close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

код для вставкиСкачать
Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava
Družicové polohové systémy
Petr Rapant
Ostrava, 2002
Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava
Družicové polohové systémy
Petr Rapant
Ostrava, 2002
Copyright © Petr Rapant, 2002. Všechna práva vyhrazena.
Tuto publikaci je možné pouze vytisknout nebo zhotovit její kontaktní kopii pro vlastní potřebu. Jiné nakládání,
jako je přetisk části publikace, umísťování zdrojového souboru na jiných počítačích a serverech, komerční šíření
apod. je možné pouze na základě písemné dohody s autorem.
Vydal:
WWW:
VŠB – TU Ostrava, 2002.
http://gis.vsb.cz
ISBN 80-248-0124-8
Obrázek družice na titulní stránce: GPS Block IIR. http://www.fas.org/spp/military/program/nav/blk2r_w.jpg
Nadi,
Lukáškovi
a Davídkovi
1
Úvod..................................................................................................................................11
2
Určování polohy, navigace ..............................................................................................13
2.1
2.1.1
2.1.2
2.2
2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.2.4
2.2.5
2.2.6
2.3
Určování polohy.................................................................................................................. 13
Určování polohy přímým měřením ............................................................................................... 14
Určování polohy nepřímým měřením............................................................................................ 14
Navigace .............................................................................................................................. 16
Navigace podle orientačních bodů................................................................................................. 17
Astronomická navigace ................................................................................................................. 17
Navigace výpočtem ....................................................................................................................... 17
Radiová navigace........................................................................................................................... 18
Inerciální navigace......................................................................................................................... 18
Historie navigace ........................................................................................................................... 18
Určování polohy a navigace pomocí družic ..................................................................... 23
2.3.1
Principy rádiového určování polohy.............................................................................................. 23
2.3.1.1
Určování polohy úhloměrnými měřeními ............................................................................ 24
2.3.1.2
Určování polohy na základě dopplerovských měření .......................................................... 24
2.3.1.3
Určování polohy na základě měření vzdáleností.................................................................. 24
2.3.1.4
Určování polohy na základě fázových měření ..................................................................... 26
3
Navigační systémy............................................................................................................27
3.1
Radiové navigační systémy ................................................................................................ 28
3.2
Dopplerovské systémy........................................................................................................ 29
3.3
Klasické družicové polohové systémy (GPS, GLONASS) .............................................. 29
3.3.1
Obecná struktura družicových polohových systémů ..................................................................... 30
3.3.2
Principy měření ............................................................................................................................. 31
3.3.2.1
Kódová měření..................................................................................................................... 31
3.3.2.2
Fázová měření ...................................................................................................................... 32
3.3.2.3
Dopplerovská měření ........................................................................................................... 33
3.3.3
Metody měření a vyhodnocování .................................................................................................. 33
3.3.3.1
Určování absolutní polohy přímo v terénu........................................................................... 33
3.3.3.2
Určování relativní polohy .................................................................................................... 35
3.3.3.3
Přesná geodetická měření..................................................................................................... 35
3.4
Globální družicové navigační systémy ............................................................................. 36
3.5
Další družicové navigační systémy.................................................................................... 37
4
Historie družicových navigačních systémů.....................................................................39
5
Systém GPS ......................................................................................................................43
5.1
5.1.1
5.2
5.2.1
5.2.2
5.2.3
5.3
5.3.1
5.3.2
5.3.3
5.3.4
5.3.5
5.4
Historie systému GPS......................................................................................................... 43
Generace družic systému GPS....................................................................................................... 45
Struktura systému GPS ..................................................................................................... 47
Kosmický segment ........................................................................................................................ 47
Řídicí segment ............................................................................................................................... 49
Uživatelský segment...................................................................................................................... 50
Signály vysílané družicemi GPS........................................................................................ 51
Základní frekvence ........................................................................................................................ 51
C/A kód ......................................................................................................................................... 51
P-kód ............................................................................................................................................. 52
Y-kód............................................................................................................................................. 53
Navigační zpráva ........................................................................................................................... 53
Přijímač GPS ...................................................................................................................... 55
5.5
Určování polohy a času ...................................................................................................... 56
5.5.1
Souřadnicový systém ..................................................................................................................... 56
5.5.2
Nadmořská výška .......................................................................................................................... 57
5.5.3
Čas ................................................................................................................................................. 58
5.5.3.1
Čas GPS ............................................................................................................................... 58
5.5.3.2
Družicový čas....................................................................................................................... 58
5.5.4
Principy měření ............................................................................................................................. 59
5.5.4.1
Kódová měření..................................................................................................................... 59
5.5.4.2
Fázová měření ...................................................................................................................... 60
5.5.4.3
Dopplerovská měření ........................................................................................................... 61
5.5.5
Požadovaná přesnost GPS ............................................................................................................. 61
5.6
Faktory ovlivňující přesnost systému GPS ...................................................................... 62
5.6.1
Řízení přístupu k signálům z družic .............................................................................................. 62
5.6.1.1
Selektivní dostupnost ........................................................................................................... 64
5.6.1.2
Anti-Spoofing ...................................................................................................................... 65
5.6.2
Stav družic ..................................................................................................................................... 65
5.6.3
Rozsah přesnosti měření ................................................................................................................ 66
5.6.4
Poměr signál/šum .......................................................................................................................... 66
5.6.5
Vícecestné šíření............................................................................................................................ 67
5.6.6
Počet viditelných družic ................................................................................................................ 68
5.6.7
Geometrické uspořádání viditelných družic .................................................................................. 68
5.6.8
Typ přijímače................................................................................................................................. 70
5.6.8.1
Typy přijímačů dle způsobu užití......................................................................................... 70
5.6.8.2
Typy přijímačů dle způsobu měření..................................................................................... 72
5.6.8.3
Typy přijímačů dle počtu současně sledovaných družic ...................................................... 72
5.6.8.4
Co je to TIFF........................................................................................................................ 72
5.6.9
Pečlivost přípravy plánu měření .................................................................................................... 73
5.6.10
Platnost efemerid ...................................................................................................................... 73
5.6.11
Přesnost určení efemerid........................................................................................................... 73
5.6.12
Přesnost hodin na družicích ...................................................................................................... 74
5.6.13
Vliv ionosféry a troposféry ....................................................................................................... 74
5.6.14
Chyba hodin přijímače.............................................................................................................. 74
5.7
Metody zpřesňování určování polohy a času ................................................................... 74
5.7.1
Průměrování .................................................................................................................................. 75
5.7.2
Diferenční GPS.............................................................................................................................. 75
5.7.2.1
Diferenční korekce ............................................................................................................... 76
5.7.2.2
Co je to referenční stanice.................................................................................................... 78
5.7.2.3
Následné zpracování – postprocessing................................................................................. 78
5.7.2.4
Zpracování v reálném čase................................................................................................... 79
5.7.2.5
Budoucnost DGPS ............................................................................................................... 79
5.7.3
Pseudodružice................................................................................................................................ 80
5.7.4
RAIM............................................................................................................................................. 82
5.8
5.8.1
5.8.2
5.8.3
5.8.4
5.8.5
5.9
5.9.1
5.9.2
5.9.3
5.10
6
Faktory ovlivňující výkonnost systému GPS ................................................................... 83
Přesnost systému GPS ................................................................................................................... 84
Dostupnost signálů ........................................................................................................................ 84
Integrita signálů ............................................................................................................................. 85
Kontinuita signálů.......................................................................................................................... 86
Interference signálů ....................................................................................................................... 86
Standardy systému GPS pro předávání dat..................................................................... 88
Standard RTCM SC-104 ............................................................................................................... 88
Standard RINEX............................................................................................................................ 90
Standard NMEA 0183 ................................................................................................................... 90
Další rozvoj systému GPS.................................................................................................. 91
Systém GLONASS ...........................................................................................................95
6.1
6.1.1
Struktura systému GLONASS .......................................................................................... 95
Konstelace družic .......................................................................................................................... 95
6.1.2
6.1.3
6.2
Signály vysílané družicemi GLONASS ............................................................................ 98
6.3
Určování polohy a času .................................................................................................... 100
6.3.1
6.3.2
6.3.3
6.3.4
6.4
6.4.1
7
8
Systémový čas GLONASS .......................................................................................................... 100
Souřadnicový systém ................................................................................................................... 100
Kódová měření ............................................................................................................................ 101
Fázová měření ............................................................................................................................. 101
Metody zpřesňování určování polohy a času ................................................................. 101
Diferenční GLONASS................................................................................................................. 101
6.5
Standardy systému GLONASS ....................................................................................... 102
6.6
Civilní využití systému GLONASS ................................................................................. 102
6.7
Mezinárodní experiment GLONASS 1998..................................................................... 103
6.8
Další rozvoj systému GLONASS..................................................................................... 103
Rozšiřující systémy.........................................................................................................105
7.1
WAAS................................................................................................................................ 105
7.2
LAAS ................................................................................................................................. 106
7.3
EGNOS.............................................................................................................................. 106
GNSS ..............................................................................................................................107
8.1
8.1.1
8.1.2
8.1.3
9
Pozemní řídicí komplex................................................................................................................. 97
Uživatelský segment...................................................................................................................... 97
Galileo................................................................................................................................ 108
Architektura systému Galileo ...................................................................................................... 112
Nosné frekvence signálů systému Galileo ................................................................................... 113
Harmonogram budování systému Galileo ................................................................................... 113
Oblasti využití GPS ........................................................................................................115
9.1
9.1.1
9.1.2
9.1.3
9.1.4
9.1.5
9.2
Aplikace GPS v oblasti dopravy...................................................................................... 115
Aplikace v silniční dopravě ......................................................................................................... 115
Aplikace v železniční dopravě..................................................................................................... 117
Aplikace v lodní dopravě............................................................................................................. 117
Aplikace v letecké dopravě.......................................................................................................... 117
Aplikace v kosmické dopravě...................................................................................................... 118
Aplikace GPS při mapování a v geodézii ....................................................................... 119
9.2.1
Aplikace v geodézii a měřictví .................................................................................................... 119
9.2.1.1
Statické techniky měření .................................................................................................... 119
9.2.1.2
Dynamické techniky měření .............................................................................................. 120
9.2.2
Aplikace při mapování................................................................................................................. 121
9.3
Zvládání krizových situací............................................................................................... 121
9.4
Rekreace............................................................................................................................ 121
9.5
Vědecké aplikace .............................................................................................................. 122
9.6
Časové služby.................................................................................................................... 122
9.7
Další oblasti aplikací ........................................................................................................ 122
9.8
Ukázky praktických aplikací........................................................................................... 123
9.8.1
9.8.2
9.8.3
9.8.4
Aplikace v oblasti dopravy .......................................................................................................... 123
Využití GPS v oblasti měřictví .................................................................................................... 124
Synchronizace času...................................................................................................................... 125
Vědecké aplikace......................................................................................................................... 127
Pohybové trendy severní části moravsko-slezské zóny Českého masivu – komplexní geodynamická
analýza ....................................................................................................................................................... 127
Aplikace GPS při sledování vlivů poddolování ......................................................................................... 131
9.8.5
Aplikace GPS při povrchové těžbě nerostných surovin............................................................... 133
9.8.6
Jiné aplikace ................................................................................................................................ 136
Navigační systémy pro nevidomé .............................................................................................................. 136
Zákaznické služby závislé na aktuální poloze uživatele ............................................................................ 137
Navigační válka ......................................................................................................................................... 137
Tvorba adresační vrstvy pro potřeby geokódování pomocí GPS............................................................... 139
10
Závěr...........................................................................................................................147
11
Použitá a doporučená literatura................................................................................149
Příloha A Srovnání systémů GPS a GLONASS ...................................................................163
Příloha B Použité termíny a zkratky .....................................................................................169
Příloha C Něco pro začátečníky ______________________________________________181
Předmluva
Vážené čtenářky, vážení čtenáři,
dostává se vám do rukou kniha o družicových polohových systémech, jejíž rukopis byl
původně zpracován k srpnu roku 2000 a následně byl k červnu 2001 aktualizován. Tato kniha
měla původně vyjít v tištěné podobně. Nicméně vzhledem k tomu, že se vydavatel nakonec
rozhodl od vydání knihy z ekonomických důvodů ustoupit, neb měl silné obavy z toho, že by
potenciální okruh zájemců o knihu byl malý a příjem z prodeje by proto nepokryl náklady na
její vydání, rozhodl jsem se ji uveřejnit prostřednictvím nejmodernějšího média – Internetu.
Prozatím je kniha uveřejněna ve znění k datu poslední aktualizace, což znamená, že
nezachycuje nejaktuálnější informace (například popis systému GALILEO již zcela
neodpovídá skutečnosti), ale současně se připravuje i druhé, upravené, aktualizované a
rozšířené vydání, které bude doplněné o další praktické ukázky využití systému GPS. I toto
druhé vydání předpokládám publikovat prostřednictvím Internetu.
Na závěr bych vás chtěl, milé čtenářky a milí čtenáři, požádat o zaslání jakýchkoliv
komentářů, doporučení, připomínek, tak aby je bylo možné případně zohlednit v
připravovaném druhém vydání.
S pozdravem
autor.
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
10
7.2.2002
Ver. 1.0
1 Úvod
1 Úvod
Posledních několik desetiletí dvacátého století je charakteristických mimo jiné i nástupem
nové kategorie informačních technologií, zabývajících se daty a informacemi vztahujícími se
k Zemi a jejímu bezprostřednímu okolí. Hovoříme proto o geodatech a geoinformacích a
těmto technologiím říkáme geoinformační. Asi nejznámější z těchto technologií jsou
geografické informační systémy (GIS), ale stále častěji se setkáváme i s další z nich,
s technologií družicových navigačních a polohových systémů. Tyto systémy umožňují
v nejmodernějším pojetí určovat polohu a provádět navigaci za jakéhokoliv počasí, kdykoliv a
kdekoliv na zemském povrchu, případně i v přilehlém kosmickém prostoru. Z tohoto pohledu
jedinou omezující podmínkou jejich úspěšného využívání je přímá viditelnost na oblohu. O
rozšířenosti používání této technologie svědčí fakt, že každoročně je vyrobeno zhruba jeden
milion přijímačů a odhaduje se, že trh s výrobky a službami v této oblasti dosáhne do konce
roku 2000 10 mld. USD [133].
Vývoj těchto systémů začal na přelomu 50. a 60. let 20. století a dospěl až k dnes
nejznámějšímu, nejlépe vybudovanému a co do počtu uživatelů jednoznačně
nejrozšířenějšímu systému GPS. Druhý existující systém – GLONASS – bohužel zatím
doplácí na těžkou ekonomickou situaci Ruska a tak postupně degraduje. Z toho také vyplývá
jeho dnes silně omezená použitelnost. Nicméně je to nesporně systém s obdobnými
výkonovými parametry, jako má systém GPS, a proto je nezbytné jeho další vývoj sledovat.
V knize je podán stručný přehled historie vývoje navigace a podrobněji jsou zde popsány
systémy GPS a GLONASS. Dále jsou v knize uvedeny příklady aplikací systému GPS tak,
jak byly popsány v literatuře a jsou zde připojeny i konkrétní příklady aplikací realizované u
nás. V závěru knihy je uveden rozsáhlý seznam literatury, věnované této problematice.
Většina z uvedených titulů je k dispozici na Internetu. V přílohách je uvedeno srovnání
systémů GPS a GLONASS, vysvětlení používaných termínů a zkratek a je zde připojena i
příloha, určená zájemcům o stručné seznámení se systémem GPS a jeho možnými aplikacemi
v denním životě.
Tato publikace je určená všem zájemcům o problematiku určování polohy a navigace
pomocí moderních družicových polohových systémů. Poskytuje úvod do problematiky, bez
nároků na hlubší teoretické znalosti. V případě hlubšího zájmu lze doporučit studium
některých dalších publikací. V češtině je dostupná např. [60], kde je velice podrobně popsán
systém GPS. V angličtině lze doporučit např. [77, 147], které se zabývají systémem GPS,
principy jeho činnosti a aplikacemi tohoto systému v různých oblastech, [2, 111], které jsou
věnované aplikacím GPS v oblasti navigace a [162], která se zabývá problematikou
geodetických měření s využitím systému GPS.
Závěrem bych chtěl poděkovat kolegům, kteří popisem svých aplikací přispěli k obohacení
tohoto díla: prof. Ing. Janu Schenkovi, CSc. za příspěvky týkající se využití systému GPS
v měřictví a při sledování vlivů poddolování, RNDr. Vladimíru Schenkovi, DrSc., doc. Ing.
Radomíru Grygarovi, CSc., RNDr. Zdence Schenkové, CSc., a Ing. Pavlu Kottnauerovi za
příspěvek o využití GPS pro sledování pohybu zemských ker a Ing. Katřině Králové a Dr. Ing.
Jiřímu Horákovi za příspěvek týkající se využití GPS pro potřeby tvorby adresní vrstvy pro
GIS. Dále bych chtěl poděkovat i Ing. Janu Růžičkovi a Janu Motyčkovi za pomoc při
zpracování ilustrací.
V Ostravě, dne 17.6.2001
Autor
11
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
12
7.2.2002
Ver. 1.0
2 Určování polohy, navigace
2 Určování polohy, navigace
Jakmile se člověk začal stěhovat z místa na místo, začal pociťovat potřebu určování své
polohy v prostoru. Zpočátku v prostoru dvourozměrném (dokud se pohyboval jen po souši
nebo po vodní hladině), později i v prostoru třírozměrném (jakmile se odpoutal od matičky
Země a začal létat). Potřeboval zjistit, kde je, tedy určit svoji polohu (angl. positioning), aby
byl schopen nalézt cestu zpět a případně se opět na toto místo vrátit. Později začal zjišťovat,
že k jednomu cíli vede více tras, které se liší svojí délkou, bezpečností, časovou a
ekonomickou náročností apod. a že potřebuje tyto trasy nejen vytyčovat, ale hlavně
kontrolovat, zda se po zvolené trase skutečně pohybuje. Na souši většinou toto nečinilo
problémy, v terénu bylo možné zpravidla určit dostatečný počet orientačních bodů a
pohybovat se podle nich. Nicméně na moři byla situace jiná. Zde člověk potřeboval (a nadále
potřebuje) určit svoji aktuální polohu, porovnat ji s předpokládanou polohou a na základě
zjištěného rozdílu rozhodnout o dalším směru pohybu. Člověk se učil vést svůj dopravní
prostředek po požadované trase – učil se umění navigace (angl. navigation). Navigací je
označováno umění dostat se efektivně a bezpečně z jednoho místa na druhé. Ač si to nejspíš
neuvědomujeme, využíváme prostředků primitivní navigace i v každodenním životě,
například při pohybu po městě, obchodě apod., kdy hojně využíváme právě navigace podle
orientačních bodů.
Prostředky pro určování polohy jsou obecnější, než prostředky určené pro navigaci. Ne
každý prostředek pro určování polohy je využitelný i pro potřeby navigace. Například přesná
geodetická měření jsou používána pro velice přesné určování polohy bodů na zemském
povrchu, ale vzhledem ke své časové náročnosti jsou pro potřeby navigace nepoužitelná.
Naproti tomu navigační systémy lze pro potřeby určování polohy používat vcelku dobře.
Nejjednodušším kritériem použitelnosti daného prostředku pro navigaci zřejmě je
srovnatelnost rychlosti určování polohy s rychlostí pohybu sledovaného mobilního
prostředku. Pokud se totiž v průběhu doby potřebné k určení polohy tato významně změní, je
zvolená metoda určování polohy z pohledu navigace bezcenná.
Zpočátku člověk používal pro potřeby navigace úhlová měření, a to ať už k bodům na
zemském povrchu, nebo ke hvězdám. Později, s nástupem radiových vysílačů začal budovat
navigační systémy založené na vysílání a příjmu rádiových signálů. Zprvu byly vysílače
radiových navigačních systémů rozmisťovány na zemském povrchu, později, s nástupem
raketové techniky a umělých družic Země, se začaly přesouvat do vesmíru. Vznikly
družicové navigační systémy, které se vyvinuly až do podoby dnešních systémů GPS a
GLONASS.
2.1 Určování polohy
Určováním polohy označujeme procesy a technologie používané ke stanovování polohy
bodů v prostoru [275]. Poloha bodu je běžně vyjadřována pomocí souřadnic ve zvoleném
souřadnicovém systému. Určuje se měřením, a to ať už na mapě nebo v terénu. Polohu lze
určovat dvěma základními způsoby měření:
•
•
přímým měřením
nepřímým měřením.
13
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
2.1.1 Určování polohy přímým
měřením
Při přímém měření se poloha určuje
přímým odměřením, např. vzdálenosti
podél silnice, vodního toku, železnice
apod. (obr. 1). Určit polohu bodu
v rovině přímým měřením je velice
obtížné, běžné postupy k dispozici
nejsou. Využít k tomuto účelu lze
prakticky jen některých moderních
přístrojů, jako jsou přijímače GPS.
Pokud se na ně díváme jako na černou
skříňku, pak lze říci, že provádějí přímé
Obr. 1 Určování polohy přímým měřením podél vodního toku měření své polohy. Pokud se však
podíváme na principy jejich fungování
zjistíme, že uvnitř využívají některou z metod nepřímého měření.
2.1.2 Určování polohy nepřímým měřením
Při nepřímém měření určujeme polohu na základě vyhodnocení měření jiných veličin, než
jsou přímo souřadnice. Obvykle se používá některá ze tří metod:
•
•
•
úhloměrná měření
dálkoměrná měření
kombinace úhloměrných a dálkoměrných měření.
Úhloměrná měření. Určování polohy úhloměrným měřením patří k nejrozšířenějším
způsobům. Je založeno na jednoduchém principu: z místa, jehož polohu chceme určit,
změříme azimuty k alespoň dvěma
známým bodům, které lze lokalizovat
na mapě. Těmito body pak na mapě
proložíme přímky, jejichž úhly
měřené od severu odpovídají
naměřeným azimutům (obr. 2).
Každá z těchto přímek reprezentuje
všechny body, z nichž je daný
orientační bod vidět pod naměřeným
azimutem. Hledaný bod se pak
nachází v průsečíku těchto přímek.
Úhloměrná měření se při určování
polohy sledovaného dopravního
prostředku
provádějí
nejčastěji
kompasem (ať už magnetickým
kompasem nebo gyrokompasem)
Obr. 2 Určování polohy úhloměrným měřením
nebo směrovými anténami. Při
přesném určování polohy bodů na zemském povrchu i pod ním se používají měření
teodolitem. Vlastní určení polohy se pak provádí buďto graficky na mapě (v případě
kompasových měření), nebo výpočtem (v případě geodetických měření). Nevýhodou
úhloměrných měření je, že s rostoucí vzdáleností od orientačního bodu (nebo vysílače) roste
chyba určení polohy.
14
Ver. 1.0
2 Určování polohy, navigace
Dálkoměrná měření. Určování
polohy pomocí dálkoměrných měření
je obecně méně časté, při určování
polohy běžnými mechanickými a
optickými prostředky se prakticky
nepoužívá. Hojně se však využívá při
určování polohy pomocí radiových
signálů. V tomto případě se poloha
neznámého bodu určuje na základě
měření radiových signálů vysílaných
vysílači o známé poloze. Na základě
vyhodnocení
signálu
z daného
vysílače
přijímač
určí
svoji
vzdálenost od tohoto vysílače.
Všechny body, v nichž se může
přijímač nacházet, leží v případě
Obr. 3 Určování polohy dálkoměrným měřením
dvourozměrného
prostoru
na
kružnici se středem v místě vysílače a poloměrem daným určenou vzdáleností. Pokud určíme
vzdálenost bodu k alespoň dvěma vysílačům, určíme hledanou polohu bodu jako průsečík
dvou kružnic (obr. 3). Dvě kružnice se obecně protínají ve dvou bodech, takže zde vzniká
jistá míra nejednoznačnosti (neurčitosti, angl. uncertainty) určení polohy bodu. Pro
rozhodnutí, který z těchto dvou bodů je správným řešením obvykle potřebujeme ještě další
doplňující informace nebo kritéria. Typickým představitelem určování polohy na základě
dálkoměrných měření je systém GPS.
V případě, že navigační systém není
schopen zajistit dostatečně přesnou
synchronizaci času všech svých součástí
(především přijímačů), je nezbytné
použít alternativní metodu určování
polohy, vycházející z měření časových
rozdílů mezi příchodem navigačního
signálu z dvou různých vysílačů.
Všechny body, v nichž se může přijímač
nacházet a pro které platí, že do nich
signály ze dvou známých vysílačů dorazí
právě s naměřeným časovým rozdílem,
leží na jedné ze dvou větví hyperboly
(obr. 4). Pro určení polohy přijímače tak
potřebujeme provést měření alespoň ke
Obr. 4 Určování polohy na základě měření časových rozdílů třem
vysílačům s přesně známou
polohou.
Kombinace úhloměrných a dálkoměrných měření. Určování polohy bodů pomocí
kombinace dálkoměrných a úhloměrných měření je rovněž často užívaná metoda. Typickým
představitelem je zde určování polohy s využitím radaru nebo totální stanice. Vlastní měření
může být uspořádáno dvěma způsoby:
•
•
z bodu o známých souřadnicích provedeme odměření azimutu a vzdálenosti
k neznámému bodu, nebo
z bodu o neznámé poloze provedeme zaměření azimutu a vzdálenosti ke známému
bodu.
15
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
Jednoduchým výpočtem nebo geometrickou konstrukcí pak můžeme určit polohu
neznámého bodu.
2.2 Navigace
Navigací je označováno cílevědomé vedení osob a dopravních prostředků z jednoho místa
na druhé po předem vytýčené trase. Až do 20. století se tento termín používal téměř výhradně
ve spojitosti s námořní dopravou.
Termín navigace vznikl z latinských
termínů navis (znamenající „loď“) a
agere
(znamenající
„přemísťovat,
směrovat“) [169]. Dnes se tento termín
běžně používá i ve spojení s pozemní,
leteckou i kosmickou dopravou.
V průběhu tisíciletí se vyvinulo
několik základních metod navigace,
založených na různých matematických a
fyzikálních principech:
Obr. 5 Navigace podle orientačních bodů
•
•
•
•
•
navigace podle orientačních bodů
navigace podle hvězd
navigace výpočtem
radiová navigace
inerciální navigace.
Jiným kritériem dělení může být druh
dopravy, pro kterou jsou navigační metody používány:
•
•
•
•
•
námořní navigace
navigace pod vodní hladinou
pozemní navigace
letecká navigace
kosmická navigace.
Každá z těchto oblastí má svá specifika, daná:
•
•
•
•
prostředím, v němž se doprava odehrává (například navigace pod vodní hladinou může
využívat prakticky jen inerciální navigaci, ostatní metody může použít pouze jako
doplňkové),
rychlostí pohybu (zvláště v případě letecké a kosmické navigace),
rozměrností prostoru, v němž se odehrává pohyb (zda stačí navigace jen ve
dvourozměrném prostoru, nebo se musí odehrávat v třírozměrném prostoru),
volností pohybu (např. pozemní navigace je často omezena pouze na existující pozemní
komunikace) apod.
V dalším výkladu se zaměříme na stručnou charakteristiku jednotlivých navigačních
metod.
16
Ver. 1.0
2 Určování polohy, navigace
2.2.1 Navigace podle orientačních bodů
Při navigaci podle orientačních bodů je dopravní prostředek veden (angl. piloting)
s využitím význačných bodů v terénu [67], jako jsou majáky, bóje, význačné terénní tvary
(skály a útesy, osamělé stromy, jezera apod.), uměle vytvořené orientační body (různé stavby,
majáky, bóje apod.) a také pomocí měření hloubky vody. Dopravní prostředek může být
veden například tak, že se část trasy pohybuje směrem k danému orientačnímu bodu, po
přiblížení se na určitou vzdálenost je zvolen další orientační bod atd., až dopravní prostředek
dorazí do cíle (viz obr. 5). Problémem je, že ne vždy se ve směru plánovaného pohybu
nachází vhodný orientační bod. Pak je možné tuto metodu upravit tak, že se dopravní
prostředek nepohybuje přímo k orientačnímu bodu, ale například směrem dvacet stupňů na
východ od něj. Tím je možné zvolit téměř libovolný směr pohybu dopravního prostředku tak,
jak to reálné přírodní podmínky vyžadují.
Postupem času, především s rostoucí dostupností vhodných pomůcek pro určování směrů
(například kompasu), se ustálilo odměřování úhlů od jediného orientačního bodu – severního
pólu. Takto odměřované úhly se označují jako azimuty. Azimut se odměřuje ve směru
hodinových ručiček, severní pól má azimut 000o.
Polohu dopravního prostředku je možné určit s využitím orientačních bodů a měření
azimutu vcelku snadno.
Z dopravního prostředku odměříme azimuty k alespoň dvěma orientačním bodům, jejichž
polohu na mapě známe. Na mapě pak těmito body vedeme přímky pod naměřeným azimutem.
V průsečíku těchto přímek se nachází dopravní prostředek. Tento druh navigace je typický
především pro příbřežní lodní dopravu, dopravu na velkých vodních plochách, případně pro
navigaci v neznámém terénu.
2.2.2 Astronomická navigace
Astronomická navigace byla námořníky využívána po mnoho tisíciletí. Byla založena na
pozorování hvězd, planet, Měsíce a Slunce [67]. Námořníci postupně zjišťovali, že poloha
astronomických objektů na nebi se v závislosti na čase a hlavně v závislosti na poloze
pozorovatele na Zemi mění. Každá hvězda má svoji hvězdnou šířku, neboli deklinaci. Pokud
známe deklinaci hvězdy, která se právě nachází v nadhlavníku, pak se i dopravní prostředek
nachází na stejné zeměpisné šířce. A dokonce i když známá hvězda není přímo v nadhlavníku,
ale jsme schopni změřit úhel mezi ní v okamžiku, kdy prochází zenitem a bodem
v nadhlavníku, jsme schopni určit svoji zeměpisnou šířku [80].
V průběhu několika tisíc let dosáhla dovednost určování polohy pomocí kosmických těles
takové dokonalosti, že je dnes možné určit polohu na Zemi s přesností až 30 m [165].
Nicméně potřebné přístroje a postupy nejsou pro potřeby navigace s ohledem na požadovanou
rychlost určování polohy vhodné.
2.2.3 Navigace výpočtem
Při navigaci výpočtem určuje navigátor aktuální polohu dopravního prostředku pečlivým
vedením záznamů o jeho pohybu. Výchozím bodem pro tento druh navigace je obvykle
posledně určená poloha například pomocí orientačních bodů na pobřeží moře (v případě
námořní navigace). Od tohoto bodu jsou pak do mapy průběžně zakreslovány v podobě
navigační linie směry pohybu a uražené vzdálenosti (obr. 6).
17
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
Body vynášené podél navigační
linie jsou označovány příslušným
časem, ke kterému se vztahují.
Navigace výpočtem začíná znovu
vždy, když se podaří jinými
prostředky získat skutečnou polohu
dopravního prostředku. Vynášená
navigační linie je pro navigaci velice
důležitá, protože vždy nese informace
o tom, jaká je teoretická poloha
dopravního prostředku, na kolik se
liší od plánované polohy (a trasy
pohybu) a jaký je aktuální směr jeho
pohybu. Zásadní nevýhodou této
navigace je, že jakékoliv prostředky
Obr. 6 Navigace výpočtem
pro
určování
směru
plavby
(magnetický
kompas
nebo
gyrokompas) ve skutečnosti nereferují o reálném směru plavby, ale o směru, kterým je
natočen dopravní prostředek. V důsledku vlivu větru a mořských proudů však může být
skutečný směr pohybu více či méně odlišný.
2.2.4 Radiová navigace
Do této kategorie patří moderní navigační prostředky založené na znalosti fyzikálních
zákonitostí šíření radiových vln. Některé radiové navigační prostředky budou podrobněji
popsány dále v této knize.
2.2.5 Inerciální navigace
Při inerciální navigaci se využívají gyroskopy, schopné dlouhodobě udržovat a indikovat
zadaný směr, nejčastěji severní. Dlouhou dobu se používaly klasické mechanické gyroskopy,
až v posledních letech se objevují i moderní optické gyroskopy, které již nemají žádné
mechanické části a měření se provádí například na základě šíření laserového impulsu ve velmi
dlouhém, do cívky stočeném skleněném vlákně.
S pokrokem ve snímačích pohybu (a hlavně zrychlení) se objevují i inerciální navigační
systémy pracující na odlišném principu: jsou tvořeny sadou akcelerometrů schopných velice
citlivě měřit změny směru pohybu snímače. Tento snímač musí pracovat ve spolupráci
s vyhodnocovacím počítačem, který průběžně integruje výstupní signál jednotlivých
akcelerometrů a tak zjišťuje aktuální polohu sledovaného objektu.
2.2.6 Historie navigace
Vzhledem ke vztahu navigace k dopravě a jejímu významu pro dopravu na velké
vzdálenosti hrálo toto umění významnou úlohu v rozvoji zemské civilizace. Lidé brzy zjistili,
že pohyb po vodě je snazší a rychlejší než po souši a že může významně usnadnit přepravu
osob i zboží na velké vzdálenosti a případně i na jiné kontinenty [67].
První lodě schopné přepravovat náklad jsou známy z doby cca 3500 let před naším
letopočtem [305]. A právě s jejich zrodem se spojuje i zrod navigace. První plavby byly
18
Ver. 1.0
2 Určování polohy, navigace
vedeny podél pobřeží tak, aby se mořeplavci mohli orientovat podle význačných orientačních
bodů na pobřeží. Plavbu bylo možné provádět jen ve dne, na noc si museli mořeplavci nalézt
vhodné kotviště. Rovněž nepříznivé povětrnostní podmínky (hustý déšť, mlha …) mohly
plavbu ztěžovat až znemožňovat. Mapy v té době ještě neexistovaly, a tak se veškeré znalosti
předávaly z generace na generaci v podobě ústně sdělovaných znalostí a zkušeností. Teprve
později dostávaly i podobu psaných dokumentů, které poskytovaly informace o orientačních
bodech, vhodných kotvištích a o nebezpečích, jako jsou mělčiny a útesy [67].
Jakmile se však námořníci odpoutali od pobřeží a vydali se na otevřené moře, potřebovali
nalézt jiné orientační body, podle kterých by byli schopni určit svoji polohu a stanovit si směr
další plavby. Vcelku přirozeně se těmito orientačními body staly ve dne Slunce a v noci
hvězdy, zvláště Severka. Jejich pozorováním byli námořníci schopni určit zeměpisnou šířku,
na níž se nacházeli (podle výšky Slunce, resp. Severky nad obzorem). Dokud se však jejich
plavby omezovaly jen na Středozemní moře, pak určování zeměpisné šířky konec konců příliš
nepotřebovali. K prudkému rozmachu astronomické navigace došlo až v 15. století, kdy
Portugalci zahájili dlouhé plavby podél pobřeží Afriky.
Určování zeměpisné délky však bylo po mnohá staletí a tisíciletí problematické. Obvykle
se používal jednoduchý postup, vycházející ze znalosti směru, rychlosti a doby plavby. Do
mapy se zanesla uražená vzdálenost od minulé známé polohy a určila se tak nová poloha lodi
(viz obr. 6). Vznikla tak primitivní varianta dodnes používané navigace výpočtem (angl.
dead reckoning). Takto se začali po Středozemním moři plavit Féničané a Řekové, kteří
vytvořili první primitivní námořní mapy a používali primitivní formu navigace výpočtem. Čas
byl na palubě lodi měřen přesýpacími hodinami. Plavčík je musel pečlivě sledovat a po
přesypání (každou půlhodinu) je převrátit. Vzhledem k tomu, že „rychlost chodu“ přesýpacích
hodin není vždy stejná a vzhledem k nejednoznačnosti okamžiku, kdy měly být hodiny
překlopeny, bylo nezbytné je kontrolovat podle východu, resp. západu slunce nebo podle
půlnoci. Tím byly zajištěny jakési korekce chyby hodin.
Vzhledem k tomuto způsobu měření času, dále vzhledem ke způsobu měření rychlosti
plavby sledováním pohybu mořských řas podél lodního trupu [81] a vzhledem k tomu, že se
směr plavby víceméně odhadoval, byly vypočtené polohy často velice vzdálené skutečnosti.
Významného pokroku v navigaci bylo dosaženo ve 13. století zavedením námořnického
kompasu, který byl první verzí magnetického kompasu (angl. magnetic compass) [182].
Zpočátku byl používán jen tehdy, když bylo Slunce nebo Severka zakryty mraky. Dávní
námořníci však k němu nechovali příliš velkou důvěru. Nebyli si schopni vysvětlit odchylky
objevující se v měření kompasem. Neznali tenkrát ještě skutečnost, že kompas ukazuje
k magnetickému a ne k zeměpisnému severu. Proto se jim kompas nejevil příliš spolehlivý,
zvláště při plavbě v neznámé oblasti.
Mnohem hodnotnějším nástrojem byla v té době obyčejná olovnice (angl. lead line),
používaná pro měření hloubky moře a případně i zjišťování charakteru mořského dna. Šňůra
byla opatřena hloubkoměrnou stupnicí a na konec olovnice se připevňoval kousek vosku,
umožňující vynést na palubu vzorek ze dna. Na základě měření olovnicí byla vyvinuta jedna
z navigačních metod, používaných při mořeplavbách v mělkých vodách, kdy navigace mohla
vypadat například takto: „Plujte na sever, až se dostanete nad hloubku 130 metrů a dno
pokryté šedým pískem. Pak pokračujte dále na sever, až se dostanete nad dno pokryté řídkým
bahnem a pak změňte kurz na východo-severo-východ.“ [182]
19
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
S rostoucí intenzitou námořní dopravy, s růstem prozkoumanosti moří a oceánů a se
zdokonalováním navigačních technik začali námořníci pociťovat, že ústní předávání
nashromážděných znalostí a zkušeností již není dostačující. Námořníci si začali uvědomovat
význam grafického záznamu těchto poznatků a tak ve 13. století postupně vznikaly první
námořní mapy, nazývané Portolano Charts [182], které znázorňovaly pouze obrysy pobřeží.
Tyto mapy nebyly nijak zvlášť přesné, zato byly umělecky velice dobře zpracované, často na
ovčí kůži a byly mnohdy předmětem utajování. Kdo je vlastnil, měl oproti konkurentům
velkou výhodu. Malá přesnost pramenila z nedostupnosti vhodné metody měření vzdáleností
Obr. 7 Ukázka jedné z prvních námořních map – tzv. Portolano Chart.
Autorem je Freducci d‘Ancona [26]
na moři a také z neznalosti vhodných postupů přesného zobrazení zakřiveného povrchu
zemského na plochý podklad. Mapy proto obvykle obsahovaly větrné růžice, znázorňující
azimuty plavby od jednoho přístavu k druhému (obr. 7).
Námořníci v té době používali k navigaci i předchůdce pozdějšího sextantu, tzv. astroláb
(starověký astronometrický přístroj; angl. astrolab), který sloužil k měření úhlu Slunce resp.
20
Ver. 1.0
2 Určování polohy, navigace
hvězd nad obzorem a k následnému určování zeměpisné šířky, na níž se pozorovatel nacházel.
Vzhledem ke své neohrabanosti a nutnosti obsluhy dvěma muži nebyl tento přístroj příliš
vhodný pro měření na palubě kymácející se lodi, ale při objevu neznámé pevniny byl
neocenitelnou pomůckou při určování alespoň její přibližné zeměpisné šířky. Takovéto
navigační přístroje měli ve své výbavě i Kryštof Kolumbus a Ferdinand Magellan.
Metody určování zeměpisné šířky se postupně zdokonalovaly, nicméně metody určování
zeměpisné délky nadále zaostávaly. I ty nejpřesnější hodiny té doby vykazovaly chybu 10
minut denně, což znamenalo v nejhorším případě chybu až 175 námořních mil [182].
Významného pokroku v měření vzdáleností na moři bylo dosaženo až v 16. století
zavedením zařízení zvaného chip log. V podstatě se jednalo o primitivní měřič rychlosti
plavby v podobě lehkého lana, opatřeného v pravidelných intervalech uzlíky, na jehož konci
byla navázána zátěž v podobě desky, způsobující odpor proti pohybu ve vodě. Po vhození do
vody se lano začalo rychle odvíjet. Obsluha odpočítala počet uzlů, které se odvinuly za daný
časový interval a tím určila i rychlost plavby. Od té doby se rychlost plavby na moři vyjadřuje
v uzlech.
Na základě znalosti výchozí polohy, aktuální zeměpisné šířky, směru, rychlosti a doby
plavby bylo možné výrazně zpřesnit již dříve známou navigaci výpočtem. Další zpřesnění
bylo umožněno zavedením Merkátorova zobrazení, prvního přesného zobrazení zemské
sféry na plochý podklad. Z hlediska navigace mělo ještě jednu významnou výhodu – azimuty
mohly být znázorněny jako přímky a mořeplavci proto mohli pomocí těchto map plout
nejkratšími trasami. Plného využití se však tyto mapy dočkaly až sedmdesát let po svém
zavedení díky přetrvávajícím problémům s určování zeměpisné délky.
V 17. století začaly rozvoj navigace systematicky ovlivňovat Anglie a Francie a s nimi i
další námořní mocnosti. V té době byla zahájena systematická astronomická pozorování,
jejichž cílem bylo vytvořit tzv. námořní almanachy (angl. Nautical Almanacs) [169].
Námořní almanach je soubor tabulek, které obsahují informace o parametrech oběžných drah
astronomických objektů, využívaných při navigaci, respektive jejich periodické zdánlivé
polohy.
Počátkem 18. století byly pro celý svět k dispozici mapy magnetických deklinací. Tím byla
výrazně zkvalitněna navigace pomocí magnetického kompasu.
Nicméně klíčem k zpřesnění určování zeměpisné délky bylo až vynalezení přesných hodin.
Významného úspěchu v této oblasti dosáhl John Harisson, který v roce 1764 vynalezl
námořní chronometr, jehož přesnost byla lepší než jedna desetina sekundy za den. James
Cook použil tento chronometr při své plavbě kolem světa. Při návratu v roce 1779 činila jeho
výsledná navigační chyba pouhých 8 mil. James Cook vytvořil v průběhu své plavby tak
detailní a přesné mapy, že tím rozhodujícím způsobem ovlivnil další rozvoj navigace a
používání námořních map.
V roce 1884 byl dohodou stanoven poledník procházející Greenwichem jako nultý
poledník. Tím byla odstraněna dřívější nejednotnost zeměpisných délek na mapách,
vytvořených různými státy.
Zatímco v minulosti byl hlavní hybnou silou vývoje v oblasti navigace obchod, v 20.
století se touto hlavní hybnou silou stalo vojenství. Nicméně mnoho z vynalezených přístrojů
doznalo i civilního využití.
V roce 1907 byl do navigace zaveden gyroskopický kompas (angl. gyroscopic compass,
gyro), jehož výhodou je, že není ovlivňován žádnou deklinací a vždy ukazuje k zeměpisnému
severu.
21
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
Počátkem 20. století se v navigaci začaly uplatňovat také výsledky prací Marconiho, který
položil základy přenosu informací na velké vzdálenosti pomocí radiových vln. Začaly se
budovat radiomajáky, vysílající smluvené signály, využívané pro potřeby navigace, zpočátku
námořní a později i letecké. Navigace se prováděla pomocí směrových antén, které
umožňovaly odměřovat azimuty k radiomajákům. Protože poloha radiomajáků byla přesně
známá, bylo možné na základě změření azimutů ke dvěma a více radiomajákům určit polohu
dopravního prostředku. Podmínkou ovšem bylo, aby se dopravní prostředek nacházel
v dosahu radiomajáků. Vzhledem k tomu, že měřenou veličinou byl úhel a měření se
provádělo relativně méně přesnými směrovými anténami, s rostoucí vzdáleností od
radiomajáků vzrůstala prudce možná chyba určení polohy přijímače.
V roce 1935 byl vyvinut první použitelný radar (zkr. z anglického radio detection and
ranging). Byl využíván pro lokalizaci objektů, nacházejících se i za hranicí viditelnosti,
nicméně jeho dosah byl přeci jen omezený. Umožňoval určovat vzdálenost, polohu, rychlost a
směr pohybu dopravních prostředků (lodí a letadel). Využitelný však byl i pro aktivní
navigaci dopravních prostředků, zvláště při omezené viditelnosti (v noci, za mlhy a bouří).
