment van positieberekening. Alle moderne plaatsbepalingssensoren zijn uitgerust met een of meerdere modellen.
In deze paragraaf worden modellen beschreven, die worden toegepast voor het:
- berekenen van de propagatiesnelheid: propagatiemodel
- minimaliseren van ruis: filteren
- detekteren van fouten: toetsen
- oplossen van onderbepaaldheid: hoogtemodel
Dat de methodes afzonderlijk worden toegelicht, betekent niet dat deze gescheiden
worden toegepast. Vooral door de toenemende aandacht voor betrouwbaarheid
worden steeds vaker filtering en toetsing gei'ntegreerd.
4.3.1
propagatiemodel
Een propagatiemodel beperkt zich meestai tot de beschrijving van de voortplantingssnelheid van het radiosignaal.
De praktische propagatiemodellen hebben tot doel om de systematische effecten (d.i.
fouten) ten gevolge van variaties in de voortplantingssnelheid te minimaliseren. De
vorm van het trajekt wordt impliciet gemodelleerd door de afgelegde weg als een
"rechte" lijn te benaderen. (In werkelijkheid volgt het signaal de "snelste" weg).
Omdat een radioplaatsbepalingssysteem vaak gedurende een langere periode (en in
relatief groot gebied) wordt toegepast, zijn er drie varianten te onderscheiden,
namelijk op basis van aktuele informatie, fysische kennis of tabellen.
Aktuele propagatie-effecten worden bijvoorbeeld gekorrigeerd via differentiele
referenties. De daarbij toegepaste modellen zijn impliciet, omdat deze parameters
worden bepaald door het differentiele systeem. Zo'n "model" is afhankelijk van het
type korrekties, dat wil zeggen coordinaat-korrekties, of korrekties per positielijn
(LOP) of (baken-)signaal.
Sommige, zogenaamde twee-frekwentie-, ontvangers zijn zelfstandig in staat om
propagatie-korrekties te berekenen. Voor deze berekening moet (minimaal) een van
de bakens een tweede signaal op een andere frekwentie uitzenden. Uit de verschillende propagatie-eigenschappen van de twee frekwenties, kunnen de korrekties
worden berekend.
Indien aktuele informatie ontbreekt, maar wel bepaalde "kennis" over het gedrag
van radiogolven (in relatie tot topografische of atmosferische kondities) aanwezig is,
kan een fysisch model worden toegepast.
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
24
De werking van zo'n model kan worden toegelicht met een eenvoudige, en zeer
globale, vergelijking:
LOP
= (l-n)*C*(to-tz) * Kgeo)
= [C*(to-tz) - n*C*(to-tz)] * I(geo)
waarin:
n
C
(to-tz)
Kgeo)
= brekingsindex/refraktie-coefficient
= voortplantingssnelheid
= gemeten (loop-)tijdverschil
= invloed van de geometrie
Voor de berekening van de positie moeten de parameters n en C worden gemodelleerd. In het meest simpele model worden voor n en C standaard-waarden gebruikt.
Dit is onnauwkeurig, omdat geen rekening wordt gehouden met tijd- of plaatsafhankelijke variaties.
Meestai is dit dus onbevredigend, tenzij dit model op de juiste wijze wordt gekombineerd met differentiele korrekties.
Bij de betere modellen is het mogelijk om voor iedere LOP (of baken/signaal) een
aparte waarde voor n toe te passen, bij een vaste waarde voor C.
De waarden van n en C kunnen worden bepaald uit tabellen of door een kalibratie
uit te voeren.
Een vereenvoudigde variant van deze werkwijze, is het toepassen van vaste
korrekties per geografische zone. Dit is een eenvoudige methode, die het nadeel
heeft dat de korrekties voor iedere zone opnieuw moeten worden ingevoerd. (Deze
invoer kan eventueel worden geautomatiseerd).
Deze werkwijze berust op dezelfde formule, waarbij de factor [n*C*(to-tz)] wordt
gecorrigeerd alsof het een vaste fout is.
4.3.2
filteren
Naast systematische fouten, is er ook sprake van stochastische fouten. Vooral in
navigatie-processen, waar snelheids- en koersinformatie van groot belang zijn,
kunnen stochastische fouten ("ruis") zeer misleidende informatie opleveren.
De optimalisatie die is gericht op ruis-reduktie wordt filtering genoemd.
Er bestaan vele soorten filters, steeds vaker in digitale vorm. Aan de basis van een
filter liggen een mathematisch (funktioneel of bewegings-) model en een stochastisch model van het plaatsbepalingsproces.
Het mathematisch model beschrijft de bewegingen van het mobiel (en dus de metingen), terwijl het stochastisch model de statistische kenmerken van de metingen (en
eventueel de niet in acht genomen bewegingen) beschrijft.
Het bewegingsmodel bepaalt de zogenaamde orde van filtering. Een nulde-orde
filter wordt toegepast voor stationaire plaatsbepaling, dus als het mobiel niet
beweegt, zodat de positie kan worden berekend uit "het" gemiddelde van een reeks
opeenvolgende metingen. Een le-orde filter wordt toegepast als de positieverandering gering is, of anders gezegd, als filtering berust op de aanname dat het mobiel
geen snelheid heeft.
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
25
Beide filter-methodes zijn dus ongeschikt voor mobiele plaatsbepaling. Daarvoor
worden hogere orde filters toegepast. Bij een 2e-orde filter wordt aangenomen
dat het mobiel geen versnellingen ondergaat, dus een vaste koers volgt met een
konstante snelheid.
20
Ook in statistische zin kan worden gestreefd naar een zekere mate van optimaliteit.
Dit wordt bereikt door inschakeling van het stochastisch model.
Een bekende manier van filtering die hierop berust is de kleinste-kwadraten
methode. Deze kan op zich zelf alleen worden toegepast bij voldoende overbepaaldheid (en een goede geometrie). Het betekent simpelweg dat LOP-fouten worden
uitgemiddeld, zodra meer dan het minimum aantal LOP's wordt gebruikt voor de
positie-berekening.
Ook kan deze methode worden toegepast in kombinatie met een bewegingsmodel .
21
Een 2e-orde filter is reeds effektief bij het minimum aantal LOFs. Naast het
voordeel van ruisreduktie en (automatisch) berekening van koers- en snelheidsinformatie, heeft deze methode altijd een negatief effekt. Dit wordt wel de "traagheid"
van het systeem genoemd, waardoor een zogenaamd naijl-effect optreedt, zodra de
feitelijke voertuigbeweging afwijkt van het model. Dit naijl-effect (zie figuur 6)
manifesteert zich gedurende enige tijd in de vorm van een systematische positiefout. (Dit effect kan worden gevisualiseerd met een computer-simulatie).
Te alien tijde geldt dat dit naijleffect groter is naarmate er sterker wordt gefilterd , of de versnellingen groter zijn. (De toenemende populariteit van met
A
A
A
name het Kalman-filter heeft
A A A
dan ook andere redenen, namelijk dat de integratie van sysA
temen op een direkte, en meer
verantwoorde, wijze kan worden
A '
AOPLOSSING
uitgevoerd).
• WAARNEMING
Instelling van het model berust
A
dus op een praktische optimalisatie, die zorgvuldig moet gebeuFiguur 6 2e orde filtering
ren! (Overigens zijn de meeste
systemen uitgerust met zo'n
filter (vaak analoog, ingebouwd in de hardware); de gebruiker kan hierop geen
invloed uitoefenen, maar moet zich daar wel van bewust zijn).
22
A
• • •
f
20
ook welfilteringop basis van het voortschreidend gemiddelde, bijvoorbeeld de alfa/beta-tracker
21
op dit principe berust het zogenaamde (2e-orde) Kalman-filter
sterkerfilterenbetekent dat, in verhouding tot de waarnemingen, een relatief grote waarde aan de
voorspellingen wordt gehecht
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
26
4.3.3
toetsen
Onder toetsing wordt verstaan "het (kunnen) controleren van de kwaliteit van de
positie-informatie". Toetsing is dus een middel om de betrouwbaarheid van een
systeem te vergroten, waarbij een zekere overbepaaldheid noodzakelijk is. Het
principe kan als aanvulling op, met name, integrity-monitoring of als onafhankelijk
d.i. zelfstandig middel worden toegepast. Deze oplossing, die ook wel Receiver
Autonomous Integrity Monitoring (RAIM) wordt genoemd, is vooral interessant als
een hoge mate van aktualiteit van de integriteitsinformatie wordt nagestreefd.
Bovendien is het interessant, omdat het duurdere voorzieningen overbodig maakt.
Zowel de kwaliteit van de positie- als, bij voorkeur, de LOP-informatie kunnen
worden getoetst. Op beide nivo's kan toetsing worden uitgevoerd ten aanzien van
blunders (detectie van incidentele en relatief grote fouten), of van systematische
effecten (bij voorbeeld fouten door een onnauwkeurige systeem-kalibratie). Toetsing
op het nivo van de metingen biedt de mogelijkheid om een individuele fout te
identificeren en (na verwijdering van de meting) alsnog een goede positie te
berekenen.
De effektiviteit van de toets is afhankelijk van het toets-model (d.i. het type fouten
dat worden onderzocht) en de hoeveelheid informatie (d.i. overbepaaldheid) op basis
waarvan de toets wordt uitgevoerd. In ieder geval is het noodzakelijk dat het aantal
LOP's groter is dan het aantal dimensies van de positie.
Overbepaaldheid kan worden gerealiseerd door systeem-integratie, door toepassing
van een "filter", of op "geometrische basis".
Een voorbeeld van geometrische toetsing met een overbepaaldheid, is in figuur 7
gei'llustreerd.
De 2-dimensionale positie wordt met drie LOP's
berekend. Vanwege onnauwkeurigheden in de
LOP's, wordt er een zogenaamde sluitfout in de
/
\
A
positieberekening geconstateerd. Deze sluitfout
wordt ook wel Lines of Position Mean Error
(LPME) genoemd.
Met deze sluitfout kan onder zekere voorwaar/
btrafci
den een blunder, of een systematische fout,
worden ontdekt, of een indruk worden verkregen van de stabiliteit ("ruis") van het systeem.
Fieuur 7 toets met een overbe- % .
,
, . . _ i „„_
Irlh
ri
Ovengens geven deze vormen van toetsing hoogpaaldheid
latieve, dus nimmer
over de absolute, positie-fout (zie ook de figuur).
g t e n g
u i t s l u i t s e l
o v e r
d
e
re
Een fout in een van de LOP's kan pas worden gedetecteerd bij 2 of meer overbepaaldheden. De effektiviteit van zo'n toets is echter sterk afhankelijk van de
konfiguratie. Als gevolg daarvan blijkt geometrische toetsing bij een radioplaatsbepalingssysteem slechts beperkt toepasbaar (ergo: ook twee of meer overbepaaldheden leveren lang niet altijd het gewenste resultaat).