Pomocí radaru bylo možné odměřovat současně směr i vzdálenost k orientačním bodům a
z naměřených hodnot snadno určit polohu dopravního prostředku.
Později byly vyvinuty systémy, v nichž bylo určování polohy založeno ne na úhlových
měřeních, ale na časových měřeních. Od té doby přijímač registruje čas, za který k němu
dorazil signál z radiomajáku, respektive přesněji rozdíl času šíření signálu z různých
radiomajáků. Přesnost určení polohy takovýmto způsobem má jednu důležitou vlastnost: je
relativně nezávislá na vzdálenosti přijímače od radiomajáků. S rostoucí vzdáleností se
samozřejmě projevuje vliv prostředí, kterým se šíří radiové vlny (především vliv ionosféry a
troposféry), ale tyto chyby jsou ve srovnání s chybami vnesenými úhlovými měřeními
zanedbatelné.
Na počátku 40. let byl ve Spojených státech amerických vyvinut radionavigační systém
Loran (z angl. Long Range Navigation). Je založen na vysílání pulzního radiového signálu
z hlavní a podřízených stanic. Na základě měření časového rozdílu mezi příchodem signálů
pro několik dvojic vysílačů je možné určit polohu přijímače s přesností 18 - 90 metrů po 95 %
času [20]. Tento systém je využíván především námořnictvem. Je provozně náročný a proto
se jednu dobu uvažovalo o jeho postupném vyřazení z provozu a nahrazení moderními
družicovými navigačními systémy. Nicméně v poslední době prožívá renesanci. Počítá se
s ním jako s plnohodnotným rozšířením systému GPS při budování moderních robustních
navigačních systémů.
Počátkem 60. let 20. století vybudovalo ministerstvo obrany Spojených států amerických
první družicový navigační systém s názvem Transit. Tento systém byl primárně určený pro
navigaci letadlových lodí a nově vzniknuvšího jaderného ponorkového loďstva, ale poměrně
záhy doznal celosvětového využití i v civilní námořní dopravě a s postupným rozvojem
potřebné techniky a technologie se rozšiřovalo i jeho využití pro potřeby měřictví. Systém
Transit vysílal navigační signály na dvou frekvencích (150 MHz a 400 MHz). Polohu určoval
na základě měření Dopplerova posunu na obou nosných frekvencích vysílaných družicí
nacházející se v dosahu pozorovatele. Běžně se používal pro určování dvourozměrné polohy,
zpočátku s přesností půl míle, později i 30 až 100 metrů při navigaci a až 1 metr při
měřických aplikacích. Jeho nevýhodou byla časově omezená dostupnost a nemožnost použití
pro potřeby letecké navigace. Obdobný systém vybudoval i tehdejší Sovětský svaz pod
názvem Cikad-M.
V roce 1973 začalo ministerstvo obrany Spojených států amerických budovat principiálně
zcela nový družicový navigační systém, založený na měření vzdáleností přijímače
22
Ver. 1.0
2 Určování polohy, navigace
k minimálně čtyřem družicím, což umožňuje určovat třírozměrnou polohu přijímače, rychlost
jeho pohybu i přesný čas v místě měření. Význačným rysem systému je, že je dostupný
kdykoliv, kdekoliv, v kteroukoliv denní i roční dobu, za jakéhokoliv počasí. Takto
koncipovaný systém je proto možné použít i pro navigaci letectva. Rovněž v tehdejším
Sovětském svazu se přistoupilo k budování obdobného systému.
Konečně v roce 2001 Evropská komise rozhodla o tom, že i Evropská unie vstoupí do
oblasti globálních družicových navigačních systémů svým vlastním systémem s názvem
Galileo (viz odst. 8.1). Bude se jednat o moderně koncipovaný navigační systém, který bude
čerpat z bohatých zkušeností získaných při využívání systémů GPS a GLONASS. Koncepčně
se jim bude velice blížit, měl by být plně kompatibilní se systémem GPS.
V posledních letech se nezbytnou navigační pomůckou stal počítač. Může průběžně
zaznamenávat skutečnou trasu, po které se dopravní prostředek pohyboval, porovnávat ji
s trasou plánovanou a navrhovat navigátorovi další postup. Nicméně konečné slovo má a ještě
dlouho bude mít navigátor, protože bez jeho zhodnocení situace (zvláště v krizových
momentech) se počítačem podporovaná navigace stále ještě neobejde.
2.3 Určování polohy a navigace pomocí družic
K určování polohy a k navigaci lze využívat různé fyzikální principy a na nich založené
systémy. Mimo jiné lze k těmto účelům využívat i rádiové vlny.
Rádiové navigační systémy jsou zpravidla tvořeny sítí vysílačů (tzv. radiomajáků; angl.
radiobeacon), vysílajících navigační signály a uživatelskými zařízeními, která na základě
zpracování a vyhodnocení přijímaných signálů určují aktuální polohu dopravního prostředku.
V případě družicových navigačních systémů jsou radiomajáky představovány družicemi a
uživatelská zařízení přijímači GPS.
Družicové navigační systémy patří k tzv. globálním navigačním systémům, tj.
k systémům, které jsou schopné s omezeným počtem radiomajáků zajistit pokrytí celého
povrchu zemského navigačními signály a umožňují tak určovat polohu kdekoliv na Zemi.
Hlavní výhodou těchto systémů je, že umožňují určovat polohu v jednotném souřadnicovém
systému společném pro celou zeměkouli. Tyto systémy běžně pracují 24 hodin denně, bez
ohledu na počasí a denní nebo roční dobu [60].
2.3.1 Principy rádiového určování polohy
Při určování polohy pomocí radiových signálů lze využít některou z následujících metod
[60]:
1.
2.
3.
4.
metoda úhloměrná
metoda dopplerovská
metoda dálkoměrná
metoda založená na měření fáze nosné vlny
Tyto metody umožňují určovat polohu přijímače ve dvou- a případně i třírozměrném
prostoru. Základním předpokladem však je, že pozorovatel zná přesnou polohu radiomajáků.
V dalším textu se stručně zmíníme o všech těchto metodách, i když pro určování polohy
pomocí družicových navigačních systémů první z nich prakticky nemá význam.
23
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
2.3.1.1 Určování polohy úhloměrnými měřeními
Tato metoda je založena na velice jednoduchém principu: z bodu, jehož polohu
potřebujeme určit, změříme pomocí směrové antény:
•
•
•
buďto azimuty k několika radiomajákům umístěným na povrchu Země
nebo elevační úhly k několika družicím
případně elevační úhly opakovaně k jedné družici, ale s časovými odstupy.
V případě pozemních radiomajáků je vyhodnocení polohy relativně jednoduché. Do mapy
vyneseme u každého radiomajáku přímku s odpovídajícím naměřeným azimutem. Tyto
přímky se protnou v bodě, v kterém se nachází navigační přijímač. Lze samozřejmě nalézt i
odpovídající matematické řešení, jehož výsledkem je získání souřadnic bodu v zadaném
souřadnicovém systému.
V případě družic je postup o něco složitější. Nejprve musíme vypočítat polohu družice
v okamžiku měření elevačního úhlu. Spojnice tohoto bodu se středem zeměkoule (počátkem
geocentrického souřadnicového systému, používaného v rámci daného družicového
navigačního systému) definuje osu kužele s vrcholem v místě družice, jehož plášť je tvořen
všemi přímkami, které procházejí družicí pod naměřeným elevačním úhlem. Zkonstruujeme-li
takovéto kužely pro všechna měření a nalezneme-li jejich průsečnice s povrchem zemským,
případně s výškovou hladinou, v níž se hledaný bod nachází, pak se všechny tyto průsečnice
protnou právě v hledaném bodě. Grafické řešení této úlohy nad mapou je prakticky nemožné
a i matematické řešení je dosti složité. Přesnost určení polohy je dána přesností měření
elevačních úhlů směrovými anténami, a ta není příliš vysoká. Proto se tato metoda určování
polohy příliš nerozšířila.
2.3.1.2 Určování polohy na základě dopplerovských měření
Metoda určování polohy na základě dopplerovských měření je používána především při
měření radiových signálů vysílaných družicemi. V případě pozemních radiomajáků je její
využití méně časté. K určování polohy bodu využívá Dopplerova posuvu (změny frekvence
signálu vysílaného pohybujícím se objektem). Družice vysílá signál o známé konstantní
frekvenci fv. Na tomto signálu jsou přenášeny v pevném časovém intervalu časové značky a
dále parametry oběžné dráhy družice, umožňující přijímači vypočítat přesnou polohu družice
v době měření. Přijímač je na základě frekvence přijímaného signálu fp, časových značek,
parametrů oběžné dráhy družice a referenčního signálu o frekvenci fo generovaného přímo
v přijímači schopen pomocí opakovaných měření prováděných vždy mezi dvěma časovými
značkami vypočítat teoreticky až trojrozměrnou polohu měřeného bodu. V praxi se ale běžně
určuje jen dvourozměrná poloha, snad především proto, že navigační systémy pracující na
principu Dopplerova posunu jsou využívány především v oblasti námořní navigace.
2.3.1.3 Určování polohy na základě měření vzdáleností
Systémy využívající této metody pracují tak, že měří vzdálenost mezi bodem, jehož poloha
se určuje a radiomajáky. Většinou je měření uspořádáno tak, že se neurčuje přímo vzdálenost,
nýbrž doba šíření signálu od radiomajáku k navigačnímu přijímači a z ní se teprve vypočítá
vlastní vzdálenost. Existují i systémy, které dokonce ani nevyhodnocují dobu šíření signálu,
nýbrž jen časový rozdíl mezi příchodem signálů z několika dvojic radiomajáků. Ve všech
případech je výsledkem určení polohy (nejčastěji v dvourozměrném prostoru).
V případě globálních družicových navigačních systémů se vzdálenost mezi přijímačem a
navigačními družicemi určuje prvním z obou výše uvedených způsobů. Přijímač určuje čas tdi,
který potřebuje signál k tomu, aby dorazil z navigační družice, nacházející se v místě o
24
Ver. 1.0
2 Určování polohy, navigace
souřadnicích (xi,yi,zi), do místa měření o souřadnicích (X,Y,Z) rychlostí šíření radiových vln
(rovné rychlosti světla c). Teoreticky stačí, abychom provedli změření vzdáleností od tří
navigačních družic a můžeme polohu neznámého bodu určit vyřešením soustavy tří rovnic o
třech neznámých
td 1.c =
td 2 .c =
td 3 .c =
(x1 − X )2 + ( y1 − Y )2 + (z1 − Z )2
(x2 − X )2 + ( y2 − Y )2 + (z2 − Z )2
(x3 − X )2 + ( y3 − Y )2 + (z3 − Z )2
Dálkoměrné signály jednotlivých družic je nezbytné od sebe odlišit. K tomu lze využít
některý z následujících způsobů:
•
•
•
odlišení na základě kmitočtu nosné vlny (tzv. kmitočtové dělení), kdy každá ze
současně viditelných družic používá pro přenos signálů nosnou vlnu s jiným
kmitočtem. Přijímač pak musí být schopen přijímat nosné vlny všech kmitočtů
odlišení na základě kódu (tzv. kódové dělení), kdy všechny družice navigačního
systému vysílají na nosné vlně stejného kmitočtu, ale dálkoměrný kód je pro každou
družici jiný. Přijímač musí být schopen identifikovat v přijímaném signálu jednotlivé
dálkoměrné kódy
odlišení na základě doby vysílání (tzv. časové dělení), kdy všechny družice
navigačního systému vysílají stejný kód na stejném nosném kmitočtu, avšak v přesně
definovaných časových úsecích.
Jako dálkoměrné kódy se zpravidla používají tzv. pseudonáhodné signály (angl. Pseudo
Random Noise – PRN), které mají jednu významnou vlastnost: pokud porovnáváme dva
odlišné dálkoměrné kódy, je výsledný signál velice slabý, zatímco pokud porovnáme dva
stejné kódy, které jsou jen fázově posunuté, je výsledný signál výrazně silnější.
Pseudonáhodné signály jsou periodické, generují se podle určitých algoritmů. Publikováním
nebo utajováním těchto algoritmů lze uživatelům povolit nebo znemožnit přístup
k navigačnímu systému nebo k některým službám, které poskytuje.
Dálkoměrné navigační systémy se dělí na aktivní a pasivní [60].
Aktivní systémy pracují tak, že každý uživatel je vybaven tzv. odpovídačem. Řídicí
stanice systému zjišťuje polohu konkrétního přijímače (a tím pohyblivého prostředku) tak, že
vyšle prostřednictvím navigačních družic identifikační značku tohoto přijímače. Jakmile ji
přijímač rozpozná, odvysílá svoji odpověď. Ta je prostřednictvím navigačních družic předána
do řídicí stanice, která na základě vyhodnocení zpoždění odpovědí přijatých různými
družicemi a na základě znalosti polohy družic v okamžiku přijetí odpovědi vypočte polohu
přijímače. Nevýhodou těchto systémů je, že mají omezenou kapacitu, díky níž může snadno
dojít k přetížení systému a dále že jsou vzhledem k obousměrné komunikaci z vojenského
hlediska prakticky nepoužitelné.
Pasivní systémy pracují tak, že navigační družice vysílají dálkoměrné signály spolu
s časovými značkami a údaji o oběžných drahách družic. Přijímač pak měří časový interval tdi,
který uplyne mezi odesláním a přijetím signálu a z něj i vzdálenost k družicím. Při známé
poloze družic je pak možné určit polohu přijímače.
Existující družicové navigační systémy patří do skupiny pasivních navigačních systémů.
25
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
2.3.1.4 Určování polohy na základě fázových měření
Při určování polohy na základě fázových měření se vychází z velice jednoduché představy:
pokud spočítáme počet vlnových délek radiové vlny, které se nacházejí mezi přijímačem a
vysílačem v okamžiku měření, můžeme jednoduchým vynásobením vlnovou délkou přijímané
radiové vlny zjistit skutečnou vzdálenost vysílač – přijímač. Myšlenka je to velice
jednoduchá, ale její realizace je o to obtížnější. V praxi není problém určit desetinnou část
vlny, ale s určením celočíselného počtu vln jsou problémy. Tento počet se obvykle označuje
jako neurčitost (angl. ambiguity). Pro její řešení byla vyvinuta celá řada postupů, které
obvykle staví na skutečnosti, že tato neurčitost musí být celočíselná. Podrobněji se o tomto
problému zmíníme u družicových polohových systémů, neboť tato metoda určování polohy je
aplikována výhradně na globální družicové navigační systémy.
26
Ver. 1.0
3 Navigační systémy
3 Navigační systémy
Pro potřeby technického zabezpečení pravidelné dopravy, a to především námořní a
letecké, bylo nezbytné vyvinout vhodné navigační metody, umožňující vést dopravní
prostředky po předem určených trasách. Tyto metody byly zpočátku založeny pouze na
přírodních systémech (systémy orientačních bodů na pobřeží, astronomická tělesa apod.), až
teprve v posledním století se začaly navigační metody opírat i o různé navigační systémy,
Zkratka
GPS
Název
Global Positioning System
Popis
Globální družicový radionavigační systém,
provozovaný armádou USA a celosvětově
dostupný i civilním uživatelům.
USCG DGPS U.S. Coast Guard Differential GPS
DGPS provozovaný americkou Pobřežní
stráží a sloužící k navigaci lodí podél
pobřeží a vnitrozemských vodních cest.
WAAS
Wide Area Augmentation System
Rozsáhlý rozšiřující systém budovaný pro
podporu civilního letectví na celém území
USA
LAAS
Local Area Augmentation System
Lokální rozšiřující systémy budované pro
potřeby civilního letectví na území USA a
doplňující systém WAAS o lokální
zpřesnění navigace, např. v okolí letišť
Loran-C
Long Range Navigation
Dnes znovu obživlý radiový navigační
systém, využívaný leteckou a lodní
dopravou nejen na území USA
Omega
Omega
Pozemní radionavigační systém, který je
poněkud starší než Loran-C. Byl využitelný
celosvětově.
VOR/DME
VHF Omnidirectional Range / Distance Základní radionavigační systém krátkého a
Measurement Equipment
středního dosahu.
TACAN
Pozemní radionavigační systém využívaný
především vojenským letectvem USA
ILS Cat I
Instrument Landing System Cat I
ILS Cat II/III
Instrument Landing System Cat II/III
MLS
Microwave Landing System
Radionavigační systém určený pro
navádění letadel na správný kurz a vhodný
sestupný úhel při přistávání.
Transit
Transit
Družicový navigační systém využívaný
především v námořní navigaci
Navigační systémy budované přímo na
letištích a sloužící k navádění letadel na
přistání.
Tab. 1 Přehled existujících a budovaných radionavigačních systémů
27
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
založené nejčastěji na šíření radiových vln. Dnes radiová navigace výrazně převažuje nad
ostatními druhy navigace.
3.1 Radiové navigační systémy
Za dobu existence radiové navigace byla vybudována celá řada radiových navigačních
systémů. Přehled systémů existujících na sklonku 20. století a systémů nově budovaných je
uveden v tab. 1. Na obr. 8 je graficky znázorněn harmonogram utlumování rozvoje a užívání
těchto systémů spolu s předpokladem jejich následné likvidace tak, jak byl plánován v roce
1996 v americkém Federálním radionavigačním plánu [13]. K tomuto harmonogramu je
nezbytné podotknout, že byl vypracován v době, kdy se předpokládalo, že systém GPS může
řešit všechny problémy v oblasti navigace jakýchkoliv dopravních prostředků a za jakékoliv
situace, tedy i v extrémně náročných aplikacích jako je automatické přistávání letadel.
Nicméně posléze byla provedena řada studií i praktických testů, které ukázaly, že některé
parametry systému GPS neumožňují jeho využití jako jediného navigačního systému
především v civilní letecké dopravě, s výjimkou navigace po trase dálkového přeletu. Proto se
stále více mluví o vybudování globálního navigačního systému, který by tvořily jak
družicové, tak i pozemní subsystémy. Díky těmto zjištěním proto došlo i k přehodnocení výše
uvedeného harmonogramu útlumu existujících pozemních radiových navigačních systémů a
k prodloužení životnosti některých z nich. Typickou ukázkou takovéhoto posunu je
radionavigační systém Loran-C, který měl být podle původních předpokladů vyřazen
z činnosti do konce roku 2001, ale v současné době bylo rozhodnuto o pozastavení jeho
útlumu, částečné modernizaci (alespoň v USA, kde bylo na rok 2000 vyčleněno pro tyto účely
GPS
USCG DGPS
WAAS
LAAS
Loran-C
Omega
VOR/DME
TACAN
ILS Cat I
ILS Cat II/III
MLS
Transit
1990
1995
2000
náběh systému
přechod z IOC na FOC
2005
2010
rutinní provoz
útlum systému
Obr. 8 Harmonogram útlumu a likvidace existujících a zavádění nových
radionavigačních a rozšiřujících systémů (viz obr. 7) [13]
28
2015
Ver. 1.0
3 Navigační systémy
10 mil. USD) a do roku 2001 by mělo být definitivně rozhodnuto o jeho budoucnosti [6].
Úvahy jsou nyní vedeny v tom směru, že pozemní radionavigační systémy budou tvořit
nezbytné rozšíření systému GPS tak, aby vznikl dostatečně robustní globální radionavigační
systém, splňující v plném rozsahu i ty nejnáročnější požadavky, definované mezinárodními
leteckými organizacemi pro radionavigační systémy, používané civilním letectvím.
3.2 Dopplerovské systémy
Dopplerovské systémy družicové navigace budovaly v šedesátých letech obě světové
supervelmoci – Spojené státy americké i tehdejší Sovětský svaz. Jimi vybudované systémy
byly primárně určeny pro navigaci nově se objevivších atomových ponorek, které
umožňovaly dlouhodobou plavbu pod hladinou moře, kdy nebylo možné využívat běžné
navigační metody. Ponorky se musely spoléhat především na prostředky inerciální navigace,
které však z dlouhodobého hlediska nemohly zajistit potřebnou přesnost určování polohy,
bylo je nezbytné čas od času korigovat s využitím jiné navigační metody.
První rutinně provozované globální navigační systém pracující na principu dopplerovských
měření a pokrývající svými signály celý povrch Země uvedlo do provozu ministerstvo obrany
Spojených států amerických v roce 1964. Jednalo se o družicový navigační systém
námořnictva USA známý pod názvem Transit [2, 17], určený k navigaci na hladině moří a
oceánů. Ačkoliv se jednalo primárně o systém vojenský, postupně se rozšířilo i jeho komerční
využití pro civilní námořní navigaci. V roce 1996, tedy po více než 30 letech provozu, byl
systém Transit poslán do výsluhy. Celkově se odhaduje, že systém používalo v době jeho
největší slávy až 80.000 civilních uživatelů.
Obdobné systémy byly budovány a provozovány i bývalým Sovětským svazem. Koncem
šedesátých let byl pro potřeby ponorkového loďstva uveden do provozu Dopplerovský
navigační systém, označovaný názvem Cyklon a dodnes jsou provozovány další dva obdobné
systémy - vojenský šesti družicový s názvem Parus (nebo též Cikad-M) a civilní čtyř
družicový s názvem Cikad.
3.3 Klasické družicové polohové systémy (GPS, GLONASS)
Na základě dobrých zkušeností s dopplerovskými systémy družicové navigace bylo na
počátku sedmdesátých let jen kousek k myšlence vybudovat zcela nový družicový pasivní
dálkoměrný systém, který by umožňoval určování polohy v trojrozměrném prostoru spolu s
přesným časem a zpřístupnil by tak družicovou navigaci i letectvu. Definitivní rozhodnutí o
vybudování prvního takovéhoto systému padlo 17. prosince 1973 ve Spojených státech
amerických, kdy byl oficiálně zahájen projekt NAVSTAR – GPS. Podrobněji se tomuto
systému budeme věnovat v kap. 5 a dalších.
V osmdesátých letech byl zahájen vývoj i druhého systému, který nese název GLONASS a
který začal budovat tehdejší Sovětský svaz. Tomuto systému bude věnována kapitola 6.
Systému GLONASS je zde věnována menší pozornost hned z několika důvodů:
•
•
•
informace o systému GLONASS nejsou dostupné v takovém rozsahu jako v případě
systému GPS
systém se potýká s vážnými finančními problémy, v důsledku kterých není jeho
kosmický segment plně obsazen navigačními družicemi a které by mohly vést až k jeho
zániku
využívání tohoto systému je méně rozšířené.
29
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
3.3.1 Obecná struktura družicových polohových systémů
Družicové polohové systémy jsou obecně tvořeny třemi základními segmenty:
•
•
•
kosmickým
řídicím
uživatelským.
Kosmický segment je tvořen soustavou umělých družic Země obíhajících po známých,
přesně definovaných a určených oběžných drahách. Kosmický segment je definován:
•
•
•
typem oběžných drah (nízké, střední, vysoké, geostacionární; kruhové nebo eliptické)
výškou, sklonem a počtem oběžných drah
počtem a rozmístěním družic na oběžných drahách.
Konfigurace kosmického segmentu je dána požadavky uživatelského segmentu a
možnostmi řídicího segmentu.
Řídicí segment je tvořen sadou pozemních stanic, které plní řadu úloh:
•
•
•
•
•
•
•
•
monitorování signálů družic kosmického segmentu
vyhodnocování chování družic na oběžných drahách a určování parametrů oběžných
drah jednotlivých družic
vyhodnocování chování hodin na družicích a určování korekčních parametrů
sledování a vyhodnocování stavu družic
vysílání aktualizovaných parametrů na družice
manévry družic
údržba družic
řízení celého systému.
Za tímto účelem se v pozemním segmentu zpravidla rozlišují tři typy stanic:
•
•
•
monitorovací stanice – jsou rozmístěny tak, aby umožňovaly stálé sledování co
největšího počtu družic po co nejdelší dobu; monitorují signály vysílané družicemi
kosmického segmentu a přenášejí je do centra
hlavní řídicí stanice – je zpravidla jedna (plus jedna záložní), zpracovává signály
z monitorovacích stanic, provádí modelování chování kosmického segmentu, určování
parametrů oběžných drah a korekčních parametrů hodin na družicích a výsledky
předává na stanice určené pro komunikaci s družicemi
stanice pro komunikaci s družicemi – zpravidla jsou totožné s monitorovacími
stanicemi; slouží k přenášení nově určených parametrů oběžných drah a korekčních
parametrů atomových hodin umístěných na družicích na družice a také slouží k jejich
ovládání.
Konfigurace řídicího segmentu je dána především obrannou strategií státu, budujícího a
provozujícího družicový polohový systém (to v případě vojenského systému), respektive
možností rozmístění a provozování stanic pozemního segmentu na svém území případně na
území jiných států (to v případě civilního systému).
Uživatelský segment – je tvořen přijímači, veškerým technickým zařízením umožňujícím,
usnadňujícím respektive rozšiřujícím možnosti využití družicového polohového systému,
postupy měření a vyhodnocování a uživateli. Jeho „konfigurace“ je plně dána požadavky
uživatelů a technickými možnostmi a omezeními kosmického segmentu (s řídicím segmentem
uživatelé do přímého styku nepřicházejí).
30
Ver. 1.0
3 Navigační systémy
Při koncipování družicového polohového systému hrají důležitou roli požadavky
uživatelského segmentu na výkon budovaného systému. Ty specifikují požadovanou
dosažitelnou přesnost určování polohy, dostupnost signálů družic a kontinuitu příjmu signálů
družic. V případě obou dnes používaných systémů jsou tyto požadavky zhruba stejné:
přesnost určování polohy do 100 m, možnost určování polohy v třírozměrném prostoru,
nepřetržitě a kdekoliv na povrchu zemském a přilehlém kosmickém prostoru. Z tohoto
pohledu se tedy například zadání pro systémy GPS i GLONASS příliš neliší a výsledné
systémy jsou proto velice podobné.
Významnou roli při koncipování družicového polohového systému hrají i možnosti
řídicího segmentu, které se však, jak již bylo uvedeno, odvíjejí od vojenské strategie daného
státu, resp. od jeho možností rozmístění stanic řídicího segmentu. Vzhledem k odlišnosti
vojenské strategie USA a bývalého Sovětského svazu se lišila i jejich koncepce budování
řídicího segmentu a ta se následně promítla i do konfigurace kosmického segmentu. Spojené
státy americké vycházely z koncepce obrany státu na celém povrchu zemském. Budovaly
proto velké námořní základny po celém světě a díky těmto základnám měly možnost
vybudovat řídicí segment tak, že jednotlivé stanice jsou rozmístěny podél celého rovníku a
monitorovací stanice jsou tak schopné sledovat družice kosmického segmentu téměř
nepřetržitě (až 92 % času denně). Oběžné dráhy družic proto mohly být voleny tak, že
zachovávají konstantní polohu vzhledem k povrchu zemskému. Naproti tomu vojenská
strategie Sovětského svazu se neopírala o velké základny rozmístěné po celém světě. Při
budování pozemního řídicího segmentu proto bylo možné jednotlivé monitorovací stanice
rozmístit pouze na území bývalého Sovětského svazu. Tím byly výrazně omezeny možnosti
monitorování družic. Kosmický segment je proto koncipován tak, že se pomalu otáčí vůči
povrchu zemskému, jeho poloha vůči Zemi se opakuje co osm dní. Každá družice je až 16
hodin denně mimo dosah monitorovacích stanic.
3.3.2 Principy měření
Výše bylo uvedeno, že družicové polohové systémy jsou budované jako pasivní
dálkoměrné systémy, tzn. že přijímač určuje svoji vzdálenost k několika družicím
navigačního systému a svoji polohu pak stanovuje protínáním. Určování vzdáleností
přijímače od družic lze provádět na základě:
•
•
•
kódových měření
fázových měření
dopplerovských měření.
Přestože nic nebrání tomu, aby kterákoliv z těchto měření byla použita pro určování
polohy, v praxi se k tomuto účelu používají jen první dvě, třetí se využívá především při
stanovování rychlosti pohybu přijímače.
3.3.2.1 Kódová měření
Základním principem kódových měření je určování vzdáleností mezi přijímačem a
družicemi. Běžně se k tomuto účelu využívají tzv. dálkoměrné kódy vysílané jednotlivými
družicemi. Dálkoměrné kódy jsou zjednodušeně řečeno přesné časové značky, umožňující
přijímači určit čas, kdy byla odvysílána kterákoliv část signálu vysílaného družicí. Přijímač
pracuje tak, že ve vstupním signálu, přicházejícím z antény, identifikuje dálkoměrný kód
příslušné družice, zjistí čas odeslání a přijetí jedné sekvence kódu a ze zjištěného časového
rozdílu ∆ti určí vzdálenost mezi přijímačem a družicí di dle jednoduchého vztahu
31
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
di = ∆ti . c
kde c … rychlost šíření radiových vln.
Vzhledem k tomu, že hodiny přijímače nejsou zcela synchronní se systémovým časem
družicového navigačního systému, je časový rozdíl ∆ti zatížen určitou chybou hodin
přijímače. Při výpočtu vzdálenosti di proto neurčíme skutečnou vzdálenost přijímače od
družice, ale jen tzv. zdánlivou vzdálenost (angl. pseudorange). Řešení tohoto problému si
ukážeme konkrétně na případu systému GPS.
Pro kódová měření lze odvodit reálně dosažitelnou přesnost. Frekvence dálkoměrných
kódů se běžně pohybuje na úrovni jednotek megahertzů pro standardní přesnost, resp. desítek
megahertzů pro vysokou přesnost. Těmto frekvencím odpovídají vlnové délky 300 m resp. 30
m. Při reálně dosažitelné přesnosti měření 1 – 2 % vlnové délky (tato hodnota vychází
z praktických zkušeností) pak vychází reálně dosažitelná přesnost v prvním případě 3 až 6 m,
v druhém případě 0.3 až 0.6 m. Nutno podotknout, že do této přesnosti je zahrnut pouze vliv
zpracování dálkoměrného kódu v přijímači, jiné vlivy, jako například prostředí, nepřesností
hodin apod. zde započteny nejsou a pokud není provedena jejich eliminace, je výsledná
přesnost samozřejmě nižší.
3.3.2.2 Fázová měření
Fázová měření jsou založena na odlišném principu. Vůbec nepracují s dálkoměrnými kódy,
nýbrž zpracovávají vlastní nosné vlny. Zjednodušeně řečeno lze říct, že při fázových
měřeních přijímač spočítá počet vlnových délek nosné vlny, nacházejících se mezi
přijímačem a družicí. Tento počet se skládá jednak z celočíselného násobku nosných vln
(který se dost obtížně určuje) a jednak
z desetinné části, kterou je přijímač naopak
schopen určit relativně velmi přesně. Fázová
měření proto vykazují určitou nejednoznačnost
(angl. ambiguity) rovnající se počtu celých
vlnových délek nosné vlny, nacházejících se
mezi přijímačem a družicí na počátku měření
(proto se někdy označuje také termínem
celočíselná nejednoznačnost – angl. integer
ambiguity).
Pro
určování
celočíselné
nejednoznačnosti byla vypracována celá řada
postupů, umožňujících její stanovení buďto při
následném zpracování, nebo i přímo v reálném
čase.
Jakmile jednou přijímač počáteční hodnotu
celočíselné nejednoznačnosti určí, je již schopen
průběžně sledovat změny fázového posunu a
Obr. 9 Možné polohy přijímače vzhledem k jedné počtu celých vln a tím i vlastní polohu, resp. její
změny (v případě mobilních stanic). Přijímač
družici - kulová plocha
tedy udržuje hodnotu počáteční celočíselné
nejednoznačnosti a k ní připočítává celý počet vlnových délek, o které se změnila vzdálenost
mezi přijímačem a družicí od počátku měření (tento počet může být kladný i záporný) a dále
desetinnou část vlnové délky.
32
Ver. 1.0
3 Navigační systémy
Pokud v důsledku oslabení signálu z nízko letící družice nebo v důsledku zastínění antény
(omylem rukou, jízdou v tunelu nebo podjížděním pod mostem, zastíněním stromy nebo
domem, apod.) dojde k přerušení sledování nosné vlny, dojde k tzv. fázovému skoku (angl.
cycle slip) a přijímač již není dále schopen
počítat vlnové délky, o které se změnila
vzdálenost mezi přijímačem a družicí. V praxi
to znamená, že přijímač musí začít nový cyklus
měření, od určení aktuálního fázového posunu
až po nové určení počáteční hodnoty
celočíselné nejednoznačnosti na počátku
nového měření.
Vlnové délky nosných vln jsou velice
krátké, řádově první desítky centimetrů.
Budeme-li
uvažovat
stejnou
přesnost
zpracování signálů v přijímači, jako v případě
Obr. 10 Možné polohy přijímače vzhledem k dvěma kódových měření, tedy 1-2 % vlnové délky,
družicím - kruh
pak to znamená, že pomocí fázových měření
můžeme určovat vzdálenost mezi družicemi a
přijímačem s přesností až na milimetry.
3.3.2.3 Dopplerovská měření
Stejně jako v případě systémů Transit a
Cykada mohou i družicové polohové systémy
využít pro určování polohy Dopplerův posun.
Je známo, že v důsledku relativního pohybu
družice vůči přijímači se průběžně mění
frekvence přijímaného signálu. (Dopplerovský
posun frekvence je měřen na nosné vlně.)
Tento frekvenční posun je po určitou dobu
Obr. 11 Možné polohy přijímače vzhledem ke třem měřen a pak je na základě získaných údajů
družicím - dva body
vypočtena změna radiální vzdálenosti mezi
družicí a přijímačem. Poloha přijímače pak
může být vypočtena z těchto rozdílů
vzdáleností. Tato měření lze sice využít k určení
polohy, ale spíše se využívají k určování
rychlosti, jakou se přijímač pohybuje.
3.3.3 Metody měření a vyhodnocování
3.3.3.1 Určování absolutní polohy přímo v
terénu
Absolutní poloha přijímače může být určena
přímo v průběhu terénních měření pomocí
Obr. 12 Vliv časového posunu hodin přijímače na zdánlivých vzdáleností získaných kódovými
měřeními.
přesnost měření
Předpokládejme nejprve, že hodiny družice i
přijímače jsou skutečně synchronní a zanedbejme vlivy prostředí na šíření signálů (např.
zpoždění signálu při průchodu ionosférou a troposférou). A dále předpokládejme, že
33
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
neexistují ani žádné další vlivy, které by způsobily náhodné změny výsledků měření (náhodný
šum apod.). Pak z jednoho změření zdánlivé vzdálenosti jsme schopni určit, že přijímač se
musí nacházet někde na kulové ploše se středem v družici a poloměrem r1 rovným vypočtené
vzdálenosti (obr. 9). Pokud současně provedeme stejné měření vzhledem k druhé družici, pak
náš přijímač musí současně ležet i na povrchu kulové plochy se středem v druhé družici a
poloměrem r2. Obě kulové plochy se protínají v kružnici (obr. 10) a náš přijímač se tedy musí
nacházet někde na této kružnici. Třetí současně změřená vzdálenost r3 pak definuje třetí
kulovou plochu, která se s touto kružnicí protne ve dvou bodech (obr. 11). Jeden z těchto
bodů může být ihned zanedbán, protože leží daleko ve vesmíru, takže současné měření
vzdáleností ke třem družicím je teoreticky schopné poskytnout přesnou polohu v
třírozměrném prostoru. Bohužel tak snadné je to opravdu jen teoreticky.
Prakticky, jak již bylo zmíněno, není synchronizace hodin družic a přijímače se
systémovým časem družicového polohového systému tak dokonalá, takže je nezbytné celý
postup určení polohy tomu přizpůsobit.
Posun hodin na družicích oproti systémovému času je známý, a proto je možné dodatečně
časové údaje družic korigovat. Přesto však ještě zůstává neznámým časový posun hodin
přijímače ∆T vůči systémovému času. Tento časový posun se prakticky projeví tak, že
výpočty určené zdánlivé vzdálenosti r1 až r3 nejsou správné, liší se o vzdálenost, kterou urazí
rádiové vlny za čas ∆T (viz obr. 12, kde je problém pro lepší názornost převeden do roviny) a
proto jejich průsečíkem není bod, ale "trojúhelník". Pouze až když opravíme vypočtené
vzdálenosti o hodnotu c . ∆T, můžeme určit polohu přijímače.
Takže nyní máme čtyři neznámé: souřadnice polohy přijímače X, Y a Z a dále časový
posun hodin přijímače ∆T - ale jen tři měření. Jedinou cestou, jak situaci vyřešit je přidat ještě
jedno měření - měřit zdánlivé vzdálenosti přijímače ke čtyřem družicím a řešit pak soustavu
čtyř rovnic o čtyřech neznámých:
r1 =
( X − x1 )2 + (Y − y1 )2 + (Z − z1 )2 − c ⋅ ∆T
r2 =
( X − x2 )2 + (Y − y2 )2 + (Z − z2 )2 − c ⋅ ∆T
r3 =
( X − x3 )2 + (Y − y3 )2 + (Z − z3 )2 − c ⋅ ∆T
r4 =
( X − x4 )2 + (Y − y4 )2 + (Z − z4 )2 − c ⋅ ∆T
Obr. 13 Jednoduché diference
34
Na levé straně rovnic jsou zdánlivé
vzdálenosti přijímače k jednotlivým
družicím, tak jak byly naměřené. X, Y a Z
jsou souřadnice přijímače, které chceme
určit, xi, yi a zi jsou souřadnice jednotlivých
družic v době měření zdánlivých vzdáleností
(získáme je výpočtem z údajů obsažených v
navigačních zprávách jednotlivých družic), c
je rychlost světla a ∆T je neznámý posun
hodin přijímače oproti systémovému času,
který chceme rovněž určit. Tyto rovnice
musí být řešeny simultánně tak, aby přijímač
mohl
přímo
poskytovat
výstup
v
souřadnicích. Poloha je určována v
geocentrických souřadnicích, bývá však z
Ver. 1.0
3 Navigační systémy
pravidla převáděna do geografických souřadnic. Obecně může být poloha převedena do
souřadnic prakticky libovolného kartografického zobrazení.
3.3.3.2 Určování relativní polohy
Přijímače mohou rovněž být použity pro určování relativní polohy vzhledem k pevně
známému bodu. Tento postup může být aplikován jak v reálném čase přímo při měření v
terénu, tak i při následném zpracování v kanceláři (angl. postprocessing).
Relativní určování polohy je založeno na kódových měřeních, která určitým způsobem
opravuje (koriguje). Korekce se určují pomocí referenčního přijímače, který umisťujeme na
bod o přesně známých souřadnicích. Z jeho měření je možné vypočítávat odchylku (chybu)
přijímačem určené polohy od polohy skutečné. Zjištěné odchylky je možné přenášet jako tzv.
korekce do druhého přijímače a použít je pro opravu jeho měření. Přitom se předpokládá, že
oba přijímače jsou zatíženy přibližně stejnou velikostí geometrických a časových chyb a že
většina běžných chyb se touto cestou vyruší (odečte).
Relativní určování polohy touto metodou dosahuje výrazně lepší přesnosti: v případě
použití dálkoměrného kódu standardní přesnosti může být přesnost určování relativní polohy
lepší než 1 metr, v případě dálkoměrného kódu vysoké přesnosti se může přesnost pohybovat
na úrovni decimetrů.
3.3.3.3 Přesná geodetická měření
Pokud provádíme přesná geodetická měření s požadovanou přesností řádově v
centimetrech, jako je zaměřování základen (angl. base lines), pak již nevystačíme s měřeními
odvozenými od sledování dálkoměrných kódů, ale je nezbytné použít fázových měření.
Fázová měření jsou prováděna několika (minimálně dvěma) přijímači současně v předem
definovaných měřicích intervalech – tzv.
epochách (angl. epoch) – (co 1s, co 15
s apod.) a vzhledem k několika družicím. Po
skončení měření jsou naměřená data
přenesena do počítače a zpracována. Poloha
měřených bodů se neurčuje přímým
zpracováním
naměřených
(„nediferencovaných“) dat, ale pro každou
epochu se z nich počítají nové sady dat,
zvané jednoduché diference (angl. single
difference) [109]. Jedná se o diference mezi
fázovými měřeními provedenými dvěma
přijímači k jedné družici ve stejné epoše
(obr. 13). Jednoduché diference eliminují
vliv chyb hodin družice.
Z jednoduchých diferencí jsou následně
počítány dvojité diference (angl. double
difference).
Jednoduše
řečeno,
toto
zpracování je založeno na výpočtu rozdílu (diference) dvou jednoduchých diferencí. To
znamená, že potřebujeme měření provedená současně mezi dvěma družicemi a dvěma
přijímači v jedné epoše (obr. 14). Dvojité diference jsou téměř nezávislé na chybách hodin
přijímačů díky jejich dobré synchronizaci. Zbytková chyba je pak tak malá, že je pod úrovní
přesnosti měření. V diferencování můžeme dále pokračovat, například lze počítat rozdíly mezi
dvěma dvojitými diferencemi, vztahujícími se k dvěma rozdílným epochám. Výsledné trojité
Obr. 14 Dvojité diference
35
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
diference (angl. triple difference) tedy vychází z fázových měření mezi dvěma přijímači a
dvěma družicemi provedených ve dvou epochách (obr. 15). Výhodou trojitých diferencí je, že
nezávisí na počátečních celočíselných nejednoznačnostech, protože ty zůstávají po celou dobu
měření konstantní (pokud samozřejmě nedojde k fázovému skoku). Při určování polohy bodů
pomocí dvojitých i trojitých diferencí je nezbytné provádět měření minimálně ke čtyřem
družicím.
Trojité diference jsou velice vhodné pro
detekci a řešení fázového skoku, protože
jeho výskyt se projeví v hodnotách trojitých
diferencí jako individuální výrazně se
odchylující hodnota.
V praxi se pro vlastní vyhodnocování
geodetických měření používají především
dvojité diference, poskytující daleko
robustnější řešení.
Obr. 15 Trojité diference
•
Nejmodernější měřické přístroje obvykle
využívají kombinaci kódových a fázových
měření, což umožňuje daleko rychleji nalézt
hodnotu celočíselné nejednoznačnosti. Další
možností, jak urychlit hledání celočíselné
nejednoznačnosti, je pracovat ne s nosnými
vlnami, ale s jejich lineárními kombinacemi.
V úvahu přicházejí dvě možnosti:
• použijeme rozdíl vlnových délek, tzv.
wide-lane
použijeme součet vlnových délek, tzv. narrow-lane.
Wide-lane – toto vyhodnocení je založeno na použití kombinace fázových měření
provedených na L1 a L2 v diferenčních rovnicích. Odečtením pozorování provedených na
jednotlivých nosných vlnách (L1 - L2) generuje "wide-lane carrier phase". Její efektivní délka
je 86.2 cm. Toto uspořádání umožňuje nalézt hodnotu celočíselné nejednoznačnosti mnohem
snadněji a výrazně rychleji. Vzhledem k vlnové délce totiž stačí znát výchozí polohu
přijímače s přesností do 86 cm místo 19 cm při měření jen na frekvenci L1 [110]. Určení
celočíselné nejednoznačnosti pro wide-line pak výrazně usnadní určení celočíselné
nejednoznačnosti pro měření na L1.
Narrow-lane – jedná se obdobný postup jako v předešlém případě, s tím rozdílem, že se
měření z obou nosných vln sečtou (L1 + L2). Vznikne „narrow-line carrier phase” s efektivní
vlnovou délkou 10.7 cm. Tento postup se s výhodou využívá při eliminace vlivu ionosféry na
GPS měření.
3.4 Globální družicové navigační systémy
Evropské státy přistupují k systémům GPS i GLONASS s nedůvěrou. Vytýkají jim
především jejich vojenský charakter a také skutečnost, že jsou spravované každý jen jediným
státem. Proto usilují o vybudování globálního družicového navigačního systému (angl.
Global Navigation Satellite System – GNSS), který bude spravován nadnárodně a bude zcela
nevojenský.
36
Ver. 1.0
3 Navigační systémy
Původně se předpokládalo že by mohl vzniknout sloučením systémů GPS a GLONASS.