Als geometrische toetsing (of systeem-integratie) niet mogelijk is, dan kan toetsing
via filtering worden overwogen. De overbepaaldheid wordt gerealiseerd door, naast
de gemeten LOP, een LOP te voorspellen op basis van de voorafgaande metingen.
Iedere voorspelling levert een zogenaamde pseudo-waarneming of -LOP.
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
27
Deze vorm van toetsing kan dus voor iedere LOP afzonderlijk worden uitgevoerd,
maar is in het algemeen beperkt tot het detekteren van blunders. De effektiviteit
van de andere toetsvormen is namelijk beperkt, omdat de pseudo-LOP eveneens
wordt verstoord door diezelfde foutenbron.
4.3.4
hoogtemodel
Voor plaatsbepaling is een minimum konfiguratie, dat wil zeggen voldoende LOFs,
noodzakelijk. Wordt niet aan deze voorwaarde voldaan, dan is er sprake van een
onderbepaald systeem. In dat geval is systeem-integratie noodzakelijk, of kan een
hoogtemodel uitkomst bieden.
Met name bij bepaalde satellietsystemen blijkt dit noodzakelijk.
Simpel gezegd komt het erop neer, dat met het hoogtemodel een extra LOP wordt
gekreeerd. Dit wordt geillustreerd in figuur 8.
Aangenomen wordt dat het voertuig zich op
het aardoppervlak bevindt. In het meest
simpele model wordt de vorm van het aardoppervlak benaderd met een circel. De "aardstraal" levert dan de gewenste (pseudo-)LOP.
Meestai wordt aangenomen dat het voertuig
zich op een "gemiddeld (zee-)nivo" bevindt.
Met name in heuvelachtig terrein kunnen
hierdoor aanzienlijke fouten in de plaatsbepaling optreden.
Figuur 8 illustratie
hoogtemodel
Overigens kan een hoogtemodel bij voldoende
bepaaldheid ook worden toegepast om een
extra overbepaaldheid te bewerkstelligen. (Vanzelfsprekend geldt dan nog steeds,
dat de onnauwkeurigheid van het model een onnauwkeurige plaatsbepaling
veroorzaakt).
4.4
INTEGRATIE VAN SYSTEMEN
Ieder plaatsbepalingssysteem heeft sterke en zwakke punten, zowel wat betreft
precisie en betrouwbaarheid. Zo is de precisie van korte-golf systemen meestai beter
dan die van lange-golf systemen, maar zijn lange-golf systemen minder gevoelig
voor afscherming en obstakels.
Daarnaast zijn er systemen die geen gebruik maken van infrastruktuur, daardoor
slechts relatieve posities opleveren, maar wel gedurende enige tijd erg nauwkeurig
zijn.
Integratie van systemen heeft als doel om, door middel van een kombinatie van
meetprincipes, te komen tot een oplossing die de voordelen van de onderdelen bezit,
maar niet de nadelen.
Er zijn met name twee redenen voor systeem-integratie, namelijk meer overbepaaldheid (vooral betrouwbaarheid, maar ook precisie) en een efficienter gebruik
van infrastruktuur (kostenbesparing, maar ook een groter dekkingsgebied).
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATIESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
28
Zodra overigens over systeem-integratie, of geintegreerde systemen, wordt gesproken, ontstaat de kans op een grote spraakverwarring. Dit wordt vooral veroorzaakt,
doordat integratie op verschillende manieren kan plaatsvinden, namelijk op het
applikatie-nivo (bijv. verkeersgeleiding of fleet-management), op funktioneel nivo
(bijv. positie met communicatie) en op het nivo van de (positie-)informatie.
In dit kader wordt met een geintegreerd systeem het plaatsbepalingssysteem
bedoeld,
dat positie-informatie levert op basis van meerdere plaatsbepalingssensoren.
Voor de
andere nivo's spreken we liever over gekombineerde
systemen.
Vaak is integratie erop gericht om de overbepaaldheid van de plaatsbepaling te
vergroten. Desalniettemin wordt integratie ook aangewend om de toepasbaarheid
van plaatsbepaling te vergroten. Een polair systeem is hiervan een mooi voorbeeld.
Ook de combinatie van een terrestrisch systeem met een hoogtemeter (altimeter) is
een bekend voorbeeld, dat vooral in de luchtvaart wordt toegepast.
De wijze waarop geintegreerde systemen worden gebruikt verschilt van geval tot
geval. Tot dusverre is er eigenlijk nog weinig sprake van echte geintegreerde
systemen. Meestai worden systemen namelijk relatief onafhankelijk van elkaar
gebruikt. Het ene systeem fungeert dan als het feitelijke plaatsbepalingssysteem
(het zogenaamde primaire systeem), terwijl het andere systeem (de back-up) pas
wordt gebruikt als het primaire systeem disfunktioneert.
Wel kunnen we konstateren dat er steeds meer aandacht komt voor "zuiver"
geintegreerde systemen, bijvoorbeeld de dead-reckoning/map-matching. In dit soort
systemen wordt alle beschikbare informatie aangewend voor de plaatsbepaling,
waarbij deze wordt uitgevoerd samen met een vorm van toetsing.
Omdat geintegreerde plaatsbepaling steeds aantrekkelijker wordt, zullen ook
andere varianten dan op basis van radioplaatsbepaling aan bod komen.
In bijlage D worden kombinaties van radioplaatsbepaling (GPS, Loran-C), radioplaatsbepaling met (autonome) traagheidsnavigatie ((D)GPS, INS) en radioplaatsbepaling met een (autonoom) autonavigatiesysteem (Dead-Reckoning/Map-Matching)
als voorbeelden beschreven. Deze autonavigatiesystemen zijn overigens op zichzelf
al geintegreerde systemen (kompas, wielsensoren en digitale kaart).
4.5
VOORZORGSMAATREGELEN
Ieder (geintegreerd) systeem heeft zijn kenmerkende eigenschappen.
Door aanbieders, van infrastruktuur of gebruikerseenheden, worden een aantal
voorzieningen standaard aangeboden. Of deze voorzieningen voldoen aan de
gestelde kwaliteitseisen ten aanzien van de plaatsbepaling, kan worden geanalyseerd met speciale computerprogramma's.
Zo kan vooraf reeds een indruk worden verkregen van de precisie en betrouwbaarheid.
De precisie kan bijvoorbeeld worden geanalyseerd met zogenaamde coveragediagrammen, of dekkingsplaatjes (zie de figuren in bijlage A).
Ook kan worden gevisualiseerd welk gedrag een systeem zal vertonen bij een
bepaalde mate van filtering. Dit is vooral belangrijk als er hoge eisen worden
gesteld aan de aktualiteit van de positie-, koers- of snelheidsinformatie (zie als
voorbeeld het 2e-orde effekt in figuur 6).
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DIENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
29
Verder is het natuurlijk verstandig om vooraf te informeren naar de status van het
systeem. Het kan voorkomen dat de feitelijke konfiguratie afwijkt van wat men zou
kunnen verwachten. Dit geldt natuurlijk gedurende de ontwikkeling van de
infrastruktuur, maar ook in de operationele fase ten gevolge van periodiek onderhoud. Vaak kan men zich abonneren op dit soort informatie, die steeds vaker via
elektronische media wordt aangeboden, bijvoorbeeld GPS-info .
Er bestaan overigens meer soorten informatiediensten, die onder meer gegevens
verschaffen waarmee achteraf de precisie van de plaatsbepaling kan worden
verbeterd. Zo wordt er momenteel gewerkt aan een systeem waarmee nauwkeuriger
baanparameters van GPS kunnen worden verkregen.
23
Voorzorgsmaatregelen treft men natuurlijk naar aanleiding van specifieke gebruikseisen. Inherent aan de traditionele toepassingen van plaatsbepaling, wordt er van
uitgegaan dat ieder voor zichzelf de benodigde zorg in acht neemt.
Afspraken tussen verschillende gebruikers zijn er eigenlijk niet, behalve dat er een
zekere mate van uniformiteit bestaat als men gebruik maakt van een van de
standaard cobrdinatenstelsels.
Vooral op het moment dat de berichten-uitwisseling intensiever wordt, kan het
praktisch zijn om hierover (gestandaardiseerde) afspraken te maken.
Voorafgaande aan een dergelijke standaardisatie dienen er twee keuzes te worden
gemaakt, namelijk het (kunnen) uitwisselen van meetgegevens of positie-informatie,
en het (al dan niet) meesturen van gegevens over de kwaliteit van de meting of het
baken. De uitwisseling van positie-informatie (cobrdinaten) hoeft zeker niet de
meest handige te zijn. Afgezien van het feit dat er verwarring kan ontstaan over
het coordinatenstelsel, kan er behoefte zijn aan een efficientere data-communicatie,
of wil men op een centrale plaats de positie berekenen (en optimaliseren).
GPS-info is een Videotex informatie-service van de Meetkundige Dienst
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DIENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
30
BIJLAGEN
BIJLAGE A
RADIOPLAATSBEPALINGSSYSTEMEN
Al
SYSTEEMBESCHRI JVINGEN
OMEGA
DECCA Navigator System
LORAN-C
PULSE/8
Non Directional Beacons (NDB)
HYPERFIX
ILS
N.N.S.S. / TRANSIT
ARGOS
SYLEDIS
VOR/DME
TACAN
GPS
GLONASS
MLS
EUTELTRACS
A.2
OVERIGE SYSTEMEN
31
32
34
36
38
40
41
43
45
48
50
52
54
56
58
61
62
64
66
BIJLAGE B
67
ONTWIKKELINGEN
BIJLAGE C VOORBEELDEN DIFFERENTIELE SYSTEMEN
C. l Differentiele GPS
69
70
BIJLAGE D VOORBEELDEN GEINTEGREERDE SYSTEMEN
D. I GPS-Loran-C
D.2 (D)GPS-INS
D.3 Radioplaatsbepaling met Dead-Reckoning/Map-Matching
72
72
72
73
LIJST VAN AFKORTINGEN
74
INDEX
77
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATESSYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
31
BIJLAGE A
RADIOPLAATSBEPALINGSSYSTEMEN
Radioplaatsbepalingssystemen kunnen op verschillende manieren worden gerubriceerd. Men kan o.a. naar toepassingsgebied indelen, naar ontstaansmoment, of naar
dekkingsgebied.
In deze inventarisatie is gekozen voor een indeling naar frekwentiegebruik.
Hiervoor zijn twee redenen. De golflengte waarmee een systeem werkt is bepalend
voor een aantal eigenschappen van dit systeem. Daarnaast is de indeling niet
"gekleurd" naar toepassingsgebied, met de daarbij behorende problemen (zoals een
"typisch" maritiem systeem dat daardoor voor een andere toepassing niet interessant zou zijn) of naar de plaatsing van de zenders (satelliet versus "gewone" aardse
zenders).