Později se předpokládalo, že by mohl být vybudován pouze na bázi systému GLONASS.
Nicméně v roce 1994 publikovalo Evropské společenství studii, v níž byly systémy GPS i
GLONASS označeny jen za předstupeň k budoucímu nezávislému celosvětovému civilnímu
družicovému navigačnímu systému. Cesta k němu měla vést přes GNSS-1 a GNSS-2.
GNSS-1 byl vnímán jako přechodový stupeň mezi existujícími, vojenskými složkami
provozovanými družicovými polohovými systémy a budoucím celosvětovým civilním GNSS2, který již měl být na existujících systémech nezávislý, ale měl s nimi být schopen
spolupracovat.
GNSS-1 se proto označují jako rozšiřující systémy, které zvyšují přesnost, spolehlivost a
dostupnost především systému GPS. V současné době se sem řadí evropský projekt EGNOS,
americký WAAS a japonský MSAS (viz dále). Všechny tyto systémy by měly být uvedeny do
provozu na počátku třetího tisíciletí.
V kategorii GNSS-2 dnes existuje pouze jediný projekt, a to právě projekt Evropské unie,
označovaný názvem Galileo. Budeme se mu věnovat podrobněji v samostatné kapitole.
V poslední době se v literatuře objevil odklon od původního dělení na GNSS-1 a GNSS-2,
dnes se již prakticky hovoří pouze o GNSS.
3.5 Další družicové navigační systémy
Vedle výše zmíněných plně realizovaných systémů vznikla i celá řada dalších plánů na
vybudování družicových navigačních systémů, které však byly realizovány jen částečně,
případně zůstaly jen ve stádiu úvah a prvních návrhů. Jedná se především o tyto systémy:
•
•
•
•
•
•
•
•
Geostar
Locstar
Granas
Navsat
Star-Fix
OmniTRACS
Euteltracs
a jiné.
Blíže je možné se o nich dozvědět například v [60] nebo v [2], případně je zde možné
nalézt odkazy na další literaturu. V této publikaci se o nich podrobněji nezmiňujeme, protože
nemají žádný praktický dopad na naši komunitu uživatelů.
37
Ver. 1.0
4 Historie družicových navigačních systémů
4 Historie družicových navigačních systémů
O možnosti využít družice pro vybudování globálního elektronického navigačního systému
se začalo uvažovat koncem 50. let - prakticky ihned po vypuštění první umělé družice Země
Sputnik 1. Na základě přijímání signálů vysílaných touto družicí došli vědci z americké The
Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (APL) k zajímavému zjištění, že na
základě Dopplerova posunu signálu vysílaného družicí a známých souřadnic přijímače lze
určit parametry její oběžné dráhy již při jejím jediném průchodu1. V krátké době byla
vyvinuta i inverzní úloha: na základě známých parametrů oběžné dráhy družice a známé
polohy družice na ní bylo možné určit polohu pozorovatele [132, 133, 180]. Odtud byl jen
krůček k prvnímu rutinně pracujícímu globálnímu navigačnímu systému, pokrývajícímu
svými signály celý povrch Země. Uvedlo ho do provozu námořnictvo Spojených států
amerických v roce 1964. Jednalo se o družicový navigační systém námořnictva USA známý
pod názvem Transit [17, Ack94, Dan98]. Tento systém pracoval na principu dopplerovských
měření. Byl tvořen šesti družicemi, obíhajícími po nízkých polárních, téměř kruhových
oběžných dráhách ve výšce cca 1075 km a vysílajících na dvou nosných frekvencích přibližně
150 MHz a 400 MHz s výkonem 1-2 W [60]. Dále k němu patřily tři pozemní pozorovací
stanice umístěné na území USA, které tvořily řídicí segment. Oběžná doba družic byla 107
min a družice byly v prostoru rozmístěny tak, že z kteréhokoliv míst na zeměkouli byla
viditelná alespoň jedna družice každých 35 až 120 minut (v závislosti na zeměpisné šířce, na
níž se dopravní prostředek nacházel; čím blíže byl rovníku, tím byl interval delší). Toto
omezení bylo diktováno požadavkem zamezit možnosti vzniku interference signálů ze dvou
družic. Avšak vzhledem k tomu, že systém Transit byl původně určen pro navigaci
vojenského loďstva, tedy objektů pohybujících se relativně pomalu, nebyla občasná
dostupnost považována za problém.
Pokaždé, když se objevila družice nad obzorem, mohl pozorovatel zjistit svoji polohu
zpracováním signálů přijatých z družice. Maximální doba viditelnosti družice nad obzorem
byla 18 minut. Každá družice vysílala signál, na němž byla ve dvouminutových relacích
přenášena data, obsahující parametry oběžných drah družic a dále sadu vojenských údajů
[60]. Družice dostávaly údaje o své oběžné dráze (tzv. efemeridy) z pozorovacích stanic
každých 12 hodin. Pomocí těchto údajů mohl uživatel určit přesnou polohu družice v době
měření. Pozorovatel pak na základě znalostí těchto údajů a změřeného dopplerovského
posunu přijímané nosné vlny mohl určit svoji polohu. Původní systém umožňoval určovat
polohu s přesností na cca 800 m (půl míle), ale postupné zdokonalování techniky i
vyhodnocovacích postupů vedlo až k dosažení přesnosti lepší než 5 m.
Od roku 1967 je systém k dispozici pro civilní potřeby. Celkově se odhaduje, že systém
používalo v době jeho největší slávy až 80.000 civilních uživatelů.
Hlavním zdrojem chyb u tohoto systému byla nepřesnost vysílaných efemerid. Proto byl
vyvinut způsob určování polohy, kdy jedna stanice byla umístěna na bodu se známou
polohou, z naměřených signálů byly spočteny korekce efemerid a ty pak bylo možné použít
pro korekci výpočtů v okruhu cca 100-500 km. Poprvé tak byl použit princip relativního
určování polohy. Výsledná přesnost pak byla lepší než 1 m.
Nevýhodou systému Transit tedy bylo to, že:
•
1
pozorovatel musel zavádět do výpočtů polohy korekce na vlastní rychlost
Podrobně je možné se o této době dočíst v [54].
39
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
•
•
•
7.2.2002
výsledné souřadnice byly jen dvourozměrné
relativně malá přesnost určování polohy
navigační signály byly dostupné jen občas.
Proto nebylo prakticky možné tento systém využít pro leteckou navigaci (i když některé
pokusy byly učiněny [60]).
Jak již bylo zmíněno, tento systém byl původně vyvinut pro potřeby ponorkového loďstva,
ale postupně se rozšířilo i jeho komerční využití pro civilní námořní navigaci. Poslední
družice tohoto navigačního systému byla vypuštěna v roce 1988. Systém Transit byl
definitivně poslán do výsluhy v roce 1996 po 32 letech služby2.
Koncepce systému Transit byla natolik úspěšná, že se původně uvažovalo i o vybudování
zcela komerční varianty, založené na využití velkého počtu levných družic, zajišťujících
téměř nepřetržitou dostupnost signálů. Nicméně nástup systému GPS nakonec vedl k opuštění
této myšlenky [2].
Zkušenosti získané při vývoji a provozování systému Transit byly velice užitečné právě při
vývoji pozdějšího systému GPS.
V roce 1972 byl uveden do života další systém, který dostal název Timation [17] a který
byl zaměřen na vysílání přesného časového signálu. Tento projekt byl rovněž zdrojem
cenných zkušeností pro pozdější projekt GPS (třetí z řady družic byla použita právě pro
demonstraci technologie GPS).
Obdobný vývoj proběhl i v bývalém Sovětském svazu. Koncem šedesátých let byl pro
potřeby ponorkového loďstva uveden do provozu dopplerovský navigační systém,
označovaný názvem Cyklon a dodnes jsou provozovány další dva obdobné systémy vojenský šesti družicový s názvem Parus (nebo též Cikada-M) a civilní čtyř družicový s
názvem Cikada. Tyto systémy mají stejné nevýhody jako americký Transit - jen
dvourozměrné souřadnice, s přesností 500 m při příjmu signálu jen z jedné družice a špatný
časový signál.
V sedmdesátých letech začaly obě tehdejší světové supervelmoci pracovat na družicových
navigačních systémech nové generace. Jednalo se o družicové pasivní dálkoměrné systémy,
které by umožňovaly určování polohy v trojrozměrném prostoru spolu s přesným časem a
zpřístupnily by tak družicovou navigaci i letectvu. Ve spojených státech amerických padlo
definitivní rozhodnutí o vybudování takovéhoto systému 17. prosince 1973. Od svého
prvopočátku nesl projekt dva názvy - GPS a NAVSTAR. Název NAVSTAR se někdy
vydává za akronym názvu Navigation System using Time And Ranging, ale sám autor
projektu se nad tím jen usmívá - tento druhý název nemá žádný význam, byl používán jen
proto, aby bylo vyhověno vysokému úředníkovi na ministerstvu obrany, který rozhodoval o
přidělování finančních prostředků projektům a který projevil nelibost nad názvem GPS [17].
Původní představa byla taková, že bude vypuštěno 24 družic na třech oběžných drahách se
sklonem 63 stupňů a výškou 20 200 km. Doba oběhu měla být přibližně 12 hodin (přesněji
dva oběhy za jeden siderický den) s pravidelnými drahami nad terénem, což mělo zajistit
periodický průchod nad řídicí stanicí umístěnou na území USA, která měla na družice vysílat
údaje o jejich oběžných drahách. Tři oběžné dráhy byly zvoleny proto, aby k zajištění chodu
systému stačily tři náhradní družice schopné kdykoliv zaujmout pozici poškozené družice.
Tato konstelace měla zajistit kdykoliv viditelnost minimálně šesti a maximálně jedenácti
družic. Tím měla být zajištěna maximální robustnost systému.
2
Podrobně je historie systému Transit popsána v [18].
40
Ver. 1.0
4 Historie družicových navigačních systémů
Později byly přijaty dvě změny - sklon oběžných drah byl snížen na 55 stupňů a počet
oběžných drah byl zvýšen na šest se čtyřmi družicemi na každé z nich. Počet družic včetně
rezervních zůstal 24. V případě potřeby je možné systém doplnit o další družice a zvýšit tak
jeho robustnost.
Rovněž bývalý Sovětský svaz přistoupil v sedmdesátých letech k vývoji vlastního
pasivního dálkoměrného družicového navigačního systému (nese název GLONASS
z ruského Globalnaja Navigacionnaja Sputnikovaja Systema), který využívá prakticky stejné
principy, na kterých je postaven systém americký. Má však několik odchylek. Nevyužívá
například pravou semisynchronní oběžnou dráhu (tedy 20 200 km), ale dráhu o něco nižší 19 100 km. Tato výška byla vybrána spolu s anténou se speciální vyzařovací charakteristikou,
aby bylo vytvořeno kompletní radionavigační pole kdekoliv až do výšky 2 000 km nad
zemským povrchem. Díky sklonu oběžné dráhy, který je téměř 65 stupňů (přibližně stejný
jaký byl původně projektován pro americký systém) je zajištěno, že dráha družice nad
terénem je každých 17 oběhů (co osm dní) stejná.
Zatím posledním slovem v oblasti GNSS je připravovaný projekt Evropské unie s názvem
Galileo. O jeho realizaci bylo rozhodnuto na přelomu roku 2000 a 2001. Bude se jednat o
čistě civilní systém, poskytující služby co nejširšímu okruhu civilních uživatelů.
41
Ver. 1.0
5 Systém GPS
5 Systém GPS
I když má dnes systém GPS rozsáhlé civilní využití, nesmíme zapomínat, že se jedná
primárně o vojenský systém, který byl vyvinut a je dodnes spravován ministerstvem obrany
USA. Svého času proběhla ve Spojených státech amerických diskuse o jeho budoucím
začlenění, a to až na úrovni kongresu USA. Hlavním zájemcem o správu systému GPS bylo
sice ministerstvo dopravy USA, nicméně zatím trvá zařazení tohoto systému pod ministerstvo
obrany USA a v nejbližší době ani nelze očekávat změny.
Počet civilních uživatelů systému GPS lze dnes odhadnout na desítky milionů. Důvody
tohoto nevšedního zájmu jsou v [139] shrnuty takto:
•
•
•
•
•
•
relativně vysoká polohová přesnost, od desítek metrů až po milimetry
schopnost určovat i rychlost a čas s přesností odpovídající přesnosti polohové
dostupnost signálů kdekoliv na Zemi: na povrchu, na moři, ve vzduchu i v blízkém
kosmickém prostoru
standardní polohová služba systému GPS je civilním uživatelům dostupná bez
omezení, bez jakýchkoliv poplatků a její nejběžnější využívání je možné i při použití
relativně levného zařízení
je to systém pracující za každého počasí a dostupný 24 hodin denně
polohu je možné určovat v třírozměrném prostoru.
Globální polohový systém byl navržen tak, aby umožňoval všem odpovídajícím způsobem
vybaveným uživatelům vysoce přesné určování třírozměrné polohy a rychlosti pohybu a dále
získávání přesného časového signálu.
5.1 Historie systému GPS
Jak již bylo zmíněno dříve, historie družicové navigace sahá do počátku šedesátých let,
kdy vojenské námořnictvo USA začalo rozvíjet projekt Transit. O něco později se o
družicovou navigaci začalo zajímat i letectvo USA. Obě vojenské složky postupovaly ve
vývoji těchto systémů odděleně, až teprve počátkem 70. let vydalo ministerstvo obrany
Spojených států amerických memorandum, jímž podřídilo další vývoj družicových
navigačních systémů vzdušným silám. Původně samostatné projekty obou vojenských složek
byly sloučeny do jediného programu označeného názvem NAVSTAR – GPS. Od 1.7.1973
řídí program společná programová skupina (angl. Joint Program Office – JPO), zřízená při
kosmické divizi velitelství systémů vzdušných sil USA (angl. US Air Force Systems
Command, Space Systems Division, Navstar GPS Joint Program Office) na letecké základně
v Los Angeles. Členy jsou zástupci letectva, námořnictva, armády, námořní pěchoty, Pobřežní
stráže, Obranné mapovací služby (angl. Defense Mapping Service), zástupců NATO a
Austrálie [60]. V prosinci 1973 obdržela JPO oficiální povolení k zahájení prací na systému
NAVSTAR – GPS.
Práce probíhaly v několika etapách (upraveno podle [60]):
První etapa probíhala v letech 1973 – 1979 a byla zaměřena na ověření základních
principů činnosti systému GPS. Nejprve byly prováděny pozemní testy zaměřené na ověření
možností třírozměrné navigace v reálném čase. Na testovacím polygonu v Arizoně byly
umístěny pozemní vysílače, vysílající stejné navigační signály, jako budoucí družice. Nad
43
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
testovacím polygonem přelétávaly stíhačky vybavené přijímačem a ověřovaly přesnost a
spolehlivost navigace. Po té se pokusy přenesly do kosmického prostoru.
První družice pro ověření navigační technologie byly realizovány jako rozšíření
programu Timotion. První byla nazvána Timotion II, ale později byla přejmenována na NTS1. Byla vypuštěna 14. července 1974 a měla poprvé na palubě atomové hodiny: dva rubidiové
oscilátory. Druhá a poslední družice této skupiny nazvaná NTS-2 již na své palubě nesla
některé komponenty budoucích družic GPS: první césiové hodiny, generátor dálkoměrného
kódu a první kosmický GPS počítač [17].
V průběhu roku 1978 byly vypuštěny první čtyři vývojové navigační družice Blok I, které
byly na oběžných drahách rozmístěny tak, aby po omezenou dobu umožňovaly
plnohodnotnou třírozměrnou navigaci, a to opět především v oblasti testovacího polygonu
v Arizoně. Družice Bloku I byly původně objednány čtyři, později byly doplněny o dvě další
a nakonec jich bylo ve vesmíru umístěno jedenáct. Všechny dosáhly operačního stavu. První
družice tohoto bloku byla vypuštěna 22. února 1978. Projektovaná životnost družic byla tři
roky, ale některé z nich pracovaly ještě po deseti letech. Výhodou těchto družic bylo, že jejich
signály byly v plném rozsahu přístupné komukoliv (tzn. že na nich nebyly implementovány
mechanizmy jako je anti-spoofing nebo selektivní dostupnost).
Druhá etapa proběhla v letech 1979 – 1985. V tomto období byla budována řídicí
střediska, v roce 1980 byl zahájen vývoj družic Bloku II a byl zahájen vývoj a ke konci i
ověřovací testy přijímačů GPS. Prototypy přijímačů byly testovány opět především na
testovacím polygonu, ale také při námořních operacích.
Třetí etapa probíhala od roku 1985 do 17. července 1995. V této době byl uzavřen
kontrakt na výrobu 29 družic Bloku II. První z nich byla vypuštěna v únoru roku 1989 a
operačního stavu dosáhla 10. srpna 1989. Tyto družice nejprve doplňovaly a později i
nahrazovaly družice Bloku I. Výkonnost systému se postupně zvyšovala, až bylo počátkem
roku 1993 dosaženo stavu, kdy bylo možné provádět třírozměrnou navigaci kdekoliv na Zemi
po 24 hodin denně. Desátá až 29. družice Bloku II jsou označované jako družice Bloku IIA.
Vyznačují se dalším zdokonalením a jsou schopné pracovat až 180 dní bez komunikace
s řídicím segmentem (např. v důsledku jeho zničení při válečných operacích). V červnu 1989
byl uzavřen kontrakt na vývoj a výrobu dalších družic, označovaných jako Blok IIR. Tyto
družice jsou dále zdokonalené, jsou opět schopné autonomního provozu až po 180 dní, navíc
jsou schopné mezi sebou komunikovat a určovat svoji vzájemnou vzdálenost. Díky tomu je
možné snadněji detekovat anomální stavy družic a signalizovat je uživatelům bez zásahu
řídicího segmentu. 8. prosince 1993 bylo dosaženo počátečního operačního stavu (angl.
Initial Operational Capability – IOC), což znamená, že v kosmickém segmentu bylo
družicemi osazeno všech plánovaných 24 pozic, všechny družice fungovaly bezchybně,
poskytovaly standardní polohovou službu a provozovatel systému oznamoval plánované
změny provozního stavu družic civilním uživatelům 48 hodin předem. 3. března 1994 byl
splněn předpoklad pro přechod systému GPS do plného operačního stavu (angl. Full
Operational Capability – FOC) – v kosmickém segmentu bylo rozmístěno 24 družic Bloku
II/IIA. Tohoto stavu pak bylo dosaženo 17. července 1995.
Čtvrtá etapa probíhá od 17. července 1995 do dnes. V podstatě se jedná o období
rutinního provozu a využívání systému GPS. V tomto období jsou budovány další doplňkové
služby systému GPS, jako jsou systémy pro šíření diferenčních korekcí, rozvíjí se diskuse o
možném rozšíření (angl. augmentation) systému tak, aby bylo možné zajistit jeho integritu pro
potřeby civilního letectví, diskutuje se o možném rozšíření vysílaných signálů na družicích
následujícího Bloku IIF, případně již na později vypouštěných družicích Bloku IIR atd.
V roce 1999 byl podepsán kontrakt na vývoj a výrobu první série družic Bloku IIF.
44
Ver. 1.0
5 Systém GPS
Předpokládá se, že jich bude vyrobeno šest a první bude vypuštěna v roce 2004. Celkově jich
mělo být dle původního záměru objednáno 33 [248] v několika sériích, ale v poslední době se
objevují zprávy o snížení počtu družic Bloku IIF a urychlení vývoje zcela nové generace
družic Bloku III.
5.1.1 Generace družic systému GPS
V rámci projektu GPS bylo doposud vyvinuto celkem pět generací družic:
•
•
•
•
družice pro ověření navigační technologie (angl. Navigation Technology Satellites NTS)
vývojové navigační družice (angl. Navigation Development Satellites), nebo též Blok I
družice Bloku II
družice Bloku IIA
družice Bloku IIR
ve vývoji a výrobě je šestá generace:
•
družice Bloku IIF.
a plánuje se vývoj další generace:
•
družice Bloku III.
Družice pro ověření navigační technologie byly realizovány jako rozšíření programu
Timotion. První byla nazvána Timotion II, ale později byla přejmenována na NTS-1. Byla
vypuštěna 14. července 1974 a měla poprvé na palubě
atomové hodiny: dva rubidiové oscilátory. Druhá a
poslední družice této skupiny nazvaná NTS-2 již na své
palubě nesla některé komponenty budoucích GPS družic:
první cesiové hodiny, generátor dálkoměrného kódu
(PRN) a první kosmický GPS počítač.
Vývojové navigační družice Blok I (obr. 16) byly
původně objednány 4, později byly doplněny o 2 další a
nakonec jich bylo ve vesmíru umístěno 11. Všechny
dosáhly operačního stavu. První družice tohoto bloku
byla vypuštěna 22. února 1978. Projektovaná životnost
Obr. 16 Družice Bloku I [229]
družic byla 3 roky, ale některé z nich
pracovaly ještě po 10 letech a průměrná
životnost byla 8.76 roku [133]. Výhodou
těchto družic bylo, že jejich signály byly
v plném rozsahu přístupné komukoliv.
Operační družice Bloku II a IIA (A –
z angl. advanced – pokročilý; obr. 17) byly
vlastně první operační družice. Bylo jich
vyrobeno celkem 29. Byly vypouštěny
s frekvencí šest za rok, první byla uvedena
Obr. 17 Družice Bloku IIA
45
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
do operačního stavu 10. srpna 1989. Na těchto družicích byla poprvé zavedena selektivní
dostupnost a šifrování P-kódu (viz později). Projektovaná životnost u této série družic byla 6
roků, ale očekává se, že průměrná doba životnosti přesáhne 10 let.
Nové operační družice Bloku IIR
(R – z angl. replenishment – doplnění,
náhrada;
obr.
18)
představují
zdokonalené a výkonnější družice GPS:
Bylo jich objednáno celkem 20
s možností rozšíření dodávky o 6
dalších a na oběžnou dráhu jsou
vysílány od roku 1997. Tyto družice
mají zvýšenou protiradiační ochranu a
zdokonalenou autonomii. Mohou běžně
pracovat až 14 dní bez kontaktu
s řídicím segmentem a v případě
potřeby mohou přejít do autonomního
navigačního modu (angl. Autonomous
Navigation Mode – AUTONAV),
v kterém mohou pracovat až 180 dní
bez aktualizace dat řídicím segmentem.
Jsou
totiž
schopné
vzájemně
komunikovat,
určovat
vzájemné
vzdálenosti
mezi
jednotlivými
družicemi systému a na základě
výsledků pak upravovat údaje obsažené
v navigačních
zprávách.
Podle
původních
plánů
mely
mít
opět
Obr. 18 Družice Bloku IIR [230]
přesnější
hodiny,
založené
na
vodíkovém maseru, ale konstrukční problémy tomuto zdokonalení nakonec zabránily. Jsou
proto standardně vybavovány dvěma rubidiovými a jedněmi cesiovými atomovými hodinami.
Start první družice tohoto bloku se uskutečnil v roce 1997, ale skončil nezdarem. První
úspěšný start proběhl v tomtéž roce. Druhá družice byla vypuštěna v říjnu 1999, třetí v květnu
2000 a vypuštění čtvrté je plánováno na červenec roku 2000. Pak by měla ve vypouštění
následovat asi osmi měsíční přestávka. Plánovaná průměrná životnost družic tohoto bloku je
7.8 roku.
Družice Bloku IIF (F – z angl. follow on – následující;
obr. 19) představují čtvrtou generaci družic. Původně se
předpokládalo pořízení 33 družic [248], schopných operovat
s nově koncipovaným pozemním řídicím segmentem [133].
Předpokládalo se, že počátečního operačního stavu by
systém GPS s družicemi Bloku IIF dosáhl v roce 2012,
termín plného operačního stavu zatím uveden nebyl.
Znamená to, že teprve někdy po roce 2012 by uživatelům
Obr. 19 Družice Bloku IIF
byly
k dispozici
v plném
rozsahu
nové
prvky
implementované na těchto družicích. Nicméně v poslední
době se hovoří o snížení počtu družic tohoto bloku a uspíšení vývoje družic bloku
následujícího.
Družice Bloku III budou představovat zcela novou generaci družic, které by měly
splňovat požadavky, které budou na systém GPS kladeny ve třetím desetiletí 21. století. Tyto
46
Ver. 1.0
5 Systém GPS
družice se zatím nacházejí jen v úvahách konstruktérů a možná v podobě prvních náčrtků i na
papíře. Zatím se rozbíhá diskuse o tom, jaké úkoly by měly plnit, jaké služby poskytovat atd.
5.2 Struktura systému GPS
Systém GPS je tvořen třemi základními segmenty:
•
•
•
kosmickým
řídicím
uživatelským.
Ačkoliv pro správnou funkci systému GPS jsou potřebné všechny tři segmenty, lze je do
jisté míry považovat za nezávislé části, které jsou dohromady svázané jen přesným časem [2].
Přesný čas je koneckonců základním stavebním kamenem celého systému.
5.2.1 Kosmický segment
Kosmický segment je tvořen soustavou družic, rozmístěných systematicky na oběžných
drahách a vysílajících navigační signály.
Plná konstelace kosmického segmentu systému GPS sestává z 24 družic: 21 navigačních a
tří aktivních záložních družic. Kromě toho by měly být další čtyři záložní družice připravené
v pohotovosti na Zemi tak, aby je bylo možné umístit na oběžné dráze a uvést do plného
provozu do 48 hodin [60]. Oběžné dráhy mají stálou polohu vůči Zemi. Oběžná doba družic
je přibližně 12 hodin (přesněji 11 hodin a 58 minut – polovina siderického dne). Konstelace je
tvořena šesti oběžnými drahami se čtyřmi družicemi na každé z nich a sklon oběžné dráhy je
okolo 55 stupňů vzhledem k rovníku (viz obr. 20). Toto uspořádání garantuje, že na
kterémkoliv místě na Zemi jsou trvale dostupné signály z minimálně čtyř družic po celých 24
hodin. Ve většině případů je však viditelných více družic, v ideálním případě až 12. Díky
kruhové oběžné dráze a relativně velké oběžné výšce je systém dlouhodobě velice stabilní a
případné změny oběžných drah se dobře
modelují, na rozdíl od družic umístěných
na nízkých oběžných drahách.
Družice systému GPS se prakticky
vyskytují v nadhlavníku pouze v pásu
mezi přibližně 60 stupni severní a jižní
šířky. Pokud se pohybujeme dále
směrem k pólům, jsou družice systému
GPS stále dostupné, ale postupně se
zhoršuje jejich geometrie při měření
[325].
Družice
po
vypuštění
pracují
prakticky
nepřetržitě,
s výjimkou
krátkých přestávek vynucených potřebou
provádění periodické údržby [319].
Jedním z důvodů těchto odstávek je
Obr. 20 Kosmický segment systému GPS
například údržba césiových hodin, které
vyžadují periodicky, přibližně dvakrát za rok, dopumpování plynové trubice, aby byl zajištěn
jejich řádný chod. Tato operace trvá průměrně 18 hodin a po tuto dobu je družice označena
jako nezdravá.
47
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
Dále je zapotřebí provést jednou do roka korekci oběžné dráhy družic z důvodu zachování
plánovaného rozmístění družic v konstelaci. Každá družice totiž má tendenci postupně se
vzdalovat z vyhrazené polohy na oběžné dráze. Důvodem jsou například změny gravitačního
UNCLASSIFIED
GPS OPERATIONAL ADVISORY
238.OA1
SUBJ: GPS STATUS
25 Aug 2000
3.
3.
SATELLITES, PLANES, AND CLOCKS (CS=CESIUM RB=RUBIDIUM):
BLOCK I : NONE
B. BLOCK II: PRNS 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 13, 15, 16
PLANE
: SLOT F4, B3, C2, D4, B4, C1, C4, A3, A1, E3, D2, F5, D5, E5
CLOCK
:
CS, CS, CS, RB, CS, CS, RB, RB, CS, CS, RB, RB, CS, CS
BLOCK II: PRNS 17, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31
PLANE
: SLOT D3, A5, E1, E2, B1, E4, D1, A2, F2, A4, B5, F1, B2, C3
CLOCK
:
CS, CS, RB, CS, RB, CS, RB, CS, RB, CS, RB, RB, CS, CS
2. CURRENT ADVISORIES AND FORECASTS :
A. FORECASTS:
FOR SEVEN DAYS AFTER EVENT CONCLUDES.
NANU
MSG DATE/TIME
PRN TYPE
SUMMARY (JDAY/ZULU TIME START – STOP)
2000116
182017Z JUL 2000
2000119
202251Z JUL 2000
2000120
242103Z JUL 2000
2000122
270554Z JUL 2000
2000124
281417Z JUL 2000
2000125
011130Z AUG 2000
2000126
012034Z AUG 2000
2000127
012037Z AUG 2000
2000128
030017Z AUG 2000
2000129
091040Z AUG 2000
2000130
102048Z AUG 2000
2000132
172111Z AUG 2000
2000134
242238Z AUG 2000
B. ADVISORIES:
NANU
MSG DATE/TIME
2000109
2000123
2000131
C. GENERAL:
NANU
02
04
26
02
04
26
06
02
06
02
06
29
29
PRN
281842Z JUN 2000
270712Z JUL 2000
171408Z AUG 2000
MSG DATE/TIME
PRN
FCSTMX
FCSTDV
FCSTDV
FCSTSUMM
FCSTSUMM
FCSTSUMM
FCSTMX
FCSTDV
FCSTRESCD
FCSTSUMM
FCSTSUMM
FCSTMX
FCSTSUMM
TYPE
18
16
28
UNUSUFN
UNUSUFN
USABINIT
TYPE
209/0330-209/1530
210/0330-210/1530
214/0530-214/1730
209/0407-209/0553
210/0401-210/1413
214/0555-214/1121
223/1130-223/2330
222/0545-222/1745
223/1100-223/2300
222/0611-222/1031
223/1224-223/1726
237/1615-238/0415
237/1645-237/2233
SUMMARY (JDAY/ZULU TIME START – STOP)
180/1319-/
209/0707-/
230/1351-/
SUMMARY (JDAY/ZULU TIME START – STOP)
3. REMARKS:
3.
ANTI-SPOOF WAS DEACTIVATED ON JDAY 033 (02 FEB 97) AT OOOOZ.
ANTI-SPOOF WAS REACTIVATED ON JDAY 055 (24 FEB 97) AT 0000Z.
B. THE POINT OF CONTACT FOR GPS MILITARY OPERATIONAL SUPPORT IS THE GPS
SUPPORT CENTER AT (719)567-2541 OR DSN 560-2541.
C. CIVILIAN: FOR INFORMATION, CONTACT US COAST GUARD NAVCEN AT
COMMERCIAL (703)313-5900 24 HOURS DAILY, COMPUTER BBS (703)313-5910,
AND INTERNET HTTP://WWW.NAVCEN.USCG.MIL OR FTP://FTP.NAVCEN.USCG.MIL.
D. MILITARY: FOR INFORMATION, CONTACT 1LT HERB KNIERIM, 2SOPS/DOAN
NAVIGATION ANALYST AT (719)567-2744, DSN 560-2744, OR INTERNET
HTTP://WWW.SCHRIEVER.AF.MIL/GPS.
Obr. 21 Příklad aktuálního stavu družic rozmístěných v kosmickém segmentu GPS [302].
pole Země apod. Družice jsou v průběhu tohoto manévru odstavené v průměru po dobu 12
hodin.
V současné době je v kosmickém segmentu umístěno celkem 28 družic (k 25.8.2000; obr.
21) a všechny vysílají navigační signály, což znamená, že se již nevyužívá mechanizmu
aktivních záloh. Tento počet aktivních družic by mohl budit zdání výrazně zvýšené
robustnosti systému GPS, nicméně je faktem, že až příliš mnoho z nich (15) se nachází ve
stavu, kdy jsou již poškozeny všechny redundantní systémy (družice pracují v tzv. „singlestring failure mode“) a první další porucha bude znamenat vyřazení družice z provozu.
Nejspíš i z tohoto důvodu bylo v poslední době rozhodnuto o snížení počtu družic Bloku IIF a
urychlení zavedení nové generace družic Bloku III. Dalším důvodem byla i skutečnost, že
48
Ver. 1.0
5 Systém GPS
systém GPS vyžaduje významnější modernizaci, než je možné zajistit prostřednictvím družic
Bloku IIF, které by tvořily konstelaci družic GPS po dalších 20 let [34].
5.2.2 Řídicí segment
Řídicí segment je zodpovědný za řízení celého globálního polohového systému.
Z uživatelského hlediska je jeho hlavním úkolem aktualizovat údaje obsažené v navigačních
zprávách vysílaných jednotlivými družicemi kosmického segmentu (viz dále). Řídicí
segment je tvořen soustavou pěti pozemních monitorovacích stanic (angl. monitoring
stations) umístěných na velkých vojenských základnách americké armády (Havaj, Kwajalein,
Diego García, Ascension a Colorado Springs). V Coloradu na letecké základně Schriver
(Schriver Air Force Base) nacházející se v Colorado Springs je umístěna i hlavní řídicí
stanice (angl. Master Control Station – MCS). Kromě toho řídicí segment zahrnuje ještě tři
stanice pro komunikaci s družicemi (angl. ground antenna), které jsou umístěné na
vojenských základnách Kwajalein, Diego García a Ascension a které umožňují vysílat na
družice údaje o jejich oběžných drahách, nastavovat hodiny, aktualizovat navigační zprávy a
které umožňují také ovládání družic. V případě poruchy některé z těchto stanic je možné
využívat i středisko na Cap Canaveral, sloužícím jinak jen pro přípravu družic na vypuštění
[187]. Každá družice může obdržet aktualizované údaje i několikrát denně. Na obr. 22 je
mapa rozmístění těchto stanic.
Pozemní monitorovací stanice jsou bezobslužné, jsou řízené dálkově z hlavní řídicí stanice.
V podstatě se jedná o velice přesné GPS přijímače, doplněné o vlastní atomové hodiny. Tyto
přijímače jsou schopné sledovat všechny aktuálně viditelné družice (až 11 družic současně).
Veškerá prováděná měření jsou dvoufrekvenční. Tyto stanice neprovádějí prakticky žádné
zpracovávání přijatých dat, pouze určují prosté zdánlivé vzdálenosti k družicím a ty spolu
s přijatými navigačními zprávami přenášejí do hlavní řídicí stanice [187]. Zde jsou na základě
MCS
Cap Canaveral
Kwajalein
Hawai
Ascension
Diego Garcia
Obr. 22 Mapa rozmístění stanic řídicího segmentu systému GPS
přijatých výsledků měření vypočítány přesné údaje oběžných drah (tzv. efemeridy) a korekce
atomových hodin pro jednotlivé družice a přeneseny na stanice pro komunikaci s družicemi,
které minimálně jednou denně vysílají efemeridy a údaje o nastavení hodin na jednotlivé
družice. Tyto družice pak vysílají prostřednictvím radiových signálů efemeridy svých
oběžných drah a přesný čas do GPS přijímačů. Přesnost určení oběžných drah družic na
hlavní řídicí stanici se pohybuje kolem 1.5 metru [133]. (Parametry oběžných drah družic jsou
49
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
nezávisle určovány i jinými organizacemi, často na bázi fázových měření. Příkladem může
být International GPS Service (IGS), která je schopná do čtrnácti dnů produkovat parametry
oběžných drah družic s přesností až 3 cm [133]).
Uvádí se, že v případě vojenského útoku je systém GPS vcelku málo zranitelný. Hlavní
řídicí stanice je umístěna v opevněném bunkru ve Skalistých horách a má speciální ochranu.
Družice jsou od Bloku II chráněny před elektromagnetickým impulsem vyvolaným
kosmickým jaderným výbuchem. Navíc jsou tyto družice schopné dlouhodobého
autonomního provozu (viz výše). Snadno zranitelné proto jsou jen stanice pro komunikaci
s družicemi, přesněji jejich antény.
Monitorovací stanice umožňují sledovat družice GPS jen po 92 % času. Zbylou dobu jsou
družice mimo dosah řídicího segmentu [101].
5.2.3 Uživatelský segment
Uživatelský segment se skládá z GPS přijímačů, uživatelů a vyhodnocovacích nástrojů a
postupů. GPS přijímače provedou na základě přijatých signálů z družic předběžné výpočty
polohy, rychlosti a času. Pro výpočet všech čtyř souřadnic (x, y, z a t) je zapotřebí přijímat
signály alespoň ze čtyř družic. Tyto přijímače jsou používány pro navigaci, určování polohy,
měřictví,
určování
přesného času, ale i pro
Základní
jiné účely:
frekvence
10,23 MHz
•
: 10
x 154
L1
1574,42 MHz
C/A kód
1,023 MHz
P-kód
10,23 MHz
x 120
L2
1227,60 MHz
C/A kód
1,023 MHz
P-kód
10,23 MHz
x 115
L5
1176.45 MHz
F-kód
10,23 MHz
Navigace
ve
třírozměrném
prostoru
je
základní
úlohou
GPS.
Navigační
přijímače
jsou
vyrobeny
pro
letadla,
lodě,
pozemní vozidla,
pro
kosmická
tělesa
a
také
v ručním
provedení.
•
Přesné
určování
polohy je možné
při
použití
referenčních
Obr. 23 Schéma odvozování frekvencí jednotlivých signálů GPS (tečkovaně jsou
vyznačeny civilní signály připravované v rámci modernizace – viz odst. 5.10)
přijímačů
umístěných
na
místech o známé poloze, které pak umožňují získat korekce pro opravu výpočtů
z mobilních stanic. Příkladem užití pak mohou být měřické práce, vytyčování
geodetických sítí, měření spojená s tektonikou litosférických desek apod.
50 BPS
•
50
Navigační zpráva
Dalším možným použitím GPS je poskytování přesného časového signálu a případně i
kmitočtového standardu. Speciální k tomuto účelu vyvinuté GPS přijímače pak
umožňují pro potřeby astronomických observatoří, telekomunikačních zařízení a
laboratoří všeho druhu nastavit přesný čas a případně i přesnou frekvenci.
Ver. 1.0
5 Systém GPS
GPS signály je možné použít i k výzkumným účelům, například pro studium parametrů
atmosféry.
5.3 Signály vysílané družicemi GPS
Každý signál vyslaný družicí GPS je kombinací nosné vlny, dálkoměrného kódu a
navigační zprávy. Vytváření signálu, který je vysílaný, probíhá v celé řadě kroků. Vychází se
při tom z faktu, že veškeré složky signálu jsou odvozovány násobením a dělením základní
frekvence (viz odst. 5.3.1).
Družice vysílají signály na dvou nosných frekvencích (obr. 23). Frekvence L1 (1575.42
MHz, vlnová délka 19 cm) je modulována dvěma dálkoměrnými kódy reprezentovanými tzv.
pseudonáhodnými šumy (angl. Pseudo Random Noise – PRN). Jedná se o přesný nebo též Pkód (angl. Precision nebo P-code), který může být pro vojenské účely zašifrován (a pak se
označuje Y-kód) a hrubý/dostupný nebo též C/A kód (angl. Coarse/Acquisition nebo C/A
code), který není šifrovaný. Druhá frekvence označovaná L2 (1227.60 MHz, vlnová délka 24
cm) je modulována jen P-kódem (resp. jeho šifrovanou variantou – Y-kódem). Většina
civilních přijímačů užívá pro měření pouze C/A kód.
Signály modulující první nosnou frekvenci L1 se označují jako signály standardní
polohové služby (angl. Standard Positioning Service – SPS). Frekvence L2 je používána pro
přesnou polohovou službu (angl. Precise Positioning Service – PPS) a umožňuje měřit
zpoždění signálů při průchodu ionosférou. Je využívána jen speciálně vybavenými přijímači.
Kromě C/A a P-kódu je oběma nosnými frekvencemi přenášen ještě binární kód,
obsahující navigační zprávu, který je kódován pomocí fázových posunů nosných vln.
Provozovatel GPS, tedy ministerstvo obrany USA, má možnost kdykoliv snížit přesnost
tohoto systému tzv. selektivní dostupností (angl. Selective Availability – SA). Ta sníží
přesnost C/A kódu tak, že pozemní přijímače mohou vypočítat svoji polohu s chybou až 100
m. Chybu vnesenou SA je možné téměř zcela eliminovat pomocí diferenčních korekcí, které
mohou zvýšit přesnost určování polohy až na 1 m. Na obr. 31 je ukázán vliv vypnutí SA a
zněj si lze udělat představu o jejím vlivu na přesnost určování polohy v době, kdy byla
aktivní.
Po aktivaci SA se poněkud změnila definice obou polohových služeb. Pod standardní
polohovou službou se od té doby rozumí příjem signálů jak s kódem C/A, tak případně i P, na
které je popřípadě uplatněna SA. Pod přesnou polohovou službou se rozumí příjem signálů
uživatelem vybaveným příslušným dešifrovacím kódem a tedy schopného zpracovávat i Ykód [60].
5.3.1 Základní frekvence
Družice GPS odvozují frekvence všech svých signálů od tzv. základní frekvence (angl.
fundamental frequency), jejíž hodnota je f0 = 10.23 MHz (obr. 23). Základní frekvence je
odvozována z frekvence atomových hodin a její přesná hodnota je nastavena tak, aby byly
eliminovány relativistické efekty, způsobené pohybem družic.
5.3.2 C/A kód
Jedná se v podstatě o pseudonáhodnou posloupnost 1023 nul a jedniček, která je svým
charakterem blízká šumu (tzv. PRN kód), ale je jednoznačně definovaná. Každá družice má
51
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
přidělenu přesně svoji vlastní posloupnost nul a jedniček – svůj vlastní C/A kód. Družice jsou
pak identifikovány svým PRN číslem, unikátním identifikátorem každého dálkoměrného
kódu.
C/A kód má frekvenci 1.023 MHz, což vzhledem k jeho délce znamená, že se celá
sekvence nul a jedniček opakuje každou milisekundu. C/A kód moduluje nosnou frekvenci
L1.
Rovnice pro dekódování C/A kódu jsou všeobecně známé a nejsou tajné, takže tento kód je
běžně přístupný pro civilní aplikace. Proto je tento kód používán civilními přijímači pro
navigaci a mapování. C/A kód je tedy základním signálem pro standardní polohovou službu.
5.3.3 P-kód
P-kód moduluje obě nosné frekvence. Opět se jedná o PRN kód, jehož celková délka je
přibližně 266 dnů resp. 38.058 týdnů. Tento kód je rozčleněn na sedmidenní sekvence a každé
družici je přiřazena jedna z nich. Teoreticky tedy tento kód umožňuje existenci až 38
současně vysílajících družic GPS. P-kód je vysílán frekvencí 10.23 MHz a opakuje se
každých sedm dní.
Rovnice pro dekódování P-kódu jsou všeobecně známé a nejsou tajné, takže tento kód je
přístupný pro civilní aplikace a dle nové definice je rovněž součástí standardní polohové
služby.
P-kód umožňuje měřit zdánlivou vzdálenost mezi přijímačem a družice s vyšší přesností, a
to ze dvou důvodů [60]:
•
•
díky použití rychlejšího a delšího kódu
díky možnosti měřit na obou nosných frekvencích L1 a L2, což umožňuje podstatně
omezit vliv ionosférické refrakce.
Segment
Kosmický
Řídicí
Zdroj chyby
C/A-kód
P-kód
Stabilita kmitočtového normálu družice
3.0
3.0
Predikce perturbací družice
1.0
1.0
Jiný
0.5
0.5
Chyba modelu predikce efemerid
4.2
4.2
Jiný
0.9
0.9
5.0 – 10.0
2.3
Troposférická refrakce
2.0
2.0
Šum a rozlišovací schopnost přijímače
7.5
1.5
Vícecestné šíření signálu
1.2
1.2
Jiný
0.5
0.5
10.8 – 13.9
6.6
Ionosférická refrakce
Uživatelský
Podíl na UERE (1σ) [m]
UERE (1σ) celkem [m]
Tab. 2 Příspěvek jednotlivých zdrojů chyb k celkové chybě
zdánlivé vzdálenosti (tabulka byla publikována v roce 1991) [60]
52
Ver. 1.0
5 Systém GPS
Rozdíl v přesnosti určování polohy při měření pomocí C/A a P-kódu je uveden v tab. 2, ve
které jsou uvedené chyby (přesněji jejich směrodatné odchylky) systému GPS přepočítané na
tzv. ekvivalentní chyby vzdálenosti určované uživatelem (angl. User Equivalent Range Error
– UERE), tak jak sou definovány v dokumentu [276].
5.3.4 Y-kód
Tento kód je možné považovat za šifrovaný P-kód. Jedná se tedy opět o PRN kód, který lze
použít místo P-kódu.
Rovnice pro dekódování Y-kódu jsou tajné, znají je pouze autorizovaní uživatelé. Takže
jakmile se armáda rozhodne aktivovat Y-kód (jinak řečeno jakmile se armáda rozhodne
šifrovat P-kód), civilní uživatelé nebudou moci využívat ani P-kód, ani Y-kód. Faktem je, že
v současné době systém GPS vysílá Y-kód téměř nepřetržitě. Y-kód je základem přesné
polohové služby.
5.3.5 Navigační zpráva
Pro určování polohy přijímače GPS je nezbytné znát přesnou polohu vysílající družice
v době odeslání dálkoměrného kódu. Ta se počítá na základě parametrů její dráhy, které sama
družice vysílá ve formě tzv. navigační zprávy (angl. navigation message). Navigační zpráva
obsahuje nejen parametry oběžné dráhy dané družice, ale i celou řadu dalších údajů [60]:
•
•
•
•
•
•
čas vysílání počátku zprávy
přesné keplerovské efemeridy družice
údaje umožňující přesně korigovat čas vysílání družice
almanach
koeficienty ionosférického modelu
stav družice (angl. health) atd.
Na základě údajů získaných z navigační zprávy tedy můžeme spočítat přesnou polohu
družice a přesný čas odeslání přijaté sekvence dálkoměrného kódu. Dále je možné z těchto
údajů vypočítat přibližné korekce na ionosférickou refrakci pro případ, že není prováděno
dvoufrekvenční měření.
Stav družice informuje uživatele o závadách na družici a o tom, zda a v jakém rozsahu je
možné ji použít pro určování polohy.
Almanach obsahuje méně přesné parametry oběžných drah všech družic umístěných
v kosmickém segmentu (v podobě keplerovských efemerid) a údaje o stavu těchto družic. To
umožňuje přijímači, aby při znalosti aktuálního almanachu byl schopen začít vyhledávat
družice aktuálně viditelné v dané oblasti a mohl tak výrazně snížit dobu potřebnou pro
nastartování přijímače (angl. receiver start-up time) a získání signálu (angl. signal acquisition
time). Tyto přibližné parametry oběžných drah využívá přijímač dále pro přednastavení
přibližných poloh družic a Dopplerova posunu nosných frekvencí každé družice sestavy GPS.
Koeficienty ionosférického modelu používá přijímač pro přibližný odhad vlivu ionosféry
na signály GPS pro kterékoliv místo a kterýkoliv čas v případě, že neprovádí dvoufrekvenční
měření.
Kromě výše uvedených dat jsou ještě v rámci bloku 4 a 5 přenášeny další systémové údaje,
které popisují další detaily celého systému.
Data obsažená v navigační zprávě jsou za normálních okolností platná po dobu 4 hodin.
53
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
Základním stavebním kamenem navigační zprávy je tzv. rámec (angl. frame) dlouhý 1500
bitů, který je složen z pěti podrámců (angl. subframe) po 300 bitech. Podrámce se skládají ze
slov dlouhých 30 bitů, z nichž pouze 24 se používá pro přenos dat. Zbylých šest bitů je
využito pro zabezpečení přenosu dat proti chybám. K zabezpečení se používá tzv.
Hammingův kód, který umožňuje detekovat až tři chyby nebo jednu chybu automaticky
opravit. Doba vysílání celého rámce je 30 sekund, doba vysílání jednoho podrámce je 6
sekund a doba vysílání jednoho slova je 0,6 sekundy.
První tři podrámce mají vždy stejný obsah: první obsahuje údaje o korekcích hodin, další
dva pak přesné efemeridy
číslo
jeden podrámec = 300 bitů, 6 sekund
podrámce
družice. Jejich obsah se
TLM HOW
korekční údaje pro hodiny družice
1
aktualizuje několikrát za
jeden
den.
Mezi
okamžiky
2
TLM HOW
efemeridy družice (I)
rámec
aktualizace je obsah těchto
=
3
TLM HOW
efemeridy družice (II)
1500
podrámců
konstantní.
bitů,
25 stránek dat přenášených v podrámci 4 a 5 = 12,5 minuty
Čtvrtý a pátý podrámec je
30
sekund
použit pro přenos dalších
4
TLM HOW
další data (ionosféra, UTC, atd.)
stránek dat (je jich celkem
5
TLM HOW
almanach
25, obsahují všechny zbylé
přenášené údaje). Tyto
podrámce se periodicky
jedno slovo = 30 bitů, 24 datových a 6 paritních
opakují vždy po 12.5
TLM
8
bitů
preambule
data
parita
telemtrické slovo
minutách a jejich obsah je
aktualizován několikrát za
HOW
17-bitový čas v týdnu
data
parita
handover slovo
týden.
Struktura
navigační
zprávy je na obr. 24.
Z tohoto obrázku je patrné, že každý podrámec obsahuje mimo jiné přesnou časovou značku –
čas jeho odeslání z družice a také šest paritních bitů. Podrobněji je možné se s obsahem
Obr. 24 Struktura navigační zprávy GPS
anténa
vstupní
jednotka
časová
základna
měřicí
přijímač
navigační
počítač
poloha
přijímače
měřicí
přijímač
navigační přijímač
přijímač GPS
Obr. 25 Struktura přijímače GPS [60]
navigační zprávy a s algoritmy pro zpracovávání v ní obsažených dat seznámit například v
[60] nebo [251].
54
Ver. 1.0
5 Systém GPS
5.4
Přijímač GPS
Přijímač GPS je uživatelským zařízením, přijímá a zpracovává signály GPS a na výstupu
poskytuje polohu, čas a případně i rychlost pohybu. Přijímač GPS tvoří tři základní funkční
bloky (viz obr. 25) [60]:
•
•
•
anténa
navigační přijímač
navigační počítač.
Anténa je velice důležitou součástí přijímače GPS, její výkonové parametry významně
ovlivňují celkový výkon přijímače. Dnes je možné pořídit širokou škálu antén od
nejlevnějších, vhodných pro malé ruční přijímače, až po špičkové antény pro velice přesná
geodetická měření. Antény se liší svojí konstrukcí a z ní vyplývajících parametrů, jako je
citlivost, odolnost proti rušivým signálům (vznikajícím například díky vícecestnému šíření
signálů, interferenci apod.), stabilita tzv. fázového středu antény, která je důležitá především u
vysoce kvalitních antén určených pro přesná měření, směrovost apod.
Navigační přijímač zpracovává signály přijaté anténou a vybírá z nich signály vysílané
jednotlivými družicemi. Jejich zpracováním získává zdánlivé vzdálenosti k těmto družicím a
data tvořící jejich navigační zprávy. Navigační přijímač tvoří (viz obr. 25) [60]:
•
•
•
vstupní jednotka
časová základna, která navigační přijímač řídí (krystalem řízené hodiny)
jeden nebo více měřicích přijímačů (někdy též označovaných jako vstupní kanály).
Podle počtu vstupních kanálů dělíme přijímače na:
•
•
•
jednokanálové
vícekanálové
hybridní.
Jednokanálové přijímače jsou vybavené jen jedním měřicím přijímačem, takže při
sledování více družic musí přijímač GPS postupně přepínat tento vstupní kanál na jednotlivé
družice. Měření probíhá tak, že měřicí přijímač identifikuje ve vstupním signálu dálkoměrný
kód požadované družice, provede nezbytné měření a pokračuje s další družicí. Jakmile
provede měření na poslední dostupné družici, předá výsledky ke zpracování do navigačního
počítače a ten určí polohu přijímače. Pokud probíhá přepínání mezi družicemi dostatečně
rychle (s intervalem řádově 3 – 5 ms), je schopen současně s kódovým měřením
vyhodnocovat i navigační zprávy jednotlivých družic. V opačném případě potřebuje přijímač
ještě jeden kanál právě pro příjem navigačních zpráv.
Vícekanálové přijímače mají dostatečný počet měřicích přijímačů (pět, šest i více) tak, aby
mohly současně sledovat všechny dostupné družice. V podstatě se jedná o přijímače,
poskytující nejlepší služby i za ztížených podmínek. Tyto přijímače umožňují [111]:
•
•
•
rychleji vyhledat družice a začít určovat polohu přijímače
mnohem přesněji určovat polohu přijímače, a to zvláště za pohybu
průběžně určovat polohu i pod hustou vegetací.
Tím, že vícekanálové přijímače sledují simultánně všechny dostupné družice, mohou
snadno v případě výpadku signálu některé z nich (například v důsledku zastínění stromem při
pohybu v terénu) snadno použít pro určování polohy jinou kombinaci dostupných družic. Tím
se jejich určování polohy stává stabilnějším. Další výhodou je, že měření prováděná na všech
55
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
dostupných signálech družic probíhají ve stejném čase, což zvláště u velice dynamických
aplikací (např. navigace stíhacích letounů) výrazně zvyšuje přesnost určování polohy.
Hybridní přijímače představují určitý kompromis mezi oběma výše jmenovanými, kdy
přijímač je sice vybaven více vstupními kanály (dvěma, třemi), ale jejich počet je
nedostačující pro sledování všech dostupných družic a proto musí být každý vstupní kanál
opět přepínán mezi několika družicemi. Počet družic připadajících na jeden kanál je však nižší
než v prvním případě.
Navigační počítač zpracovává data získaná měřicími přijímači a vyhodnocuje z nich
aktuální polohu přijímače, aktuální čas GPS, případně rychlost pohybu přijímače a provádí
další požadovaná zpracování, jako je transformace polohy do požadovaného souřadnicového
systému, zavádění diferenčních korekcí apod.
5.5
Určování polohy a času
Kdykoliv chceme určovat polohu, resp. čas, musíme si nejprve definovat příslušné
referenční systémy. V případě určování polohy je tímto referenčním systémem obvykle
souřadnicový systém, v případě určování času pak časová škála. Pro systém GPS jsou
standardně definovány oba referenční systémy a veškeré výpočty a určování polohy a času se
primárně provádí právě v nich. Pokud požadujeme výsledky určování polohy a času v jiném
souřadnicovém systému, resp. v jiné časové škále, musíme provést následnou transformaci
mezi oběma referenčními systémy. Přijímače GPS umožňují přímo provádět transformace do
celé řady běžně používaných souřadnicových systémů. Pokud však mezi nimi požadovaný
systém není, je nezbytné transformaci provést až při následném zpracování.
5.5.1 Souřadnicový systém
Pokud chceme pomocí GPS určovat polohu, pak si musíme nejprve definovat
souřadnicový systém, v kterém se budeme pohybovat a k němuž budou vztaženy veškeré
výpočty. Jak jsme uvedli v odst. 5.2, je systém GPS složen ze tří segmentů, z nichž jeden je
umístěn ve vesmíru, zbylé dva na Zemi. Z tohoto důvodu musí GPS „uvnitř“ pracovat se
dvěma typy souřadnicových systémů.
GPS pracuje s geocentrickým souřadnicovým systémem spojeným se zemským tělesem
(angl. Earth Centered, Earth Fixed XYZ – ECEF XYZ), který je vhodný pro oba pozemní
segmenty (uživatelský a řídicí). Avšak pro popis pohybu družic (který je téměř nezávislý na
rotačním pohybu Země) je daleko vhodnější souřadnicový systém, jehož střed je umístěn ve
středu sluneční soustavy. Důsledkem toho je, že musíme mít definovánu velice přesnou
transformaci mezi těmito souřadnicovými systémy, která zahrnuje i takové vlivy, jako je
precese a nutace zemské osy. Naštěstí tyto problémy řeší pouze provozovatel systému,
běžného uživatele se nedotýkají.
Pro nás je důležité, že GPS přijímač poskytuje určenou polohu v geografických
souřadnicích vztažených k Světovému geodetickému systému – 1984 – WGS-84 (angl.
World Geodetic System – 1984) a že je umí v případě potřeby převést do některého běžného
kartografického zobrazení. Problémem však je, že dnes ještě neexistuje přijímač GPS, který
by měl standardně zabudované transformace do u nás běžně používaných souřadnicových
systémů S-JTSK a S-42. Proto se tato transformace musí řešit až dodatečně pomocí
převodních programů.
V [60] je uveden přepočet mezi WGS-84 a S-JTSK, daný vztahem [87]:
56
Ver. 1.0
5 Systém GPS
rWGS −84

1
−6 
= (1 + 7,39.10 )− 2,500.10−5
 3,83.10−6

− 2,500.10−5
1
− 3,162.10−5
3,83.10−6 
574,5
−5 
− 3,162.10  rS − JTSK + 119,4



421
,
6
1




resp.

1
3,83.10−6 
− 2,500.10−5
574,5


rS − JTSK = (1 − 7,39.10−6 )− 2,500.10−5
1
− 3,162.10−5  rWGS −84 − 119,4


−5
 3,83.10−6

3
,
162
.
10
1
421
,
6
−





Podrobněji je problematika přepočtů souřadnic popsána v [60].
Geodetický systém WGS-84 byl vytvořen na základě měření na více než 1 500 stanicích
družicového navigačního systému Transit, rozmístěných po celém světě a v podstatě je
definován právě souřadnicemi těchto stanic [92].
5.5.2 Nadmořská výška
Nadmořská výška H přepočtená z pravoúhlých souřadnic WGS-84 je vztažena k ploše
referenčního elipsoidu a proto ji označujeme jako výšku nad elipsoidem. Pro mapování a
technické práce nás však spíš zajímá nadmořská výška h, odpovídající výšce nad geoidem.
Geoid se v závislosti na rozložení hmoty v zemském tělese více či méně odchyluje od
referenčního elipsoidu, a proto je nezbytné pro přepočet nejprve zjistit výšku geoidu N nad
elipsoidem (viz obr. 26). Tuto výšku buďto pro dané území známe, nebo můžeme použít
například přibližný výpočet dle interpolačního vztahu, popsaného například v [60].
P
h
směr tížnice
v bodě P
topografický
povrch
H
geoid
elipsoid
N
normála
k elipsoidu
z bodu P
g
Obr. 26 Vztah mezi elipsoidickou výškou systému WGS-84 a nadmořskou výškou [138]
57
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
Nadmořskou výšku pak stanovíme dle vztahu
h=H - N
V rámci České republiky se výška geoidu nad elipsoidem N pohybuje přibližně v intervalu
od 42.5 m na východě po 47 m na západě [60]. Podrobnější popis této problematiky lze nalézt
v [138, 158].
5.5.3 Čas
Dnes existují dva základní způsoby odvozování času:
•
•
z pohybu Země (astronomický čas)
z kmitočtu atomů (atomový čas).
První způsob byl znám od nepaměti, druhý je výdobytkem moderní fyziky. Zdálo by se
logické, že druhý způsob nahradí první, ale není tomu tak, a to z jednoduchého a prostého
důvodu: atomový čas není v žádném vztahu k rotaci Země, ale jen ve vztahu k základním
přírodním zákonům, týkajícím se atomové fyziky. Vzhledem k tomu, že rotace Země se
postupně zpomaluje (dnes v průměru o jednu sekundu za rok), není atomový čas synchronní
se solárním dnem. Bylo proto nezbytné zavést mechanizmus, který umožní obě časové škály
synchronizovat. Z tohoto důvodu byla zavedena nová časová škála, tzv. univerzální
koordinovaný čas (angl. Universal Coordinated Time – UTC). Jedná se o hybridní časovou
škálu, kdy přesný čas je sledován atomovými hodinami, ale je opravován tak, aby byl
v souladu s astronomickým časem odvozeným od rotace Země. Vzhledem k tomu, že rotace
Země je nepravidelná, není ani astronomický čas pravidelný, a proto nelze zavést průběžnou
korekci mezi atomovým a astronomickým časem. Opravy se proto dělají krokově přidáváním
tzv. přestupné sekundy (angl. leap second), vždy když nesoulad mezi oběma časy přesáhne
stanovený limit. Tyto korekce se dělají v případě potřeby k datu 30. června nebo 31. prosince.
5.5.3.1 Čas GPS
Čas GPS (angl. GPS Time) se řídí hlavními kontrolními hodinami (angl. Master Control
Clock). S nimi jsou synchronizovány hodiny jednotlivých družic. Čas GPS se uvádí v týdnech
(angl. Time of Week) a sekundách, které uplynuly od 24:00:00 dne 5. ledna 1980. Je
synchronizován s časem UTC s přesností na jednu mikrosekundu. Rozdíl je jen v tom, že čas
GPS nemá zabudovaný mechanizmus přestupných sekund a proto se postupně rozchází
s časem UTC. Navigační zpráva každé družice obsahuje údaje, které umožňují přepočítat čas
GPS na čas UTC a eliminovat tak tento rozdíl.
5.5.3.2 Družicový čas
Družicový čas si udržuje každá družice samostatně. Za tímto účelem je každá vybavena
čtyřmi atomovými hodinami (dvoje cesiové, dvoje rubidiové; přesnost atomových hodin je
taková, že k odchylce 1 s může dojít až během jednoho milionu roků). Časy jednotlivých
družic jsou sledovány pozemními monitorovacími stanicemi a v případě potřeby znovu
nastaveny tak, aby se udržel rozdíl oproti času GPS pod jednu milisekundu. Navigační zpráva
každé družice obsahuje údaje nezbytné pro korekci posunu mezi družicovým časem a časem
GPS.
Největší jednotkou času, s níž systém GPS pracuje, je týden (angl. GPS week). Týdny se
počítají od počátku systémového času GPS a pro jejich počítání je v systému vyhrazen
desetibitový čítač, což znamená, že tento čítač je schopen čítat týdny až k číslu 1023 a pak
dojde k jeho vynulování. Této situaci se říká přetečení týdne (angl. GPS week rollover) a
58
Ver. 1.0
5 Systém GPS
poprvé k němu došlo o půlnoci z 21. na 22. srpna 1999. Této okolnosti byla věnována značná
pozornost, byly obavy, že by mohlo dojít ke značným problémům s aplikacemi, využívajícími
systém GPS. Tento problém se dokonce přirovnával k problému s přechodem na rok 2000,
který také vyvolával značné obavy.
Nakonec se ale vše obešlo bez
jakýchkoliv problémů. K příštímu
přetečení týdne dojde v noci na 25.
května 2019.
Obr. 27 Ukázka úseku C/A kódu
Obr. 28 Odlišné C/A kódy – žádná korelace
O stupeň nižší časovou jednotkou
je délka vysílání jednoho podrámce
(tj. 6 s), pak následuje délka jednoho
bitu podrámce (tj. 20 ms), délka
sekvence C/A kódu (1 ms) a délka
jednoho bitu C/A kódu (necelá jedna
mikrosekunda).
Pomocí
těchto
časových jednotek je v přijímači
odvozován družicový čas odeslání
zpracovávaných signálů.
5.5.4 Principy měření
Obr. 29 Dva shodné C/A kódy, ale fázově posunuté – částečná
korelace
Systém GPS využívá pro určování
polohy a času všechny tři základní
principy měření, uvedené v odstavci
3.3.2. Dále je popsána jejich
konkrétní realizace v tomto systému.
5.5.4.1 Kódová měření
Obr. 30 Dva shodné a synchronní C/A kódy – úplná korelace
Kódová
měření
představují
základní princip měření pomocí
systému GPS. Než se podíváme na
to, jak se pomocí kódových měření
určují zdánlivé vzdálenosti, popišme
si způsob, jak přijímač zpracovává
vstupní signály.
Nejprve uvažujme nejjednodušší případ, kdy se na vstupu přijímače objeví pouze signál
z jedné družice a bez jakéhokoliv šumu. Přijímaná nosná vlna L1, která je modulovaná kódem
C/A, je převedena na signál s nižší frekvencí a pak je směšována s C/A kódem, generovaným
přímo v přijímači. V přijímači generovaný C/A kód (viz obr. 27) není synchronní s časem
GPS a tedy s C/A kódem generovaným družicí, a to jednak proto, že hodiny v přijímači jsou
řízeny pouze křemíkovým krystalem a mají tedy výrazně nižší stabilitu a jednak proto, že
přijímaný signál je proti času GPS posunutý o časový interval, potřebný k uražení vzdálenosti
od družice k přijímači. Přijímač musí nejprve pro neznámou družici nalézt odpovídající
dálkoměrný kód a pak musí postupným posouváním přijímačem generované sekvence
dosáhnout plné shody obou signálů (aby došlo k jejich synchronizaci; viz obr. 27 až 30).
Jakmile je synchronizace dosaženo, vyruší se navzájem C/A kód generovaný družicí a C/A
kód generovaný přijímačem. Na výstupu vstupního modulu přijímače se objeví pouze nosná
vlna modulovaná navigační zprávou, kterou je možné dále zpracovávat.
59
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
Vzhledem k tomu, že družice vysílá jednotlivé sekvence C/A kódu v přesně stanovené
časové okamžiky, je možné z přijatého C/A kódu a navigační zprávy určit přesný čas odeslání
signálu (s rozlišením na 1 ms). Rozdíl mezi časem odeslání sekvence C/A kódu a časem jejího
přijetí přijímačem (angl. Time of Arrival – TOA) je roven času šíření signálu od družice
k přijímači. Z tohoto časového rozdílu je možné spočítat jeho vynásobením rychlostí šíření
radiových vln tzv. zdánlivou vzdálenost (angl. pseudo-range) přijímače od družice.
V případě měření pomocí P-kódu je postup velice podobný.
Zdánlivou vzdáleností je výsledek měření označován proto, že je zatížen jistou chybou:
Předpokládáme, že při měření jsou jak hodiny na družici, tak i hodiny v přijímači synchronní
s časem GPS. Tato podmínka je však splněna jen na straně družice. Každá družice je osazena
několika velice přesnými atomovými hodinami, které udržují její čas v co největší shodě
s časem GPS. Navíc řídicí segment trvale monitoruje chod hodin družic a do navigační zprávy
každé družice vkládá nezbytné korekce, umožňující opravit čas družice na čas GPS. Avšak
přijímač je vybaven jen krystalem řízenými hodinami (z cenových i praktických důvodů:
atomové hodiny stojí řádově sto tisíc amerických dolarů (tak drahý přijímač by si nikdo
nekoupil), a navíc jsou dosti rozměrné a těžké (rozměry se pohybují řádově v desítkách
centimetrů a hmotnost řádově v kilogramech – přijímač jimi vybavený by asi nebyl příliš
mobilní)), které rozhodně nejsou schopné zajistit shodnost času přijímače s časem GPS. Údaje
o nezbytné opravě času přijímače jsou neznámé a musí se určit výpočtem.
Otázkou je, jaká je reálně dosažitelná přesnost kódových měření. V případě C/A kódu, kdy
je frekvence vysílání rovna 1.023 MHz, odpovídá jeden bit (= nejmenší rozlišitelná část
tohoto kódu) vlně o délce cca 300 metrů a v případě P-kódu, který je vysílán frekvencí 10.23
MHz, odpovídá jeden bit vlnové délce cca 30 metrů. Při uvažované přesnosti 1 – 2 %
z vlnové délky je zřejmé, že v případě použití C/A kódu je maximální dosažitelná přesnost
určení zdánlivé vzdálenosti 3 – 6 metrů a v případě P-kódu je řádově 0,3 – 0,6 m [139].
Vzhledem k tomu, že P-kód je prakticky trvale nedostupný, zbývá civilnímu uživateli
k dispozici pouze C/A kód a jemu odpovídající přesnost. Nezbytné je rovněž poznamenat, že
tento odhad přesnosti nebere v úvahu vliv selektivní dostupnosti na určování zdánlivých
vzdáleností, stejně jako i dalších faktorů (vliv ionosféry, troposféry atd.).
U některých špičkových přijímačů se v poslední době objevuje zcela nová technologie,
umožňující při kódových měřeních na C/A kódu dosáhnout řádově desetkrát větší přesnosti
než je výše uvedená. Tato technologie se jmenuje „narrow correlator“ [139].
5.5.4.2 Fázová měření
Vlnové délky nosných vln jsou velice krátké: asi 19 cm v případě nosné vlny L1 a 24 cm
v případě nosné vlny L2. Budeme-li uvažovat stejnou přesnost, jako v případě kódových
měření, tedy 1-2 % vlnové délky, pak to znamená, že pomocí fázových měření můžeme
určovat vzdálenost mezi družicemi a přijímačem s přesností až na milimetry. Problémem však
je, že u klasické sinusové vlny nelze určit čas jejího odeslání, jako je to možné v případě
dálkoměrných kódů. Fázová měření proto vykazují určitou nejednoznačnost (angl.
ambiguity) rovnající se počtu celých vlnových délek nosné vlny, nacházejících se mezi
přijímačem a družicí (proto se někdy označuje také termínem celočíselná nejednoznačnost –
angl. integer ambiguity). Velice přesně je přijímač schopen určit jen desetinnou část vlny,
vyjádřenou jako úhel v rozmezí 0 – 360o.
Pro nalezení celočíselné nejednoznačnosti byla vypracována celá řada postupů,
umožňujících určit tuto hodnotu buďto při následném zpracovávání v kanceláři, nebo i při
vyhodnocování v reálním čase. Obvykle jsou tyto metody založeny na faktu, že je hledáno
pouze celočíselné řešení, protože desetinná část, jak již bylo řečeno, se určuje samostatně a
60
Ver. 1.0
5 Systém GPS
velice přesně. Dnes je možné v literatuře nalézt např. metodu OTF (angl. On The Fly) nebo
metodu Lambda [56, 74, 75, 91].
Jakmile jednou přijímač hodnotu celočíselné nejednoznačnosti určí, je již schopen
průběžně sledovat změny fázového posunu a počtu celých vln a tím i vlastní polohu, resp. její
změny (v případě mobilních stanic).
Pokud v důsledku oslabení signálu z nízko letící družice nebo v důsledku zastínění antény
(omylem rukou, jízdou v tunelu nebo podjížděním pod mostem, zastíněním stromy nebo
domem, apod.) dojde k přerušení sledování nosné vlny, dojde k tzv. fázovému skoku (angl.
cycle slip). V praxi to znamená, že přijímač musí začít nový cyklus měření, od určení
fázového posunu až po nové určení počtu celých vln mezi ním a družicí.
5.5.4.3 Dopplerovská měření
Stejně jako v případě systému Transit může i GPS využít pro určování polohy Dopplerův
posun. Je známo, že v důsledku relativního pohybu družice vůči přijímači se průběžně mění
frekvence přijímaného signálu. (Dopplerovský posun frekvence je měřen na nosné vlně.)
Tento frekvenční posun je po určitou dobu měřen a pak je na základě získaných údajů
vypočtena změna radiální vzdálenosti mezi družicí a přijímačem. Poloha přijímače pak může
být vypočtena z těchto rozdílů vzdáleností. Tato měření lze sice využít k určení polohy, ale
spíše se využívají k určování rychlosti, s jakou se přijímač pohybuje.
5.5.5 Požadovaná přesnost GPS
Požadavky na přesnost GPS jsou definovány v tzv. Federálním radionavigačním plánu
(angl. Federal Radionavigation Plan) a jsou rozlišeny na dvě základní úrovně poskytovaných
služeb:
•
•
standardní polohová služba
přesná polohová služba.
Standardní polohovou službu (SPS) mohou využívat uživatelé po celém světě bezplatně
a bez omezení. Většina přijímačů je schopna signály vysílané v rámci této služby přijímat.
Správce a provozovatel tohoto systému má možnost kdykoliv záměrně snížit přesnost těchto
signálů zapojením tzv. selektivní dostupnosti (angl. Selective Availability – viz odst.
5.6.1.1), nicméně ani při aktivní selektivní dostupnosti nesmí chyba určování polohy překročit
níže uvedené limity..
Požadavky na přesnost jsou definovány takto (pro pravděpodobnost 95 %):
•
•
•
horizontální přesnost do 100 m (do 300 m pro pravděpodobnost 99.99 %)
vertikální přesnost do 156 metrů
přesnost času do 167 nanosekund.
Nicméně je jasné, že v souvislosti s deaktivací selektivní dostupnosti bude muset dojít ke
změně této specifikace. V současné době na ní pracuje Interagency GPS Executive Board
[247] a práce měly být hotovy na podzim roku 2000 [204].
Přesnou polohovou službu (PPS) mohou využívat autorizovaní uživatelé, kteří vlastní na
základě povolení kryptografické zařízení a odpovídající klíče a mají speciálně vybavené
přijímače. Mezi tyto uživatele patří samozřejmě americká armáda a spřátelené armády, určité
vládní agentury a vybraní civilní uživatelé, kteří získali speciální povolení vlády USA. Při
udělování tohoto povolení jsou zvažovány následující podmínky:
61
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
•
•
•
7.2.2002
národní zájmy USA
schopnost uživatele zajistit utajení
nemožnost použití jiného způsobu měření.
Požadavky na přesnost jsou definovány takto (opět pro pravděpodobnost 95 %):
•
•
•
horizontální přesnost do 17.8 m
vertikální přesnost do 27.7 metrů
přesnost času do 100 nanosekund.
5.6 Faktory ovlivňující přesnost systému GPS
Přesnost polohy určené přijímačem GPS se může snadno pohybovat od 100 m do několika
centimetrů v závislosti na použitém zařízení, použitém způsobu měření a zpracování výsledků
měření, na aktuálním stavu atmosféry a na aktuální politice ministerstva obrany USA
(kódování a degradace přesnosti některých signálů) apod.
Přesnost určování polohy a času pomocí systému GPS ovlivňují následující faktory:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
řízení přístupu k signálům z družic
stav družic
rozsah přesnosti měření
poměr signál/šum
vícecestné šíření
počet viditelných družic
geometrické uspořádání viditelných družic
typ přijímače
pečlivost přípravy plánu měření
platnost efemerid
přesnost určení efemerid
přesnost hodin na družicích
vliv ionosféry a troposféry
chyba hodin přijímače
způsob měření a vyhodnocování.
V následujících odstavcích se o jednotlivých faktorech zmíníme podrobněji.
5.6.1 Řízení přístupu k signálům z družic
GPS byl původně vyvíjen jako především vojenský navigační systém a proto bylo od
počátku rozhodnuto, že do něj musí být zabudovány mechanizmy umožňující jeho
znepřístupnění neautorizovaným uživatelům. Takovéto mechanizmy byly vytvořeny dva:
•
•
62
selektivní dostupnost (angl. Selective Availability – SA)
tzv. Anti-Spoofing – A-S)
Ver. 1.0
5 Systém GPS
Obr. 31 Ukázka vlivu SA na přesnost určování polohy, demonstrovaná právě na datech shromážděných
bezprostředně před a po vypnutí SA [316, 120]. Horní obrázek, připravený Robem Conleyem z Overlook
Systems pro U.S. Space Command v Colorado Springs, ukazuje vývoj navigační chyby GPS při přechodu na
vypnutou SA 2. května 2000. Je zde zřejmý pokles pravděpodobné kruhové chyby (CEP) standardní polohové
služby na 2.8 m a pravděpodobné sférické chyby (SEP) na 4.6 m. Spodní obrázky, připravené U.S. National
Geodetic Survey, ukazují srovnání přesnosti GPS před a po vypnutí SA. Oba obrázky reprezentují měření za 24
hodin, tak jak byla provedena na referenční stanici v Erlangeru v Kentucky. Na levém obrázku, odpovídajícím
zapnuté SA, padne 95 % bodů do kružnice o poloměru 45.0 m. Na pravém obrázku (bez SA) padne 95 % bodů do
kružnice o poloměru 6.3 m.
63
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
5.6.1.1 Selektivní dostupnost
Selektivní dostupností se nazývá záměrné zavádění proměnlivých chyb do signálů
vysílaných družicemi systému GPS, které má za následek zhoršení přesnosti určování polohy
až k horní povolené mezi pro standardní pohovou službu (tj. do 100 m horizontálně). Tohoto
efektu je možné dosáhnout dvěma způsoby:
•
•
Zaváděním předem definovaných proměnlivých chyb do efemerid vysílaných
družicemi, takže neautorizovaní uživatelé pak počítají polohy družic a časové opravy
jejich hodin chybně. Výsledkem tohoto zásahu jsou pomalu se měnící chyby v určení
polohy družice.
Zaváděním fluktuací frekvence hodin na družicích. Tento zásah má za následek
mnohem rychlejší vývoj chyb a je zřejmý především z výpočtů rychlostí.
Každý z těchto způsobů zhoršení přesnosti měření může být použit samostatně, nebo může
být použita i jejich kombinace s různým poměrem vlivu.
Aktivace SA měla za následek výrazné zvětšení chyb v určování polohy, rychlosti i času.
Zatímco normálně se udává přesnost určení polohy pomocí přístrojů pracujících s C/A kódem
a bez použití diferenčních korekcí okolo 30 metrů, pak po zavedení selektivní dostupnosti
klesla přesnost za stejných podmínek na 100 m. Co se týče zhoršení přesnosti určování
rychlosti a času, neposkytl provozovatel systému žádné údaje.
Dodnes se nejvíce používala právě změna nastavení hodin, což bylo z hlediska uživatelů
relativně výhodné, neboť vliv takto zavedených chyb byl jen málo závislý na vzdálenosti
referenční a mobilní stanice – větší část efektu selektivní dostupnosti se díky tomu dalo
eliminovat diferenčním měřením. Pokud by se ale ve větší míře zavedl první způsob –
zavedení chyb do efemerid – pak by situace byla daleko složitější, protože vliv těchto chyb se
výrazně mění i při relativně malých vzdálenostech referenční a mobilní stanice. Zde by již
nepomohlo běžné diferenční měření, bylo by nutné použít principů, na nichž je založeno
budování rozsáhlých sítí diferenčních GPS (WADGPS – viz dále), nebo přímo využít služeb
takovéto sítě.
Důvodem zavedení selektivní dostupnosti bylo zajištění národní bezpečnosti Spojených
států amerických zabráněním zneužití systému GPS pro potřeby teroristických skupin a
nepřátel USA. Příkladem může být válka v Perském zálivu, kdy Irák využíval systém GPS
pro určování polohy stanovišť raket SCUD odpalovaných na Izrael [165]. Výhodou pro
nepřítele v té době bylo, že z důvodu nedostatku vojenských přijímačů GPS byly bojující
jednotky spojeneckých vojsk vybaveny civilními přijímači a na dobu války byl vliv selektivní
dostupnost minimalizován tak, aby bylo možné určovat polohu jednotek s potřebnou přesností
[171].
Při znalosti speciálního dešifrovacího kódu lze v přijímači SA potlačit. Tento kód mají
k dispozici tzv. autorizovaní uživatelé, ke kterým patří kromě armády USA i spojenecké
armády a některé americké civilní agentury. Všichni tito uživatelé mohou pomocí tohoto kódu
eliminovat jednak vliv SA a jednak i anti-spoofing, tzn. že mohou zpracovávat i Y-kód.
Těmto uživatelům je tedy v plném rozsahu přístupná přesná polohová služba [60].
Aktivování selektivní dostupnosti v roce 1990 vyvolalo přímo ve Spojených státech bouři
nevole a dodnes se o používání selektivní dostupnosti vedly nekonečné diskuse. Podrobně se
touto problematikou zabývá článek [18], popisující výsledky zprávy nazvané „Globální
polohový systém – mapování budoucnosti“ (angl. The Global Positioning System – Charting
the Future) a publikované v roce 1995. Tato zpráva byla zpracována dvěma organizacemi:
National Academy of Public Administration (NAPA) a National Research Council (NRC) a
její závěry byly jednoznačné: selektivní dostupnost splnila svůj účel a již není užitečná.
64
Ver. 1.0
5 Systém GPS
Vzhledem k dostupnosti korekcí DGPS a signálů systému GLONASS selektivní
dostupnost již neposkytuje ochranu, naopak může vyvolávat falešný pocit bezpečí.
Pokračování ve snižování přesnosti pomocí selektivní dostupnosti se nutně musí minout
účinkem. Proto je nutné ji opustit. Nemá žádnou vojenskou hodnotu a navíc výrazně
omezuje rozvoj civilního využití systému GPS a jeho všeobecné akceptování.
Ministerstvo obrany Spojených států však i přes tyto závěry nadále trvalo na jejím užívání.
V březnu 1996 vydal president USA příkaz, aby ministerstvo obrany každoročně
přezkoumalo přínosnost selektivní dostupnosti pro národní bezpečnost USA a přislíbil, že
nejpozději v roce 2006 bude selektivní dostupnost vypnuta. Ministerstvo obrany tím získalo
prostor pro vyvinutí jiných prostředků pro dosažení požadovaných bezpečnostních cílů.
Počátkem května roku 2000 však nastal ve vývoji situace kolem selektivní dostupnosti
nečekaný obrat. Na doporučení ministerstva obrany rozhodl prezident USA, že o půlnoci na 2.
května 2000 bude selektivní dostupnost úplně a definitivně deaktivována [15]. Pro běžné
uživatele jednoduchých přijímačů GPS tento krok znamenal okamžité minimálně pětinásobné
zvýšení přesnosti určování polohy (viz obr. 31). Velký vliv bude mít tento krok i na rozvoj
trhu v oblasti geoinformačních technologií (GIS, DPZ, fotogrammetrie, digitálních modelů
terénu atd. [14]). Vypnutí SA by mohlo vést doslova k explozi aplikací geoinformačních
technologií a mohlo by tak ukázat masovému trhu skutečný potenciál geoinformačních
technologií, především ve vztahu ke službám závislým na reálné poloze a jiným mobilním
aplikacím analýz prostorových dat [22].
5.6.1.2 Anti-Spoofing
V případě války se počítá s tím, že by nepřítel mohl začít vysílat klamné signály, které by
napodobovaly navigační signály družic GPS, ale měly by samozřejmě buďto zcela chybný
obsah, nebo by cíleně ovlivňovaly určování polohy ve shodě se svými taktickými záměry.
Tomuto se říká v angličtině spoofing.
Aktivace Anti-Spoofingu (A-S) znamená, že je průběžně šifrován P-kód (pak hovoříme o
Y-kódu). Tím je výrazně omezena možnost manipulace se signály systému GPS ze strany
nepřítele. Ke ztrátě přesnosti dochází v důsledku tohoto opatření proto, že v rámci civilních
aplikací v podstatě odpadne možnost využití P-kódu. Tím nelze v reálném čase určovat
zpoždění signálů při průchodu ionosférou. Navíc P-kód není náchylný na šumy a je i
odolnější proti interferencím a tím je jeho ztráta citelnější.
A-S byl aktivován dne 31.1.1994 a od té doby je P-kód prakticky nedostupný. Občas je
sice A-S na krátkou dobu vypnut, ale vzhledem ke krátkosti těchto intervalů tato skutečnost
ani nemůže mít praktický dopad na civilní uživatele.
5.6.2 Stav družic
Družice běžně přenášejí v navigační zprávě i údaje o svém stavu. V případě potřeby pak
může být kterákoliv družice označena jako nezdravá (angl. unhealthy). K tomu dochází
v některém z těchto případů:
•
•
•
ihned po vypuštění družice na oběžnou dráhu, až do doby, než je družice umístěna na
své místo, je dostatečně otestovaná a jsou získány dostatečné údaje o jejím chování na
oběžné dráze a také o chování jejích hodin, aby bylo možné modelovat její oběžnou
dráhu
periodická údržba, jako jsou korekce oběžné dráhy nebo korekce hodin
speciální testovací období, např. před tím, než je GPS deklarován jako plně funkční,
kdy může použití signálů družice vést k značným chybám
65
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
•
7.2.2002
náprava abnormálního chování, kdy začne družice poskakovat (dostane „škytavku“) a
musí být stabilizována.
Naštěstí mají přijímače zabudovánu automatickou kontrolu, která jim znemožní použití
signálů „nezdravé“ družice.
Ministerstvo obrany USA obvykle předem oznamuje, kdy bude družice převedena do
tohoto režimu. Tyto informace jsou dostupné různým způsobem, nejčastěji pomocí BBS nebo
počítačové sítě Internet. Stav všech družic je i součástí navigační zprávy.
FM 2SOPS SCHRIEVER AFB CO//DOAN//
UNCLAS
NOTICE ADVISORY TO NAVSTAR USERS (NANU) 2000134
SUBJ: SVN29 (PRN29) FORECAST OUTAGE SUMMARY JDAY 237/1645 – JDAY 237/2233
1.
NANU TYPE: FCSTSUMM
NANU NUMBER: 2000134
NANU DTG: 242238Z AUG 2000
REFERENCE NANU: 2000132
REF NANU DTG: 172111Z AUG 2000
SVN: 29
PRN: 29
START JDAY: 237
START TIME ZULU: 1645
START CALENDAR DATE: 24 AUG 2000
STOP JDAY: 237
STOP TIME ZULU: 2233
STOP CALENDAR DATE: 24 AUG 2000
CONDITION: GPS SATELLITE SVN29 (PRN29) WAS UNUSABLE ON JDAY 237
(24 AUG 2000) BEGINNING 1645 ZULU UNTIL JDAY 237 (24 AUG 2000)
ENDING 2233 ZULU.
POC: CIVILIAN – NAVCEN AT (703)313-5900, HTTP://WWW.NAVCEN.USCG.MIL
MILITARY – 1LT HERB KNIERIM, 2 SOPS NAVIGATION ANALYST, DSN 560-2744,
COMM 719-567-2744, [email protected], HTTP://WWW.SCHRIEVER.AF.MIL/GPS
RECEIVED AT USNO 25 AUG 2000
Obr. 32 Ukázka zprávy o odstávce družice – tzv. NANU [227]
Ukázka zpráv o odstavování družic je uvedena na obr. 32.
Pokud je družice označena jako „nezdravá“, pak ji přijímač nepoužívá k žádným výpočtům
až do doby, než z navigační zprávy obdrží signál o jejím opětném „uzdravení“. (Avšak
pravděpodobně platí i opak – dokud nepřijme přijímač zprávu o jejím označení za
„nezdravou“, provádí s ní dále měření.) Zjišťování stavu družic probíhá jak automaticky
prostřednictvím samokontrolních mechanizmů, tak i ze strany řídicího segmentu. Každá
družice ve své navigační zprávě přenáší jak stav, zjištěný a nastavený samotnou družicí, tak i
stav zjištěný a nastavený řídicím segmentem.
5.6.3 Rozsah přesnosti měření
V navigační zprávě je mimo jiné uváděna i hodnota rozsahu přesnosti měření (angl. User
Range Accuracy). Je to statistický údaj, predikce přesnosti měření s využitím dané družice.
Pokud je hodnota tohoto parametru větší než 30, je pravděpodobně aktivována selektivní
dostupnost.
5.6.4 Poměr signál/šum
Tento poměr je mírou obsahu užitečných informací v signálu a jeho šumu. Pokud tento
poměr klesá, znamená to, že se užitečné informace postupně ztrácejí v šumu.
Signály z družic jsou relativně slabé a pokud je šum okolního prostředí příliš hlasitý, pak
se měření stávají méně přesná.
66
Ver. 1.0
5 Systém GPS
Oslabení signálu může být způsobeno různými vlivy, například průchodem korunami
stromů, nebo nízkou polohou družice nad horizontem.
5.6.5 Vícecestné šíření
Kvalita přijímaných signálů může
být výrazně snížena i odrazem
signálů od okolních objektů s vysoce
odrazným povrchem (kovové a
skleněné budovy, výrazné terénní
prvky, vodní plochy, vozidla apod. –
viz obr. 33). Tomuto jevu se říká
vícecestné šíření signálů GPS (angl.
multipath). Anténa přijímače pak
přijímá v zásadě dva signály:
•
•
přímý signál z družice
nepřímý
signál
vzniklý
odrazem
od
povrchu
zemského nebo na něm se
nacházejících objektů.