De beschreven systemen zijn de volgende:
OMEGA
DECCA
LORAN-C
PULSE/8
NDB's
HYPERFIX
VOR
ILS
N.N.S.S. TRANSIT
ARGOS
SYLEDIS
DME
TACAN
GPS
GLONASS
MLS
EUTELTRACS
10.2-13.6 kHz (VLF)
70-130 Khz (LF)
100 Khz (LF)
100 Khz (LF)
283.5-415 kHz (LF/MF)
2 Mhz (MF)
108-118 Mhz (VHF)
ca. 110 en ca. 330 Mhz (VHF)
150 en 400 MHz (VHF)
402 MHz (VHF)
406-450 MHz (VHF)
0.96-1.21 GHz (UHF)
0.96-1.21 GHz (UHF)
1.22 en 1.57 GHz (UHF)
1.24-1.26 en 1.59-1.61 GHz (UHF)
5 GHz (SHF)
11 en 14 GHz (SHF)
Allereerst wordt een verklaring gegeven van de verschillende termen, die voor de
beschrijving van de systemen worden gebruikt.
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
32
A.1
SYSTEEMBESCHRIJVINGEN
De onderstaande systeembeschrijvingen zijn opgesteld op de hierna beschreven
manier:
NAAM VAN HET SYSTEEM
=BESCHRIJVING=
Algemene beschrijving van het systeem, funktionaliteit, status en methode van
plaatsbepaling.
=KWALITEIT=
dekkingsgebied
Het gebied waarin het systeem volgens specificaties
plaatsbepaling levert.
fix rate
Het aantal onafhankelijke positiebepalingen c.q.
metingen die in een bepaalde tijd kunnen worden
uitgevoerd. Bij sommige systemen is dit ontvangerafhankelijk (er wordt dan in de beschrijving vaak
"kontinu" vermeld). Bij andere is het m.n. systeemafhankelijk en wordt het aantal posities per tijdseenheid zo mogelijk vermeld.
precisie
(Eng.: accuracy, precision) beschrijft de absolute
nauwkeurigheid, de herhaalbaarheid en de relatieve
nauwkeurigheid van de plaatsbepaling. Bij de systeembeschrijving wordt slechts een indikatief getal
gegeven.
betrouwbaarheid
(Eng.: reliability, availibility) beschrijft de beschikbaarheid van het systeem, en de eenduidigheid en
kontroleerbaarheid van de plaatsbepaling. ook wordt
hieronder integriteit gevat.
=GEBRUIK=
gebruik momenteel
Gebruikersgroepen die nu gebruik maken van het
systeem.
gebruik potentieel
Gebruikersgroepen waarvan verwacht wordt dat ze
gebruik kunnen gaan maken van het systeem.
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
33
=GEGEVENS=
frekwentie
Gebruikte frekwentie en bandbreedte.
capaciteit
Het aantal gebruikers dat het systeem tegelijkertijd
kan bedienen.
prijs per eenheid
Prijs voor een gebruikerseenheid c.q. terminal.
prijs voor gebruik
Prijs per positiebepaling of periode, evt. abonnementsgeld.
beheer en beleid
Organisatie die het (operationele) beheer van het
systeem in handen heeft, of coordineert, en de eventuele voornemens ten aanzien van het systeem.
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATIESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
34
OMEGA
=BESCHRIJVING=
Omega is een internationaal terrestrisch plaatsbepalingssysteem. De plaatsbepaling
gebeurt op basis van de hyperbolische methode.
Het is een zeer-lange-golf systeem, dat sinds het achtste station in Australia in
werking werd gesteld een vrijwel wereldwijde dekking geeft. Het is van oorsprong
Amerikaans militair, m.n. voor oceaanroutes, maar is momenteel nog vrijwel alleen
in gebruik voor civiele doeleinden.
Radioplaatsbepaling vindt plaats door fasemeting op de signalen van verschillende
zenders. De 8 bakens zenden op vastgestelde tijdstippen uit. De zendtijdstippen
worden bepaald met onafhankelijke atoomklokken. De stations zenden om beurten
op een karakteristieke frequentie, gevolgd door vier andere frekwenties.
Omega wordt in de luchtvaart ook wel gebruikt in kombinatie met andere zeer-laagfrekwente (VLF) telecommunicatie zenders (bekend als Omega/VLF), vooral om
boven de poolkappen een betere dekking te realiseren.
Van Omega bestaat een Russisch equivalent.
=KWALITEIT=
dekkingsgebied
Vrijwel wereldwijd
fix rate
Niet beter dan eenmaal per 10 s
precisie
Het systeem werd ontworpen om 4 nautische mijl (7
km) te kunnen leveren. Meestai wordt tussen 4 en 8
km gehaald, afhankelijk van ionosferische condities.
's Nachts is dit slechter.
betrouwbaarheid
Het systeem wordt kontinu gemonitord; afwijkingen
worden binnen 24 uur gepubliceerd. De plaatsbepaling is meerduidig op 8 nautische mijl (ca. 15 km)
voor een een-frekwentie-ontvanger en 288 nautische
mijl (ca. 500 km) voor een vier-frekwentie-ontvanger.
Ondersteuning met een startpositie is nodig. Een
een-frekwentie-ontvanger moet ondersteund worden
met gegist bestek of andere navigatiehulpmiddelen.
Een vier-frekwentie-ontvanger lost meerduidigheid
op m.b.v. lane-identifikatie.
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
35
=GEBRUIK=
gebruik momenteel
scheepvaart en luchtvaart, trans-oceaan
gebruik potentieel
Zal vrijwel gelijk blijven, minus de Amerikaanse
militaire gebruikers die z.s.m. op GPS zullen overgaan.
=GEGEVENS=
frekwentie
12.1, 12.0, 11.8, 13.1, 12.3, 12.9, 13.0, 12.8 kHz, en
iedere zender: 10.2, 11.333, 13.6, 11.05 kHz.
capaciteit
Onbeperkt
prijs per eenheid
Ca. f 2.500,=
prijs voor gebruik
Gratis
beheer en beleid
US Coast Guard coordineert t.b.v. de Amerikaanse
Marine (DoD/Navy), in het kader van een multilaterale overeenkomst
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
36
DECCA Navigator System
=BESCHRIJVING=
Decca is een terrestrisch en hyperbolisch radioplaatsbepalingssysteem voor regionale toepassingen. Decca is een Britse ontwikkeling uit de Tweede Wereldoorlog.
Een systeem bestaat uit ketens van minimaal 3, maar meestai 4 zenders met een
bereik per zender van enige honderden kilometers.
In Nederland staat de zogenaamde 2E-keten ten behoeve van de scheepvaart op de
Zuidelijke Noordzee, en twee zenders van de 9B-keten ten behoeve van de scheepvaart boven de Wadden-eilanden (de beide andere zenders staan in Duitsland en
Denemarken). Beide ketens zijn recentelijk gemoderniseerd.
De zenders van een Decca-keten worden resp. Master, Red, Green en Purple
genoemd. Alle bakens zenden kontinu op een eigen frekwentie, die is gebaseerd op
een voor iedere keten unieke basisfrekwentie. Iedere meetcyclus wordt fasemeting
uitgevoerd op de ontvangen signalen van een keten.
Eens per 20 s. zendt ieder baken op alle vier frekwenties uit ten behoeve van de
lane-identificatie (eenduidigheid). Deze eenduidigheid wordt nog eens vergroot door
het toepassen van een gemeenschappelijke extra frekwentie.
=KWALITEIT=
dekkingsgebied
Voor Nederland: langs de gehele kust
fix rate
Kontinu, of eenmaal per 20 s, afhankelijk van de
ontvanger
precisie
30-3000 m (zie figuur 9)
betrouwbaarheid
Het systeem wordt kontinu gemonitord. De zenderbeschikbaarheid is beter dan 99.95%, en de beschikbaarheid van plaatsbepaling is beter dan 99.8%.
Afhankelijk van de toegepaste frekwenties loopt de
meerduidigheid uiteen van ca. 350 m tot ca. 50 km.
=GEBRUIK=
gebruik momenteel
Scheepvaart, havennadering
visserij en luchtvaart
gebruik potentieel
Afnemend door komst GPS, DGPS en evt. Loran-C.
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
(Eurogeul,
IJ-geul),
37
=GEGEVENS=
frekwentie
Tussen 70 en 130 kHz
capaciteit
Onbeperkt
prijs per eenheid
Ca. f 1.000,=
prijs voor gebruik
Gratis
beheer en beleid
V&W/DGSM beheert i.s.m. Duitsland, Denemarken
en Engeland. Decca blijft beschikbaar tot min. 2000.
r
iguur 9 DECCA, het theoretische dekkingsgebied van de ketens 2E en 9B, met een
gekalibreerd
systeem. De precisiegebieden
zijn resp. 0-50, 50-100 en
100-150 meter.
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVTGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DIENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
38
LORAN-C
=BESCHRIJVING=
Loran-C, LOng RAnge Navigation, is een terrestrisch radioplaatsbepalingssysteem.
Een systeem bestaat uit ketens van 3 tot 6 zenders. De voorloper van het systeem
(Loran-A) is van oorsprong een Amerikaanse ontwikkeling uit de Tweede Wereldoorlog. Loran-C wordt in de Verenigde Staten voor civiele doeleinden onderhouden
en uitgebreid/gemoderniseerd.
Vanaf 1994 is er geen militair belang meer bij Loran-C en worden de bakens buiten
de Verenigde Staten afgestoten. In Europa nemen groepen landen deze zenders
over. Dit leidt o.a. tot een eigen (Noordwest-)Europese infrastruktuur.
Een Russische tegenhanger van het systeem is "Chaika" (hier niet beschreven).
Koppeling van Chaika en Loran-C is mogelijk (Beringzee: koppeling Siberie en
Alaska).
Voor de plaatsbepaling wordt de aankomsttijd gemeten van amplitude gemoduleerde pulsen, waardoor tevens de meerduidigheid wordt opgelost. Meestai wordt
hyperbolische plaatsbepaling uitgevoerd, terwijl meer geavanceerde ontvangers ook
pseudo-circulair werken.
Ketenidentifikatie vindt plaats door middel van het (unieke en openbare) Group
Repetition Interval. Binnen een keten zenden de bakens in vaste volgorde uit,
zodanig dat de signalen altijd in diezelfde volgorde worden ontvangen.
=KWALITEIT=
dekkingsgebied
Europa, zie figuur 10; toekomstige ontwikkelingen
kunnen belangrijke wijzigingen in dit dekkingsgebied
aanbrengen.
fix rate
Kontinu
precisie
100-500 m (zie figuur 10)
betrouwbaarheid
Per keten wordt de timing binnen +/- 50 ns gehouden, abnormaliteiten worden binnen 60 s uitgezonden. T.o.v. UTC is dit beter dan +/- 2.5 us, maar in
moderne ketens zelfs +/- 100 ns. De status van het
baken wordt met het signaal meegestuurd.
De plaatsbepaling is eenduidig.
=GEBRUIK=
gebruik momenteel
Visserij, rekreatie en scheepvaart (in beperkte mate);
in de Verenigde Staten zijn vele gebruikers ook in de
luchtvaart en in het wegtransport.
gebruik potentieel
In Europa zullen dezelfde groepen als momenteel in
de Verenigde Staten van het systeem gebruik maken.
RADIOPLAATSBEPALLNGS- EN -NAVIGATIESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
39
Het gebruik zal zich ook wereldwijd verder ontwikkelen.
=GEGEVENS=
frekwentie
100 kHz met een bandbreedte van 20 kHz
capaciteit
Onbeperkt
prijs per eenheid
Ca. f 1.000,=
prijs voor gebruik
Gratis
beheer en beleid
In Europa: momenteel de Franse Marine (twee Franse zenders) en de US Coast Guard (de rest). Na 1994
zullen Europese landen het beheer van de Europese
zenders overnemen. De infrastruktuur zal worden
uitgebreid met zenders in Ierland en Zuid Noorwegen
(zie figuur 10). In Nederland is V&W/DGV verantwoordelijk; V&W7DGSM is mede aanspreekpunt.
r
iguur 10 LORAN-C, het theoretische dekkingsgebied
in Europa, inclusief de
geplande zenders, met een gekalibreerd systeem. De precisiegebieden zijn
resp. 0-100, 100-200 en 200-300 meter.
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGAT IE SY S TE MEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
40
PULSE/8
=BESCHRIJVING=
Pulse/8 is een terrestrisch radioplaatsbepalingssysteem. Het is een variant van
Loran-C (zie aldaar), met als voornaamste verschil het geringere zendvermogen
(zenderbereik).
Vanwege de commerciele opzet van Pulse/8, kan plaatsbepaling slechts worden
uitgevoerd met behulp van een speciale ontvanger, die moet worden gehuurd bij de
exploitant.
Hyperbolische plaatsbepaling, waarbij gemeten wordt op een amplitude gemoduleerde puis. In vergelijking met Loran-C kunnen de metingen met een enigszins
hogere nauwkeurigheid worden uitgevoerd.
Ketenidentifikatie vindt plaats door middel van het unieke (en niet-openbare)
Group Repetition Interval. Binnen een keten zenden de bakens in vastgestelde
tijdslots uit. Per tijdslot wordt door elk baken een reeks van acht pulsen uitgezonden, waarmee de naam van het systeem verklaard is.
=KWALITEIT=
dekkingsgebied
Noordzee
fix rate
Kontinu
precisie
25-100 m
betrouwbaarheid
De plaatsbepaling is eenduidig.
=GEBRUIK=
gebruik momenteel
Off-shore industrie
gebruik potentieel
Off-shore industrie
=GEGEVENS=
frekwentie
100 kHz +/- 10 kHz
capaciteit
onbeperkt
prijs per eenheid
Het systeem is te huur.
prijs voor gebruik
Op aanvraag bij de exploitant (NL: NeSA).
beheer en beleid
Racal/Decca Surveys (UK) en A/S Kongsberg (N) zijn
leveranciers van het systeem.
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVTGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DIENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
41
Non Directional Beacons (NDB)
=BESCHRIJVING=
Non Directional Beacons worden gebruikt voor richtingsmeting. NDB's voor de
luchtvaart en de scheepvaart zijn radiozenders waarop richtingspeilingen kunnen
worden uitgevoerd. Beide zijn officiele navigatie-hulpmiddelen voor luchtvaart resp.
scheepvaart.
Met behulp van een radiopeiler kan de richting van het baken bepaald worden.
Hierop kan worden afgestuurd, of er kan met behulp van een tweede, en eventueel
derde, peiling een positie worden bepaald.
Het signaal wordt achtereenvolgens ongemoduleerd en gemoduleerd uitgezonden.
De meting wordt met een richtingsgevoelige antenne uitgevoerd op het ongemoduleerde signaal. Een baken wordt herkend aan de meegezonden (letter-)kode.
=KWALITEIT=
dekkingsgebied
Grote delen van de kontinenten en kustwateren; het
bereik per baken is o.a. afhankelijk van het zendvermogen.
fix rate
Semi-kontinu (tussen de identifikaties)
precisie
Ca. 3° (scheepvaart); 3°-10° (luchtvaart)
betrouwbaarheid
Na het optreden van een storing wordt via verschillende kanalen een navigatiebericht verstuurd. Luchtvaartbakens voor non-precision approach gaan bij
aanhoudende storing na 15 s uit de lucht.
De richtingsbepaling is tweeduidig, tenzij een speciale "sense-schakeling" wordt gebruikt; in een Automatic Direction Finder (ADF) werkt dit volautomatisch.
=GEBRUIK=
gebruik momenteel
Luchtvaart en scheepvaart
gebruik potentieel
Luchtvaart en scheepvaart, met mogelijk gebruik als
data-link voor DGPS
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVTGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
42
=GEGEVENS=
frekwentie
Maritiem: 283-315 kHz; luchtvaart 315-415 kHz
capaciteit
Onbeperkt
prijs per eenheid
Ca. f 5.000,=
prijs voor gebruik
Gratis, of routeheffing (luchtvaart)
beheer en beleid
Voor Nederland: V&W/DGSM
V&VV7RLD (luchtvaart)
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
(scheepvaart) en
43
HYPERFIX
=BESCHRIJVING=
Hyperfix is een terrestrisch radioplaatsbepalingssysteem.
In het Noordzeegebied staan drie ketens opgesteld, de zogenaamde Thames-chain in
het zuidelijke deel, de SNOCH-chain (Southern Northsea Chain) ten noorden
daarvan, en de Terschelling-chain ten noorden van de Waddeneilanden. De Thameschain heeft een militaire status, de overige worden commercieel geexploiteerd.
Plaatsbepaling wordt (meestai) volgens de hyperbolische methode uitgevoerd,
waaraan het systeem zijn naam ontleent "HYPERbolic FIX".
Per keten zorgt de master voor de timing van de slave-zenders. De fasemeting
wordt uitgevoerd op de ongemoduleerde draaggolf. Omdat alle zenders gebruik
maken van dezelfde frekwenties, zenden de bakens in een vastgelegde volgorde, de
zogenaamde slots.
Plaatsbepaling is alleen mogelijk met een speciale ontvanger, die moet worden
gehuurd bij de exploitant.
=KWALITEIT=
dekkingsgebied
Zuidelijk deel van de Noordzee
fix rate
Kontinu
precisie
10-25 m (zie figuur 11)
betrouwbaarheid
De plaatsbepaling heeft een meerduidigheid van ca.
75 m (of meer). Door gebruik te maken van meerdere
frekwenties kan de eenduidigheid worden verbeterd.
=GEBRUIK=
gebruik momenteel
Puntsbepaling; Marine, Rijkswaterstaat, off-shore
industrie
gebruik potentieel
Gelijk, mogelijk afnemend
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
44
=GEGEVENS=
frekwentie
Ca. 2 MHz
capaciteit
Onbeperkt
prijs per eenheid
Ontvangers zijn te huur (NL: NeSA)
prijs voor gebruik
Op aanvraag bij de exploitant
beheer en beleid
Commerciele exploitatie door Racal/Decca Surveys
•Mguur 11 HYPERFIX, het theoretische dekkingsgebied van de Thames-keten (Zuidelijke Noordzee) met een gekalibreerd systeem. De precisiegebieden
zijn
resp. 0-5, 5-10 en 10-15 meter.
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVTGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
45
ILS
=BESCHRIJVING=
ILS (Instrument Landing System) is het belangrijkste precisie-landingssysteem
(ICAO-standaard) van het moment. Het principe dateert van de 2e Wereldoorlog.
Het systeem is geschikt voor alle kategorieen landingen en bestaat uit een localizer
antenne voor richtingsgeleiding, een glijpad antenne voor de hoogtegeleiding en verschillende markeringsbakens voor afstand- en hoogte-checks.
De localizer antenne bevindt zich iets voorbij het einde van de landingsbaan en
zendt twee lobben uit. Deze zijn te onderscheiden door de amplitude modulatie.
Waar beide modulaties even sterk ontvangen worden is het verlengde van de baan.
Bij de overeenkomstig werkende glijpad antenne, die is gesitueerd naast de baan in
het verlengde van de baandrempel, staan de lobben boven elkaar. De neiging ten
opzichte van de horizontaal bedraagt 3°.
Er zijn maximaal drie markeringsbakens voor de informatie tijdens de daling langs
het glijpad. Deze worden outer-, inner- en middle-marker genoemd en bevinden zich
op respektievelijk ca. 10 km, 300 m en 1 km vanaf de baandrempel. Voor cat.I
landingen moet bij de middle-marker de baan in zicht zijn gekomen. Voor cat.II en
cat.III landingen vervult de inner-marker deze funktie. (Soms vervullen een of meer
NDB's of DME's een equivalente funktie).
De markers worden herkend aan de meegezonden (morse-)kode.
=KWALITEIT=
dekkingsgebied
Nederland: Schiphol, Rotterdam, Eindhoven, Eelde,
Maastricht, Den Helder
fix rate
Kontinu
precisie
Azimut: 4.1 -9.1 (bij de drempel: ca. 7.5 m)
elevatie: 0.4°-3.0° (idem: ca. 2.5 m)
betrouwbaarheid
De beschikbaarheid ligt rond 99%; bij calamiteiten,
gesignaleerd door een onafhankelijke monitor, schakelt ILS zichzelf binnen 2-10 s uit, e.e.a. afhankelijk
van de gebruikscategorie.
Tweeduidigheid is mogelijk bij een verkeerde aanvliegprocedure.
0
0
=GEBRUIK=
gebruik momenteel
(Precisie-)landingen
gebruik potentieel
(Precisie-)landingen
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVTGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
46
=GEGEVENS=
frekwentie
Localizer baken: 108-112 MHz; glijpad baken: 328.6335.4 MHz; markeringsbakens: 75 MHz
capaciteit
Onbeperkt
prijs per eenheid
Vanaf ca. f 15.000,=
prijs voor gebruik
(Via routeheffingen)
beheer en beleid
V&W/RLD
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATIESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DIENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
47
SSB?*
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DIENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
48
N.N.S.S. / TRANSIT
=BESCHRIJVING=
N.N.S.S. (Navy Navigation Satellite System) of Transit is het oudste satellietplaatsbepalingssysteem ter wereld.
Het werd ontwikkeld in opdracht van de Marine van de Verenigde Staten tussen
1958 en 1963, en voor civiel gebruik vrijgegeven in 1967.
Het systeem bestaat uit 6 polaire satellieten op 1100 km hoogte (omlooptijd 107
min). Monitorstations op aarde zorgen voor nauwkeurige baangegevens die iedere
12 uur worden ververst en met de signalen van de satelliet worden meegezonden.
Een Russische tegenhanger van het systeem is "Tsikada", dat hier niet wordt
beschreven.
Het systeem is gebaseerd op meting van Doppler-count. Uit de door de satelliet
uitgezonden satellietposities (efemeriden) en de Doppler-count wordt de (2-d) positie
van de ontvanger bepaald.