Obr. 33 Vícecestné šíření signálů
Povrch
Kmitočet
Vodní plocha
Rýžové pole
Běžný povrch
Lesní půda
Koef. odraz. Pohltivost Koef. odraz. Pohltivost Koef. odraz. Pohltivost Koef. odraz. Pohltivost
[-]
(dB)
[-]
(dB)
[-]
(dB)
[-]
(dB)
2 Ghz
1.0
0
0.8
2
0.6
4
0.3
10
3 Ghz
1.0
0
0.8
2
0.5
6
0.2
14
4 Ghz
1.0
0
0.8
2
0.5
6
0.2
14
11 Ghz
1.0
0
0.8
2
0.4
8
0.16
16
Tab. 3 Koeficient odrazivosti určený pokusně [6]
Interference těchto dvou signálů v přijímači má za následek chybné určení zdánlivé
vzdálenosti mezi přijímačem a družicí (angl. multipath error). Velikost této chyby je závislá
na schopnosti antény eliminovat vliv odražených signálů a na odrazivosti povrchu. Může se
pohybovat řádově v metrech a za krajně nepříznivých okolností i více [3]. V tab. 3 jsou
uvedeny hodnoty odrazivosti a pohltivosti některých povrchů v závislosti na kmitočtu
elektromagnetického vlnění.
Vliv těchto odrazů na kvalitu přijímaného signálu je největší u družic, které jsou nízko nad
obzorem. Proto je doporučováno vyřadit z měření všechny družice, které jsou níže než 15
stupňů nad obzorem. Vzhledem k tomu, že výskyt odražených signálů je závislý na
geometrickém uspořádání družic, přijímače a terénu, nelze ho modelovat a dost obtížně se
detekuje. Výrazně ho lze eliminovat vhodnou volbou místa měření.
67
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
5.6.6 Počet viditelných
družic
Pro
určení
všech
čtyř
souřadnic (3D + T) musí mít
přijímač
k dispozici
signály
alespoň ze čtyř družic. Je však
výhodnější použít k měření více
družic (pět i více), protože
výsledky zpracování měření jsou
pak přesnější.
Obr. 34 Špatná geometrie uspořádání družic
Pro potřeby fázových měření
poskytuje sledování více družic
nezbytnou míru bezpečnosti pro
případ, že se vyskytne výpadek
v příjmu signálů některé z družic.
5.6.7 Geometrické
uspořádání viditelných družic
Geometrické uspořádání družic používaných pro určování polohy významně ovlivňuje
přesnost určování polohy. Pokud jsou družice nahloučeny v relativně malé oblasti (viz obr.
34), pak určování polohy na
základě jimi vysílaných signálů
poskytuje výrazně horší výsledky,
než když jsou družice co nejdál
od
sebe
(ideálně
jedna
v nadhlavníku a zbylé tři 15 – 20 o
nad obzorem, 120 o od sebe (viz
obr. 35). Kvalitu geometrického
uspořádání družic je možné
matematicky ohodnotit. Používá
se k tomu základní parametr
nazvaný snížení přesnosti (angl.
Dilution of Precision – DOP),
který
je
jednoznačným
Obr. 35 Dobrá geometrie uspořádání družic
indikátorem kvality určení polohy
resp. času. Je výsledkem výpočtu,
který bere v úvahu relativní
polohu každé družice vzhledem k ostatním družicím. Na základě jeho hodnoty je možné
předpovědět přesnost poloh, určených s tímto uspořádáním. Nižší hodnota DOP napovídá, že
dané uspořádání umožňuje určovat polohu a čas s vyšší přesností. Vyšší hodnota naopak
znamená, že uspořádání je nevhodné a nezaručí dostatečnou přesnost.
68
Ver. 1.0
5 Systém GPS
Obr. 36 Ukázka řezu objemem vymezeným kulovými plochami při dobré (vlevo) a špatné (vpravo) geometrii
uspořádání družic
Parametrů DOP je několik a indikují ovlivnění přesnosti různých parametrů:
•
•
•
•
•
relativní (RDOP) – relativní chyba polohy
polohové (PDOP) – horizontální a vertikální měření
horizontální (HDOP) – horizontální měření
vertikální (VDOP) – měření výšky
časové (TDOP) – posun hodin
PDOP je nejčastěji používaným indikátorem vhodnosti uspořádání. Vliv geometrického
uspořádání na přesnost určování polohy lze vysvětlit velice snadno. Bod, jehož polohu
určujeme, by měl ležet v průsečíku kulových ploch, jejichž středy se nacházejí v družicích a
jejichž poloměry jsou dány naměřenými (zdánlivými) vzdálenostmi přijímače od příslušných
družic. Protože měření vzdáleností není zcela přesné, neprotnou se kulové plochy v jednom
bodě, ale vymezí v prostoru určitý objem, v němž se bude určovaný bod nacházet. (Pro
názornost je zjednodušený příklad, převedený do roviny, zobrazen na obr. 36.) Čím je objem
tohoto prostoru menší, tím přesněji je možné polohu určit. Nejmenší objem tento prostor má
tehdy, když se koule protínají kolmo. Pokud jsou družice naopak blízko sebe, pak se kulové
plochy protínají pod malým úhlem, výsledný objem jimi vymezeného prostoru je velký a
přesnost určení polohy je pak malá (viz obr. 36 v pravo).
Vzhledem k tomu, parametry DOP vystupují jako násobné parametry ve vztazích pro
výpočet střední kvadratické chyby měření daného parametru (viz [60]), je pro dosažení
vysoké přesnosti určení polohy nezbytné dosáhnout nejen malé hodnoty chyby měření
zdánlivé vzdálenosti, ale využít také co největšího počtu viditelných družic, které jsou od sebe
co nejvíce vzdálené a dosáhnout tak co nejmenších hodnot parametrů DOP.
Pro praktická měření platí, že hodnota PDOP 4 a menší znamená vhodné uspořádání a
zaručuje přesné určování polohy. Při hodnotě PDOP v rozsahu 5 až 7 je uspořádání ještě
akceptovatelné, zatímco hodnota větší než 7 již znamená špatné uspořádání. Přijímače
většinou umožňují obsluze nastavit přípustný limit PDOP a přijímač pak horší uspořádání
ignoruje.
69
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
Na obr. 37 je ukázka vyhodnocení největší denní hodnoty parametru PDOP pro celý svět.
Výpočet je uveden pro období 24 hodin dne 24.8.2000 za předpokladu dostupnosti signálů z
25 družic a pro minimální elevační úhel 5o. Pro každý bod je registrována největší hodnota
PDOP za uvedené období. Z obrázku jsou patrné oblasti, v kterých v tomto dni došlo
k výraznému zhoršení přesnosti z důvodu geometrického uspořádání viditelných družic.
5.6.8 Typ přijímače
Přijímače lze rozdělit do skupin podle různých kritérií. Nejčastěji se používají tato kritéria:
•
•
•
způsob užití
způsob měření
počet současně sledovaných družic.
5.6.8.1 Typy přijímačů dle způsobu užití
Přijímače pro kosmickou navigaci
Kosmické přijímače GPS jsou používané pro účely družicové navigace a určení výšky letu.
Od běžných přístrojů se liší především protiradiačním obalem – a pak cenou.
Přijímače pro leteckou navigaci
Letecké přijímače GPS jsou obecně používané pro účely navigace a určení výšky letu. Je
Obr. 37 Ukázka rozložení nejhorších hodnot parametru PDOP v průběhu 24 hodin na celém světě pro den
24.8.2000, viditelnost 25 družic a elevační úhel 5o [199]
70
Ver. 1.0
5 Systém GPS
k dispozici široká škála přijímačů, které mohou vyhovět jakýmkoliv finančním možnostem.
Existují i ruční přijímače, do nichž je možné vložit datovou kartu obsahující navigační mapy.
Na opačném konci škály stojí jednotky zabudovávané do velkých jumbo-jetů, které jsou nyní
testované i pro automatické přistávání.
Přijímače pro lodní navigaci
Tyto přijímače jsou využívané především pro navigaci v dvourozměrném prostoru (pod
hladinou vody měřit nelze, nad hladinou se lodě obvykle nepohybují), ale v literatuře byly
popsány i pokusy využít systém GPS například pro měření hloubky ponoru lodi při nakládání.
Ruční navigační přijímače
Dnes jich je k dispozici rovněž široká škála. Mnohé z nich jsou určené ke speciálním
účelům, jako je pozemní případně říční navigace, navigace malých letounů, průmyslové
mapování apod. Jejich cena na jedné straně škály klesá pod 10 000,- Kč, na opačném konci se
šplhá přes 100 000,- Kč.
Přijímače pro mapování
Tyto přijímače jsou určené k získávání podkladů pro tvorbu map. Jsou běžně vybaveny pro
měření v diferenčním modu a velkou kapacitou vnitřní paměti pro uchovávání naměřených
dat, případně textových komentářů k nim. Cena těchto jednotek se pohybuje od několika
desítek tisíc Kč výše.
Měřické přijímače
Jedná se o třídu přijímačů určených k měřickým účelům, schopných nejpřesnějších měření,
jejichž ceny dosahují až 1 000 000,- Kč. U těchto přijímačů je problémem určení tzv.
fázového středu antény, tedy bodu, ke kterému se vztahují veškerá měření. Pro antény se
konstruují speciální stativy, vybavené optickým zařízením pro přesné umístění antény nad
měřický bod a mají přesně definovaný postup měření výšky antény nad tímto bodem.
Přijímače přesného času
Tyto přijímače jsou určené k jedinému účelu – generovat přesný čas. Pro zlepšení
spolehlivosti jsou některé z nich vybaveny i přijímačem časového signálu ze systému LoranC. Některé z nich mají dokonce zabudované atomové rubidiové nebo cesiové hodiny pro
celkové zlepšení jejich krátkodobé i dlouhodobé stability. Většina z nich má přesný výstup
jednosekundových impulsů. Některé z nich jsou využívány i pro synchronizaci digitálních
komunikačních sítí.
OEM moduly
OEM moduly jsou holé desky GPS přijímačů, určené k zabudování do jiných zařízení.
Mívají jeden až dva komunikační porty standardu RS-232. Cena se pohybuje od několika tisíc
Kč do mnoha desítek tisíc Kč.
PC a PCMCIA karty
Jedná se jednak o běžné karty do počítače, jednak o karty standardu PCMCIA. Cena se
pohybuje zhruba od mnoha tisíc Kč výše.
71
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
Referenční přijímače
Referenční přijímače jsou speciálně vyráběné přijímače GPS určené k výstavbě
referenčních stanic DGPS. Jedná se o velice nákladné přijímače, které musí splňovat nejvyšší
nároky na přesnost, spolehlivost a malou poruchovost a jejichž cena běžně překračuje sumu 1
mil. Kč. Pro méně náročné aplikace se na místě referenčních přijímačů často používají běžné
geodetické přijímače.
5.6.8.2 Typy přijímačů dle způsobu měření
Dle použitého principu měření rozdělujeme přístroje do dvou skupin:
•
•
přístroje založené na sledování dálkoměrných kódů (přístroje pro kódová měření)
přístroje založené na fázových měřeních (přístroje pro fázová měření).
Přístroje z obou skupin mohou být jednak jednofrekvenční, pak pracují pouze s frekvencí
L1, jednak dvoufrekvenční, a pak pracují i s frekvencí L2.
Přístroje založené na kódových měřeních – přístroje patřící do této skupiny jsou určené
především pro navigační účely. Lze je použít i pro sběr dat pro potřeby mapování, avšak je
třeba mít na paměti přesnost získaných výsledků a tomu podřídit i měřítko výsledné mapy,
případně měřítko dalších zpracování v GIS.
Přístroje založené na fázových měřeních – tyto přístroje jsou určené především pro
měřické účely. Při práci v terénu rovněž používají dálkoměrné kódy pro přibližné určení
polohy a času, ale při následném zpracování jsou zpracovávány výsledky právě fázových
měření pro získání velice přesných poloh. Přesnost určení základny se udává až 1 cm ±1 ppm
délky základny.
5.6.8.3 Typy přijímačů dle počtu současně sledovaných družic
Počet současně sledovaných družic je daný počtem vstupních kanálů přijímače. Zpravidla
se vyskytují jedno resp. dvoukanálové, pěti resp. šesti kanálové, osmi kanálové a jedenácti
resp. dvanácti kanálové přijímače.
Význam počtu kanálů v přijímači lze vyjádřit zcela jednoduše: pokud mají dva přijímače
stejně kvalitní anténu a měří za stejných podmínek, pak přijímač s více kanály bude pracovat
daleko lépe. Neznamená to hned vyšší přesnost měření, spíše se jedná o schopnost přijímače
určovat nepřetržitě svoji polohu i za situace, kdy se pohybuje (zvláště pak když se pohybuje
velkou rychlostí nebo při pohybu v členitém či zalesněném terénu). Pokud chceme provádět
měření v autě nebo dokonce v letadle, pokud potřebujeme měřit pod hustým vegetačním
krytem, pak je vhodné mít přijímač s více kanály. Dnes nejlepší přijímače mají 12 vstupních
kanálů, což je počet zcela vyhovující a poskytující dostatečnou rezervu i pro případ rozšíření
počtu družic v kosmickém segmentu.
Počet vstupních kanálů má samozřejmě také dopad na výslednou cenu přijímače.
Zjednodušeně lze říct, že čím více má přijímač vstupních kanálů, tím je dražší.
5.6.8.4 Co je to TIFF
TIFF (angl. Time to First Fix) je v podstatě čas, který uplyne od spuštění přijímače až do
prvního určení polohy přijímače. Tento čas je silně závislý na údajích, které jsou v přijímači
k dispozici. Pokud má přijímač alespoň přibližné údaje o čase měření a své poloze a zná
aktuální efemeridy družic (tyto údaje mohou být známé například z měření prováděných
72
Ver. 1.0
5 Systém GPS
předchozí den), pak je čas nezbytný pro start přijímače relativně krátký. Takovýto start se
někdy nazývá teplý start (angl. warm start).
Pokud však přijímač některý z výše uvedených parametrů nezná, musí začít náhodně
procházet přijímací pásmo a snažit se nalézt možné signály družic. Pokud signál zachytí, musí
nalézt odpovídající C/A kód. Některé přijímače toto vyhledávání provádějí tak dlouho, až
naleznou dostatek družic a mohou určit svoji polohu, jiné se pokusí nejprve načíst efemeridy.
Takovýto postup (označovaný jako studený start – angl. cold start) zabere přijímači daleko
více času.
5.6.9 Pečlivost přípravy plánu měření
Geodeti pracující s přijímači GPS musí pečlivě plánovat svá měření, aby byli schopni
optimálně využít možností GPS, které mají v zadané oblasti. Mají k dispozici programy, které
umožňují předem zjistit přibližnou polohu družic nad danou oblastí v předpokládaném čase
měření (viz odst. 9.8.6 a obr. 57) a vhodně tak dobu měření přizpůsobit např. charakteru
terénu a nejvhodnější poloze družic (např. pro měření v úzkém strmém údolí), které zajistí
nejpřesnější možné výsledky. Přitom je třeba odhadnout i celkovou dobu potřebnou pro
provedení měřických prací a zhodnotit polohu a dostupnost družic pro celou tuto dobu a celou
proměřovanou trasu.
5.6.10 Platnost efemerid
Jak už bylo uvedeno, s každou navigační zprávou jsou přijaty i aktuální efemeridy družic.
Při převodu dat z přijímače do počítače program obvykle uloží tyto efemeridy do souboru a
používá je pro další zpracování (ale i plánování dalších prací – viz předešlý bod).
Přibližné efemeridy (obsažené v almanachu) jsou obvykle použitelné po dobu zhruba tří
měsíců od data přijetí. Nicméně to platí jen za předpokladu, že nedojde k žádným zásahům do
konstelace družic GPS (například změnou polohy družic, vypuštěním nové družice, poruchou
družice, jejím odstavením po dobu údržby apod.). Některé tyto zásahy nejsou tak kritické –
pokud dojde k vypuštění nové družice, pak ji pouze nebudeme brát v úvahu při vyhledávání
dostupných družic, avšak změna oběžné dráhy nebo dočasné případně trvalé vyřazení některé
družice z provozu může výrazně ovlivnit výslednou kvalitu naší přípravy prací a v konečném
důsledku i kvalitu výsledků.
Údaje o stavu družic, přípravách na vypuštění nových družic a pod. lze získat z různých
zdrojů. Pokud potřebujete získat nejnovější almanach, pak stačí na krátkou dobu postavit GPS
přijímač někde venku a počkat, až přijme kompletní navigační zprávu a s ní i aktuální
almanach.
5.6.11 Přesnost určení efemerid
Přesnost určení efemerid je plně v rukou obsluhy řídicího segmentu GPS a uživatel ji
nemůže nijak ovlivnit. Pokud některé z družic obdrží z řídicího segmentu chybné efemeridy,
bude je vysílat jako správné až do obdržení nových efemerid. Ani přijímač, ani obsluha
přijímače dnes nemají k dispozici vhodný nástroj na detekci takovéto situace.
73
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
5.6.12 Přesnost hodin na družicích
Přestože na družicích jsou použity vysoce kvalitní hodiny, tak ani ty nejsou dokonalé.
Navíc družice opět vysílá parametry pro korekci družicového času a tím může dojít ke stejné
situaci, jako v předešlém případě. Řešení je obdobné.
5.6.13 Vliv ionosféry a troposféry
Ionosféra obsahuje vysoký počet ionizovaných částic, které značně ovlivňují procházející
radiové signály. Vzniká chyba ionosférické refrakce (angl. ionospheric refraction error). Ve
vertikálním směru může za určitých podmínek tato chyba dosáhnout až 30 m. Při příjmu
signálů z družic na horizontu je pak tato chyba v typickém případě třikrát větší. Je proměnlivá
v čase i prostoru. Naštěstí vliv ionosféry je závislý na kmitočtu procházejících vln, takže lze
její vliv vhodným uspořádáním měření eliminovat (proto GPS družice vysílají na dvou
frekvencích L1 a L2).
Vliv troposféry se označuje jako chyba troposférické refrakce (angl. tropospheric
refraction error). Ve vertikálním směru může dosahovat hodnoty až 2.3 metru, v případě
signálů přijímaných z družic na horizontu může tato chyba být až desetkrát větší. Vliv
troposféry není nijak závislý na kmitočtu radiových vln, ale zato je možné ho poměrně přesně
vypočítat (s přesností až na centimetry) při znalosti atmosférických podmínek v místě měření.
5.6.14 Chyba hodin přijímače
Vzhledem k tomu, že kvalita hodin přijímače je o mnoho řádů horší než kvalita
družicových hodin, je tato chyba velká a pracuje se s ní jako s neznámou (proto měření
signálů ze čtyř družic).
∆t [hod]
∆d [m]
1.00
41.73
2.00
37.19
3.00
16.12
4.00
11.64
6.00
7.14
8.00
5.03
12.00
4.22
5.7 Metody zpřesňování určování polohy a
času
Již při návrhu systému GPS uvažovali konstruktéři o
možných metodách zpřesňování určování polohy. Další
postupy pak začaly vznikat po té, co byl systém uveden do
provozu a začal být využíván především civilními uživateli,
kteří neměli přístup k přesné polohové službě. Tyto metody
mohou být buďto založeny na zvláštní organizaci a
zpracování měření, nebo na využití dalšího technického
vybavení. Do první skupiny patří například průměrování, do
druhé skupiny diferenční GPS.
Některé z těchto metod (a případně je podporujících
systémů) si popíšeme v následujících odstavcích. Tyto
24.00
4.20
systémy jsou často označovány jako rozšiřující systém GPS
Tab. 4 Odchylka průměrné hodnoty (angl. augmentation). Zpočátku bylo cílem těchto systémů
pouze zvýšení přesnosti určování polohy, později, především
polohy od skutečné polohy
v závislosti na době měření
s ohledem na aplikace mající přímý dopad na bezpečnost lidí,
(upraveno podle [39])
jako je letectví a železniční doprava, přibyly i cíle v oblasti
zajištění dostupnosti a integrity signálů GPS.
16.00
74
4.50
Ver. 1.0
5 Systém GPS
5.7.1 Průměrování
Vyhodnocování měření přijímači GPS průměrováním bylo vyvinuto již před mnoha lety.
Výhodou tohoto postupu je, že není závislý na diferenčních korekcích a můžeme tedy měřit
jen jediným přijímačem, nevýhodou je potřeba dlouhodobého měření na jednom bodě. V [39]
je popsán princip a jsou zde uvedeny i výsledky praktického testování této metody. Princip
měření a zpracování je vcelku jednoduchý: na bodě, jehož polohu chceme určit, provedeme
mnohahodinové měření s frekvencí vzorkování 1 sekunda a z naměřených dat spočítáme
průměrnou hodnotu. Praktické výsledky ukázaly, že po osmi hodinách měření již přesnost
určení polohy nijak výrazně nestoupá (viz tab. 4 a obr. 38). Nutno podotknout, že tento pokus
byl proveden v době, kdy byla aktivní selektivní dostupnost. Je pravděpodobné, že za
stávajícího stavu (tedy bez SA) budou výsledky této metody ještě lepší.
Odchylka průměrné hodnoty polohy od
správné hodnoty [m]
Průměrování 24 hodinového nekorigovaného určování polohy
přijímačem GPS
45,00
40,00
35,00
30,00
25,00
20,00
15,00
10,00
5,00
0,00
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
Čas od začátku měření [h]
Obr. 38 Grafické znázornění odchylky průměrné hodnoty polohy
od skutečné polohy v závislosti na době měření (upraveno podle[39]
5.7.2 Diferenční GPS
Diferenční GPS (angl. Differential GPS – DGPS) je založené principiálně na relativním
určování polohy (viz odst. 3.3.3.2). Jde však dál a vytváří nezbytné technické a metodické
zázemí pro relativní určování polohy. Umožňuje významné zvýšení přesnosti určování polohy
v reálném čase.
Běžně se vyhodnocování diferenčních měření provádělo až dodatečně, proto nebylo možné
tato měření použít např. pro potřeby navigace. Nicméně získané zkušenosti natolik prokázaly
výhody tohoto postupu, že výrobci začali vybavovat své přijímače nezbytnými
komunikačními kanály, umožňujícími přivádět do přijímače potřebné korekční údaje
z referenční stanice (angl. base station nebo reference station) a provádět toto zpracování
v reálném čase. Navíc se po celém světě začaly organizovat služby, které provozují sítě
referenčních stanic a zajišťují nepřetržité a veřejné vysílání korekčních údajů. Tyto služby
75
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
vznikaly nejprve v oblasti lodní dopravy podél pobřeží a významných vnitrozemních vodních
cest ve Spojených státech amerických, ale dnes se budují i jinde, např. na pobřeží Evropy,
Číny apod. I když jsou tyto služby určené primárně pro navigaci, lze je dosti dobře využít i
pro potřeby mapování.
Dalším krokem v rozvoji těchto služeb je budování sítí referenčních stanic a nezbytných
vysílačů ve vnitrozemí.
I u nás se v uplynulých letech objevilo několik projektů vybudování sítě DGPS.
Pravděpodobně jako první se touto problematikou zabývala Katedra radioelektroniky Fakulty
elektrotechnické ČVUT Praha. Toto pracoviště se problematice systému GPS věnuje již od
80. let, kdy pracovníci katedry vyvinuli první český přijímač GPS. V roce 1995 zde začal
experimentální provoz referenční stanice DGPS [166]. Data jsou dostupná jednak zpětně
prostřednictvím Internetu a jednak jsou vysílána v pásmu FM v rámci kanálu RDS vysílače
Regina 92.6 MHz. Signál pokrývá území Prahy a středočeského kraje. Pro jeho příjem je
nezbytné zakoupit speciální přijímač a klíč v podobě čipové karty, který by umožňoval příjem
diferenčních korekcí po sjednanou dobu. Po vyčerpání kvóty by bylo nutné zakoupit novou
čipovou kartu. Druhou možností, která byla testována, bylo vysílání diferenčních korekcí
dlouhovlnným vysílačem Poděbrady. I zde bylo nezbytné zakoupit speciální přijímač. Tato
služba však dnes není pro nedostatek finančních prostředků provozována.
Elevační maska 5o
5,0
Stř. kvadratická chyba [m]
4,0
20 s
3,0
15 s
2,0
Se
zajímavou
iniciativou svého času
přišlo
ministerstvo
dopravy a spojů, které
chtělo
vybudovat
celostátní síť stanic
DGPS,
spravovanou
Českými
drahami.
Tento
záměr
však
zůstal jen na papíře.
10 s
1,0
5.7.2.1 Diferenční
korekce
5s
Diferenční
GPS
poskytuje uživatelům
0
100
0
200
400 diferenční korekce pro
300
Vzdálenost od referenční stanice [km]
opravu určování polohy
jejich
pohyblivými
Obr. 39 Závislost mezi celkovou chybou určování polohy, vzdáleností od
stanicemi. Diferenční
referenční stanice a časovém intervalu aktualizace diferenčních korekcí při
nejméně příznivých ionosférických podmínkách. (Tento graf vznikl na základě
korekce mohou být
matematického modelování; předpokládaná nadmořská výška referenční i
dvojího druhu [2]:
o
0s
pohyblivé stanice je 0 m, elevační úhel je 5 [60]
•
korekce polohy
–
referenční
stanice počítá z přijímaných signálů polohu referenční stanice, porovnává ji se
skutečnou polohou (získanou např. geodetickým měřením) a produkuje přímo korekce
v podobě korekce geografických souřadnic ∆ϕ, ∆λ a případně i ∆h nebo korekce
kartézských souřadnic ∆x, ∆y a ∆z, tedy korekce, jejichž přičtením k aktuální poloze
získané mobilním přijímačem GPS získáme přesnější polohu tohoto přijímače. Hlavní
nevýhodou tohoto přístupu je, že korekce i poloha mobilního přijímače by měly být
určeny ve stejném okamžiku pomocí totožné sady družic GPS. Prakticky je tato
76
Ver. 1.0
5 Systém GPS
podmínka obtížně splnitelná, protože v případě referenční stanice by to znamenalo, že
by měla produkovat korekce pro kteroukoliv čtveřici z viditelných družic (a těch může
být až 11).
•
korekce zdánlivých vzdáleností – referenční stanice počítá korekce pro jednotlivé
zdánlivé vzdálenosti. Tento přístup klade mnohem větší nároky na konstrukci
referenční stanice, ale poskytuje daleko větší pružnost uživatelům. Referenční stanice
musí v takovémto případě vypočítat skutečnou vzdálenost k družici (poloha referenční
stanice je přesně změřená, polohu družice je možné vypočítat z efemerid), dále
z přijatých signálů vypočítat zdánlivou vzdálenost, určit nezbytnou korekci na
odchylku hodin přijímače a teprve potom lze určit vlastní opravu na zdánlivou
vzdálenost. Právě určení korekce na chybu hodin přijímače referenční stanice je
nejobtížnější operací. Provádí se pomocí modelování chování hodin přijímače. Jinou
možností, využívanou hlavně u špičkových referenčních stanic, je připojit k ní atomové
hodiny. Výrazně tím sice stoupne cena referenční stanice, avšak zkvalitní se určování
korekcí.
Korekční údaje se na referenční stanici aktualizují zpravidla v intervalu 20 sekund. Jejich
platnost se udává do vzdálenosti maximálně prvních stovek kilometrů v případě kódových
měření a maximálně první desítky kilometrů v případě fázových měření. Přesnost korekcí
s rostoucí vzdáleností od referenční stanice klesá. Na obr. 39 je graficky znázorněna závislost
celkové chyby určování polohy bodu na vzdálenosti od referenční stanice a na časovém
intervalu aktualizace diferenčních korekcí.
Frekvence aktualizace korekčních údajů je závislá na třech faktorech:
1. rychlosti změn opravovaných chyb
2. požadované výsledné přesnosti
3. kapacitě přenosového kanálu.
ad 1, DGPS umožňuje eliminovat celou řadu chyb měření, které se vyznačují různou
dynamikou změn. Obecně platí, že čím je větší dynamika změn, tím kratší musí být zvolen
interval aktualizace korekcí. Nejdynamičtěji se doposud měnily chyby vnesené selektivní
dostupností. Po jejím vypnutí se dynamika změn chyb snížila a frekvence určování by tedy
mohla být výrazně nižší.
ad 2, Dnes se požadovaná výsledná přesnost běžně pohybuje v intervalu 1 až 10 m.
Obecně platí, že čím větší je požadovaná přesnost, tím kratší musí být interval aktualizace
(což je patrné i z obr. 39).
ad 3, Komunikační kanál umožňuje přenos korekcí z referenční stanice do přijímače.
Obecně platí, že čím větší je kapacita (rychlost) tohoto kanálu, tím kratší může být interval
aktualizace.
Při bývalých vlastnostech selektivní dostupnosti se uvádělo, že pro dosažení přesnosti lepší
než pět metrů je nezbytné zajistit interval aktualizace korekcí menší než 15 sekund. Pokud
bylo potřebné potlačit vliv selektivní dostupnosti „na úroveň šumu“, doporučovalo se zajistit
periodu aktualizace kratší osmi sekund. Těmto požadavkům by měla odpovídat i kapacita
zvoleného komunikačního kanálu. Uvádělo se, že obvykle postačí kapacita kanálu 4.800 bitů
za sekundu. Po deaktivaci SA je zřejmé, že by frekvence aktualizace diferenčních korekcí
mohla být výrazně nižší. Nicméně se doporučuje ponechat ji na původní úrovni s tím, že
vysílání nadbytečného množství diferenčních korekcí zvyšuje robustnost systému (např. za
situace, že v místě měření je slabý signál a přijímač nezachytne veškerá přenášená data).
77
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
Pro přenos korekčních údajů od referenčních stanic k uživatelům pro kódová měření je
definován standard RTCM SC-104 (viz. odst. 5.9.1), který dnes respektují všichni výrobci
přijímačů i všichni provozovatelé sítí DGPS. V případě fázových měření (RTK) je nezbytné
přenášet na pohyblivé stanice přímo data naměřená referenční stanicí. Vzhledem k jejich
objemu již nepřichází v úvahu použití standardu SC-104 a proto se používají formáty odlišné,
např. CMR2.
anténa přijímače
GPS
anténa vysílače
korekcí
přijímač
GPS
generování
korekcí
vysílač
korekcí
Obr. 40 Struktura klasické referenční stanice DGPS [60]
5.7.2.2 Co je to referenční stanice
Referenční stanice je GPS přijímač umístěný na bodě s přesně známou polohou, jehož
programové vybavení umožňuje sledovat všechny viditelné družice a počítat pro ně korekční
údaje. Situace však není tak jednoduchá, protože korekce by měly být určeny na základě
stejné sady družic se stejným DOP, kterou používá pro měření vzdálený přijímač, aby byla
opravdu splněna podmínka stejných chyb. Na obr. 40 je znázorněna struktura klasické
referenční stanice.
Referenční stanice byly dříve budovány na bázi přesných přijímačů GPS, vybavených
počítačem se speciálním programovým vybavením pro výpočet diferenčních korekcí
v reálném čase. Tyto korekce pak byly publikovány buďto prostřednictvím vysílače nebo
prostřednictvím služby BBS, v současné době prostřednictvím Internetu.
Uživatelské přijímače musí mít k dispozici korekce pro všechny družice, jejichž signály
mohou přijímat. Přijímač referenční stanice proto musí být schopen přijímat signály všech
viditelných družic. Z toho vyplývá, že tento přijímač musí být dvanáctikanálový (více než 12
družic nemůže být současně nad horizontem).
Postupem času se konstrukce referenčních stanic vyvinula do mnohem komplikovanější
podoby. Dnešní špičkové referenční stanice jsou konstruovány jako redundantní, s externími
(špičkově až atomovými) hodinami.
5.7.2.3 Následné zpracování – postprocessing
V počátcích budování sítě referenčních stanic není nezbytně nutné, aby tyto stanice
vysílaly korekční údaje v reálném čase (samozřejmě pokud nejsou určené pro navigaci).
V tom případě stačí, aby byla každá referenční stanice připojena k počítači PC připojenému
k telefonu a vybavenému službou zvanou BBS (přenos dat po telefonu), případně je možné
využít Internetu. Pak se každý uživatel může snadno spojit s touto službou a přenést si
korekční údaje pro časový úsek, kdy prováděl měření. Pak již jen stačí společně zpracovat
data naměřená v terénu a data z referenční stanice a získat tak potřebné výsledky.
78
Ver. 1.0
5 Systém GPS
5.7.2.4 Zpracování v reálném čase
Pokud chceme získat přesné výsledky přímo v terénu, musíme využít zpracování v reálném
čase. Znamená to, že musíme být nějakým komunikačním kanálem přímo napojeni na
referenční stanici. Zde se již většinou používá k přenosu dat formát RTCM SC-104.
Pro přenos diferenčních korekcí mohou být použity různé cesty:
•
radiové vysílače:
KV – mají poměrně velký dosah, ale nevýhodou je potřeba velké antény
VKV a UKV – používají malé a lehké antény, ale nevýhodou je, že mezi přijímači
musí být přímá viditelnost. V případě UHF je další nevýhodou omezený dosah
(několik km). Výrobci však nabízejí pro případ potřeby i retranslační stanice,
umožňující navázat spojení i v případě, že podmínka přímé viditelnosti splněna
není.
Pro vlastní spojení je nezbytné mít dva digitální radiomodemy (v podstatě
vysílačky se zabudovanými modemy s přenosovou rychlostí obvykle 9600 Bd, což
pro většinu DGPS stačí). Jeden se připojí k referenční stanici a ta se nastaví do
modu vysílání, druhý se připojí k mobilní stanici a ta se nastaví do modu příjem.
•
bezdrátové datové sítě
•
mobilní telefony – v současné době se sítě mobilních telefonů GSM stávají široce
akceptovaným médiem pro přenos diferenčních korekcí; jejich výhodou je snadná
dostupnost, akceptace ze strany výrobců přijímačů a doplňkového technického
vybavení a velice dobré pokrytí území signálem; diskutabilní jsou provozní náklady
•
klasický telefon – zde jsou problémy s připojením.
•
počítačové sítě jako je Internet – v případě pevného spojení platí stejná poznámka,
jako u klasického telefonu a v případě připojení přes mobilní telefon zase platí
výhrady platné pro toto připojení.
5.7.2.5 Budoucnost DGPS
Asi historicky první systematicky provozovanou síť DGPS vybudovala Pobřežní stráž
Spojených států amerických. Zprvu byla síť referenčních stanic budována podél východního i
západního pobřeží, později začala být rozšiřována i do vnitrozemí, a to podél velkých vodních
cest. Obdobné systémy dnes existují i podél pobřeží a vodních cest jinde ve světě.
Tyto systémy šíří korekční údaje, umožňující opravovat vlastní měření a zvyšovat tak
přesnost určování polohy. Vedle toho mohou referenční stanice systému DGPS přispět i
k zlepšení monitorování integrity systému. Tyto stanice totiž umožňují kontrolovat platnost
signálů družic a poskytovat nezávislé zhodnocení stavu družic [101]. Pokud totiž přijímač
referenční stanice zjistí, že družice je pro potřeby navigace nepoužitelná, je referenční stanice
schopná vyrozumět o tom uživatele do pěti sekund od zjištění chyby. Navíc je v některých
případech schopna prodloužit použitelnost signálů nezdravé družice pro navigaci díky
vysílání správných korekcí.
Dnešní princip používaný v oblasti DGPS je založen na přenášení konkrétních korekčních
údajů platných pro bezprostřední okolí z referenční stanice do okolních mobilních přijímačů.
V případě, že mobilní přijímač má v dosahu „platnosti“ více stanic, může si vybrat tu
nejbližší, nebo může z jejich korekčních údajů interpolovat korekce pro svoji polohu apod.
Každopádně vytvoření rozsáhlejší sítě (např. v kontinentálním rozsahu) je finančně,
79
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
organizačně i provozně velmi náročné. Proto se objevila myšlenka budování tzv. rozsáhlých
sítí DGPS (angl. Wide Area DGPS – WADGPS), které by byly založené na velice řídké síti
referenčních stanic a mobilním stanicím by neposkytovaly hodnoty diferenčních korekcí, ale
jen funkční vztahy (empiricky popisující chyby oběžných drah družic a chyby vnesené
ionosférou a troposférou), odvozené na základě měření referenčních stanic, z nichž by si pak
mobilní stanice spočítaly své vlastní korekce. WADGPS by pokrývaly rozsáhlé oblasti
kontinentálního až celosvětového rozsahu. Např. pro pokrytí celé Evropy by teoreticky stačilo
pět referenčních stanic rozmístěných po celém území kontinentu. Z jejich dat by se daly
generovat přesné korekce, umožňující určování polohy s až submetrovou přesností.
Jiným příkladem může být projekt NASA, který počítá s vybudováním sítě 33 referenčních
stanic, která by měla v případě potřeby umožnit nouzové přistání amerického raketoplánu i
v oblastech s minimální podporou pro přistávací manévr. Podrobněji je možné se s těmito
záměry a s možnými technickými řešeními seznámit v [131].
Dnes existuje celá řada poskytovatelů diferenčních korekcí, kteří je poskytují buďto cestou
pozemních vysílačů nebo i prostřednictvím družic. Jako příklad lze uvést vznikající
celonárodní síť DGPS, pokrývající území Spojených států amerických a zajišťující stejné
služby, jako předešlý systém, i pro vnitrozemí USA. Národní diferenční družicový polohový
systém (angl. National Differential Global Positioning System - NDGPS) je podporovaný
Federální správou železnic Spojených států amerických (angl. Federal Railroad
Administration) ve spolupráci s Pobřežní stráží (angl. U.S. Coast Guard) a jinými
organizacemi. K vybudování NDGPS je využíváno nadbytečné zařízení a nemovitosti,
spravované dříve letectvem USA v rámci výstražného systému zvaného Ground Wave
Emergency Network (GWEN). Přes padesát operačních středisek již bylo převedeno
z leteckých sil na Pobřežní stráž. Většina z těchto středisek bude konvertována na NDGPS
stanice v místě jejich dosavadního působení, jen několik jich bude přemístěno jinam. Celkové
náklady na konverzi a reinstalaci tak, aby bylo zajištěno dvojnásobné pokrytí všech
dopravních tras jsou 37 mil. USD. Roční náklady na provoz sítě jsou plánovány ve výši 7 mil.
USD [34].
Takovýchto projektů je ve světě celá řada. Některé z nich byly realizovány i v Evropě a
postupně se dostávají i k nám. V roce 1999 presentovala německá firma [email protected] svůj záměr
vybudovat v České republice a na Slovensku na komerční bázi fungující síť referenčních
stanic, sloužící primárně geodetickým firmám. Z tohoto cíle vyplývají i požadavky na síť:
bude tvořena velice hustou sítí referenčních stanic s maximální vzdáleností mezi sousedními
stanicemi pod 100 km. Celkem by se mělo jednat o 35 referenčních stanic rozmístěných
vcelku pravidelně po území obou států. Celkové náklady na projekt se odhadují na 70 mil. Kč.
Předpokládá se, že uživatelé služby by se na centrální server, sbírající a zpracovávající
informace ze všech referenčních stanic, napojovali prostřednictvím mobilních telefonů GSM.
Účastník by se na začátku měření přihlásil k této službě, přenesl by do centra svoji přibližnou
polohu určenou přijímačem GPS, na serveru by se pro něj vygenerovala na základě údajů
z celé sítě tzv. virtuální referenční stanice (angl. virtual reference station), lokalizovaná
přibližně na místě prvního měření a k ní by se pak prováděly korekce naměřených hodnot.
Tento systém současně řeší i lokální transformační klíče do S-JTSK, takže výsledky měření
lze získávat přímo v reálném čase v souřadnicích S-JTSK. Podrobněji je možné se s celým
projektem seznámit v [137].
5.7.3 Pseudodružice
Jiným přístupem k řešení problematiky zpřesňování určování polohy je budování
pozemních vysílačů, které se přijímači jeví jako další družice systému GPS. Označují se proto
80
Ver. 1.0
5 Systém GPS
termínem pseudodružice (angl. pseudolit). Tyto vysílače umožňují v případě některých
extrémních aplikací dále zpřesnit určování polohy [2]. Typickým příkladem může být použití
pseudodružice na letišti, tak aby se zpřesnilo určování výšky letadla a umožnilo se tak
automatické navádění letadel na přistání včetně dosednutí na přistávací dráhu. Pomocí
několika takovýchto vysílačů lze dokonce vytvořit velice přesný lokální navigační systém
(např. v rámci námořního přístavu, mezinárodního letiště apod.). Specifikace pseudodružic
byla zahrnuta již do prvního návrhu standardu RTCM SC-104, nicméně dodnes se jejich
užívání příliš nerozšířilo. Jinak vůbec poprvé byly pseudodružice použity na samém počátku
vývoje systému GPS, kdy se principy navigace s GPS ověřovaly právě s využitím pozemních
vysílačů, nahrazujících doposud nevypuštěné družice [16].
Nevýhodou pseudodružic je, že musí být vždy zajištěna přímá viditelnost mezi přijímačem
a vysílačem. Rovněž cena vysílačů zatím není příznivá. Maximální dosah nesmí překročit 50
km, minimální vzdálenost mezi dvěma vysílači musí být alespoň 54 km. Rovněž musí být
vymezena minimální vzdálenost přijímače od pseudodružice. Pokud se přijímač dostane do
menší vzdálenosti, hrozí nebezpečí zahlcení jeho vstupních obvodů silným signálem
pseudodružice a tím přehlušení signálů vysílaných družicemi. Jiným řešením tohoto problému
může být, že pseudodružice nevysílá trvale, ale jen po velice krátké časové okamžiky, které
jsou v čase náhodně rozmístěny. Předpokládá se přitom, že sice silné, ale velice krátké rušení
nemůže ohrozit činnost přijímačů GPS, pokud se vyskytuje jen po malé procento času [60].
Koncepčně tedy mohou být pseudodružice řešeny dvěma způsoby [60, 16]:
1. Jako samostatný vysílač imitující družice GPS, který vysílá zpravidla nepřetržitě celou
škálu signálů, vysílaných družicí GPS na frekvenci L1.
2. Jako vysílač spojený s referenční stanicí. V tom případě data vysílaná pseudodružicí
obsahují i diferenční korekce a vysílač obvykle nevysílá trvale, ale přerušovaně podle
určitého pseudonáhodného schématu.
Ad 1, Vyrobit jednoduchou pseudodružici této koncepce je dnes poměrně snadné.
Příkladem může být pseudodružice vyvinutá na Stanfordově univerzitě, která měla výkon
pouhých 0.1 mW. Pro celou řadu aplikací byl tento výkon dostačující. Nicméně byly
testovány i varianty s externím zesilovačem signálu. Odběr pseudodružice byl tak malý (cca
30 mA), že při jednom z testů stačila standardní 9V alkalická baterie dokonce na 14 hodin
provozu [16].
Ad 2, Základem pseudodružice je v tomto případě referenční stanice umístěná na bodě o
známých souřadnicích a vybavená přesným časovým standardem (v případě špičkových
aplikací i atomovými hodinami). Pseudodružice vysílá na frekvenci L1 vlastní dálkoměrný
kód (pro pseudodružice je vyhrazeno 51 pseudonáhodných kódů, generovaných stejně, jako
na družicích) a data obsahující diferenční korekce rychlostí 50 b.s-1. Výstupní signál je
vysílán ve velice krátkých časových intervalech organizovaných tak, aby z nich bylo možné
v přijímači poskládat kompletní dálkoměrný kód i přenášená data [60].
Přijímač schopný přijímat a zpracovávat signály pseudodružic se koncepčně neliší od
běžného přijímače GPS. Musí mít jen dostatečný počet vstupních kanálů, musí být schopen
generovat 51 pseudonáhodných kódů vyhrazených pro pseudodružice a musí mít
modifikované programové vybavení tak, aby byl schopen zpracovávat data vysílaná
pseudodružicí. Pak je schopen na signálech pseudodružice provádět kódová i fázová měření.
Pro pseudodružice lze nalézt celou řadu způsobů využití [16]:
•
•
jako doplněk zvyšující robustnost klasických kódových měření
zlepšení diferenčních kódových měření
81
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
•
•
•
7.2.2002
zlepšení fázových měření
obrácená metoda určování polohy
použití pseudodružic v budovách.
Rozšířená kódová měření. Použití pseudodružic jakožto pozemního zdroje GPS signálů
je relativně stará. První testy technologie použité v systému GPS proběhly právě s pomocí
pozemních vysílačů.