=KWALITEIT=
dekkingsgebied
Wereldwijd
fix rate
Afhankelijk van de breedtegraad eens per 30-110
minuten, en in extreme gevallen zelfs met intervallen
van enkele uren.
precisie
500 m of slechter (m.b.v. een een-frekwentie ontvanger). Een belangrijke foutenbron is de snelheid van
de ontvanger (stationaire positiebepaling kan beter
dan 100 m).
betrouwbaarheid
De beschikbaarheid per satelliet is ca. 99%; de satellieten worden gemonitord, en bij storing worden
berichten aan gebruikers verzonden, echter niet via
het baken.
=GEBRUIK=
gebruik momenteel
Survey, rekreatie; scheepvaart: trans-oceaan routes
gebruik potentieel
Afnemend, na 1996 is het systeem niet meer beschikbaar.
RADIOPLAATSBEPALLNGS- EN -NAVIGATIESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
49
=GEGEVENS=
frekwentie
150 en 400 MHz
capaciteit
Onbeperkt
prijs per eenheid
Ca. f 2.000,=
prijs voor gebruik
Gratis, alleen voor het achteraf opvragen van precieze baangegevens wordt een prijs berekend.
beheer en beleid
Verenigde Staten (US Navy) is de beheerder/eigenaar. Het systeem is tot 1996 beschikbaar, waarna
het uitgezet wordt.
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
50
ARGOS
=BESCHRIJVING=
Argos is een satellietsysteem voor een-weg (gebruikerseenheid via satelliet naar
grondstation) data-communicatie, met een lokalisatie-faciliteit, dat wordt geexploiteerd door de Franse firma CLS. Het systeem is in werking sinds 1978 en maakt
gebruik van twee (NOAA) satellieten. De polaire satellieten hebben een omlooptijd
van ca. 2 uur. Het punt waar de evenaar wordt gekruist verschuift per omloop
zodanig, dat na precies 12 uur een volledige aardrotatie is overbrugd.
De grondstations staan onder andere in Frankrijk (Toulouse/Lannion) en Amerika
(Washington).
Argos is primair bedoeld voor "milieukundige" toepassingen, zoals oceanografisch en
meteorologisch onderzoek en het volgen van bijvoorbeeld rendieren. Het is een
aktief systeem met als speciale eigenschap dat de gebruikerseenheid zeer weinig
stroom verbruikt. Het zendertje wordt PTT (Platform Transmitting Terminal)
genoemd.
De gebruikerseenheid verzendt kontinu, of desgewenst op discrete momenten, een
aantal, vooraf geformatteerde, berichten met een maximum lengte, die worden
doorgegeven aan het gewenste grondstation. Het bericht, desgewenst met de positie,
kan met enige vertraging door de gebruiker worden opgevraagd.
De (2-d) positiebepaling wordt uitgevoerd in het grondstation op basis van de
Doppler-methode ("snijpunt van kegels") en een hoogtemodel. Deze berekening
berust op meerdere metingen, die -door de satelliet- rechtstreeks op de draaggolf
worden uitgevoerd met tussenpozen van 90 sec. Er worden minimaal 4 a 5 metingen gebruikt, waardoor een zekere mate van kontrole kan worden uitgevoerd.
=KWALITEIT=
dekkingsgebied
Wereldwijd
fix rate
Afhankelijk van de breedtegraad kunnen iedere 2
uur enkele posities worden bepaald, die na 20 min, of
20 min met een veelvoud van 2 uur, kunnen worden
opgevraagd.
precisie
800 m of slechter, mede afhankelijk van de snelheid
van het mobiel in relatie tot de tijdsduur van een
meting.
betrouwbaarheid
De kwaliteit van de positiebepaling wordt in vier
klassen weergegeven (goed/redelijk/matig/slecht).
Het systeem heeft twee reserve satellieten.
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DIENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
51
=GEBRUIK=
gebruik momenteel
Oceanografie, meteorologie; ook visserij en bijvoorbeeld zeilraces
gebruik potentieel
Ook goederenvervoer (m.n. gevaarlijke stoffen)
=GEGEVENS=
frekwentie
401 MHz met een bandbreedte van 2 MHz
capaciteit
Wereldwijd "onbeperkt"; in het dekkingsgebied van
een satelliet ca. 800 (in 1994 ca. 4.000), waarvan in
ieder geval meer dan 100 gelijktijdig
prijs per eenheid
Ca. f 3.000,=
prijs voor gebruik
Ca. f 75,= per zender per dag
beheer en beleid
CLS/CNES (F) en NOAA (VS); het systeem is minimaal operationeel tot 2003 (daarna wellicht Europese
"Epoch" satellieten)
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVTGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DIENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
52
SYLEDIS
=BESCHRIJVING=
SYsteme LEgere de Mesures de Distances is een terrestrisch plaatsbepalingssysteem van Sercel (F). Het systeem wordt commercieel geexploiteerd.
Syledis kan op twee manieren gebruikt worden: passief (pseudo-circulair) en aktief
(circulair). De meting wordt uitgevoerd aan een, op de draaggolf gemoduleerde,
kode. Door correlatie van het ontvangen signaal met een in de ontvanger gegenereerde kode wordt de aankomsttijd van het signaal gemeten.
Met de kode worden de zenders geidentificeerd en de meerduidigheid vergroot.
=KWALITEIT=
dekkingsgebied
In Nederland zijn een vijftal ketens opgesteld, die
samen een groot deel van het Nederlandse kustgebied bedekken.
fix rate
Kontinu
precisie
5-25 m (zie figuur 13)
betrouwbaarheid
De oplossing is meerduidig op 10 km.
=GEBRUIK=
gebruik momenteel
Navigatie en puntsbepaling
gebruik potentieel
Idem
=GEGEVENS=
frekwentie
tussen 402-420 MHz en 420-450 Mhz met een bandbreedte van 2.3 MHz
capaciteit
aktief: 4 per keten; passief onbeperkt
prijs per eenheid
f 30.000,= - 50.000,=
prijs voor gebruik
op aanvraag bij exploitant
beheer en beleid
(O.a.) Rijkswaterstaat en commerciele bedrijven
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DIENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
54
VOR/DME
=BESCHRIJVING=
VOR/DME is een terrestrisch systeem, dat dient voor vliegtuig-navigatie.
Het bestaat uit twee delen: VOR (Very High Frequency Omnidirectional Range) en
DME (Distance Measuring Equipment). Deze kunnen ook afzonderlijk worden
gebruikt. Bij gekombineerd gebruik (bv. een VOR/DME-grondstation) kan, via de
polaire methode, desgewenst (2-d) positiebepaling worden uitgevoerd.
Een VOR-baken zendt het signaal uit voor de koersbepaling. De meting wordt
uitgevoerd aan twee op de draaggolf gemoduleerde signalen, namelijk een amplitude-, en een frekwentie-modulatie (beide 30 Hz). Uit het faseverschil tussen beide
signalen kan de richting ten opzichte van het magnetische noorden, en hieruit het
azimut (de richting to.v. het geografisch noorden), worden bepaald. Eens per 10 s
kan baken-identifikatie worden uitgevoerd aan de hand van een meegezonden
(morse-)kode.
DME is het aktieve deel van het systeem. De ondervrager stuurt een signaal uit,
dat door de DME-transponder beantwoord wordt. Uit de looptijd van het signaal
kan de afstand van het vliegtuig tot het baken bepaald worden. Voor de afstand
over de grond, moet de gemeten afstand worden gekorrigeerd voor de vlieghoogte.
(Met voldoende DME-bakens kan eventueel circulaire plaatsbepaling worden uitgevoerd, de zogenaamde Multi-DME).
=KWALITEIT=
dekkingsgebied
Alle kontinentale luchtroutes; bereik per baken tot
50 km, of groter (ca. 200 km op 1.5 km vlieghoogte,
zendvermogen 200 W)
fix rate
Kontinu
precisie
Azimut: ca. 1.4° (4.5°, incl. PTE)
afstand: ca. 175 m (1 km, incl. FTE)
betrouwbaarheid
De beschikbaarheid van VOR en DME benaderen de
100%; in geval van problemen gesignaleerd door een
onafhankelijke monitor schakelen VOR zowel als
DME zichzelf uit.
=GEBRUIK=
gebruik momenteel
Luchtvaart; en-route, ook: landing ("terminal of nonprecision approach")
gebruik potentieel
Idem
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
55
=GEGEVENS=
frekwentie
VOR werkt op frekwenties tussen 108 en 118 MHz
met een separatie van 100 kHz. DME gebruikt 960
tot 1213 MHz met 1 MHz separatie.
capaciteit
Onbeperkt voor VOR, 110 gelijktijdige ondervragers
voor DME
prijs per eenheid
Vanaf ca. f 15.000,= (VOR+DME)
prijs voor gebruik
(Via routeheffingen)
beheer en beleid
Voor Nederland: V&VV7RLD
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATIESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DIENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
56
TACAN
=BESCHRIJVING=
TACAN (Tactical Air Navigation) is een terrestrisch plaatsbepalingssysteem voor de
luchtvaart. Het is militair van aard, maar wordt ook in de civiele luchtvaart
toegepast.
Het levert zowel afstand tot het baken, als richting ten opzichte van het magnetische noorden, waarmee koersbepaling mogelijk is.
Op basis van afstand en richting kan, via de polaire methode, ook positiebepaling
worden uitgevoerd.
Het systeem wordt ook in kombinatie met VOR opgesteld en heet dan VORTAC.
De afstandsmeting van TACAN is identiek aan die van DME, dat wil zeggen via
looptijdmeting van een door het vliegtuig uitgestuurd en door het grondstation
teruggezonden signaal. De richtingsmeting vindt plaats als bij VOR, echter met een
hogere modulatie-frekwentie (3 kHz).
=KWALITEIT=
dekkingsgebied
9 bakens in Nederland;
bereik per baken tot 50 km, of groter (ca. 200 km op
1.5 km vlieghoogte, zendvermogen 5 kW)
fix rate
Kontinu
precisie
Azimut: ca. 1° (4.5°, incl. FTE)
afstand: ca. 175 m (1 km, incl. FTE)
betrouwbaarheid
De beschikbaarheid is ca. 99%; bij problemen, gesignaleerd door een onafhankelijke monitor, schakelt
TACAN zichzelf uit.
=GEBRUIK=
gebruik momenteel
Militaire en civiele luchtvaart, vergelijkbaar met
VOR/DME
gebruik potentieel
Idem
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
57
=GEGEVENS=
frekwentie
960-1215 MHz
capaciteit
Voor richtingsbepaling onbegrensd; voor afstandsbepaling 110 gebruikers
prijs per eenheid
Ca. f 40.000,=
prijs voor gebruik
beheer en beleid
Ministerie van Defensie (militair) en V&W/RLD
(civiel).
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
58
GPS
=BESCHRIJVING=
Het Global Positioning System is een satellietplaatsbepalingssysteem van de
Amerikaanse (militaire) overheid. Het systeem is in pre-operationele fase en volgens
planning begin 1994 klaar.
Het zal dan bestaan uit 24 (21 + 3 reserve) satellieten in zes banen op 20.200 km
hoogte. Hiermee zal dan 3-d plaatsbepaling wereldwijd 24 uur per dag mogelijk
zijn. Het is een militair systeem, maar ook voor civiele gebruikers beschikbaar.
Iedere satelliet zendt op tweefrekwenties,de zogenaamde L l en L2 signalen.
Voor militair gebruik is er de P-code, gemoduleerd op de draaggolf van beide
signalen. Hiermee is een nauwkeurige plaatsbepaling mogelijk (Precise Positioning
Service, PPS).
Voor civiel gebruik kan de C/A code gebruikt worden (Standard Positioning Service,
SPS), die is gemoduleerd op het L l signaal. Deze is openbaar, maar onnauwkeuriger dan PPS.
De civiele C/A-code is bovendien uitgerust met zogenaamde SA (Selective Availability), waarmee in ieder geval de praktische nauwkeurigheid van SPS wordt geregeld.
Deze SA wordt om militaire redenen toegepast en is sinds begin 1992 permanent
ingeschakeld.
De meest toegepaste vorm van plaatsbepaling berust op de pseudo-circulaire
methode. Meting vindt plaats op de kode, waarmee de bakens worden gei'dentificeerd en de meerduidigheid wordt opgelost.
(Er zijn ook andere methodes, die berusten op fase(verschil-)meting met twee of
meer onvangers (of antennes) gelijktijdig. Dit soort methodes kunnen weliswaar
zeer hoge nauwkeurigheden opleveren (0.5 cm + 1 ppm voor een afstand), maar zijn
ofwel niet geschikt voor absolute positiebepaling, of niet geschikt voor mobiele
toepassing).
=KWALITEIT=
dekkingsgebied
Wereldwijd
fix rate
Kontinu
precisie
PPS (militair) 18 m (horizontaal) en 28 m (vertikaal);
SPS (civiel met SA) ca. 100 m (horizontaal) en 150 m
(vertikaal)
betrouwbaarheid
Er is geen intern integrity-waarschuwingssysteem.
Wel wordt de status van het baken met het signaal
meegstuurd.
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DIENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
59
=GEBRUIK=
gebruik momenteel
Puntsbepaling, visserij; scheepvaart, (luchtvaart)
gebruik potentieel
Naar verwachting zullen alle toepassers van plaatsbepaling op een of andere wijze gebruik gaan maken
van GPS, zowel op land, op zee en in de lucht.
=GEGEVENS=
frekwentie
GPS gebruikt twee draaggolven: L l op 1575.42 MHz
en L2 op 1227.6 MHz.
capaciteit
Onbeperkt
prijs per eenheid
Vanaf ca. f 2.500,=
prijs voor gebruik
SPS/SA: gratis (huidige beleid)
beheer en beleid
US-DoD in overleg met DoT/US Coast Guard i.v.m.
civiele gebruikers (Nederland kan wensen inbrengen
via de Meetkundige Dienst van V&W/RWS).
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
60
61
GLONASS
=BESCHRIJVING=
Russische tegenhanger van het Amerikaanse GPS-systeem. De infrastruktuur zal
bestaan uit 24 satellieten op 19100 km hoogte. Identifikatie van ieder individueel
satellietsignaal gebeurt aan de hand van de (unieke) frekwentie waarmee de satelliet uitzendt.
Ook hier zal precieze en standaard service geboden worden, de eerste op 2 frekwenties (Fl en F2), de laatste op een frekwentie (Fl).
Het systeem is in het stadium van (proef-)lanceringen en zal misschien in 1994
operationeel worden.
Positiebepaling gebeurt op basis van de pseudo-circulaire methode.
=KWALITEIT=
dekkingsgebied
Wereldwijd
fix rate
Kontinu
precisie
Horizontaal 100 m, vertikaal 150 m
(naar verwachting)
betrouwbaarheid
Geen meerduidigheid
=GEBRUIK=
gebruik momenteel
Geen
gebruik potentieel
Door onbekendheid en onzekerheden zijn nog geen
verwachtingen aan te geven, maar mogelijk dezelfde
groep als GPS, en gebruik in kombinatie met GPS.
=GEGEVENS=
frekwentie
L l : 1597-1617 MHz, L2: 1240-1260 MHz.
capaciteit
onbeperkt
prijs per eenheid
onbekend
prijs voor gebruik
gratis (waarschijnlijk)
beheer en beleid
"GOS"
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
62
MLS
=BESCHRIJVING=
Het Microwave Landing System (MLS) is een terrestrisch systeem voor de luchtvaart, dat is bedoeld als opvolger van ILS.
Het MLS is allereerst bedoeld voor (3-d) positiebepaling, die mogelijk is in een
gebied van +/- 40° azimut en 20° elevatie ten opzichte van de landingsbaan. De
positiebepaling is gebaseerd op de polaire methode.
Hiermee kan de aanvliegprocedure op een flexibele wijze worden aangepast.
De bepaling van azimut en elevatie berust op twee afzonderlijke, maar identieke
metingen. Iedere waarneming berust op meting van een tijdsverschil tussen twee
opeenvolgende pulsen. De signalen worden gedekteerd met een antenne, waarvan
de richtingsgevoeligheid zowel in het horizontale, als in het vertikale vlak varieert
(de antenne beweegt als het ware heen-en-weer en op-en-neer). De afstandsbepaling
wordt met een DME uitgevoerd.
=KWALITEIT=
dekkingsgebied
Nederland: nog niet operationeel
fix rate
Kontinu
precisie
Azimut: 4.1 -9.1° (boven de drempel: ca. 5 m)
elevatie: 0.4°-3.0° (idem: ca. 0.5 m)
afstand: ca. 25 m (of 500 m)
betrouwbaarheid
Bij problemen, die worden gesignaleerd door een
onafhankelijke monitor, schakelt MLS zichzelf binnen 1 s uit.
0
=GEBRUIK=
gebruik momenteel
Geen
gebruik potentieel
(Precisie-)landing
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
63
=GEGEVENS=
frekwentie
5.030-5.090 GHz; DME 0.960-1.215 GHz
capaciteit
Richtingen onbegrensd; 110 gebruikers voor DME
prijs per eenheid
(Ca. f 45.000,=)
prijs voor gebruik
(Via routeheffingen)
beheer en beleid
V&W/RLD
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
64
EUTELTRACS
=BESCHRIJVING=
Euteltracs is een satellietsysteem voor (data-)communicatie, met lokalisatiefaciliteit.
De communicatie verloopt via een van de twee geo-stationaire satellieten. Voor de
positiebepaling moeten beide bakens -gelijktijdig- worden gebruikt. De plaatsbepaling is dus alleen mogelijk in het overlappende deel van de dekkingsgebieden (de
zogenaamde foot-prints) van de satellieten.
De positiebepaling gebeurt op initiatief van het grondstation en berust op de
circulaire methode. Een afstand wordt bepaald uit de gemeten looptijd van mobiel via satelliet- naar grondstation.
De berekening vindt plaats in het grondstation op basis van twee afstanden in
kombinatie met een hoogtemodel. De (2-d) positie wordt vervolgens doorgegeven aan
de basis (waar de planning wordt uitgevoerd).
=KWALITEIT=
dekkingsgebied
Europa tot ca. 70 graden Noorderbreedte, en een deel
van Noord Afrika en Turkije
fix rate
Ca. een maal per minuut kan een bericht verstuurd
worden, en dus ook een positie worden bepaald.
precisie
Tussen 100 en 500 m; de lengtegraadbepaling is door
de geometrie slechter dan de breedtegraadbepaling.
betrouwbaarheid
Wanneer geen communicatie mogelijk is, wordt geen
bevestiging gegeven en moet opnieuw geprobeerd
worden.
=GEBRUIK=
gebruik momenteel
Wegvervoer
gebruik potentieel
Idem
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
65
=GEGEVENS=
frekwentie
11 en 14 GHz
capaciteit
Enkele tienduizenden gebruikers per (twee) transponders), afhankelijk van de mate van gebruik. Er
kunnen echter transponders bijgehuurd worden zodat
de capaciteit (volgens de leverancier) vrijwel onbegrensd is.
prijs per eenheid
ca. f 12.000,=
prijs voor gebruik
ca. f 1,= per volledig bericht, of f 0,50 voor een positie
beheer en beleid
Qualcomm
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
66
A.2
OVERIGE SYSTEMEN
Naast de hierboven beschreven systemen zijn er nog vele andere.
Enkele voorbeelden hiervan zijn:
- ARTEMIS is een zeer lokaal polair systeem, dat voor specifieke survey-toepassingen gebruikt wordt.
- ARGO, TORAN en HYTRAC zijn regionaal toepasbare middellange-golf systemen.
- MICROFIX, TRISPONDER, TRIDENT en MINIRANGER zijn korte-golf systemen
voor lokale toepassing, ondermeer in gebruik bij Rijkswaterstaat.
- STARFIX is een (differentieel) satellietsysteem met redelijk hoge nauwkeurigheid.
Het is alleen te gebruiken in de Golf van Mexico.
- VDF (VHF Direction Finding) is een redelijk nauwkeurige richtingszoeker in
gebruik bij de luchtvaart, gebaseerd op standaard (VHF) radiocommunicatie.
Ook niet beschreven in deze inventarisatie zijn de zogenaamde dead-reckoning/mapmatching systemen die als autonavigatiesystemen op de markt verschijnen.
Deze systemen maken gebruik van wielsensoren (voor het tellen van wielomwentelingen) en een kompas voor hun (relatieve) plaatsbepaling.
Om de kwaliteit van de plaatsbepaling (de dead-reckoning of gegist bestek) te
verbeteren (een dergelijk relatief systeem heeft last van "wegdriften", het fout op
fout stapelen), wordt regelmatig de positie vergeleken met een digitale kaart die
zich in het systeem bevindt. Dit gebeurt onder de aanname dat een auto zich altijd
op de weg bevindt. Dit proces van map-matching geeft steeds een up-date voor de
verdere dead-reckoning.
Ook INS (Inertial Navigation System of traagheidsnavigatie) is geen radiosysteem
en derhalve niet beschreven.
Het systeem is gebaseerd op meting van versnellingen in drie richtingen (x, y en z),
waaruit door integratie eerst snelheden en vervolgens afgelegde afstanden in deze
drie richtingen bepaald kunnen worden.
In de burgerluchtvaart worden deze systemen veel gebruikt. De precisie is rond
0.1 % van de afgelegde afstand.
Een vorm van plaatsbepaling, die gebaseerd is op een volledig van andere systemen
afwijkend principe, is die waarbij gebruik wordt gemaakt van een digitaal terreinmodel. De plaatsbepaling is gebaseerd op een vergelijking van een (met radar
uitgevoerde) terreinmeting en het overeenkomstige terreinmodel.