Později se ukázalo, že doplňkový signál z pseudodružice může být velice užitečný i
v kombinaci s plně funkčním systémem GPS. Výhodou je faktické zvýšení počtu „družic“,
používaných pro měření, což umožňuje lepší detekci chyb, vyšší přesnost měření a možnost
provádět měření i za situace, kdy by nebyl viditelný dostatečný počet družic systému GPS.
Nemalou výhodou je i zlepšení geometrie družic (snížení PDOP, resp. HDOP), což má
v konečném důsledku velký vliv na přesnost výškových měření, zvláště v případě letecké
dopravy, kdy je pseudodružice umístěna fakticky pod přijímačem.
Diferenční kódová měření. V případě diferenčních kódových měření se s pseudodružicí
nakládá jako s kteroukoliv jinou družicí, to znamená, že referenční přijímač trvale přijímá i
signál pseudodružice a počítá diferenční korekce i pro pseudodružici. Toto uspořádání je
nezbytné dodržet zvláště v případě, kdy pseudodružice neobsahuje přesné atomové hodiny a
„pseudodružicový“ čas se proto rozchází s časem GPS. Právě diferenční korekce počítané pro
pseudodružici mohou eliminovat neznámou chybu hodin pseudodružice.
Kromě toho může pseudodružice přenášet místo klasické navigační zprávy další data, jako
například právě diferenční korekce určené referenční stanicí. Jediné, co je třeba pro to udělat,
je upravit program přijímače GPS, aby byl schopen tyto doplňkové informace ze signálu
pseudodružice získat a správně použít.
Dosažitelná přesnost měření pomocí rozšířeného diferenčního kódového měření je však
omezená na cca 1 metr (což je limit přesnosti dosažitelný obecně při kódových měřeních).
Diferenční fázová měření. Při fázových měřeních na nosné vlně L1 mohou pseudodružice
výrazně zlepšit podmínky pro určování počáteční hodnoty celočíselné nejednoznačnosti.
V literatuře jsou popsány i systémy, které využívají fázová měření v reálném čase pro potřeby
letecké navigace (viz Integrity Beacon Landing System – IBLS v [16].
Obrácenou metodu určování polohy testovala armáda USA. Pohybující se objekt
(například letadlo) byl vybaven pseudodružicí a jí vysílaný signál byl přijímán přijímači,
umístěnými na bodech o známých souřadnicích. Vzhledem k tomu, že přijímače jsou
stacionární, je možné je dobře zabezpečit proti záměrné interferenci a systém je tak schopen
sledovat polohu mobilního prostředku i ve stížených podmínkách.
Použití pseudodružic v budovách by mohlo napomoci vyřešit základní problém systému
GPS – nedostupnost signálů družic kdekoliv, kde není zajištěna přímá viditelnost na oblohu.
Příkladem může být použití pseudodružic pro vybudování navigačního systému ve velkých
výrobních halách, sloužícího pro navádění samočinných dopravních prostředků při převozu
materiálu a součástek nebo použití pseudodružic pro zajištění chodu navigačního signálu aut
v dálničních tunelech (viz odst. 9.8.1).
5.7.4 RAIM
Pro některé kritické aplikace (jako je například navigace) jsou časové intervaly nezbytné
pro detekci a indikaci chybových stavů družic systému GPS nepřijatelně dlouhé. Proto se
vyvíjejí i autonomní kontrolní systémy, zabudovávané přímo do navigačních přijímačů
82
Ver. 1.0
5 Systém GPS
určených pro letadla a zabezpečující indikaci nestandardního chování řádově během několika
sekund. Tyto systémy se označují zkratkou RAIM (z angl. Receiver Autonomous Integrity
Monitoring). V závislosti na počtu viditelných družic jsou tyto systémy schopny indikovat
výskyt chybného signálu družice, případně i zjistit, která družice ho vysílá. Pokud je systém
GPS používán jako doplňkový navigační systém, pak stačí, aby byl přijímač schopen pouze
indikovat problémy. Avšak kdyby měl být systém GPS používán jako jediný navigační
prostředek, musel by být schopen plnit i druhý úkol – identifikovat družici, vysílající chybné
údaje a vyřadit ji z vyhodnocování. K tomu je zapotřebí, aby přijímač přijímal signály
z většího než minimálního počtu čtyř družic. Při pěti viditelných družicích je přijímač
schopen detekovat problémy a pokud přijímač přijímá signály ze šesti a více družic, je
schopen identifikovat i nezdravou družici.
Problémy s integritou jsou detekovány na základě vyhodnocování chyby určení
horizontální polohy pomocí zdánlivých vzdáleností. Přijímač určí svoji polohu pomocí
různých čtveřic družic, z nichž přijímá signály, a pokud se žádná z hodnot příliš neodchyluje
od průměru, je vše v pořádku. Velikost maximální povolené odchylky je dána fází letu, v níž
se letadlo nachází a označuje se jako limitní hodnota. Je-li tato hodnota překročena, pak
přijímač vydá varovný signál.
Pro RAIM byla vyvinuta celá řada technik, které lze rozdělit na dvě základní skupiny:
•
•
techniky pracující na principu filtrace – ty pracují s minulými a současnými
naměřenými hodnotami jakož i s hodnotami predikovanými
techniky pracující jen s aktuálními hodnotami. Ty jsou dneska nejrozšířenější.
Nejčistěji se používají tři techniky: porovnávání zdánlivých vzdáleností, residua
nejmenších čtverců a parita.
Blíže je možné se s touto problematikou seznámit například v [101].
Dostupnost RAIM je závislá jednak na počtu viditelných družic a jednak na jejich
geometrii. Kombinace družic s nevhodným geometrickým uspořádáním musí být vyřazeny
z dalšího zpracovávání, aby nevnášely další nejistotu do kontroly integrity. Jako kritérium se
většinou používá parametr HDOP, pro který se stanoví maximální přípustná hodnota
HDOPmax. Jakákoliv kombinace družic s HDOP větším než HDOPmax je pak automaticky
vyřazena. Pokud v takovém případě poklesne redundance určování polohy na nulu, stává se
služba RAIM nedostupnou a pilot musí použít alternativní navigační systém.
Letecký navigační přijímač GPS musí mít k dispozici signály alespoň z pěti družic,
nacházejících se alespoň 7.5o nad obzorem, aby byl schopen poskytovat základní službu
RAIM. Stávající konstelace družic GPS však toto negarantuje trvale a proto může opět dojít
k tomu, že bude služba RAIM nedostupná. Pomoci v takovém případě může jakákoliv
doplňková informace získaná s pomocí jiného systému (např. systému GLONASS, palubních
gyrokompasů nebo barometrického výškoměru). V takovém případě lze dostupnost této
služby výrazně zlepšit.
5.8 Faktory ovlivňující výkonnost systému GPS
Výkonnost každého navigačního systému ovlivňuje celá řada faktorů [84, 101, 141, 60]:
•
•
přesnost (angl. accuracy) – úroveň přesnosti dosažitelná při použití vhodného
technického a programového vybavení a pracovních postupů
dostupnost (angl. availability) – rozsah, ve kterém je systém dostupný všem
uživatelům, kdekoliv na Zemi a v kteroukoliv dobu
83
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
•
•
•
•
•
7.2.2002
integrita (angl. integrity) – schopnost monitorovat výkon a varovat uživatele jakmile
přesnost poklesne pod určitou hodnotu
kontinuita (angl. continuity) – úroveň, do které je určitá úroveň přesnosti trvale
udržována
spolehlivost (angl. reliability) – spolehlivost systému a dosažených výsledků, často
vyjadřovaná určitou opakovatelností přesnosti určování polohy,
cena – cena technického a programového vybavení a nepřímých provozních nákladů
konkurenční technologie – existují?, jakou nabízejí přesnost? atd.
Z hlediska provozního je nejdůležitějším faktorem, ovlivňujícím výkonnost systému GPS
jeho přesnost. Z hlediska bezpečnosti patří k nejvýznamnějším faktorům integrita. Bez
zajištění integrity signálů, nebo bez možnosti monitorovat integritu přijímaných signálů si
nikdy nemůžeme být jistí, že přijímačem určovaná poloha je správná. Ale ani ostatní faktory
nelze jednoduše zanedbat. Podívejme se proto na některé faktory podrobněji.
5.8.1 Přesnost systému GPS
Všechna měření s využitím systému GPS, ať už se jedná o kódová nebo fázová měření,
případně měření dopplerovská, jsou zatížena celou řadou náhodných i systematických chyb.
Výsledná chyba měření je dána součtem velikostí jednotlivých chyb. Jednotlivé faktory
ovlivňující výslednou přesnost měření jsou popsány v odst. 5.6.
Dosažení požadované úrovně přesnosti je snad nejběžnějším požadavkem na navigační
systém. Tento parametr popisuje, jak dobře se naměřená hodnota (například poloha) shoduje
se správnou hodnotou (např. polohou určenou geodeticky). Jako chybu měření pak
označujeme rozdíl mezi naměřenou a správnou hodnotou. Pokud provedeme sérii
opakovaných měření stejné hodnoty a spočítáme průměr z naměřených hodnot, pak by
v ideálním případě mel být výsledek roven správné hodnotě. Pokud tomu tak není, říkáme, že
je měření zatíženo systematickou chybou. Velikost této odchylky pak charakterizuje míru
nepřesnosti měření.
Jako v kterémkoliv jiném měřicím systému, tak i v systému GPS existují meze přesnosti,
s kterou je možné provádět měření. Tyto meze jsou dány konstrukčním řešením, fyzikálními
zákony a způsobem použití.
Systém GPS umožňuje určovat polohu s přesností sahající řádově od stovek metrů až po
milimetry v závislosti na použitém technickém vybavení, metodě měření, vlastnostech
prostředí, kterým se šíří signály z družic, způsobu vyhodnocování měření apod.
Každé měření je zatíženo určitými chybami. Uživatelé se pak snaží tyto chyby z výsledků
odstranit. To lze provést dvěma způsoby:
•
přímým odečtením chyb z měření. Tyto korekce jsou prováděny pomocí (často velice
složitých) matematických modelů vzniku a chování těchto chyb (např. korekce hodin
družic, pravidelná korekce efemerid, korekce vlivu ionosféry apod.)
•
použití vhodné metodiky měření, která umožní eliminovat některé chyby, aniž
bychom je museli přesně matematicky popisovat (např. diferenční měření).
5.8.2 Dostupnost signálů
Dostupností se rozumí schopnost poskytovat požadované signály, funkce a služby v zadané
oblasti na počátku zamýšlených operací. Ve většině případů se dostupnost systému rovná
84
Ver. 1.0
5 Systém GPS
dostupnosti signálů a je vyjadřována procentem času, po který jsou signály dostupné pro
použití. Dostupnost může být samozřejmě ovlivněna nejen technickými parametry systému
GPS (jako je například vysílací výkon), ale i vlivy prostředí, jako jsou anomální atmosférické
podmínky, interference signálů, apod. Pro standardní polohovou službu systému GPS je
stanoveno, že bude dostupná přinejmenším po 99. 85 % času. Tato hodnota je stanovena jako
globální průměr za celý povrch Země. To znamená, že mohou existovat oblasti (s relativně
větší rozlohou), kde je tato služba dostupná po 100 % času, zatímco v jiných oblastech (s
relativně menší rozlohou) může být dostupnost výrazně horší. Vše samozřejmě platí za
předpokladu otevřeného terénu s dobrou viditelností celé oblohy.
Vedle technických parametrů systému GPS je dostupnost signálů dána i dalšími faktory.
Signály vysílané družicemi GPS se šíří přímočaře a nemohou dost dobře pronikat vodou,
zeminou, horninami, stěnami a jinými překážkami. Z tohoto důvodu nelze systém GPS
používat pod vodou a v podzemí, podstatně horších výsledků se dosahuje při měření v hustém
porostu a velké komplikace přináší měření v hustě zastavěných oblastech (např. historická
jádra měst s úzkými uličkami). V těchto případech je dostupnost signálů systému GPS
výrazně snížená až nulová.
Dalším faktorem, který může výrazně ovlivnit reálnou dostupnost signálů, je i kvalita
přijímače. Některé přijímače jsou například schopné měřit i v hustě zalesněném terénu (i když
méně přesně), ale jiné v těchto podmínkách vůbec nepracují.
5.8.3 Integrita signálů
Integritou navigačního systému myslíme jeho věrohodnost, důvěryhodnost, spolehlivost.
Systém může být na začátku operace dostupný a navíc můžeme předpovědět jeho kontinuitu
na úrovni proklamované přesnosti. Avšak co se stane v případě, že se něco neočekávaně
porouchá? Pokud by to vedlo k neakceptovatelnému zhoršení přesnosti navigace, měl by
systém tuto skutečnost indikovat a dát uživateli varovný signál. Integrita charakterizuje
schopnost navigačního systému poskytnout toto včasné varování v případě, že nedokáže
dodržet stanovenou přesnost.
Systém GPS při zajišťování své integrity spoléhá jednak na samokontroly zabudované
přímo do družic, jednak na monitorování systému pozemním segmentem a jednak na kontrolu
signálů přímo uživateli. Má tedy k dispozici jak interní, tak i externí (na systému nezávislé)
mechanizmy kontroly integrity systému.
Kontrolní mechanizmy, zabudované přímo v družicích. Každá družice systému GPS
sama monitoruje svoji činnost s cílem detekovat výskyt některých anomálií, jako jsou chyby
v navigačních datech, selhání selektivní dostupnosti a anti-spoofingu a některé typy selhání
družicových hodin. Pokud je detekován výskyt některé z těchto chyb, je o tom uživatel
informován do šesti sekund. K chybě v navigačních datech, případně k selhání selektivní
dostupnosti může dojít v důsledku modifikace paměti družice těžkými ionty kosmického
záření. Družice je v takovém případě schopná do šesti sekund obnovit svoji správnou činnost.
Blíže je možné se s touto problematikou seznámit např. v [101].
Kontrolní mechanizmy, realizované Hlavní řídicí stanicí. Kosmický segment systému
GPS je neustále monitorovaný řídicím segmentem. Všechna data jsou přenášena do Hlavní
řídicí stanice umístěné na letecké základně Schriever v Coloradu, USA, kde je každých 15
minut prováděna kontrola naměřených zdánlivých vzdáleností. Za určitých okolností může
dojít k tomu, že je chyba detekována až po 29 minutách. Proto bylo v roce 1995 v Hlavní
řídicí stanici instalováno nové programové vybavení, které provádí kontroly zdánlivých
vzdáleností každých šest sekund. Pokud je detekována anomálie, systém vyhlásí poplach.
85
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
K reakci na něj dojde do jedné minuty. Je-li anomálie potvrzena, vyšle obsluha na družici
jednoduchý příkaz, který nastaví číslo PRN na 37 – nepoužívanou hodnotu. Tato procedura je
známa pod označením SATZAP a její provedení trvá maximálně pět minut. Celkově je za
ideálních podmínek (dobrá viditelnost družice z některé z monitorovacích stanic a
samozřejmě fungování všech monitorovacích stanic) možné vyřešit problém s integritou
systému GPS do deseti minut po detekování anomálie. Následně je na družici vyslána nová
navigační zpráva s nastaveným příznakem nezdravé družice a po té je na družici nastaveno
původní PRN číslo. Kromě toho Hlavní řídicí stanice ještě vydá zprávu NANU, která
informuje uživatele o výpadku družice.
Použití nestandardních dálkoměrných kódů a význam příznaků stavu družic v navigační
zprávě jsou popsány v [251]. Bylo zjištěno, že některé GPS přijímače nevyhovují zcela této
specifikaci a jsou schopné pracovat se signály a navigační zprávou vysílanými družicí
označenou jako nezdravá nebo vysílající nestandardní dálkoměrné kódy.
Systém GPS byl původně zamýšlen a navržen jako samostatný navigační a polohový
systém. Jako takový nemá sobě rovného z pohledu ekonomické účinnosti, přesnosti,
geografického pokrytí a spolehlivosti [16]. Nicméně s ohledem na požadované zlepšení
integrity, dostupnosti a přesnosti se pracuje na jeho dalším zdokonalování rozšiřováním
systému o další služby, jako je diferenční GPS, kombinované využívání systémů GPS a
GLONASS a o navrhované rozsáhlé rozšiřující systémy, jako jsou WAAS, EGNOS apod.
5.8.4 Kontinuita signálů
Kontinuitou je míněna schopnost navigačního systému pracovat bez jakéhokoliv přerušení
v průběhu celé předpokládané doby operace. V podstatě vyjadřuje pravděpodobnost, že
systém bude schopen udržet požadovanou úroveň výkonu po celou dobu provádění operace,
předpokládajíc dostupnost systému na počátku této operace. V ideálním případě by měl
navigační systém poskytovat služby uživatelům nepřetržitě. Nicméně díky plánovaným
údržbám, případně nepředpověditelným poruchám může dojít k dočasnému zhoršení,
případně až přerušení poskytování služeb.
5.8.5 Interference signálů
Interference signálů nebyla v odst. 5.8 explicitně vyjmenována, protože ač může významně
ovlivnit výkonnost systému GPS, jedná se o jev lokální. Provozovatel systému GPS se snaží
vytvořit takové podmínky, aby minimalizoval náhodný vznik interference například tím, že
prosadil, aby byly frekvence systému GPS přidělené pro výhradní užití, tzn. že žádný jiný
provozovatel jakéhokoliv systému nesmí těchto frekvencí použít. Úmyslné interferenci se
samozřejmě nedá předejít žádným způsobem.
K interferenci signálů obvykle dojde tehdy, když přijímač přijímá současně dva signály,
které se liší jen minimálně svou frekvencí, respektive fází. Obvykle způsobuje, že přijímač
není schopen zpracovat užitečný signál. Interference představuje pro komunikační a navigační
systémy velký problém. Nejinak je tomu i v případě systému GPS.
Možnými zdroji interference mohou být [252]:
•
•
•
•
86
emise ležící ve stejném kmitočtovém pásmu
širokopásmový šum
emise z blízkého kmitočtového pásma
harmonické vlny
Ver. 1.0
•
5 Systém GPS
záměrné rušení.
Emise ležící ve stejném kmitočtovém pásmu – zdroje potenciálních signálů
způsobujících interferenci leží ve stejném kmitočtovém pásmu, ve kterém pracuje náš vysílač
a přijímač. K této situaci může obvykle dojít tak, že stejné kmitočtové pásmo užívá více
uživatelů, a to ať už legálně, nebo nelegálně. Jak již bylo řečeno, v případě kmitočtových
pásem systému GPS se vláda USA snaží dosáhnout toho, aby frekvence využívané systémem
GPS byly určeny výhradně k tomuto účelu. Důležitost splnění této podmínky lze
dokuemntovat na říkladu švýcarské letecké navigační služby Swisscontrol, která nahlásila
hlásila zdroj interference, vysílající v pásmu vyhrazeném pro systém GPS, který způsobil
problémy GPS přijímači umístěnému na letadle přibližujícím se k letišti v Luganu. Zdroj byl
identifikován v sousední zemi [252].
Širokopásmový šum může pocházet z elektrických zařízení, jako jsou zapalovací systémy
a obloukové svářečky, nebo velké elektromotory, jsou-li dostatečně výkonné. Tento signál se
může dostat do přijímače buďto anténou, nebo přes napájení, případně datovou linkou.
Emise z blízkého kmitočtového pásma – Některé signály, ač jsou vysílány zcela legálně
na frekvencích, které jsou velice blízké signálům systému GPS, mohou interferovat s těmito
signály především při použití levnějších přijímačů, které mají díky snaze o snížení ceny
nedostatečně odfiltrovaný vstup z antény. Například jedna loď hlásila, že její přijímač,
pracující pouze s C/A kódem, přestal v přístavu Stavanger v Norsku pracovat. Problém byl
způsoben mikrovlnným datovým kanálem, jehož vysílač pracoval na frekvenci 1533.005
MHz (tedy velice blízko frekvenci nosné L1, která je 1572.42 MHz) a byl umístěn asi 1 km
od přístavu. Žádný další přijímač GPS, testovaný ve stejném místě, však nevykázal jakékoliv
problémy způsobené zmíněným vysílačem.
Harmonické vlny – Bylo hlášeno již několik případů, kdy problém způsobil signál
vysílaný na frekvenci hodně vzdálené od kmitočtových pásem systému GPS, které však
obsahovaly rušivou složku, zasahující právě do některého z těchto pásem. Například byl
hlášený případ, kdy přijímač GPS umístěný na letadle byl vyřazen z provozu díky interferenci
se signálem, vysílaným dálkoměrem, pracujícím na frekvenci 1050 MHz. Signál této
frekvence však byl odvozen kmitočtovým násobičem ze základní frekvence 525 MHz.
Bohužel kmitočtový násobič současně produkoval i třetí harmonickou s frekvencí 1575 MHz
s dostatečně velkým výkonem, schopným vyřadit z činnosti přijímač GPS. Byly otestovány tři
různé přijímače a všechny byly vyřazeny z provozu [252].
Záměrné rušení – úmyslná interference se signály systému GPS je označováno jako
záměrné rušení (angl. jamming). Doposud nebyl zaznamenán případ záměrného rušení [252],
snad s výjimkou testování za přesně definovaných podmínek pro potřeby vědeckých výzkumů
[232], nicméně tuto možnost nelze v žádném případě podceňovat.
Systém GPS je na tom z hlediska citlivosti na interferenci o něco hůře, než systém
GLONASS. Protože všechny družice vysílají na stejné frekvenci, je pravděpodobné, že
interference zcela ochromí celý přijímač. V případě systému GLONASS je jistá naděje, že
v případě, že je rušivý signál úzkopásmový, dojde k vyřazení signálů jen jedné nebo několika
málo družic, avšak přijímač bude schopen dále určovat svoji polohu.
Interference se dosti obtížně rozpoznává, někdy přijímač prostě přestane zobrazovat svoji
polohu, nebo se přístroj přepne do jiného modu měření. Někdy může uživatel rozpoznat
předzvěsti hrozícího selhání. Například podle přijímačem indikované síly signálu, nebo
poměru signál/šum lze při zvýšení intenzity interferenčního signálu usoudit na snížení
spolehlivosti měření. Rovněž se za této situace může rapidně snižovat počet sledovaných
87
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
družic. Některé přijímače jsou dokonce schopné i vydat výstražný (akustický) signál. Avšak
jiné přijímače nemusí vydávat žádné varování.
Co je třeba udělat v situaci, kdy se vyskytne interference? Nejprve je nezbytné ověřit, že
zdroj interferenčního signálu není ve vlastním zařízení. Doporučováno je zkusit vypnout
rádio, CD přehrávač (jsou-li nablízku) nebo přenosný počítač, v autě stěrače oken,
klimatizaci, případně jakékoliv jiné elektrické zařízení.
Pokud si ověříte, že interferenční signál nepochází z vlastního zařízení, pak by měl
následovat další krok – ověřit, zda se interference vyskytuje jen lokálně. Navíc je vhodné si
zapamatovat, za jakých podmínek k ní došlo a případně otestovat, zda se v jiné době situace
zopakuje.
5.9 Standardy systému GPS pro předávání dat
Použití GPS přijímačů doznalo značného rozšíření a tyto přijímače dnes představují
obrovský zdroj dat. Problémem se však může stát, jak dostat naměřená data z daného
přijímače do programu pro vyhodnocování měření, který byl zakoupen od jiného výrobce.
Přijímače používají často své vlastní (mnohdy nezdokumentované) formáty a tak problémů
může být hodně. Jedinou cestou, jak situaci vyřešit, je vytvoření standardů pro datovou
komunikaci s GPS přijímači.
První standard vznikl v oblasti DGPS pro spojení dvou přijímačů při měření v diferenčním
modu. Je jím již zmíněný standard RTCM SC-104. Druhý standard vznikl pro oblast výstupu
dat z GPS přijímačů a nese označení RINEX. Třetí standard definuje obecně rozhraní mezi
jednotlivými elektronickými přístroji používanými v lodní dopravě a jedna jeho část definuje i
rozhraní, které musí splňovat GPS přijímač, aby ho bylo možné bez problémů integrovat
s jinými elektronickými zařízeními. Jedná se o standard NMEA 0183. Postupem času se tento
standard ujal i v jiných oblastech, jako je letecká a pozemní doprava.
Existují samozřejmě i další standardy, které definují různé aspekty systému GPS. Z nich
nejdůležitější je tzv. Interface Control Document (ICD-200) [251], popisující parametry
rozhraní systému GPS, jejichž znalost je nezbytná například při vývoji přijímačů.
5.9.1 Standard RTCM SC-104
V roce 1983 požádal Institut pro navigaci USA (angl. U.S. Institute of Navigation – ION)
Radiotechnickou komisi pro námořní služby (angl. Radio Technical Commission for Marine
Services – RTCM) o vypracování doporučení pro přenos diferenčních korekcí pro uživatele
GPS. RTCM je neziskový poradní orgán, založený v roce 1947 s mandátem zkoumat a
hodnotit technické problémy vztahující se k námořní telekomunikaci. Vedení sídlí ve
Washingtonu a členové jsou prakticky ze všech sektorů námořnictva, včetně vládních agentur,
loďařského a rybolovného průmyslu, výrobců a vzdělávacích a výzkumných institucí.
ION v reakci na tuto žádost ustavil RTCM komisi č. 104 s názvem „Diferenční GPS služba
Navstar“ (angl. Special Committee No. 104, “Differential Navstar GPS Service“) s pověřením
vypracovat doporučení, které usnadní implementaci přenosu diferenčních korekcí a bude
zahrnovat definici dat, která budou přenášena, minimální čas mezi přenosy, velikost a
protokoly datového segmentu, datové jednotky, rozsahy a rozlišení. Dále měla tato komise
připravit doporučení pro možnou implementaci datového komunikačního kanálu. Přitom měla
komise mít na zřeteli potřeby nejen námořnictva, ale i ostatních uživatelů.
88
Ver. 1.0
5 Systém GPS
Doporučení výše zmíněné komise rovněž obsahovalo prozatímní návrh uspořádání
pseudodružice. Pseudodružice zde byla vnímána jako speciální DPGS služba, zahrnující
přenos diferenčních korekcí na frekvenci L1, případně v její blízkosti. Uživateli by se
pseudodružice jevila jako další družice, jejíž signál by byl zpracováván přímo přijímačem
GPS. Tím by byla eliminována potřeba speciálního datového kanálu pro přenos korekcí.
Navíc k výhodám klasické služby DGPS by toto uspořádání zvyšovalo spolehlivost systému
tím, že by poskytovalo další možnost měření zdánlivé vzdálenosti. Každopádně se jednalo o
předběžný návrh, vyžadující důkladné testování, aby nedošlo k ohrožení vlastní funkce
systému GPS.
Standard RTCM SC-104 definuje pro předávání dat binární formát. Základním stavebním
blokem je zpráva nebo rámec, sestávající z různého počtu 30ti bitových slov. Každé slovo
obsahuje jeden nebo několik parametrů s tím, že některé parametry mohou překračovat
rozhraní mezi slovy. Pro přenos dat se využívá prvních 24 bitů, zbývajících 6 bitů je využito
pro zabezpečení, umožňujícím detekovat a případně i opravovat chyby v datech vzniklé při
jejich přenosu. Jak použitá délka slova, tak i algoritmy použité pro zabezpečení
Hammingovým kódem jsou stejné jako v případě navigační zprávy.
První verze byla publikována v listopadu 1985 a na základě praktických zkušeností došlo
k menším úpravám a v lednu 1990 byla vydána Verze 2. V průběhu následujících let bylo toto
doporučení seznáno jako dostatečně robustní a bylo široce akceptováno jak výrobci, tak
uživateli – provozovateli sítí referenčních stanic jak v Severní Americe, tak i v Evropě.
2
PC100S2
OBSERVATION DATA
G (GPS)
27-AUG-100 10:51:01
____________
MARKER NAME
GPS 100 SRVY II
4.04
3916934.4449 1285217.3257 4850964.3257
0.0000
0.0000
0.0000
1
0
2
C1
D1
3.
1997
3
RINEX VERSION / TYPE
PGM / RUN BY / DATE
COMMENT1
____________
18
15
4
16.000000
MARKER NUMBER
OBSERVER / AGENCY
REC # / TYPE / VERS
ANT # / TYPE
APPROX POSITION XYZ
ANTENNA: DELTA H/E/N
WAVELENGTH FACT L1/2
# / TYPES OF OBSERV
INTERVAL
TIME OF FIRST OBS
END OF HEADER
3.
3 18 15 4 16.0000000 0 3G 6G17G22
22100126.000
-31793.139
22480858.000
-27882.900
23181148.000
-27778.510
3.
3 18 15 4 17.0000000 0 3G 6G17G22
22106174.000
-31791.189
22486161.000
-27878.997
23186430.000
-27779.485
Obr. 41 Ukázka výpisu naměřených dat ve formátu RINEX
V lednu 1994 byla publikována verze 2.1, která obsahovala rozšíření směrem ke
kinematickému měření v reálném čase. Podrobněji je možné se s tímto standardem seznámit
např. v [96].
89
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
5.9.2 Standard RINEX
Tento standard byl původně vytvořen na Institutu astronomie Univerzity v Bernu jako
formát pro předávání dat mezi institucemi participujícími na projektu vytvoření celoevropské
přesné geodetické referenční sítě, realizovaném v květnu 1989 (projekt se jmenoval EUREF).
Na Šestém mezinárodním geodetickém symposiu o určování polohy pomocí družic, konaném
v Las Cruces v Novém Mexiku v březnu 1989 se sešli autoři tohoto standardu s autory dalších
tehdy používaných standardů s cílem dohodnout se na používání jen jediného z nich. Podařilo
se jim velice rychle dosáhnout shody, takže ještě v rámci tohoto symposia oznámili, že
RINEX bude napříště jediným uznávaným standardem a zahájili práce na jeho přesné
specifikaci. Poslední korektury proběhly v březnu 1993. Od té doby byl tento standard
akceptován všemi hlavními výrobci GPS přijímačů i mnoha dalšími. Tito výrobci dnes
dodávají ke svým přijímačům programy pro převod naměřených dat do tohoto formátu.
Rovněž výrobci programového vybavení pro následné zpracování zabudovali do svých
programů moduly umožňující načítat data v tomto formátu.
Tento formát je textový, délka řádku je max. 80 znaků, aby se usnadnilo prohlížení na
obrazovce, a prozatím byly definovány tři typy souborů:
•
•
•
soubor obsahující naměřená data
soubor obsahující navigační zprávy
soubor obsahující meteorologická data.
Dnes je platný standard RINEX Verze 2.3. Na obr. 11 je uvedena ukázka výpisu části
souboru s naměřenými daty. Podrobněji je možné se o tomto standardu dovědět například v
[55].
5.9.3 Standard NMEA 0183
Standard pro propojování námořních elektronických zařízení NMEA 0183 (angl. NMEA
0183 – Standard for Interfacing Marine Electronic Devices) byl vypracován americkou
Národní asociací pro námořní elektroniku (angl. National Marine Electronic Association –
NMEA) [95]. Ta na počátku 80. let pociťovala potřebu existence obecného standardu,
definujícího rozhraní pro propojování námořních elektronických zařízení, který by umožňoval
jednoduše implementovatelnou a spolehlivou datovou komunikaci mezi těmito zařízeními a
navigačními a komunikačními systémy. Přijímače GPS byly do tohoto standardu rovněž
zařazeny a výrobci na to reagovali tak, že začali své přijímače vybavovat komunikačním
kanálem vyhovujícím tomuto standardu. V zhledem k tomu, že definice rozhraní pro
přijímače GPS byla dostatečně obecná, stala se nakonec široce užívanou i mimo oblast
námořních aplikací.
Standard definuje jednosměrnou sériovou asynchronní komunikaci mezi přijímačem coby
zdrojem dat a jiným zařízením (například počítačem) coby příjemcem dat. Veškerá
komunikace probíhá čistě v textovém modu. Data jsou z přijímače odesílána v podobě
textových vět, jejichž délka může být až 82 znaků. Jednotlivé věty mohou obsahovat
almanach GPS, údaje o stavu družic, určenou polohu, hodnoty DOP a seznam viditelných
družic atd. Obecný popis struktury věty a stručnou charakteristiku obsahu jednotlivých typů
vět lze nalézt v [95], detailní popis pak v příslušném standardu.
90
Ver. 1.0
5 Systém GPS
5.10 Další rozvoj systému GPS
Za roky provozování systému GPS se jednoznačně prokázala jeho přínosnost jak pro jeho
civilní, tak i vojenské uživatele. Na základě dosavadních zkušeností se však ukazuje že
systém GPS potřebuje některá zlepšení. Dlouhodobě se proto vedou diskuse o jeho dalším
vývoji, možných zlepšeních, rozšířeních, zpřesněních apod. V poslední době z diskusí
vykrystalizovala konkrétní opatření, která systém GPS čekají na počátku nového tisíciletí.
Tato opatření se týkají obou segmentů systému, které má jeho provozovatel pod kontrolou:
segmentu kosmického i řídicího. Co se týče segmentu uživatelského, ten je plně v rukou
komerčních firem. Vývoj zde probíhá prakticky nepřetržitě a uživatelé si mohou snadno
ověřit pokroky ve vývoji přijímačů a metod zpracování dat.
Podívejme se nejprve na chystaná zdokonalení kosmického segmentu. Je jim koneckonců
poskytována největší publicita, alespoň co se týče části civilní. V lednu roku 1999 oznámil
viceprezident Spojených států amerických Al Gore novou iniciativu v oblasti modernizace
systému GPS. Klíčovým prvkem této modernizace je zavedení druhého a třetího civilního
signálu na nově vyvíjených družicích Bloku IIF, resp. nově vyráběných družicích Bloku IIR:
1. jedná se především o zavedení vysílání civilního C/A kódu na nosné frekvenci L2 –
tzv. druhý civilní signál
2. a dále o vysílání civilního signálu na zcela nově zavedené nosné frekvenci L5
s kmitočtem 1176.45 MHz (115 x 10.23 MHz) tzv. třetí civilní signál.
[m]
100
100 m
80
60
40
30 m
20 m
20
10 m
SA zapnutá
Stávající
specifikace
SA vypnutá
Vliv ionosféry při velké,
střední a malé sluneční
aktivitě
6m
SA vypnutá + 2. civ. signál
dvě nosné frekvence
zvýšená přesnost
družicových hodin a
efemerid
Obr. 42 Přesnost určování horizontální polohy pomocí standardní polohové služby, vyplývající z doporučených
úprav: vypnutí selektivní dostupnosti a zavedení druhého civilního signálu [18].
a, stávající situace při zapnuté selektivní dostupnosti – chyba do 100 m; b, zlepšení přesnosti na 10 až 30 m při
vypnuté selektivní dostupnosti a v závislosti na změnách sluneční aktivity (ovlivňující zpožďování signálů při
průchodu ionosférou) v průběhu 11-letého slunečního cyklu; c, zvýšení přesnosti až na 6 m při použití druhého
civilního signálu a za předpokladu dalšího zlepšování celého systému GPS (zvýšení přesnosti družicových hodin,
zvýšení přesnosti efemerid atd.).
91
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
Ad 1, U druhého civilního signálu se dnes předpokládá, že by mohl být k dispozici
počínaje 9. družicí Bloku IIR, která by měla být vypuštěna v roce 2002 [167]. Přínos zavedení
tohoto signálu spočívá především v tom, že se i civilním uživatelům zpřístupní možnost
korekce chyby způsobené ionosférickou refrakcí. Rovněž zvýší i robustnost systému GPS,
protože v případě nedostupnosti jednoho ze signálů L1 a L2 (například v důsledku
interference) budou mít civilní uživatelé k dispozici ještě zbývající signál. Civilní signál L2
bude použitelný pro jakékoliv civilní aplikace, s výjimkou aplikací kritických z hlediska
bezpečnosti, kde ještě nebude splňovat nejpřísnější kritéria. Jeho zavedení přispěje ke zvýšení
přesnosti kódových měření na 5-6 m někdy kolem roku 2010 (viz obr. 42) [18, 167].
Ad 2, Na frekvenci L5 bude přenášen zcela nový F kód (angl. fine), který bude mít
frekvenci 10.23 MHz a periodu pravděpodobně jen 1 ms. Měl by umožnit výrazné zpřesnění
měření zdánlivých vzdáleností. Dále by měla být na kmitočtu L5 vysílána i nemodulovaná
nosná vlna, což by umožnilo výrazně zpřesnit i fázová měření. Tento signál by měl být
k dispozici počínaje sedmou družicí bloku IIF, která by měla být vypuštěna v roce 2006
[167]. Výhodou tohoto signálu je, že frekvence L5 spadá do celosvětově chráněného pásma
vyhrazeného pro leteckou radionavigaci a bude tedy chráněn i pro potřeby aplikací kritických
z hlediska bezpečnosti. Navíc není tento signál v kolizi s žádným běžně používaným
systémem, takže prakticky nevyžaduje žádné změny v existujících systémech. Zavedené
nosné frekvence L5 tedy pouze zvýší celkovou robustnost systému GPS, a to nejen pro
aplikace v oblasti letecké navigace, ale i pro pozemní uživatele (námořní, silniční, železniční
doprava atd.).
Zavedením civilního kódu na frekvencích L2 a L5 se tak i civilnímu sektoru zpřístupní
možnost opravy určované polohy o chybu způsobenou zpožděním signálů při průchodu
ionosférou. Vedle toho přidání frekvence L5 zvýší robustnost celého systému při navigaci,
neboť v případě rušení příjmu nosné vlny L1 bude možné dále pokračovat s měřením na
frekvenci L5. Navíc při použití všech tří nosných frekvencí (tj. L1, L2 a L5) bude možné
vypracovat ještě lepší modely vlivu ionosféry na šíření signálů a tím celkově zlepšit přesnost
určování polohy systémem GPS.
Pokud bude dodržena současná frekvence obnovy družic systému GPS, lze předpokládat,
že pro použití všech tří civilních signálů bude počáteční operační schopnosti dosaženo v roce
2010 a plné operační schopnosti v roce 2013. Po tomto roce tedy modernizovaný systém GPS
MCS
Hermitage,
England
US Naval
Observatory
Cap Canaveral
Hawai
Quito, Equador
Ascension
Buenos Aires,
Argentina
Bahrain
Kwajalein
Diego Garcia
Salisbury,
Australia
Obr. 43 Mapa rozmístění stanic řídicího segmentu systému GPS a stanic NIMA [57]
92
Ver. 1.0
5 Systém GPS
poskytne celou řadu výhod, mezi něž patří přesné navádění letadel na přistání, zvýšená
robustnost systému pro všechny uživatele a zvýšená odolnost proti interferenci. Měly by tak
být vytvořeny podmínky i pro další zpřesnění určování polohy při kódových měřeních na 50
cm a při fázových měřeních na 5 cm. Se speciálními přijímači a vyhodnocovacími postupy by
pak bylo možné dosáhnout ještě o řád lepší přesnosti fázových měření [167]. Na závěr je
vhodné ještě upozornit, že oba nově zaváděné civilní signály budou uživatelům přístupné
bezplatně.
Kromě výše uvedeného zavedení nových civilních signálů se u kosmického segmentu
uvažuje ještě o dalších opatřeních, jako je dvojnásobné zvýšení výkonu vysílačů na družicích,
což by redukovalo chyby způsobené šumem a dále o možnosti rozšíření konstelace družic až
na 36 [167], což se nejeví jako příliš pravděpodobné, ale z hlediska uplatnění RAIM by toto
opatření bylo nesporně vítáno. Celkově bude modernizace systému GPS stát v příštích pěti
letech 2.7 mld. USD [45].
Podívejme se nyní na připravovaná zlepšení řídicího segmentu. Ty jsou poměrně
podrobně popsány v [57]. V reakci na rostoucí požadavky armády na zlepšování přesnosti
systému GPS, podporované především úspěšným využíváním systému GPS v průběhu války
v Perském zálivu a v poslední době také úspěšností zbraňových systémů použitých ve válce
v Kosovu a naváděných na cíl právě systémem GPS, začalo Ministerstvo obrany USA vyvíjet
iniciativy směřující ke zdokonalování tohoto systému, které nakonec vyústily do programu
nazvaného Accuracy Improvement Initiative (AII; přibližně Program zvýšení přesnosti
systému GPS) a řízeného Společnou programovou skupinou projektu GPS (JPO). Koncem
roku 1996 byl zahájen kontrakt zaměřený na zdokonalení pozemního řídicího segmentu,
známý jako GPS Operations Support Contract (GOSC). Jednou z hlavních aktivit vyvíjených
v rámci tohoto kontraktu je nahrazení stávajících stárnoucích sálových počítačů, umístěných
na Hlavní řídicí stanici distribuovanou sítí pracovních stanic. Bohužel různé technické,
organizační, finanční a jiné problémy, které při plnění tohoto kontraktu nastaly, posunuly
termín dokončení z původně plánovaného listopadu 1999 na rok 2005.
Navíc, přestože tento kontrakt byl původně zaměřen pouze na zlepšení vojenské přesné
polohové služby, nyní, kdy byla vypnuta selektivní dostupnost, pocítí přínos této iniciativy i
civilní uživatelé standardní polohové služby. Po dokončení (tedy za pět let) tak civilní
uživatelé pocítí další výrazné zvýšení přesnosti určování polohy.
Je vhodné ještě poznamenat, že program AII je zaměřen pouze na zvýšení kvality signálů
vysílaných družicemi, nijak se nevěnuje problematice vícecestného šíření ani vlivu atmosféry.
Řešení těchto problémů plně ponechává v rukou uživatele.
V rámci programu AII jsou vyvíjeny aktivity ve třech hlavních směrech (které se všechny
týkají právě pozemního řídicího segmentu).
Za prvé, k signálům získávaným při sledování družic GPS monitorovacími stanicemi
pozemního řídicího segmentu budou pro potřeby modelování chování družic a stanovování
jejich přesných efemerid a korekcí hodin přidány i signály získávané stanicemi National
Imagery and Mapping Agency (NIMA; přibližně Národní snímkovací a mapovací agentura
USA; obr. 43). Tím se výrazně zlepší sledování družic GPS a tím i přesnost určování hodnot
všech parametrů popisujících systém GPS. Zatímco v případě stávající sítě pozemních
monitorovacích stanic se jen v omezené míře stávalo, že by jedna družice byla viditelná
současně ze dvou monitorovacích stanic a naopak existovala oblast přibližně mezi Jižní
Amerikou a Novým Zélandem, kde byly družice zcela mimo kontakt po dobu až více než
jedné hodiny, tak po rozšíření této sítě o stanice NIMA budou družice viditelné alespoň
z jedné stanice prakticky trvale a s výjimkou dvou velice malých oblastí budou družice
viditelné ze dvou až sedmi monitorovacích stanic současně. Tím se výrazně zvýší i celková
93
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
robustnost systému. V současné době, pokud dojde na družici k problému v době, kdy je
mimo dohled monitorovacích stanic, je tato závada indikována až po té, kdy se opět objeví
v zorném poli nejbližší monitorovací stanice. Až teprve tehdy je pozemní řídicí segment
schopen na závadu reagovat (například příslušným nastavením příznaku stavu v navigační
zprávě jednotlivých družic).
Za druhé, dojde k výrazné změně celého procesu stanovování všech parametrů systému
GPS (je jich celkem více než 350 a patří k nim efemeridy družic, korekce hodin, stav družic
apod.). Zatímco dnes se jednotlivé skupiny parametrů vyhodnocují samostatně, po zavedení
nového postupu se budou všechny parametry vyhodnocovat současně jedním procesem.
Odhaduje se, že se tímto krokem dosáhne zvýšení přesnosti určování hodnot parametrů o 10 –
15 %.
Za třetí, na družice bude možné přenášet aktuální hodnoty parametrů mnohem častěji.
Dnes je frekvence přenášení dat na družice dána (omezena) počtem a rozmístěním stanic pro
komunikaci s družicemi. Běžně se dnes provádí jeden přenos na jednu družici denně, jen
v případě potřeby je možné provést ještě druhý mimořádný přenos. V praxi vychází průměr
1.3 přenosu na družici a den. To ovšem znamená, že v extrémním případě družice vysílá ve
své navigační zprávě až 24 hodin stará data. Proto se hledal způsob, jak zvýšit frekvenci
přenosů dat a snížit tak jejich stáří v navigační zprávě (angl. age of data – AOD). V podstatě
byly vyvinuty dva mechanizmy: jeden je založen na zlepšení plánování přenosů a druhý na
rozšíření počtu stanic pro komunikaci s družicemi.
Zlepšení plánování přenosů vychází ze stávající sítě stanic pro komunikaci s družicemi,
ale počítá s tím, že pro každou družici budou naplánovány minimálně dva přenosy denně
s tím, že v případě potřeby bude možné provést ještě třetí mimořádný přenos dat.
Druhý přístup, založený na rozšíření počtu stanic pro komunikaci s družicemi
předpokládá propojení Hlavní řídicí stanice s komunikačními stanicemi provozovanými
letectvem USA (Air Force Satellite Control Network – AFSCN; řídicí síť družic provozovaná
letectvem USA). Jakmile bude vybudováno nezbytné propojení mezi oběma složkami,
výrazně se zvýší počet stanic pro komunikaci s družicemi. Provozovatel systému GPS tak
bude mít volnější ruce při plánování optimálního času přenosu dat na družice.
Vedle AII je vyvíjena i celá řada dalších iniciativ, vedoucích ke zvýšení přesnosti systému
GPS. Jedná se především o [57]:
•
•
•
•
•
výměnu atomových hodin na vzdálených monitorovacích stanicích za novější, mnohem
stabilnější typy
odstranění vícecestného šíření signálů na monitorovací stanici v Colorado Springs
zlepšená predikce troposférického zpožďování signálů
rostoucí využívání rubidiových atomových hodin oproti dříve více používaným
cesiovým hodinám
a další.
Všechny tyto iniciativy, ač jsou primárně zaměřeny na zvýšení přesnosti systému GPS pro
vojenské účely, budou mít pozitivní dopad i na běžné civilní uživatele. Poskytnou jim
přesnější, robustnější, spolehlivější a dostupnější služby systému GPS.
94
Ver. 1.0
6 Systém GLONASS
6 Systém GLONASS
GLONASS (angl. Global Navigation Satellite System; rusky Globalnaja navigacionnaja
sputnikovaja sistěma) je pasivní dálkoměrný družicový radiový navigační systém umožňující
určování polohy, rychlosti a času v třírozměrném prostoru, kdekoliv a kdykoliv na Zemi a
v přilehlém kosmickém prostoru [22]. Je určen pro:
•
•
•
•
•
•
řízení a zvýšení bezpečnosti letecké a námořní dopravy
geodézii a kartografii
monitorování pozemní dopravy
synchronizaci času mezi odlehlými místy
ekologický monitoring
pro potřeby vyhledávacích a záchranných služeb.
Systém GLONASS je spravován Ruskými kosmickými silami pro potřeby vlády Ruské
federace a je k dispozici i civilním uživatelům. Hlavním zdrojem informací o systému
GLONASS, včetně informací o aktuálním statusu kosmického segmentu je možné nalézt na
WWW stránkách Koordinačního vědeckého informačního centra Kosmických sil Ruské
federace (rus. Koordinacionnyj naučno-informacionnyj centr Vojenno-kosmičeskych sil –
KNIC VKS; angl. Space Forces Coordinational Scientific Information Center – SFCSIC)
s adresou http://www.rssi.ru/SFCSIC/sfcsic_main.html [308].
6.1
Struktura systému GLONASS
Systém GLONASS se skládá ze tří částí:
•
•
•
z konstelace družic GLONASS
z pozemního řídicího komplexu
z navigačního vybavení uživatelů.
6.1.1 Konstelace družic
Plně obsazená konstelace družic je složena z 24 družic rozmístěných ve třech orbitálních
rovinách, vzájemně posunutých o 120 stupňů. Družice jsou na každé oběžné dráze rozmístěny
rovnoměrně co 45 stupňů. Pro dosažení lepšího pokrytí signály družic jsou družice
v jednotlivých rovinách posunuty o 15 resp. 30 stupňů. Družice obíhají po kruhových
oběžných drahách se sklonem 64.8 stupňů ve výšce 19100 km a s oběžnou dobou 11 hodin a
15 minut.
Takovéto uspořádání družic zajišťuje viditelnost minimálně šesti a maximálně jedenácti
družic kdykoliv a kdekoliv na zemském povrchu [130].
První družice sytému GLONASS byla na oběžnou dráhu vynesena 12.10.1982 jako blok 1.
Doposud bylo vyneseno celkem 73 družic v 27 blocích. V rámci 2. až 7. bloku byly vynášeny
vždy dvě družice, počínaje 8. blokem vždy tři družice. Poslední blok byl vynesen na oběžnou
dráhu 13.10.2000. Družice byly uvedeny do operačního stavu postupně, první k 4.11.2000,
druhá k 21.11.2000 a třetí k 5.1.2001. V současné době (k 6.7.2001) je v konstelaci oficiálně
zařazeno 7 „zdravých“ družic (viz obr. 44). Plně byl kosmický segment obsazen jen v roce
1996, od té doby postupně degraduje a pokud v nejbližší době nedojde k obnovení
pravidelného doplňování družic, v průběhu několika lez zcela zanikne.
95
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
STATUS Information Group
GLONASS Constelation Status
(July 6 2000)
GLONASS Cosmos Plane Frequ.
number number /Slot chann.
782
779
784
786
783
787
788
2325
2364
2363
2362
2374
2375
2376
2/13
1/1
1/8
1/7
3/18
3/17
3/24
6
2
8
7
10
5
3
Launch
date
Intro
date
Status
Outage
date
14.12.95
30.12.98
30.12.98
30.12.98
13.10.00
13.10.00
13.10.00
18.01.96
18.02.99
29.01.99
29.01.99
05.01.01
04.11.00
21.11.00
operational
operational
operational
operational
operational
operational
operational
Note: All the dates (DD.MM.YY) are given at Moscow Time (UTC +0300)
SUMMARY Information Group
SUBJ: GLONASS STATUS 10 AUGUST 2000
SATELLITES, PLANES, SLOTS AND CHANELS
Plane 1 / slot:
Cannel:
01
02
02
--
03
--
04
--
05
--
06
--
07
07
08
08
Plane 2 / slot:
Cannel:
09
--
10
--
11
--
12
--
13
06
14
--
15
--
16
--
Plane 3 / slot:
Cannel:
17
05
18
10
19
--
20
--
21
--
22
--
23
--
24
03
Obr. 44 Status systému GLONASS ke dni 10. srpna 2000 (upraveno podle [283])
Oficiálně byl systém GLONASS uveden do operačního stavu 24. září 1993 dekretem
prezidenta Ruské federace.
Družice systému GLONASS vykazují neobyčejnou manévrovatelnost [2]. Změnu oběžné
dráhy je možné provést v průběhu jen několika dní (v případě systému GPS tento manévr
zabere několik týdnů až měsíců).
Jakékoliv plánované zásahy do kosmického segmentu jsou předem publikovány formou
zpráv, známých pod zkratkou NAGU (angl. Notice Advisory to GLONASS Users) a
dostupných prostřednictvím WWW stránkách Koordinačního vědeckého informačního centra
Kosmických sil Ruské federace [283]. Rovněž jsou zde publikovány i případné dodatečně
zjištěné poruchy. Na obr. 45 je ukázka dvou takovýchto zpráv.
96
Ver. 1.0
6 Systém GLONASS
6.1.2 Pozemní řídicí komplex
Pozemní řídicí komplex je kompletně situován na území Svazu nezávislých států. Hlavní
řídicí centrum se nachází blízko Moskvy, ostatní řídicí a monitorovací stanice jsou umístěny
NAGU Information Group
053-000531
NOTICE ADVISORY TO GLONASS USERS (NAGU) 053-000531
SUBJ: 22/10 (766) UNUSABLE 26.05/ MT – UNFINISHED
1.CONDITION: 22/10 (766) UNUSABLE SINCE 26.05/ MT
(UTC+0300) UNTIL FURTHER NOTICE DUE TO MAINTENANCE
2.USERS ARE REMINDED TO UPDATE ALMANACS IF NECESSARY
3.PC:KNITS AT +7-095-333-81-33
058-000614
NOTICE ADVISORY TO GLONASS USERS (NAGU) 058-000614
SUBJ: 10/09 (781) UNUSABLE 14.06/0650 MT – UNFINISHED
1.CONDITION: 10/09 (781) UNUSABLE SINCE 14.06/0650 MT
(UTC+0300) UNTIL FURTHER NOTICE DUE TO MAINTENANCE
2.USERS ARE REMINDED TO UPDATE ALMANACS IF NECESSARY
3.PC:KNITS AT +7-095-333-81-33
Obr. 45 Ukázka NAGU (upraveno podle [283])
v Ternopolu, St. Petrsburgu, Jenisejsku, Komsomolsku na Amuru a Balkaši (obr. 46). Tyto
stanice nepřetržitě monitorují signály všech viditelných družic, provádějí laserové měření
vzdálenosti mezi stanicemi a družicemi (každá družice je pro tyto účely vybavena laserovým
odražečem) a získaná data přenášejí do Hlavního řídicího centra. Zde se tyto údaje
zpracovávají, vyhodnocují se přesné parametry oběžných drah družic a korekce družicových
hodin a aktualizují se navigační zprávy. Výsledky se přenášejí na stanici pro komunikaci
s družicemi, odkud jsou dvakrát denně přenášeny na družice.
Takto uspořádaný kontrolní a řídicí segment je jistou nevýhodou systému GLONASS,
neboť každá družice je zhruba 16 hodin denně mimo dosah kontrolního a řídicího segmentu.
Tím je ztíženo monitorování stavu družic a snížena je i přesnost určování efemerid. Proto se u
příští generace družic GLONASS-M plánuje, že družice budou schopné vzájemné
komunikace a tím i monitorování, což umožní zajistit kontrolu integrity systému i podobu,
kdy jsou družice mimo přímý dosah pozemního řídicího komplexu.
6.1.3 Uživatelský segment
Uživatelský segment je tvořen všemi přijímači, uživateli a postupy měření. Vzhledem
k tomu, že budoucnost systému GLONASS je stále nejasná, je počet dostupných typů
přijímačů velice omezený, počet výrobců se počítá řádově v jednotkách. O vážnosti situace
svědčí i fakt, že někteří výrobci poskytují na své přijímače GLONASS záruku, že v případě
zániku systému GLONASS je bezplatně vymění za jiné, schopné přijímat nově zaváděné
signály systému GPS.
97
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
Ternopol
7.2.2002
St. Petersburg
Moskva
Jenisejsk
Komsomolsk na A.
Balkaš
Obr. 46 Rozmístění stanic pozemního řídicího komplexu GLONASS
6.2
Signály vysílané družicemi GLONASS
Signály družic GLONASS jsou vysílány na dvou nosných frekvencích (označovaných opět
L1 a L2), které se však (na rozdíl od systému GPS) pro každou družici mírně liší. Platí zde
následující vztahy:
L1 = 1 602 MHz + n.0,5625 MHz
(výkon vysílače 64W)
L2 = 1 246 MHz + n.0,4375 MHz
(výkon vysílače 10W)
kde n je číslo kmitočtového kanálu.
Původně systém GLONASS používal plný rozsah kmitočtových kanálů (tedy pro každou
družici unikátní číslo), avšak vzhledem k problémům s interferencí s blízkým okénkem
vyhrazeným pro radioastronomická pozorování bylo rozhodnuto, že bude počet používaných
kmitočtových kanálů snížen (vynecháním kanálů 15 až 20) a družice nacházející se na
opačných stranách oběžné dráhy (tedy družice, které nemohou být za žádných okolností
viditelné současně z jednoho bodu) sdílejí stejný kmitočtový kanál. Úplný popis signálů
systému GLANOASS včetně popisu třístupňového plánu změny nosných frekvencí je uveden
v [24]. Přehled přechodu na nové rozdělení kanálů je zaznamenán v tab. 5.
Časové období
Používané kmitočty
Používané kanály
do roku 1998
1 602.0 – 1 608.8 MHz
1 614.4 – 1 615.5 MHz
1 až 12
22 až 24
1998 – 2005
1 602.0 – 1 608.8 MHz
1 až 12
po roce 2005
1 598.1 – 1 605.4
-7 až +6
Tab. 5 Plánovaná postupná změna nosných frekvencí L1 systému GLONASS [24]
98
Ver. 1.0
6 Systém GLONASS
Družice tohoto systému vysílají dva typy navigačních signálů [93]:
•
•
navigační signál standardní přesnosti (angl. Standard Precision Navigation Signal –
SP, resp. Channel of standard Accuracy – CSA), který je přenášen pouze na nosné
frekvenci L1 a je obdobou C/A kódu systému GPS; jedná se o pseudonáhodnou
posloupnost 511 nul a jedniček vysílanou frekvencí 0.511 MHz (sekvence se tedy
opakuje co 1 ms; všechny družice vysílají stejnou sekvenci)
navigační signál vysoké přesnosti (angl. High Precision Navigation Signal – HP,
resp. Channel of High Accuracy – CHA), který je přenášen na obou nosných
frekvencích L1 a L2 a je obdobou P-kódu systému GPS; jedná se o pseudonáhodnou
posloupnost nul a jedniček vysílanou frekvencí 5.11 MHz, jejíž původní délka
33 554 432 bitů je zkrácena tak, aby se sekvence opakovala co 1 s; všechny družice
opět vysílají stejnou sekvenci).
Frekvence a časování signálů je odvozeno od jedněch ze tří cesiových atomových hodin,
umístěných na družici. Hodiny pracují s frekvencí 5 MHz. Intenzita signálů na povrchu Země
je srovnatelná se systémem GPS.
Každá družice vysílá současně s navigačním signálem standardní přesnosti navigační
zprávu, která obsahuje [130]:
•
•
•
•
•
•
•
efemeridy družice dané ve formě:
přesné polohy družice v daném čase
složek vektoru rychlosti družice
složek vektoru zrychlení družice
posun hodin družice vzhledem k systémovému času GLONASS (angl. GLONASS
System Time) a k UTC (RF)
korekce družicového času na čas GLONASS
kalendářní číslo dne v rámci čtyřleté periody, s počátkem v přestupném roce
číslo družice v systému
příznak stavu družice
almanach GLONASS.
Navigační zpráva je dlouhá 7 500 bitů, její odvysílání trvá 2,5 minuty a je rozdělena do
pěti 30ti sekundových rámců [121], které se dále dělí na patnáct 100 bitových podrámců.
Každý rámec přitom vždy obsahuje efemeridy a posun hodin družice, takže se tyto údaje
opakují co 30 s [93]. Aktualizují se co 30 minut s tím, že platí pro časový interval ± 15 minut
od aktualizace [79].
Rovněž s navigačním signálem vysoké přesnosti je přenášena navigační zpráva, ale ta se
liší od předešlé. Podrobnější informace o ní nebyly doposud publikované, ví se jen, že přenos
celé zprávy trvá 12 minut a že se v ní efemeridy a posun hodin družice opakují co 10 s.
Součástí přesných efemerid a almanachu jsou i dva příznaky stavu družice, které jsou
nastavovány jednak na základě automatické diagnostiky družice (k nastavení dojde do 1
minuty od detekce problému), jednak na základě příkazu z pozemního řídicího komplexu (v
tomto případě může nastavení příznaku trvat v ideálním případě 2.5 minuty, v nejhorším
případě však až 16 hodin [213]). Almanach obsahuje informace o všech družicích systému
GLONASS včetně Keplerovských parametrů oběžných drah, hrubých korekcí všech
družicových hodin vzhledem k systémovému času GLONASS a příznak stavu pro každou
družici v konstelaci. Almanach je platný po dobu 24 hodin [79]. Přesný popis všech signálů a
almanachu systému GLONASS lze nalézt v [213].
99
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
6.3
7.2.2002
Určování polohy a času
Určování polohy a času na úrovni standardní přesnosti je trvale a celosvětově dostupné
všem civilním uživatelům. Měření lze provádět s těmito parametry:
•
•
•
•
přesnost určení horizontální polohy v rozsahu 57 až 70 m (s pravděpodobností 99.7 %)
přesnost určení vertikální polohy do 70 m (s pravděpodobností 99.7 %)
přesnost určení složek vektoru rychlosti do 15 cm.s-1 (s pravděpodobností 99.7 %)
přesnost určení času do 1 mikrosekundy (s pravděpodobností 99.7 %).
Tyto parametry mohou být výrazně zlepšeny použitím diferenčního měření a speciálních
metod měření a vyhodnocování.
6.3.1 Systémový čas GLONASS
Družice systému GLONASS jsou vybaveny cesiovými atomovými hodinami, jejichž denní
chyba nepřekračuje 5 . 10-13 s. Tato stabilita umožňuje zajistit synchronizaci se systémovým
časem GLONASS (angl. GLONASS System Time, GLONASST) s přesností okolo 15
nanosekund. (Korekce hodin jsou přenášeny na družice dvakrát denně.)
Systémový čas GLONASS je generován centrální synchronizační jednotkou (angl.
central synchronizer) realizovanou vodíkovými atomovými hodinami, jejichž denní chyba
nepřesahuje 5 . 10-14 s. Posun systémového času GLONASS vůči státnímu etalonu UTC (RF),
realizovanému v Hlavním metrologickém centru ruských časových a kmitočtových služeb
(VNIIFTRI) v Mendělejevu u Moskvy, by neměl překročit 1 ms, přičemž tento posun by měl
být znám s přesností lepší než 1 mikrosekunda. Zcela neznámý je však vztah mezi UTC (RF)
a UTC (BIH) odvozovaným na základě mezinárodního atomového času (TAI) v Bureau
International de l’Heure v Paříži. Vzhledem k časové škále UTC (USNO) (časovému
standardu USA, udržovanému v U.S. Naval Laboratory a sloužícího jako výchozí časová
škála pro systém GPS) se posun v letech 1993 a 1994 pohyboval v intervalu ±2 mikrosekundy
[13].
Na rozdíl od systému GPS je do systémového času GLONASS zaveden mechanizmus
přestupných sekund, což znamená, že zde nevzniká časový posun o celé sekundy3. Nicméně
jistý posun byl do systémového času GLONASS zabudován od počátku, a to ve výši tří hodin
vůči času UTC (RF)
GLONASST = UTC (RF) + 03h.00min
6.3.2 Souřadnicový systém
Polohy družic GLONASS jsou vyjádřeny v geocentrickém referenčním systému PZ-90 (z
rus. Parametri Zemli 1990; do roku 1993 byl používán systém SGS-85 – Sovjetskaja
Geodetičeskaja Systema 1985). Parametry transformace mezi souřadnicovým systémem PZ90 a WGS-84 doposud nebyly definitivně určeny. Na základě experimentálních měření však
bylo zjištěno, že souřadnice bodů vyjádřené v obou souřadnicových systémech se neliší o více
3
Toto opatření zpočátku komplikovalo provoz systému GLONASS. Např. tři přestupné sekundy zavedené
k datům 31.12.1995, 30.6.1994 a 30.6.1993 vedly vždy ke vzniku problémů, které způsobily následné vyřazení
systému z provozu na tři minuty. V roce 1992 byl systém mimo provoz dokonce celou hodinu (GLO-PERF).
Údaje o chování systému z poslední doby, které by umožnily posoudit, nakolik se provozovateli systému
podařilo tento problém vyřešit, nejsou k dispozici.
100
Ver. 1.0
6 Systém GLONASS
než 15 m (průměrně o 5 m) a že k dosažení uspokojivé shody obou souřadnicových systémů
stačí malá rotace (o 0.4“) kolem osy z a malé posunutí počátku o 2.5 m podél osy y systému
WGS-84 [14]. Na základě rozsáhlejších měření pak byl stanoven přesnější transformační
vztah, uvedený v příloze A.
6.3.3 Kódová měření
Pro absolutní i relativní určování polohy s přesností řádově desítek metrů až
využívají kódová měření (a vyhodnocování zdánlivých vzdáleností). Jak již bylo
signály systému GLONASS nejsou záměrně znepřesňovány ani šifrovány, takže
určování polohy bylo za dob aktivní SA v systému GPS mnohem přesnější, než
systému GPS. Při diferenčním měření byla přesnost obou systémů srovnatelná [73].
metrů se
uvedeno,
absolutní
v případě
6.3.4 Fázová měření
V případě požadavku na vyšší přesnost (řádově centimetry nebo lepší) je nezbytné použít
fázová měření na nosné vlně. Zde existuje jistá slabina systému GLONASS. Vzhledem
k tomu, že každá družice vysílá na vlastní frekvenci, není proces hledání správné hodnoty
celočíselné nejednoznačnosti tak jednoduchý, jako v případě systému GPS a není zde proto
možné aplikovat stejné postupy.
6.4
Metody zpřesňování určování polohy a času
V případě systému GLONASS se zatím nevedou tak široké diskuse o budování
rozšiřujících služeb, umožňujících monitorovat například integritu signálů apod. V podstatě
jediný publikovaný materiál [22] se zabýval budováním komplexního systému diferenčního
GLONASS. Byl publikován v první polovině 90. let, dodnes je uveřejněn v původní verzi a
nebyl tedy aktualizován, i když celá řada termínů v něm uvedených již uplynula a evidentně
nebyla naplněna. Situace kolem tohoto systému je tedy nejasná, s velkou pravděpodobností
došlo minimálně k posunutí jeho realizace. Nicméně navrhované řešení je natolik zajímavé,
že ho zde popíšeme.
6.4.1 Diferenční GLONASS
V Rusku se plánuje vybudování jednotného systému šíření diferenčních korekcí (tzv.
Jednotný diferenční systém; angl. United Differential System- UDS), který by pokrýval celé
území Ruské federace [22]. Vnitřně by byl členěný do tří úrovní:
•
•
•
rozsáhlý diferenční systém (angl. Wide Area Differential System – WADS)
regionální diferenční systémy (angl. Regional Area Differential System – RADS)
lokální diferenční systémy (angl. Local Area Differential System – LADS).
Systém první úrovně – WADS – by pokrýval celé území Ruské federace. Zajišťoval by:
•
•
•
sběr a zpracování dat přijímaných monitorovacími stanicemi všech tří úrovní, výpočet
korekcí regionálního ionosférického modelu, efemerid, družicových hodin a kontrolu
integrity
přenos dat z první úrovně na diferenční stanice druhé a třetí úrovně a přímo
k uživatelům
spolupráci WADS a Hlavního řídicího centra GLONASS.
101
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
Požadovaný počet stanic pro tuto úroveň je od tří do pěti. Přesnost určování polohy v rámci
oblasti o rozloze 1500 až 2000 km by byla od pěti do deseti metrů. Předpokládá se, že pro tyto
účely by bylo možné využít přímo Řídící a monitorovací stanice Pozemního řídicího
komplexu systému GLONASS.
Systémy druhé úrovně – RADS, představované specializovanými diferenčními systémy,
by byly budovány ve vysoce rozvinutých oblastech s velkým ekonomickým potenciálem a
s velkým množstvím potenciálních uživatelů. Mohou být budovány v oblastech s intenzivní
dopravou (pozemní, leteckou, říční i námořní, resp. železniční), v oblastech
s komplikovanými meteorologickými podmínkami, v oblastech, kde se provádí měřické práce
apod. Přesnost určování polohy v rámci oblasti o rozloze 500 km by byla od 3 do 10 metrů.
Systémy třetí úrovně – LADS budou budovány v oddělených oblastech a budou
představovány speciálními ekonomickými, vědeckými a obrannými aplikacemi. Přesnost
určování polohy dosažitelná v oblasti o rozloze několika desítek kilometrů by se měla
pohybovat řádově v decimetrech. Do systémů této úrovně mohou být zakomponovány i
pseudodružice.
Vybudování systémů druhé a třetí úrovně (RADS a LADS) se očekávalo v průběhu let
1996-97, jejich integrace do Jednotného diferenčního systému (UDS) se předpokládala
v letech 1998-2000.
6.5
Standardy systému GLONASS
Pro systém GLONASS nejsou v současné době vyvíjeny žádné speciální standardy pro
předávání dat mezi přijímači a programy navzájem, spíš se jde cestou rozšiřování existujících
standardů vyvinutých pro systém GPS o položky týkající se systému GLONASS.
Vlastním standardem systému GLONASS je standard rozhraní, tzv. GLONASS Interface
Control Document [213] publikovaný v roce 1995.
6.6
Civilní využití systému GLONASS
7. března 1995 vláda Ruské federace vydala dekret, který definitivně potvrdil dříve daný
příslib týkající se možností civilního využívání systému GLONASS. V dekretu se mimo jiné
ukládá [5]:
•
vytvořit nadrezortní koordinační komisi zabývající se využíváním systému GLONASS
domácími i zahraničními civilními uživateli
•
vypracovat program využívání systému GLONASS pro civilní účely, zahrnující i vývoj
a výrobu civilních přijímačů (v letech 1995-2000) včetně vysílačů diferenčních
korekcí
•
vypracovat pravidla pro spolupráci ministerstev při využívání systému GLONASS
•
ministerstvo dopravy Ruské federace dostalo za úkol vybudovat informační službu
systémů GLONASS i GPS s tím, že Koordinační vědecké informační centrum Ruských
kosmických sil je zodpovědné za poskytování informací o statusu systému GLONASS
•
poskytnout ICAO (International Civil Aviation Organization) a IMO (International
Maritime Organization) nezbytné podkladové materiály pro přípravu dohod o využití
systému GLONASS jako součásti globálního navigačního systému pro civilní uživatele
a o spolupráci s těmito organizacemi při užívání systému GLONASS.
102
Ver. 1.0
6 Systém GLONASS
Na základě tohoto dekretu již proběhlo jednání s ICAO. Ruská federace se zavázala mimo
jiné k tomu, že:
•
systém bude provozován minimálně po dobu 15 let od dobudování (v roce 1995), tj. do
roku 2010
•
pokud bude rozhodnuto o ukončení provozu systému GLONASS, bude toto rozhodnutí
oznámeno minimálně šest let před datem ukončení provozu
•
navigační signál standardní přesnosti bude volně přístupný, bude použitelný bez
poplatků, bude umožňovat určování horizontální polohy s přesností do 60 m
horizontálně a do 75 m vertikálně (s pravděpodobností 0.997) a nebudou na něm
zavedeny žádné metody snižování přesnosti.
V roce 1999 vydal president Ruské federace dekret, v němž mimo jiné nařizuje vládě, aby
[65]:
•
udržovala, provozovala a rozvíjela systém GLONASS
•
vydala dokument určující zodpovědnost jednotlivých federálních orgánů za údržbu,
provozování a rozvoj systému GLONASS jako systému dvojího užití
•
ustavit meziresortní koordinační komisi pro systém GLONASS a zajistit její pravidelné
financování
•
informovat mezinárodní společenství o záměru Ruské federace nabídnout GLONASS
jako základ pro budování mezinárodního družicového navigačního systému.
Bohužel je možné pouze konstatovat, že praktické výsledky tohoto nařízení zatím nejsou
z pohledu uživatelů systému GLONASS patrné.
6.7 Mezinárodní experiment GLONASS 1998
Vzhledem k tomu, že komunita uživatelů systému GPS stále více vnímá výhody
společného využívání obou systémů, především z hlediska přesnosti, integrity a spolehlivosti,
byl nachystán globální experiment, který měl za cíl stanovit transformační parametry mezi
souřadnicovými systémy WGS-84 a PZ-90, nalézt vztah mezi časovými škálami obou
systémů a určit přesné parametry oběžných drah družic GLONASS. Mezinárodní experiment
GLONASS (angl. International GLONASS Experiment – IGEX98) byl zahájen v říjnu roku
1998 a původně byl naplánován až do září 1999. Po celou dobu byla současně sbírána data ze
systému GPS i GLONASS. Tato data jsou veřejně dostupná. Sledovací síť se zpočátku
skládala z 19 dvoufrekvenčních a 12 jednofrekvenčních přijímačů, rozmístěných především
v Evropě a Austrálii, ale postupně se rozrostla až na téměř 50 stanic rozmístěných po celém
světě. Ze srovnání parametrů oběžných drah družic GLONASS, stanovovaných v průběhu
experimentu a parametrů přenášených v družicových navigačních zprávách vyplývá, že
parametry stanovené v průběhu experimentu byly až o několik řádů přesnější (několik
decimetrů ve srovnání s desítkami metrů) [73]. První výsledky zpracování nasbíraných dat
byly slibné a nakonec se začalo uvažovat o tom, že tento experiment bude pokračovat dál jako
trvalý [9].
6.8 Další rozvoj systému GLONASS
Stávající družice systému GLONASS splňují požadavky na systém pro příští dva až tři
roky. V roce 1990 měly být zahájeny práce na další generaci systému GLONASS,
103
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
označovaném jako systém GLONASS-M [24, 79, 215]. Hlavní rysy nové generace systému
jsou:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
životnost družic prodloužená na 5 až 7 let (nyní 3 roky)
vzájemná komunikace mezi družicemi
autonomní provoz až po dobu 60 dní bez zásahu pozemního řídicího komplexu
vysílání navigačního signálu standardní přesnosti (CSA) i na frekvenci L2 pro potřeby
civilního sektoru
zvýšená stabilita družicových hodin na 1 . 10-13 s (nyní 5 . 10-13 s)
zvýšená přesnost efemerid
zvýšená přesnost určování rychlosti (až na 1 cm.s-1) a času (až na 20 až 30 ns)
zvýšená celková přesnost systému (snížení střední kvadratické chyby určování
vzdáleností (angl. User Range Error – URE; jedná se o přepočet všech do hry
vstupujících chyb na chybu určení vzdálenosti družice-přijímač) na 5 metrů (oproti
nynějším 8 až 10 m))
schopnost pozemního kontrolního komplexu nastavit bit indikující stav družice do 10
sekund po vzniku poruchy
přenos časového rozdílu mezi systémovými časy GPS a GLONASS
umístění až šesti záložních družic (po dvou v každé orbitální rovině), aby byl
redukován čas potřebný k nahrazení poškozené družice.
První družice série GLONASS-M by měly být vypuštěny v roce 2001 [6].
V říjnu roku 2000 byla po delší prodlevě vypuštěna další triáda družic a pro první pololetí
roku 2001 je naplánováno vypuštění další triády. Předpokládá se, že v průběhu roku 2001
bude aktivních 12 – 14 družic GLONASS [329]. Dále dle informací v témže prameni je již
dokončen dlouhodobý národní program rozvoje a údržby systému GLONASS. Tento program
zahrnuje následující fáze:
• udržování konstelace 12 – 15 družic až do roku 2002
• dokončení vývoje družic GLONASS-M s životností minimálně 7 let a jejich
doplňování do kosmického segmentu v letech 2003 – 2005
• dokončení vývoje malých, lehkých a vysoce výkonných družic GLONASS-K
s životností minimálně 10 let a nahrazení družic v kosmickém segmentu touto novou
generací v průběhu let 2004 – 2005.
104
Ver. 1.0
7 Rozšiřující systémy
7 Rozšiřující systémy
Některé státy, jako je např. Japonsko nebo Německo, případně i Evropská unie začaly
pracovat na vývoji vlastních systémů družicové navigace. Základním požadavkem přitom
bylo, aby to byly systémy nezávislé na libovůli velmocí, provozované civilními organizacemi
a schopné poskytnout obdobný rozsah a kvalitu služeb, jako systémy GPS nebo GLONASS.
V žádném případě se nemělo jednat o doplňky těchto dvou systémů, ale o zcela samostatné
alternativní systémy.
Mluvilo se v té době o vybudování Globálního družicového
navigačního systému (angl. Global Navigation Satellite System – GNSS) s celosvětovou
působností a nevojenským charakterem. Nicméně ekonomická a technologická náročnost
vybudování a provozování takovéhoto systému nakonec vedla k tomu, že se začalo mluvit o
postupném budování GNSS. V první fázi (někdy označované také jako GNSS-1) se plánuje
vybudování tzv. rozšiřujících (angl. augmentation) systémů, jejichž cílem je doplnit existující
systémy GPS a GLONASS o další služby, jako je šíření diferenčních korekcí a monitorování
integrity. Do této kategorie dnes patří čtyři projekty: Americký WAAS a LAAS, kanadský
CWAAS, evropský EGNOS a japonský MSAS. Teprve později (v druhé fázi) by mělo dojít
k vybudování zcela nového navigačního systému, označovaného zkratkou GNSS (někdy též
jako GNSS-2).
V této kapitole se podíváme alespoň ve stručnosti na některé rozšiřující systémy. Jen na
okraj, i když se jedná o projekty realizované různými státy nebo uskupeními států, je ze strany
FAA kladen důraz na to, aby tyto systémy byly plně kompatibilní a umožňovaly
bezproblémovou navigaci i při přeletu letadel mezi oblastmi pokrytými různými rozšiřujícími
systémy.
7.1 WAAS
WAAS (angl. Wide Area Augmentation System) vedle toho, že poskytne uživatelům
především z oblasti letectví větší přesnost určování polohy, jim bude schopen nabídnout i
zlepšení integrity nezbytné pro většinu fází letu, včetně přibližování k letišti. Po dokončení
bude pozemní část systému WAAS neustále vyhodnocovat integritu signálů družic GPS, bude
určovat potřebné korekce a bude varovat uživatele tohoto systému kdykoliv bude zjištěno
selhání některé z družic systému GPS. V případě přibližování k letišti bude varovný signál
vyslán do 5.2 sekundy od selhání [101].
WAAS je budován pro potřeby letectví na území USA a počáteční operační schopnosti měl
dosáhnout 25. září roku 2000. Nicméně díky problémům zjištěným v průběhu dlouhodobého
testu provedeného na podzim roku 1999 je toto datum posunuto o několik let.
WAAS se bude skládat ze tří částí [18]:
•
•
•
pozemního vysílání integrity (angl. ground integrity broadcast – GIB), které bude
poskytovat informace o stavu družic (a tím o spolehlivosti jejich signálů)
vysílání korekčních signálů WADGPS odvozených na základě národní sítě 35
referenčních stanic
vložené funkce pro určování vzdáleností, která umožní, že vysílaný signál WAAS bude
vypadat jako další družice GPS, poskytující navíc další zdroj pro určování vzdáleností
pro potřeby navigace.
105
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
Předpokládá se, že systém WAAS poskytne v reálném čase přesnost určení polohy do
sedmi metrů.
Systém WAAS by měl umožnit mimo jiné zkrácení doby letů a díky přesnější navigaci i
zkrácení minimální vzdálenosti mezi letadly a tím i intenzivnější využívání
nejfrekventovanějších tras.
7.2 LAAS
Local Area Augmentation System (LAAS) bude pracovat obdobně jako WAAS, ale v
menším měřítku. Referenční stanice LAAS bude umístěna na přesně zaměřeném bodě v okolí
oblasti, kterou má pokrývat korekcemi. Vzhledem k tomu, že referenční stanice zná svoji
přesnou polohu, je schopná detekovat jakékoliv chyby určování polohy pomocí viditelných
družic a v rámci přenášených korekcí předávat i informace o integritě signálů družic GPS
[193]. LAAS bude poskytovat ještě vyšší úroveň integrity než WAAS [101], potřebnou pro
automatické přistávání letadel. Pravděpodobnost nedetekovaného selhání nesmí překročit 5 .
10-9. Jedinou možností, jak takovéto spolehlivosti dosáhnout, je použít v kombinaci s běžnou
referenční stanicí umístěnou na letišti i pseudodružice. Dvojice pseudodružic (z nichž každá
bude umístěna po jedné straně přistávací dráhy) může letadlu poskytnout dostatečné
prostředky pro určování polohy, které v kombinaci s DGPS umožní dosáhnout přesnosti až na
úrovni centimetrů a zajistit i požadovaný stupeň integrity.
7.3 EGNOS
Jedná se o obdobu systému WAAS, vyvíjenou a budovanou pro potřeby letectví v Evropě. Do
plného provozu by měl být uveden v roce 2003 a měl by sloužit nejen jako prostředek pro
zdokonalení služeb systémů GPS a GLONASS, ale i jako základ připravovaného systému
Galileo [1] (viz dále). Sloužit by měl pro potřeby všech fází letu až po přiblížení k letišti.
Přesnost určování vertikální i horizontální polohy by měla být lepší než 4-6 metrů po 95 %
času a cílem je dosáhnout dostupnosti po 99 % času.
Základem by tedy měly být systémy GPS a GLONASS, doplněné o geostacionární družice
Evropské kosmické agentury, které budou přenášet jednak diferenční korekce a jednak by
mohly vysílat dálkoměrné signály obdobné signálům GPS [167].
Systém EGNOS je navržen tak, aby splňoval požadavky všech druhů dopravy, tedy námořní,
pozemní i civilní letecké v regionu Evropy [114]. Bude splňovat veškeré požadavky civilního
letectví týkajících se všech fází letu až po úroveň přesného přistání. Systém EGNOS bude
kompatibilní s ostatními rozšiřujícími systémy, jako je americký WAAS a japonský MSAS.
Systém EGNOS je možné v případě zájmu rozšířit i do oblasti Latinské Ameriky a to tak, že
se částečně využije existujících zařízení vybudovaných pro Evropu a částečně se rozmístí
nové prostředky specifické právě pro tuto oblast. Toto rozšíření by přispělo k optimálnímu
využívání vzdušného prostoru v této oblasti a poskytlo by i nemalé výhody leteckému
provozu mezi Evropou a Latinskou Amerikou. Nezanedbatelným je i potenciální rozvoj
spolupráce mezi oběma oblastmi [114].
106
Ver. 1.0
8 GNSS
8 GNSS
Jinou alternativou dosažení vyššího kvalitativního stupně v družicové navigaci je vyvinutí a
implementace zcela nového systému, vycházejícího sice z ověřených principů stávajících
systémů, avšak přinášejícího do navigace i určování polohy zcela novou kvalitu. Příkladem
takového systému může být připravovaný evropský globální družicový navigační systém
známý pod názvem Galileo.
V současné době existuje celá řada aplikací navigačních systémů, které se orientují
výhradně na existující systém GPS. To však vedlo k silné závislosti Evropy na systému GPS
v oblasti navigace, určování polohy i přesného času [196]. Velkou nevýhodou systému GPS
(samozřejmě z pohledu států Evropské unie) je jeho plná podřízenost zahraniční armádě.
Potřeba globálního družicového navigačního systému (GNSS), podřízeného výlučně civilní
správě se proto pro Evropskou unii jeví zcela nezbytnou. Hlavními argumenty jsou [196]:
•
•
•
•
otevřít cestu novým aplikacím, pro něž jsou technické parametry nebo spolehlivost
současných systémů nevyhovující
zajistit, aby se Evropa nestala příliš závislou (z hlediska ekonomického i z hlediska
služeb nezbytných pro bezpečnost lidí) na státech nacházejících se mimo Evropskou
unii
otevřít cestu novým aplikacím, nezbytným pro bezpečnost lidí, pro které by existovaly
mechanizmy certifikace a také existovaly záruky spolehlivého provozu
zavést nové aplikace a vytvořit nové trhy použitím integrovaných navigačních a
komunikačních služeb.
V Evropské unii byl v letech 1998 a 1999 řešen projekt EURONAV [196], který byl
zaměřen na analýzu nového, spolehlivého a ekonomického GNSS, v jehož koncepci by byl
kladen důraz na integraci určování polohy s jinými službami, jako je například přenos dat.
Takováto integrace by umožnila sdílení nákladů mezi různými službami a otevřela by prostor
pro zcela nové služby.
Zpočátku byly práce zaměřeny na detailní analýzu potřeb uživatelů, institucionálních
problémů a technických omezení navrhovaného navigačního systému a dále na předběžnou
marketingovou analýzu pro nový GNSS. Hodnoceny byly dvě základní koncepce: jedna
založená na globálním navigačním systému opírajícím se o regionální prvky a druhá založená
na globálním komunikačním systému. U obou byly hodnoceny technické, organizační,
ekonomické a institucionální aspekty. Oba byly navrhovány s ohledem na aplikace kritické
z pohledu bezpečnosti lidí a také s ohledem na rozsáhlý trh s produkty a službami
v urbanizovaných oblastech. Výsledkem bylo doporučení vybudovat evropský družicový
navigační systém Galileo (akronym používaný pro označení „European New Generation of
Satellite Navigation Service„) a využít při jeho budování tzv. „PPP“ (z angl. Public – Private
Partnership) – partnerství veřejného a soukromého sektoru. To znamená, že systém Galileo by
byl částečně financován z prostředků Evropské unie a částečně z prostředků soukromého
sektoru. Evropská komise však předpokládá, že po jeho dobudování a uvedení do provozu
v roce 2008 lze financování z veřejných prostředků z velké části nahradit financováním
z prostředků soukromých. Vše by mělo být jasné ještě před zahájením rozmísťování družic
v roce 2006.
107
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
8.1 Galileo
Cesta Evropské unie k projektu Galileo nebyla jednoduchá, ani krátká. Počátkem 90. let
zvažovala Evropa svůj přístup k problematice družicových polohových systémů a nejprve se
zabývala myšlenkou vytvořit si vlastní systém. Nicméně první ekonomická ohodnocení
projektu a rovněž nejednotnost pohledu států EU výrazně oslabily tyto tendence a Evropa
hledala alternativní cestu. Byla jí v podstatě orientace na některý z existujících navigačních
systémů, konkrétně GPS nebo GLONASS. Z technických i politických důvodů (snaha udržení
nezávislosti na USA) se v první polovině 90. let prosazovala varianta podpory výstavby
systému GLONASS. Nicméně nakonec převážily vyšší politické i ekonomické zájmy. Evropa
začala klást velký důraz na nezávislost systému na jakékoliv vojenské moci, tak aby nebyli
uživatelé tohoto systému ohrožováni možným omezováním přístupu k jeho službám v dobách
krizových situací a také si jednoduše spočítala, že její podíl na trhu produktů a služeb
spojených se systémem GPS je mizivý (pro rok 1999 se celkový objem trhu GPS produktů a
služeb odhadoval na 9 mld. USD, zatímco podíl Evropy činil méně než 400 mil USD [35]) a
jeho zvýšení je za stávající situace nepravděpodobné. Přitom se předpokládá, že v blízké době
dosáhne tento trh objemu 40 mld EUR [205].
V lednu 1999 Evropská komise doporučila, aby EU vyvinula svůj vlastní navigační
systém, pokud zahraniční partneři nebudou chtít nebo nebudou schopni nabídnout [205]:
•
•
•
solidní záruky, že poskytování služeb jejich navigačního systému nebude v budoucnu
přerušeno nebo zastaveno
plnou účast Evropy na budoucím návrhu, vývoji a provozu jejich navigačního systému
evropskému průmyslu rovnou příležitost soutěžit ve všech sektorech trhu, s rovným
přístupem ke všem technologiím.
Po následujících intenzivních rozhovorech je jasné, že zatímco USA jednoznačně odmítají
účast zahraničních partnerů na dalším vývoji a řízení systému GPS, Ruská federace naopak
vyjádřila svůj zájem na společném postupu, což přináší Evropské unii jisté výhody.
Nejvhodnější cestou k vyřešení výše uvedených politických a ekonomických problémů se
dnes jeví vybudování a provozování vlastního systému, který by byl čistě pod civilní správou,
pokrýval by svými službami celou Evropu, byl by snadno rozšiřitelný i do jiných regionů a
zajišťoval by Evropě patřičný podíl na trhu s výrobky i službami. Postupně uzrával projekt
evropského GNSS, dnes známého pod označením Galileo. V roce 2000 měla Evropa zjistit,
zda má potřebné technické a finanční zdroje, podnikatelskou prozíravost a politickou vůli
projekt Galileo realizovat [35] a přijmout definitivní rozhodnutí o pokračování nebo ukončení
prací. Počátkem roku 2001 nakonec byla po rozsáhlých diskusích zahájena další etapa vývoje
a budování systému Galileo.