Voorbeelden zijn het "Radarfix" systeem, dat richting- en afstandsmeting uitvoerd
naar karakteristieke objekten waarvan de posities in het systeem bekend zijn, en
zogenaamde "Terrain Reference Navigation" (TRN) systemen, waarbij gebruik wordt
gemaakt van patroonherkenning (o.a. toegepast in kruisraketten).
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
67
BIJLAGE B
ONTWIKKELINGEN
Door het toenemende belang van positie-informatie op een centrale plaats, lokalisatie, vinden een aantal ontwikkelingen plaats die daarop inspelen.
Het in Bijlage A beschreven Euteltracs is daarvan een voorbeeld. Het is een
satellietcommunicatiesysteem met lokalisatiefaciliteit. Ook Argos levert positieinformatie op een centrale plaats aan.
En er zijn meer systemen op komst.
Een bestaand systeem, vooralsnog alleen in gebruik in het Verenigd Koninkrijk,
maar binnenkort mogelijk ook in Nederland, is DATATRAK. Het systeem is een
gekombineerd communicatie- en lokaliseringssysteem, ontwikkeld voor landtoepassingen.
Het systeem bestaat uit twee komponenten, een communicatie-komponent die
gebruik maakt van een VHF- of UHF-frekwentie, en een plaatsbepalingskomponent
gebruik makend van een lange golf (rond 130 kHz). Beide signalen worden vanaf
het zelfde punt verstuurd.
De gebruikerseenheid bepaalt (hyperbolisch) de positie van het voertuig (men claimt
een precisie van ca. 30 meter), en via het communicatiesignaal wordt dit naar de
"centrale" verstuurd. Daarnaast kan van de communicatie uiteraard gebruik
gemaakt worden voor berichtenverkeer.
Het systeem is ontwikkeld voor toepassing door hulpdiensten als politie, maar
wordt ook voor andere toepassingen gebruikt.
Nadat frekwenties zijn toegewezen kan het systeem ook in Nederland worden
geinstalleerd. Het systeem komt mogelijk al in 1993 op de markt en zal bestaan uit
4 bakens voor de positiebepaling.
Van een iets andere orde is Starnet.
Starnet is een projekt van CLS (zie Argos), gericht op een nieuw te ontwikkelen
twee-weg data-communicatiesysteem. Het is speciaal bedoeld voor korte boodschappen tussen mobiele gebruikers en hun basis. Daarbij wordt, overeenkomstig aan
Argos, automatisch de positie van het mobiel bepaald en naar de basis gezonden.
Het kan het best een zeer geavanceerd paging ("pieper") systeem genoemd worden.
Het systeem zal bestaan uit 24 satellieten in 1300 km banen en een aantal grondstations voor communicatie met de satellieten en dataverwerking. De eerste
proefsatelliet zal eind 1994 worden gelanceerd. Vervolgens ligt het in de bedoeling
om 2 a 3 satellieten per jaar te gaan lanceren.
Weer een andere ontwikkeling is die, waarbij bestaande systemen door middel van
ondersteunende systemen verbeterd worden. Voor de satellietsystemen GPS en
Glonass geldt dat vooral de integriteit een probleem vormt.
Inmarsat (International Maritime Satellite Organisation, een samenwerkingsverband van vele Telecom's/PTT's) heeft het plan opgevat om in zijn volgende generatie
geo-stationaire
(data-)communicatiesatellieten
(Inmarsat-3) een "navigation
payload" in te bouwen, die een GPS Integrity Channel (GIC) verzorgt. Dit GIC doet
niets meer dan informatie, ontvangen van een grondstation, naar de aarde zenden.
Deze informatie omvat -althans naar verwachting- GPS(pseudo-range)-korrekties,
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
68
en een zekere integriteitswaarschuwing. De informatie wordt verzameld in een
aantal referentie-stations op aarde.
Dit betekent dat GPS-posities differentieel kunnen worden gekorrigeerd, en tevens
de integriteit van GPS verbeterd wordt.
De informatie zal worden verzonden op een frekwentie dicht bij de GPS-frekwentie.
De lanceringen van Inmarsat-3 satellieten zullen vanaf eind 1994 plaatsvinden,
zodat de service vanaf begin 1995 beschikbaar kan komen.
Ook ESA (European Space Agency, de Europese ruimtevaartorganisatie) heeft
ideeen om satellietplaatsbepalingssystemen te verbeteren. Daarbij wordt gedacht
aan de lancering van een aantal satellieten in elliptische banen, die een GPS/Glonass-achtig signaal gaan uitzenden op frekwenties tussen GPS en Glonass in.
Daarmee wordt het aantal beschikbare signalen dusdanig groot dat een goede
betrouwbaarheid van plaatsbepaling bereikt wordt.
De precieze status is de schrijvers niet bekend.
Verder zijn er nog vele andere plannen, waarvan het zeer onduidelijk is of deze
uberhaupt interessant zijn om gerealiseerd te worden. Het basisidee is vaak
hetzelfde, dat wil zeggen dat een aantal communicatiesignalen tevens geschikt
wordt gemaakt voor de plaatsbepaling. In principe kan zo'n concept dan ook worden
toegepast op basis van bijvoorbeeld Radio/TV-signalen, Autotelefoon, of anderszins.
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
69
BIJLAGE C
V O O R B E E L D E N DIFFERENTIELE SYSTEMEN
De bekende differentiele systemen zijn DOmega, DLoran-C en DGPS.
Het concept van differentiele plaatsbepaling berust op het uitgangspunt dat
systematische fouten in twee, niet te ver van elkaar verwijderde, punten identiek
zijn. De gemeten fouten op het ene punt (d.i. het referentie-station), worden
gebruikt als korrekties op het andere punt (d.i. de ontvanger). Daarmee kan de
(i.h.a. absolute) onnauwkeurigheid van de positie-bepaling met een factor 10 tot 20
worden verbeterd, afhankelijk van de geometrie!
Wat dat betreft zijn alle drie systemen in wezen vergelijkbaar.
Het verschil zit voornamelijk in de toepassing. Zo wordt het Omega systeem vrijwel
alleen maar differentieel gebruikt, vanwege de grote, en wisselende, onnauwkeurigheid.
Loran-C en GPS daarentegen leveren reeds een relatief nauwkeurige positie.
Desalniettemin bestaan er vooral in de USA DLoran-C systemen, en worden over de
gehele wereld DGPS systemen ontwikkeld.
DLoran-C wordt meestai toegepast bij (lucht-)havens, zodat de toepasbaarheid
wordt vergroot. De ontwikkeling van DGPS wordt op mondiale schaal ter hand
genomen, vooral gedreven door de aanwezigheid van Selective Availibility.
Differentiele plaatsbepaling kan op basis van cobrdinaten-korrekties of korrekties
aan de metingen. Bij korrektie op coordinaten-basis is het noodzakelijk, dat de
konfiguratie op het referentie-station en bij de gebruiker hetzelfde zijn.
Omdat de konfiguratie bij Loran-C alleen wijzigt door de beweging van het mobiel,
kan worden volstaan met korrekties aan de cobrdinaten. Dit i.t.t. GPS waar sprake
is van een snel wisselende konfiguratie, waar bovendien een satelliet tijdelijk aan
het zicht onttrokken kan zijn. Korrekties per meting (pseudo-range) biedt de
gebruiker de mogelijkheid korrekties te selecteren, zodat het probleem van de
konfiguratie (althans voor een belangrijk deel) wordt omzeild.
Als het vereist is dat de korrekties in het mobiel (real-time) bekend zijn, dan is
(data-)communicatie noodzakelijk. Naast het (de) referentie-station(s) moet dus ook
deze telemetrie worden ontwikkeld. Dit kan op verschillende manieren.
De toegepaste telemetrie-frekwentie bepaald o.a. de reikwijdte, de hoeveelheid
gegevens en de verversingssnelheid van deze gegevens (en dus de fix rate).
Voor de telemetrie kan gebruik worden gemaakt van speciale communicatiezenders, maar ook van de zenders van de radioplaatsbepalingssystemen (zoals
Loran-C!). Daarmee worden dan meteen twee vliegen in een klap geslagen, want
naast precisie kan eveneens de betrouwbaarheid worden verbeterd.
Hierna wordt DGPS nader toegelicht, omdat daarvan al veel systemen op de
Europese en Nederlandse markt verkrijgbaar zijn of zullen komen.
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
70
C.l
Differentiele GPS
=BESCHRIJVING=
Differentiele GPS is een op GPS gebaseerde methode van plaatsbepaling, zodat de
kwaliteit van de plaatsbepaling verbeterd wordt.
Door op een vast referentie-station GPS-waarnemingen te doen en deze te vergelijken met de theoretisch te verwachten waarden (berekend uit coordinaten van het
referentiepunt en de bekende baanparameters van de satellieten), kunnen korrekties aan deze waarnemingen bepaald worden. Deze korrekties kunnen vervolgens
-in iedere mobiele ontvanger- worden toegepast (zie figuur 15).
Figuur 15 het principe van differentiele GPS
Een referentie-station is zo opgesteld, dat zo veel mogelijk satellieten gelijktijdig
zichtbaar zijn. Het aantal referentie-stations in een bepaalde regio is afhankelijk
van de gewenste nauwkeurigheidsverbetering. De kwaliteitskontrole van meerder
referentie-stations kan apart worden uitgevoerd vanaf een monitor.
De korrekties worden geformatteerd tot een bericht en verstuurd.
Een voorbeeld van zo'n standaardbericht is het RTCM SC-104 formaat (ontwikkeld
door het Radio Technical Committee for Marine Services Special Committee 104).
De telemetrie zorgt voor de overdracht van gegevens van het referentie-station naar
het mobiel. De eigenschap van deze data-link bepaalt de eigenschappen van het
totale systeem. Zo is de hoeveelheid informatie, die kan.worden verstuurd per
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
71
tijdseenheid (de "baud rate"), afhankelijk van de bandbreedte en de "up-date rate",
(d.i. het interval tussen opeenvolgende korrektie-berichten).
=KWALITEIT=
dekkingsgebied
Systeem- en data-link afhankelijk
fix rate
Systeemafhankelijk
precisie
Precisie is afhankelijk van up-date rate en totale
vertraging in het systeem. Een precisie tussen 2 en
10 meter is haalbaar met een "snel" systeem. Vooral
wanneer SA opnieuw toegepast wordt op het GPSsignaal is de snelheid van het systeem van groot
belang. De verandering in positie t.g.v. SA kan oplopen tot maximaal ca. 0.4 m/s.
betrouwbaarheid
De integriteit van een systeem hangt volledig af van
de kwaliteit van de totale konfiguratie, d.w.z. de
betrouwbaarheid van het referentie-station en van de
data-link. Waarschuwingen m.b.t. fouten moeten door
het monitorstation gegeven worden.
=GEBRUIK=
gebruik momenteel
Survey
gebruik potentieel
Havennadering, luchtvaart, autonavigatie, etc.
=GEGEVENS=
frekwentie
De gebruikte frekwenties voor DGPS varieren van
100 kHz (bij gebruik van PULSE/8 of Loran-C als
data-link) tot 1.6 GHz (L-band) bij gebruik van INMARSAT-A. In principe is iedere beschikbare frekwentie geschikt voor data-overdracht t.b.v. DGPS,
zij het met eigenschappen afhankelijk van de frekwentie en de beschikbare bandbreedte.
capaciteit
Onbeperkt
prijs per eenheid
Systeemafhankelijk
prijs voor gebruik
Systeemafhankelijk, op aanvraag bij exploitant
beheer en beleid
Verschillende leveranciers en overheden
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
72
BIJLAGE D
D.I
V O O R B E E L D E N G E I N T E G R E E R D E SYSTEMEN
GPS-Loran-C
De kombinatie van Loran-C en GPS is een typisch voorbeeld van integratie van
twee systemen met zeer verschillende eigenschappen.
GPS is als korte-golf satellietsysteem zeer precies wanneer de signalen ontvangen
worden. Echter de signalen worden nogal eens onderbroken door obstakels, waardoor met een slechte konfiguratie gewerkt moet worden of helemaal geen positie
kan worden bepaald.
Loran-C heeft de eigenschappen die behoren bij de lange golflengte, namelijk een
relatief kleine gevoeligheid voor obstakels en een groot bereik. Door propagatieverstoringen als gevolg van verschillende bodemeigenschappen tussen baken en
ontvanger worden echter wel fouten gei'ntroduceerd.
Integratie, bijv. op basis van pseudo-ranges, van beide kan de voordelen van beide
systemen boven halen. Een goede precisie gekombineerd met een goede betrouwbaarheid.
De integratie kan op verschillende manieren tot stand komen.
In een filter kan gebruik worden gemaakt van een aantal GPS- en een aantal
Loran-C-waarnemingen, waarna een aantal onbekenden, waaronder de positie,
wordt opgelost.
Posities vergelijken is een mogelijkheid die nogal wat extra kennis vereist. Welke
van beide posities het best is, is afhankelijk van de omstandigheden (stad of open
terrein, atmosferische kondities).
In sommige omstandigheden kan men GPS gebruiken om Loran-C af en toe
(wanneer GPS goed te ontvangen is) te ondersteunen, of bij het opstarten van de
Loran-C ontvanger.
D.2
(D)GPS-INS
In de luchtvaart wordt INS (Inertial Navigation System) algemeen toegepast. Het
systeem maakt gebruik van traagheidssensoren. Dit zijn versnellingsmeters die, na
twee maal integreren naar de tijd, de afgelegde afstand in dat tijdsbestek geven, in
een bepaalde richting.
Drie van deze versnellingsmeters (loodrecht op elkaar opgesteld) geven positieveranderingen in drie dimensies ten opzichte van het startpunt. Nadeel van het
systeem is dat de oplossingskwaliteit in de tijd verslechterd doordat fouten zich
opstapelen.
Integratie met (D)GPS biedt de mogelijkheid zeer regelmatig (namelijk na iedere
goede (D)GPS plaatsbepaling) de startpositie van het INS te wijzigen. Tussen
posities van (D)GPS in kan dan met INS verder gewerkt worden.
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
73
Een andere mogelijkheid is de waarnemingen van het INS en die van GPS te
verwerken in een (Kalman-)filter, waardoor een echt geintegreerde oplossing van de
positie tot stand komt.
D.3
Radioplaatsbepaling met Dead-Reckoning/Map-Matching
Een nieuwe ontwikkeling vormen de autonavigatiesystemen als de Travelpilot van
Bosch en CARIN van Philips. De plaatsbepaling van deze systemen is gebaseerd op
dead-reckoning (gegist bestek). Uit meting van de afgelegde weg (m.b.v. wielsensoren, de zogenaamde odometers) en de rijrichting (met een kompas) wordt een positie
ten opzichte van een vorig punt berekend. Dit punt wordt vervolgens vergeleken
met een digitale kaart (map-matching), en aangepast zodanig dat het punt op de
weg ligt of juist in de bocht die op dat moment wordt gemaakt.
Het ligt in de bedoeling, dat het CARIN-systeem ook een routeberekening en
daarmee rij-advies levert (rechtsaf, rechtdoor, etc.). Hiervoor is een zeer grote
betrouwbaarheid nodig, ook al omdat de kaart niet getoond wordt en dus de chauffeur niet zelf kan ingrijpen wanneer het systeem een verkeerde positie heeft
bepaald.
Integratie (of beter: koppeling) met een absoluut plaatsbepalingssysteem kan deze
betrouwbaarheid leveren. Wanneer de positie van het autonavigatiesysteem een
bepaalde afwijking vertoont ten opzichte van de absolute positie (bijv. van GPS of
DGPS), wordt deze laatste positie als nieuwe positie geintroduceerd.
Als alternatief kan men nog denken aan integratie op waarnemingsnivo, waarbij de
odometers, het kompas en de ontvanger informatie leveren die tot een positie wordt
verwerkt, waarna map-matching toegepast wordt. Ten slotte zou men ook de kaart
zelf nog als waarneming in het filter kunnen toepassen.
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
74
LIJST V A N AFKORTINGEN
Dxxx
Differentiele versie van systeem xxx
DGSM
Directoraat Generaal Scheepvaart en Maritieme Zaken van het
Ministerie van Verkeer en Waterstaat
DGV
Directoraat Generaal Vervoer van het Ministerie van Verkeer en
Waterstaat
DME
Distance Measuring Equipment
DoD
Department of Defense (Verenigde Staten)
DOP
Dilution of Precision
DoT
Department of Transportation (Verenigde Staten)
DRMS
Distance Root Mean-Square
ED
European Datum
FL
Flight Level
FTE
Flight Technical Error
GDOP
Geometric Dilution of Precision
Glonass
Global Navigation Satellite System
GPS
Navstar Global Positioning System
HDOP
Horizontal Dilution of Precision
HDTP
Hoofddirectie Telecommunicatie van het Ministerie van Verkeer en
Waterstaat
HF
High Frequency (3-30 MHz)
HYPERFIX
HYPERbolic FIX
ICAO
International Civil Aviation Organization
ILS
Instrument Landing System
INS
Inertial Navigation System
KNMI
Koninklijk Nederlands Meteorologisch Instituut
LF
Low Frequency (30-300 kHz)
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
75
LOP
Line of Position
LORAN
LOng RAnge Navigation
LPME
Line of Position Mean Error
MDE
Minimum Detectable Error
MF
Medium Frequency (0.3-3 MHz)
MLS
Microwave Landing System
PDOP
Position Dilution of Precision
RAIM
Receiver Autonomous Integrity Monitoring
RD
Rijksdriehoeksstelsel
RDS
Radio Data Systeem (zijband FM-radio)
RDSS
Radio Determination Satelliet Service
RLD
(Directoraat Generaal) Rijksluchtvaartdienst van het Ministerie van
Verkeer en Waterstaat
RNAV
Area Navigation
RTCA
Radio Technical Committee for Aeronautical services
RTCM
Radio Technical Committee for Marine services
RWS
(Directoraat Generaal) Rijkswaterstaat van het Ministerie van Verkeer en Waterstaat
RWS/MD
Meetkundige Dienst van de Rijkswaterstaat
SA
Selective Availability
SAM
System Area Monitoring
SHF
Super High Frequency (3-30 GHz)
SYLEDIS
Systeme Legere de Mesures de Distances
TACAN
Tactical Air Navigation
UHF
Ultra High Frequency (0.3-3 GHz)
USCG
United States Coast Guard (DoT/DoD)
UTC
Universal Time Co-ordinate
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
76
UTM
Universal Transverse Mercator
VDOP
Vertical Dilution of Precision
VHF
Very High Frequency (30-300 MHz)
VLF
Very Low Frequency (tot 30 kHz)
VOR
VHF Omnidirectional Range
VORTAC
de kombinatie VOR en TACAN
WGS
World Geodetic System
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT
77
INDEX
Absolute nauwkeurigheid
Absorptie
Aktief systeem
Azimut
Baken
Bedieningsnauwkeurigheid
Beschikbaarheid
Betrouwbaarheid
Circulaire plaatsbepaling
Coordinaten
Coordinatenstelsel
6,
Data-link
Datum
Dekkingsgebied
Differentiele plaatsbepaling
DOP
Doppler-plaatsbepaling
DRMS
ED50/ED87
Eenduidigheid
Elevatie
Filtering
Fix
Fouten
GDOP
Geografische coordinaten
Geometrie
Herhalingsnauwkeurigheid
Hoogtemodel
Hyperbolische plaatsbepaling
Integratie
Integriteit
Kaartprojektie
Kalibratie
Keten
Konfiguratie
Kontroleerbaarheid
Lokalisatie
Master
Meerduidigheid
Modellen
Monitoring
Multi-path
Navigatie
Omwentelingsellipsoide
Optimalisatie
Passief systeem
Polaire plaatsbepaling
Positielijn
18,
12,
16,
23,
12,
23,
20,
24,
14,
7,
6,
18
14
7
10
6
18
20
19
8
6
16
21
28
6
21
15
11
19
16
20
10
24
6
18
15
16
14
18
27
9
27
22
17
28
6
15
20
4
10
20
23
22
14
4
16
21
7
10
14
Precisie
18
Precisiegebied
18
Predikties
28
Propagatie
12
Propagatie-eigenschappen
12
Propagatiemodel
23
Pseudo-circulaire plaatsbepaling
10
Pseudo-range
10
Puntsbepaling
4
RAIM
20, 26
Range-range
8
RD
17
RDSS
9
Referentiestation
21
Reflektie
14
Relatieve nauwkeurigheid
18
Rho-rho
8
Rijksdriehoeksstelsel
17
Secundary
10
Sky-wave
13
Slave
10
Standaarddeviatie
19
Stochastische fouten
18
Stoorbron
14
Systeem-simulaties
28
Systeemintegratie
27
Systematische fouten
18, 21
Telemetrie
21
Toetsing
23,26
Transformatie
6, 16
UTM-projektie
17
Voortplantingseigenschappen
12
WGS72/WGS84
16
Zonne-aktiviteit
14
RADIOPLAATSBEPALINGS- EN -NAVIGATLESYSTEMEN
MEETKUNDIGE DLENST VAN DE RIJKSWATERSTAAT

OUDE INFORMATIE PERRY VAN DER WEYDEN

Uitnodiging 8-11 september 2014

persbericht-rijkswaterstaat-rws-zn-105-16.09.2014

Bewonersbrief Baggerwerk (PDF, 180 kB)

Factsheet weekendafsluiting 17-19 mei

Maatschappelijke participatie: A Living Wall

artikel 19 lid 1 WRO Hotel Wormerland - B9 Brief

7416-vegetatiekaart-biesbosch (6.88MB)

Bericht ten behoeve van intranet Directie

wwkz-81-h210 (656.77kB)