Projekt má splňovat následující požadavky [205, 206]:
•
musí to být otevřený globální systém plně kompatibilní s (avšak nezávislý na) GPS,
s významnou rolí Ruské federace
•
bude založen na družicích se střední oběžnou drahou (cca 24 000 km), jeho cena bude
3.25 mld EUR; kosmický segment bude tvořen 30 družicemi rozmístěnými na třech
oběžných drahách; tři z nich (vždy po jedné na každé oběžné dráze) budou pracovat
v režimu aktivní zálohy; řídicí segment bude zahrnovat většinu z již budovaného
systému EGNOS; celý systém bude uveden do plného provozu v roce 2008; roční
provozní náklady počínaje rokem 2008 jsou odhadovány na 220 mil EUR
•
musí být vyvíjen v partnerství veřejného a soukromého sektoru
108
Ver. 1.0
•
8 GNSS
služby budou poskytovány na třech úrovních [59], [206], [303]:
úroveň 1: služba s otevřeným přístupem (angl. Open Access Service - OAS) –
tato služba bude obdobou standardní polohové služby modernizovaného systému
GPS, bude umožňovat určování polohy, rychlosti a času, bude poskytována
bezplatně a bude určená především pro masové aplikace; přesnost by měla být lepší
než 6 m celosvětově a dostupnost 99 %
úroveň 2: služba s kontrolovaným přístupem číslo jedna (angl. Controlled
Access Service number 1 – CAS 1) – tato služba bude vyhrazená především pro
komerční a profesionální aplikace, jimž bude poskytovat některé rozšířené služby,
jako jsou lepší výkonové parametry, zodpovědnost operátorů v případě přerušení
služby apod.; bude poskytována za úplatu; přesnost bude na úrovni OAS;
výkonnost bude zvýšena na regionální a případně i lokální úrovni využitím
regionálních a lokálních komponent
úroveň 3: služba s kontrolovaným přístupem číslo dvě (angl. Controlled Access
Service number 2 – CAS 2) – tato služba bude k dispozici výhradně pro potřeby
aplikací kritických z hlediska bezpečnosti lidí a případně dalších strategických
aplikací, pro něž je společným jmenovatelem, že u nich nelze tolerovat jakýkoliv
výpadek této služby nebo zhoršení jejích výkonových parametrů. Budou sem patřit
služby GAS (angl. Governmental Access Service) a SAS (angl. Safety of Life
Access Service); vyhlášení varování při chybě musí nastat do 6 s globálně a do 1 s
lokálně.
Ačkoliv pro masové využívání systému Galileo bude základní systém volně dostupný (tedy
na úrovni 1, odpovídající úrovni služeb systému GPS), vyšší úrovně služeb (úroveň 2 a 3)
budou dostupné pouze pro předplatitele za poplatek. Evropská komise rovněž uvažuje o tom,
že služby úrovní 2 a 3 mohou být pro aplikace jako je elektronický výběr poplatků za užívání
komunikací, monitorování rybolovu, nákladní a osobní dopravu a pro služby spojené
s bezpečností silničního provozu povinné a dále předpokládá, že by tyto dvě úrovně služeb
systému Galileo měly být certifikované pro bezpečnostně kritické a obdobné úkoly.
Vzhledem k tomu, že systém GPS takové možnosti nemá, nepochybně by tak vznikly dobře
prodejné produkty, pokrývající (a vytvářející) zcela nový segment trhu s navigačními a
polohovými službami.
Služba s otevřeným přístupem poskytovaná systémem Galileo by měla být minimálně na
úrovni budoucího standardního polohového systému GPS tak, jak bude k dispozici po
vypuštění modernizovaných družic, resp. družic nové generace. V tab. 6 jsou uvedeny některé
parametry, jak byly specifikovány v předběžném návrhu programu Galileo publikovaném
Evropskou kosmickou agenturou (ESA) 16. února 1999 [59]. Dnes existují i detailní
specifikace na úrovni jednotlivých poskytovaných služeb [335].
Kvalitativní kritérium
Přesnost určování polohy (95 %)
Požadovaná hodnota
+- 4.0 m horizontálně
+- 7.7 m vertikálně
Přesnost určování času (95 %)
30 ns
Riziko ztráty integrity
2 . 10-7 za 150 sekund
Časový interval do vyhlášení varování
6 sekund
Mezní hodnoty pro vyhlášení varování (v 10-20 m
h i
l
ik l
)
109
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
Kvalitativní kritérium
horizontálním a vertikálním směru)
Požadovaná hodnota
(doporučeno 12 m)
Dostupnost
0,9 – 0,997
Riziko ztráty kontinuity
8 . 10-6 za 15 sekund
Pokrytí
globální
Tab. 6 Předběžné požadavky na systém Galileo [59]
Spolupráce se zahraničními partnery je ze strany Evropské unie vítána, nicméně USA jsou
ochotné poskytnou pouze technické konzultace, zajišťující interoperabilitu obou systémů.
Striktně však odmítly účast jiných partnerů na rozhodování o systému GPS a jeho řízení.
V paralelní existenci systémů GPS a Galileo však vidí velkou výhodu jednak s ohledem na
bezpečnostně náročné aplikace, jednak s ohledem na aplikace v urbanizovaných oblastech
[186]. Ruská federace v tomto směru poskytuje daleko větší potenciál. Jednak má rozsáhlé
zkušenosti s potřebnými technologiemi, které je ochotna poskytnout, jednak má přístup
k potřebným frekvenčním pásmům, nezbytným pro vybudování jakéhokoliv nového systému.
A co je asi nejdůležitější, Ruská federace má zájem na spolupráci při budování nového
mezinárodního civilního navigačního systému [206]. Přístup ze strany Evropské unie však
musí být uvážlivý, ve smlouvách musí být jasně zohledněny bezpečnostní zájmy EU a cíle její
společné zahraniční a bezpečnostní politiky [186].
110
Ver. 1.0
8 GNSS
Nulová varianta, tedy spoléhání se nadále na systémy GPS/GLONASS, kterou Evropská
komise rovněž zvažovala, byla jednoznačně odmítnuta. Tato varianta by totiž znamenala, že
by Evropa absentovala v kosmickém segmentu, jádře budoucí nové generace GNSS. Komise
je přesvědčena, že by to Evropu ponechalo bez odpovídajícího zajištění jejích politických,
strategických, ekonomických, bezpečnostních, průmyslových, sociálních a dopravních zájmů.
Správa a provoz systému
S
Globální
komponenta
Regionální
komponenty
mimo
Evropu
Lokální
komponenty
Externí
entity
• Ref. čas
UTC
• Ref. prostor
ITRF
Externí
systémy
•
•
•
•
A
R
mod. GPS
GLONASS
LORAN-C
…
Vysílané signály
Uživatelský terminál
Poskytovatelé
služeb
Galileo
SAR
externí
systémy
další
senzory
Zákazníci
Obr. 47 Celková architektura systému Galileo. Obrázek naznačuje celkovou koncepci, nikoliv detailní schéma
[335].
Budování a provozování systému Galileo bude mít ještě jeden zajímavý efekt: významně
ovlivní tvorbu volných pracovních míst v Evropě. Předpokládá se, že vývoj a výstavba
systému přinese 20 000 pracovních příležitostí, provozování bude znamenat 2 000 stálých
pracovních míst a nové aplikace povedou ať už přímo nebo nepřímo k vytvoření 100 000
pracovních míst.
Ze zveřejněné ekonomické analýzy také vyplývá, že do roku 2020 by měl celkový přínos
dosažený provozováním systému Galileo dosáhnout zhruba 74 mld EUR při celkových
nákladech 6 mld EUR za stejné období [334].
111
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
8.1.1 Architektura systému Galileo
Celková architektura systému Galileo je zachycena na obr. 47. Odráží stav publikovaný
např. v [335, 336, 337].
Globální komponenta zahrnuje kosmický segment a pozemní řídicí komplex systému
Galileo. Kosmický segment má být tvořen celkem 30 družicemi obíhajícími na středních
oběžných drahách (výška oběžné dráhy cca 23 616 km). Družice budou rozmístěny pravidelně
ve třech oběžných rovinách. Na každé bude umístěno vždy devět aktivních družic a jedna
záložní. Přesto, že oběžná doba družic je s ohledem na výšku tři dny, zopakuje se nad daným
místem díky způsobu rozmístění družic na oběžných drahách stejná geometrie (a tím i stejné
výkonové parametry) vždy co 24 hodin. Sklon oběžných drah bude 56o, což spolu s oběžnou
výškou zajistí dobré pokrytí signály i v severních oblastech Evropy. Struktura pozemního
řídicího komplexu nebyla v době zpracovávání rukopisu publikována, známé jsou jen některé
dílčí informace. Součástí tohoto komplexu by měla být dvě centra pro řízení navigačního
systému, síť pozemních monitorovacích stanic rozmístěných po celém světě, stanice pro
kontrolu integrity apod.
Pozemní řídicí komplex (angl. Galileo Ground Control System) zahrnuje řídicí centrum
navigačního systému (angl. Navigation System Control Centre – NSCC), globální síť
bezobslužných orbitografických a synchronizačních stanic (angl. Orbitography and
Synchronisation Stations – OSS) a řadou dálkově řízených sledovacích, telemetrických a
řídicích stanic (angl. Tracking, Telemetry and Command Stations – TT&C). Každá OSS
určuje zdánlivé vzdálenosti a sleduje navigační zprávy všech právě viditelných družic
kosmického segmentu Galileo. Získaná data přenáší spolu s údaji o meteorologické situaci sv
místě měření do NSCC.
NSCC se skládá ze dvou částí: řízení družic a řízení navigace. První část realizuje řízení
družic počínaje jejich startem až po navedení na oběžnou dráhu, uvedení do provozu a po
celou dobu provozu družic. Navigační část zpracovává data z jednotlivých OSS, určuje
efemeridy družic a korekce pro hodiny na družicích a získaná data přenáší prostřednictvím
řízení družic na jednotlivé družice, kde se tyto údaje stávají součástí navigační zprávy. Dále
navigační část udržuje systémový čas Galilea (angl. Galileo System Time – GST). Systém
Galileo bude vybaven speciálními OSS, umístěnými ve vybraných laboratořích udržujících
časové standardy (UTC a TAI), které umožní určovat časový posun mezi GST a těmito
časovými standardy.
Systém Galileo bude dále vybaven rozhraními pro centra služeb (angl. Service Centres
Interface, která umožní napojování externích dodavatelů služeb na systém Galileo.
Zvláštní součástí systému Galileo bude subsystém realizující monitorování integrity
signálů vysílaných jeho družicemi (angl. Integrity Determination System). Informace budou
získávány globální sítí monitorovacích stanic (angl. Integrity Monitoring Stations),
zpracovány v centru pro kontrolu integrity (angl. Integrity Control Centre) a bezprostředně
vysílány na družice kosmického segmentu, kde se údaje o integritě signálů stanou součástí
navigační zprávy všech družic. Uživatel by tak měl obdržet varování o ztrátě integrity signálů
kterékoliv družice do 6 s.
Regionální komponenty mohou poskytovat nezávislé informace o integritě signálů družic
Galilea. Tyto informace budou poskytovány regionálními poskytovateli této služby a budou
šířeny prostřednictvím speciálních autorizovaných kanálů systému Galileo. Ten jich obsahuje
8, což znamená, že na Zemi může být definováno až osm nezávislých regionů s vlastním
monitorováním integrity.
112
Ver. 1.0
8 GNSS
Lokální komponenty budou dále zkvalitňovat služby poskytované regionálními
komponentami. K šíření informací budou využívat především (existující) pozemní
komunikační systémy. Umožní další zvýšení přesnosti a integrity v okolí letišť, přístavů,
velkých nádraží a v urbanizovaných oblastech. Mohou být rovněž využity pro zpřístupnění
služeb systému Galileo uvnitř budov.
8.1.2 Nosné frekvence signálů systému Galileo
Co se týče struktury signálů Galilea, zatím nebyly publikovány žádné konkrétní informace,
pouze záměr dosáhnout kompatibility se systémem GPS. V případě nosných frekvencí
přicházejí v úvahu tři možná řešení [59]:
•
sdílet kmitočtová pásma se systémem GPS, což by muselo být předmětem dohody se
Spojenými státy americkými a v plném rozsahu asi nepřichází v úvahu
•
využívat kmitočtová pásma přidělená systému GLONASS, což by muselo být
dohodnuto s vládou Ruské federace
•
využívat zcela samostatná kmitočtová pásma, přidělená pouze systému Galileo. Tato
varianta je částečně založena na kmitočtových pásmech, která jsou již přidělena
Evropské kosmické agentuře a částečně na zpřístupnění jiných pásem. Základní
schéma by mohlo vypadat takto [59]:
Opětně použít úzká podpásma E1 (1587 – 1591 MHz) a E2 (1559 – 1563 MHz).
Podpásmo E1 by bylo využito pro přenos úzkopásmového signálu v rámci služby
CAS 2 a podpásmo E2 pro přenos úzkopásmového signálu v rámci služby CAS 1 a
OAS.
Získat přístup k pásmu 1151 – 1215 MHz s tím, že by bylo využito pásmo šířky 20
– 24 MHz (které se však bude odlišovat od pásma 1164 – 1188 MHz přiřazeného
budoucí frekvenci L5 systému GPS) pro přenos šifrovaného signálu jako součásti
služby CAS 2.
Získat přístup k pásmu E6 (1260 – 1300 MHz) a využít v něm pásmo šířky 20 – 24
MHz pro přenos signálů služby CAS 1 a možná i CAS 2. V tomto případě přichází
v úvahu rozšíření tohoto intervalu až do pásma E4 (1254 – 1260 MHz), které již
bylo pro systém Galileo přiřazeno.
Nicméně konečné řešení rozložení kmitočtových pásem užívaných jednotlivými službami
Galilea bude záviset na rozhodnutí konferencí Mezinárodní telekomunikační unie (angl.
International Telecommunication Union – ITU), které jsou plánované na roky 2000 a 2001.
První zprávy z konference roku 2000 hovoří o tom, že jak systému GPS, tak i systému Galileo
by mohla být přiřazena požadovaná frekvenční pásma [24], nicméně definitivní rozhodnutí
padne až na WARC v roce 2003.
8.1.3 Harmonogram budování systému Galileo
V letech 1999 až 2000 proběhne přípravná fáze a na podkladě dosažených výsledků bude
na přelomu let 2000 a 2001 definitivně rozhodnuto o zahájení celého projektu, případně o
jeho ukončení [59]. V případě kladného stanoviska proběhne budování celého systému
v letech 2001 – 2008. První testovací konstelace družic, umožňující ověření celkové koncepce
i plánovaných výkonových parametrů a získání praktických zkušeností s provozem Galilea,
bude k dispozici do konce roku 2003. Od roku 2005 bude k dispozici počáteční konstelace
113
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
družic a v roce 2008 by mělo být dosaženo plného operačního stavu (FOC). Celý
harmonogram budování Galilea je přehledně znázorněn na obr. 48.
1 999
2 000
20 01
20 02
20 03
200 4
2 00 5
2 00 6
2 00 7
2 008
D efin iční fá ze
V ývo j technolo gie
N á vrh a vý voj
systém u
O v ěřov ání v
kosm u
V ybud ová ní
systém u
P rov oz systém u
E G N O S v provo zu .
U m ožní první testy
u živ atelů G alilea
Obr. 48 Předběžný harmonogram budování globálního družicového navigačního systému Galileo. Znázorněno je
období od roku 1999, kdy byla zahájena přípravná fáze, až po rok 2008 kdy by mělo být dosaženo plného
operačního stavu (FOC). Čárkovaná linie na počátku roku 2005 znázorňuje předpokládané dosažení počáteční
operační schopnosti (IOC) [59], [303].
114
Ver. 1.0
9 Oblasti využití GPS
9 Oblasti využití GPS
Dnes jediným prakticky využívaným družicovým navigačním systémem je systém GPS.
Proto se v této kapitole budeme věnovat výhradně jemu.
Systém GPS je využíván v celé řadě oblastí. Mezi ně patří:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
doprava
geodézie a mapování
zvládání krizových situací
pozemní aplikace
rekreace
vesmír
časové služby
vědecké aplikace
a celá řada dalších.
Podívejme se na některé z těchto oblastí podrobněji.
9.1 Aplikace GPS v oblasti dopravy
Doprava je dnes pravděpodobně jedním z největších uživatelů služeb systému GPS.
Družicová navigace pronikla do všech druhů transportu, pozemním počínaje a kosmickým
konče.
9.1.1 Aplikace v silniční dopravě
Silniční doprava využívá systém GPS pro pasivní sledování pohybu vozidel. Asi
nejjednodušší je v této oblasti monitorování pohybu vozidel metodou černé skříňky. Do
sledovaného vozidla se namontuje zařízení, které na záznamové medium ukládá polohu
vozidla určovanou v zadaném intervalu, např. jedné minuty. Po návratu vozidla zpět do firmy
se nashromážděné záznamy přehrají do počítače a na obrazovce lze vykreslit trasu, po které se
vozidlo ve sledované době pohybovalo, jízdní časy, rychlost jízdy, rozložení a délku
přestávek, dobu stání na určitém místě apod. Takovýto systém přináší netušené možnosti. Je
znám například případ, kdy pražská firma před lety vyvinula takovýto systém pro jednu
obchodní firmu. Ta těmito systémy vybavila vozidla svých obchodních cestujících a v krátké
době se s celou řadou z nich rozešla neboť po porovnání vykazovaných jízd se skutečností
bylo zřejmé, že se tito zaměstnanci nevěnují svým povinnostem. Typickou oblastí použití je
sledování pohybu obchodních cestujících, sledování pohybu rozvážkových vozidel, vozidel
služeb, vozidel městské hromadné dopravy apod.
O stupínek výš stojí aplikace, které opět jen monitorují pohyb vozidla, ale údaje o jeho
poloze již přenášejí periodicky na dispečink. K přenosu dat je možné využívat různá media,
klasickými GSM telefony počínaje, přes vlastní vyhrazené komunikační sítě až po družicové
datové přenosy. Konkrétní použité přenosové medium je závislé na požadované frekvenci a
objemu přenášených dat. Pokud je tímto systémem sledována např. mezinárodní kamionová
doprava, kdy stačí mít údaje o pohybu vozidel řádově jednou za několik hodin, vystačíme
nejspíš s jednoduchou komunikací pomocí telefonu GSM s využitím SMS zpráv. Pokud
kamiony zajíždějí i do oblastí, které nejsou pokryty mobilními operátory, přichází v úvahu
115
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
využití družicových datových sítí. Takovýto systém umožňuje mnohem operativnější řízení
využití vozového parku (angl. fleet management) a může poskytnout i některé další služby,
které byly dříve nedostupné, jako je sledování pohybu vozidel s nebezpečným nákladem
(například z hlediska dodržení stanovené trasy přesunu), sledování doručení nákladu
adresátovi, operativní změnu trasy v závislosti na nových požadavcích na převoz zakázek
apod.
Jiná situace nastane, pokud sledujeme např. pohyb vozidel převážejících nebezpečný
náklad městem nebo pohyb vozidel policie a kdy je kladen požadavek na možnost velice
detailního monitorování jejich pohybu s krokem řádově v sekundách. V takovém případě je
nezbytné v zájmové oblasti vybudovat nezbytnou komunikační síť, umožňující v reálném
čase přenášet aktuální polohy sledovaných vozidel. V centru je možné tyto údaje průběžně
zobrazovat například na monitoru dispečera. Jako příklad lze uvést ostravské Centrum
tísňového volání (CTV), které představuje sdružený dispečink hasičů, lékařské záchranné
služby a městské a státní policie. Pro potřeby CTV se nyní buduje právě takovýto systém.
Jednotlivá vozidla všech těchto služeb budou postupně vybavena přijímači GPS a údaje z nich
se (po nezbytné korekci metodou DGPS) budou v reálném čase přenášet na centrum. Zde se
budou polohy jednotlivých vozidel zobrazovat na digitální mapě města Ostravy. Po úplném
dobudování tohoto systému budou dispečeři schopni mnohem operativněji organizovat zásahy
řízených jednotek a samozřejmě i monitorovat pohyb služebních vozidel.
O další stupínek výš stojí systémy, umožňující nejen pasivně sledovat pohyb vozidla, ale i
aktivně ovlivňovat jeho jízdní trasu. Těmto systémům se říká systémy automatické lokalizace
vozidel (angl. Automatic Vehicle Location – AVL). Jsou založeny na využití vícero
geoinformačních technologií (jako jsou GPS, geografické informační systémy, digitální
prostorové databáze apod.) a umožňují průběžně sledovat polohu vozidla, zobrazovat ji na
mapě a navigovat řidiče při jízdě po předem (většinou automaticky) stanovené trase. Jízda
s takovýmto systémem může vypadat například takto: řidič nasedne do vozidla, zapne svůj
AVL systém a ten mu na obrazovce ukáže aktuální polohu. Po té řidič zadá adresu místa, kam
chce dojet (a to například i v jiné části státu nebo i v jiné zemi) a dál se již jen řídí pokyny
systému. Ten vždy včas před křižovatkou oznámí směr další jízdy (například odbočení
doprava) a to jak vizuálně, tak i akusticky mluvenou řečí. Řidič se tak může plně věnovat
řízení. Takovéto systémy jsou již dostupné, i když jejich cena se zatím pohybuje v řádu
mnoha desítek tisíc korun. U nás jsou však zatím nepoužitelné z důvodu neexistence potřebné
digitální mapy silniční sítě. Nevýhodou systémů AVL je, že nejsou zatím schopné pružně
reagovat na změny v silniční síti, na různé uzávěry, objížďky, zácpy apod.
Na nejvyšším stupínku pomyslného žebříčku aplikací systému GPS v oblasti silniční
dopravy stojí v současné době vyvíjené inteligentní dopravní systémy (IDS; angl. Intelligent
Transport Systems – ITS) umožňující průběžné sledování vytížení dálniční sítě a průběžné
informování jak záchranných a bezpečnostních služeb, tak i silničářů a samozřejmě i
samotných řidičů vozidel o aktuální situaci. Jedná se o složitý komplex různých
komunikačních, informačních, navigačních, monitorovacích a dalších systémů, jehož cílem je
výrazně zvýšit bezpečnost a plynulost silniční dopravy. Mnohé z těchto systémů jsou opět
založeny na využití přijímačů GPS. Například výše zmíněný systém AVL by jako součást
IDS dostával aktuální informace o změnách průjezdnosti komunikací v oblasti, kterou vozidlo
projíždí a mohl by tak dynamicky upravovat na počátku stanovenou jízdní trasu. Mohl by tak
navést řidiče tak, aby objel místo nehody, dočasné uzavírky apod. IDS přitom musí zajistit
fungování AVL systémů i v místech, kde jsou signály systému GPS nedostupné, jako jsou
především dlouhé tunely, silnice vedené v úzkých a hlubokých zářezech, mohutné kovové
mostní konstrukce apod. v tom případě přichází v úvahu využití pseudodružic.
116
Ver. 1.0
9 Oblasti využití GPS
Pro potřeby silniční (ale i železniční) dopravy se budují různé podpůrné systémy v podobě
diferenčních systémů GPS. Příkladem může být americký projekt NDGPS, který by měl do
roku 2003 diferenčními korekcemi pokrývat téměř celé území Spojených států a především
pak hlavní silniční i železniční dopravní trasy.
9.1.2 Aplikace v železniční dopravě
Vedle silniční dopravy proniká využívání systému GPS i do dopravy železniční. Zde již
však neexistuje tak pestrá škála aplikací. Budované systémy jsou zaměřeny na průběžné
monitorování vlakových souprav s cílem zvýšit bezpečnost železniční dopravy a umožnit i
lepší využití železniční sítě. Vytvářené aplikace se prakticky liší jen požadovanou přesností.
Někteří provozovatelé železniční sítě se spokojí se znalostí polohy lokomotivy s přesností na
desítky metrů (a obejdou se tak bez budování investičně i provozně nákladné sítě DGPS), jiní
požadují přesnost pod 1 m, tak aby na základě určení polohy přijímačem GPS byli schopni
rozhodnout o tom, po které koleji vícekolejové trati se vlak pohybuje.
Stejně jako v případě silniční dopravy i zde se předpokládá přenos informací o aktuální
poloze lokomotivy na trati (a případně i posledního vagónu soupravy, aby bylo možné
detekovat rozpojení soupravy) na dispečink, který pak může na obrazovce sledovat pohyby
jednotlivých vlakových souprav, detekovat případné krizové stavy a vhodně na ně reagovat.
Samozřejmá je archivace všech dat pro potřeby případného pozdějšího šetření mimořádných
událostí.
Poněkud jinou aplikací může být sledování pohybu speciálních vagónů, které jsou díky
svému obsahu hodny zvláštního zřetele.
9.1.3 Aplikace v lodní dopravě
V oblasti lodní dopravy se systém GPS používá velice intenzivně a již dlouhodobě pro
potřeby navigace plavidel. Družicová navigace kromě průběžného určování aktuální polohy
navíc umožňuje i optimální volbu trasy plavby a účinnou kontrolu případného narušení zón se
zvláštním režimem, jako jsou výsostné vody států, oblasti se zakázaným rybolovem apod.
GPS má svůj význam nejenom v námořní dopravě, ale i dopravě říční, samozřejmě pokud je
k dispozici systém DGPS. Různé státy proto budují rozsáhlé podpůrné systémy diferenčního
GPS, které dnes provádějí nejen šíření diferenčních korekcí, ale i kontrolu integrity signálů
GPS. Příkladem může být systém DGPS provozovaný Pobřežní stráží USA a pokrývající
svými signály východní i západní pobřeží USA a hlavní vodní dopravní cesty. Takovéto
systémy se však budují po celém světě. Jedním z posledních příkladů je vybudování sítě
DGPS pro navigaci v oblasti Suezského průplavu.
9.1.4 Aplikace v letecké dopravě
Letecká doprava je z hlediska nároků kladených na navigační prostředky asi nejnáročnější.
Proto se zatím systém GPS v oficiální civilní letecké dopravě příliš nevyužívá a letectví stále
čeká až na dobudování speciálních rozšiřujících služeb, které zajistí potřebné monitorování
integrity signálů GPS a včasné varování pilotů v případě zjištění problému. Takovýmito
systémy by měl být americký WAAS a LAAS, kanadský CWAAS, evropský EGNOS a
japonský MSLS. IAA přitom klade důraz na to, aby byl zajištěn hladký přechod letadel mezi
těmito systémy. Zavedení těchto systémů bude představovat jednu z nejvýznamnějších
inovací, umožňující lepší správu dopravních koridorů a nižší spotřebu paliva. GPS přijímače
117
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
budou používány pro navádění letadel po celou dobu letu, startem počínaje a navedením na
přistání konče. V poslední době jsou testovány dokonce i systémy, které umožňují
automatické přistání letadel až s centimetrovou přesností. I když tyto systémy nebyly doposud
schváleny pro praktické nasazení, dosavadní výsledky ukazují, že je možné GPS pro tyto
účely použít (samozřejmě po zavedení výše uvedených rozšiřujících služeb).
Jinou otázkou je využití systému GPS v oblasti rekreačního a amatérského létání. Zde je již
k dispozici celá řada systémů, využitelných kluzáky a závěsnými padáky počínaje a malými
sportovními letadly konče.
9.1.5 Aplikace v kosmické dopravě
První vědeckou aplikací systému GPS bylo sledování pohybu ker zemské kůry. Při těchto
měřeních ale vyvstala poprvé potřeba velice přesného určení oběžných drah družic systému
GPS [132]. Začaly vznikat skupiny vědců, kteří začali provádět systematická sledování
pohybu družic GPS a určovat přesné parametry jejich oběžných drah. Odtud byl již jen krůček
tomu, aby vědci začali určovat parametry oběžných drah nízko letících družic právě s pomocí
systému GPS. Měření s použitím družic GPS mají celou řadu výhod: družice pohybující se po
nízké oběžné dráze má trvale zajištěnou viditelnost minimálně šesti družic systému GPS a
navíc stejné družice jsou viditelné téměř z poloviny oběžné dráhy družice. Díky tomu je tato
metoda určování parametrů oběžných drah družic velice robustní. První družice, využívající
takovéto služby, byla družice TOPEX/Poseidon sledující výšku hladiny moří a oceánů. Od té
doby se přijímače GPS staly běžnou součástí vynášených družic a jsou využívány i letkou
amerických raketoplánů. V tab. 7 jsou uvedeny možné způsoby využití systému GPS na
palubě družice.
Aplikace
určování polohy a rychlosti družice
přesné určování času pozorování prováděného jinými aparaturami
Současné použití
k určování orientace družice vzhledem k povrchu země na základě
srovnání výsledků měření více anténami, umístěnými na družici
průběžný sběr GPS měření, které umožní rekonstruovat oběžnou dráhu
družice
průběžný sběr GPS měření, které bude možné využít při určování
charakteristik média, kterým signál prošel: ionosféry a troposféry
relativní navigace dvou kosmických těles (v současné době
v ověřování)
Budoucí použití
sledování trajektorie, po které se pohybuje raketa po startu a
v počáteční fázi letu
sledování trajektorie kosmických znovupoužitelných dopravních
prostředků, a to až do okamžiku automatického přistání
Tab. 7 Aplikace GPS přijímače pro kosmickou navigaci [132]
118
Ver. 1.0
9 Oblasti využití GPS
9.2 Aplikace GPS při mapování a v geodézii
Aplikace v oblasti geodézie a mapování se liší především nároky na přesnost určování
polohy a tím i používaným principem měření. Při mapování v měřítku 1:10 000 a menším
plně vyhovuje horizontální přesnost určování polohy kolem 1 m. Vystačíme proto s kódovými
měřeními s pomocí diferenčního GPS. V případě měřických aplikací je situace jiná. Zde jsou
na přesnost kladeny mnohem vyšší nároky (až řádově centimetry) a v tom případě již musíme
provádět přesné fázová měření.
9.2.1 Aplikace v geodézii a měřictví
Do oblasti měřictví přinesly družicové polohové systémy zcela novou kvalitu, danou jejich
možnostmi. Pomocí těchto systémů je možné provádět měření základen až na vzdálenost
prvních desítek kilometrů bez potřeby přímé viditelnosti mezi koncovými body a bez potřeby
měřit jakékoliv mezilehlé body. Dosažitelná přesnost měření je rovněž vynikající: až 1 cm ±1
ppm délky základny. Měřit je přitom možné téměř za jakýchkoliv světelných i povětrnostních
podmínek.
Výhody a nevýhody využívání GPS v měřictví jsou shrnuty v [139]. K výhodám patří:
•
•
•
•
•
•
•
není vyžadována přímá viditelnost
měření je téměř nezávislé na počasí, denní i roční době
při výběru míst pro měření nejsme vázáni na žádní existující geodetické sítě
nepřetržitý provoz
ekonomické výhody plynoucí z větší efektivnosti a rychlosti měření
snadné dosažení geodetické přesnosti
měření ve třech rozměrech.
Existují však i nevýhody, ke kterým patří:
•
•
•
•
•
•
větší nároky na plánování měřické kampaně a na logistické zajištění
musí být zajištěna přímá viditelnost oblohy, jakékoliv překážky nelze tolerovat (nelze
proto měřit v podzemí, v budovách, pod hustou vegetací apod.)
trojrozměrné souřadnice určené přijímačem GPS musí být přepočítávány do národních
referenčních systémů (horizontálních i výškových)
přesnost GPS měření je často podstatně vyšší, než přesnost existujících zaměřených
bodů
vysoké vstupní náklady
potřeba nových znalostí a zkušeností.
Používané techniky měření se dělí do dvou základních skupin:
•
•
statické
dynamické.
9.2.1.1 Statické techniky měření
Statické měření je založeno na velice jednoduchém principu: Jeden přijímač je umístěn na
bodě o známých souřadnicích, druhý na bodě, jehož souřadnice chceme zjistit a současně se
provede cca jednohodinové měření (doba měření závisí na požadované přesnosti výsledku),
které se pak zpracuje metodou dvojitých nebo trojitých diferencí. Měřit lze základny do délky
30 km s přesností řádově na centimetry.
119
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
9.2.1.2 Dynamické techniky měření
Dynamické techniky měření jsou založené na poněkud odlišném principu: jeden přijímač
je trvale umístěn na bodě o známých souřadnicích a druhý přijímač se pohybuje a provádí
měření v přilehlé oblasti. Jednotlivé metody se pak liší způsobem přesouvání pohyblivého
přijímače. Tyto metody se dělí na:
•
•
•
pseudostatické
FastStatic
kinematické.
Pseudostatické měření
Pseudostatické měření je variantou statického měření s tím, že z původního hodinového
měření se vyberou jen ty nejvhodnější úseky, které nejvíce přispívají k přesnému určení
polohy, tj. prvních a posledních 10 minut měření. V praxi se postupuje tak, že na daném bodě
naměříme prvních deset minut, pak jdeme měřit na jiné body a asi po hodině (nebo i více) se
opět vrátíme a provedeme druhé desetiminutové měření. Tím je umožněno získaní údajů o
změně geometrie uspořádání družic (což je nezbytné pro vyřešení problému nejednoznačnosti
a tím i dosažení potřebné přesnosti). Pro měření se používají minimálně čtyři družice, ale
vhodnější je větší počet, protože umožňuje dosáhnout větší přesnosti. První a druhé měření
přitom nemusí být provedeno se stejnou sadou družic.
Rychlá statická metoda
Toto měření se výrazně odlišuje od ostatních postupů, jednak nároky na technické
vybavení, jednak nároky na dobu měření. V tomto případě je využito kombinace měření
sledováním dálkoměrných kódů a fázových měření, takže lze výsledky získat efektivněji než
při statickém způsobu měření a mnohem spolehlivěji než při kinematickém způsobu měření.
Vlastní měření se podobá pseudostatickému s tím, že měření se provádí jen jednou.
V následující tabulce je uveden vztah mezi počtem družic a dobou měření (tab. 8).
Počet družic
Doba měření (min)
4
20 a více
5
10-20
6 a více
5-10
Tab. 8 Vztah mezi počtem družic a dobou měření metodou FasStatic
Kinematické měření
Kinematické měření umožňuje výrazně zrychlit vlastní provedení měření v terénu, má však
také určitá omezení. Tím hlavním je, že oba přijímače musí být po celou dobu měření
napojené na stejnou čtveřici družic. Pokud dojde ke ztrátě signálu, mobilní přijímač se musí
vrátit na poslední bod o známých souřadnicích, nebo jiný bod se známou polohou. Dalším
omezením je, že měření pohyblivým přijímačem musí být vždy započato na bodě se známou
polohou.
Kinematické měření je platné jen v malém okruhu (do 10 km od referenčního přijímače
umístěného na bodě o známých souřadnicích).
120
Ver. 1.0
9 Oblasti využití GPS
V poslední době se objevila varianta provádění kinematických měření v reálném čase
(angl. Real Time Kinematics – RTK). Tato varianta klade zvýšené nároky na technické
vybavení, protože mezi referenčním a pohyblivým přijímačem musí být vybudován stálý
komunikační kanál. Na rozdíl od DGPS však tento kanál nepřenáší jen prosté diferenční
korekce, ale musí na mobilní stanici přenášet kompletní data získaná při kódových a fázových
měřeních. Mobilní stanice je pak spolu s vlastními naměřenými daty zpracovává a
vyhodnocuje svoji polohu v reálném čase přesností až na několik centimetrů.
Tato varianta GPS měření umožňuje rozšířit aplikace kinematických měření i do oblastí,
kde je potřebné provádět v reálném čase velice přesné určování polohy pohybujících se
objektů.
9.2.2 Aplikace při mapování
Při mapování se nejčastěji používá diferenční kódové měření. Pro potřeby mapování firmy
dodávají sestavy přijímačů GPS spolu s notebooky, případně digitálními záznamníky. Mapér
se pohybuje po mapované oblasti, vždy se zastaví na místě, v kterém potřebuje
zdokumentovat mapovaný geoprvek, do notebooku vloží potřebné údaje o geoprvku (výchoz
hornin, nález unikátní rostliny, ve městě například kanalizační vpusť nebo sloup veřejného
osvětlení apod. V průběhu vkládání údajů přijímač GPS určí polohu a ta je pak automaticky
přenesena do notebooku a připojena k ručně vloženým informacím. Pro mapování v obtížně
přístupném terénu je možné k tomuto kompletu ještě připojit laserový dálkoměr se
sklonoměrem a kompasem, který umožňuje zaměřovat polohu i vzdálených nepřístupných
objektů, nacházejících se buďto v neprůchodném, nebo například v oploceném terénu. V tom
případě se přijímačem GPS určí aktuální poloha mapéra a ten pak zamířením laserového
dálkoměru na mapovaný objekt zjistí jeho polohu. Mapovací aplikace zasahují do různých
oblastí, jako je geologie, ekologie, urbanizmus, inženýrské sítě, krizové situace apod.
9.3 Zvládání krizových situací
V oblasti záchranných služeb a krizového řízení je systém GPS neocenitelným
pomocníkem jednak při lokalizaci postiženého místa, jednak při jeho případném operativním
mapování, při sledování polohy zasahujících jednotek apod. Zvláště přínosný je systém GPS
ve spojení s dalšími geoinformačními technologiemi, jako jsou geografické informační
systémy, prostorové databáze apod. Takovéto systémy mohou na základě zjištění aktuální
polohy poskytovat zasahujícím jednotkám potřebné informace např. o rizikových faktorech
ohroženého území, o rozložení zdrojů nezbytných pro zasahující jednotky, o poloze
sousedních jednotek, zkrátka celou řadu informací vázaných na aktuální polohu jednotky.
9.4 Rekreace
S rostoucí dostupností přijímačů GPS (dnes je možné nejlevnější kompaktní přijímač
pořídit již za cenu pod 10 000,- Kč) a také se vzrůstem přesnosti určování polohy po
deaktivaci selektivní dostupnosti se očekává prudký nárůst využívání přijímačů GPS i pro
rekreační účely. Vezmeme-li v úvahu, že dnes je běžně dostupná přesnost určování polohy
jedním přijímačem kolem 15 m a vezmeme-li v úvahu měřítko běžně používaných
turistických map 1:50 000, pak je zřejmé, že tato přesnost odpovídá na mapě vzdálenosti 0,3
mm. Určovat tak přesně svoji polohu v terénu i na mapě pomocí běžných pomůcek turisty,
121
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
jako je vlastní orientační smysl, případně i kompas nebo busola, je prakticky nemožné. To
tam je bloudění v hustém lese nebo na rozsáhlých planinách bez orientačních bodů.
Moderní navigační přijímače GPS obvykle poskytují uživatelům kromě určování polohy i
celou řadu dalších služeb. Do paměti přijímače je možné například ještě před vlastní túrou
v rámci domácí přípravy vložit souřadnice posloupnosti bodů (angl. waypoint), kterými
chceme v terénu projít a přijímač nám pak v terénu ukazuje směr postupně od bodu k bodu
spolu se vzdáleností k nejbližšímu bodu.
Jinou funkcí, kterou přijímače nabízejí, je postupné vkládání bodů v průběhu pochodu
terénem. Přijímač je pak schopen navádět uživatele po trase zpět do výchozího bodu. Nebo je
možné tyto body po návratu domů přehrát do počítače a na mapě si zobrazit trasu, po které
jsme se pohybovali.
Jinou oblastí využití levných navigačních přijímačů je i rekreační létání na závěsných
kluzácích, větroních, lehkých sportovních letadlech a podobně. Ale o tom jsme se již
zmiňovali výše.
Zajímavou aplikací, která se objevila v literatuře, je například sledování pohybu cyklistů
v terénu v oblasti se zvláštním režimem. Každý cyklista, vjíždějící do této oblasti, si musí
zapůjčit přilbu, vybavenou přijímačem GPS a malou vysílačkou. Tím je omezen maximální
počet cyklistů, kteří se mohou současně pohybovat po oblasti. Správce oblasti pak může na
digitální mapě sledovat pohyb cyklistů, zda se pohybují jen po povolených trasách, případně
zda někde nedošlo k nehodě a pokud ano, zná přesně souřadnice tohoto místa a je schopen
tam rychle vypravit pomoc.
9.5 Vědecké aplikace
GPS je vhodným nástrojem rovněž pro potřeby vědeckého bádání. Asi nejznámější oblastí
tohoto typu jsou studie pohybu ker zemské kůry až do rozměrů kontinentů. Jinou oblastí je
sledování vlastností atmosféry (ionosféry i troposféry), sledování vlivu atmosféry na šíření
signálů GPS, monitorování pohybu svahů při sesuvech půdy, monitorování deformací velkých
konstrukcí, jako jsou velké mosty, přehrady, výškové budovy pod.
9.6 Časové služby
Systém GPS je schopen poskytovat časový standard přesnosti, která není běžnými
prostředky dostupná. Využití tohoto časového standardu je velice široké: počínaje přesnými
fyzikálními měřeními a synchronizací fyzikálních pokusů na velké vzdálenosti (řádově tisíců
kilometrů) přes synchronizaci datových spojů (která umožňuje dosáhnou díky lepšímu
časovému sdílení přenosového média větší propustnosti přenosových tras), přes synchronizaci
energetických soustav a platebních systémů až po synchronizaci základnových stanic
mobilních operátorů, umožňující lokalizovat jednotlivé mobilní telefony s přesností jen o
málo horší než 100 m.
9.7 Další oblasti aplikací
Vedle výše zmíněných existuje ještě nepřeberná škála další oblastí využití systému GPS.
Zcela jsme pominuli vojenské aplikace (například navádění různých zbraňových systémů na
cíl, koordinace pohybu vojsk apod.), aplikace v oblasti životního prostředí, mobilních služeb,
122
Ver. 1.0
9 Oblasti využití GPS
rybolovu, správy dopravních komunikací a celou řadu objevujících se aplikací (angl.
emerging application). Bylo by velice obtížné se o všech zmínit podrobněji.
V další kapitole postupně uvedeme příklady některých praktických aplikací, tak jak byly
popsány v literatuře, případně jak byly realizovány autory některých kapitol.
9.8 Ukázky praktických aplikací
9.8.1 Aplikace v oblasti dopravy
V [168] je popsáno použití GPS pro sledování pohybu vlakových souprav společnosti West
Coast Express, působící v kanadské provincii Britská Kolumbie. Systém GPS umožňuje
zajistit bezpečnost a spokojenost přepravovaných osob díky průběžnému informování o
aktuální poloze vlakové soupravy a vývoji případného zpoždění. Dále tento systém umožňuje
daleko lepší využití železniční sítě, kterou využívá tato firma spolu s jejím vlastníkem,
provozujícím na ní přepravu zboží. Každá z pěti lokomotiv, provozovaných výše zmíněnou
společností, je vybavena jednofrekvenčním, pětikanálovým přijímačem GPS a
radiomodemem, prostřednictvím kterého vysílá co 45 sekund údaj o své aktuální poloze na
dispečink. Dispečer je tak schopen průběžně sledovat pohyb všech vlakových souprav a
vyhodnocovat i případné zpoždění.
Jiný příklad, tentokráte ze Španělska, je popsán v [143]. Jedna z přepravních společností,
provozujících 400 km železniční sítě v Katalánii, vybavila své vlakové soupravy přijímači
GPS a má tak možnost průběžně sledovat jejich pohyb. Co je zajímavé, zpočátku tato
společnost uvažovala o nasazení diferenčního GPS, nicméně následné analýzy ukázaly, že by
to znamenalo zbytečně vysoké, těžko odůvodnitelné náklady. Při tehdejší přesnosti standardní
polohové služby do 100 m došli pracovníci společnosti k závěru, že tato přesnost je
dostačující. Vezmeme-li v úvahu délku vlakové soupravy, která je obvykle více než sto metrů
a vezmeme-li v úvahu přesnost map železniční sítě, která byla po zpřesnění okolo 71 metrů,
pak použití diferenčních korekcí nepřinášelo v tamních podmínkách žádnou další výhodu
oproti měření bez korekcí. Jednotlivé lokomotivy jsou vybaveny levnými jednofrekvenčními
šestikanálovými GPS přijímači, pracujícími s C/A kódem a radiomodemy. Dispečink
společnosti byl vybaven centrální jednotkou, která při současném provozu osmi souprav
aktualizuje polohu každé z nich co 12 s. Frekvence dotazování souprav na jejich polohu není
konstantní, je závislá na okolnostech. Například u stojícího vlaku je výrazně nižší.
Dispečerovi se na mapě zobrazuje aktuální poloha vlaku, jeho identifikace, směr a rychlost
pohybu. Dispečink je schopen díky tomuto systému hlídat rozestupy mezi vlaky, překročení
maximální povolené rychlosti, případně použití tlačítka „mrtvého muže“. Dále je schopen
v reálném čase řídit vytížení jednotlivých tratí a na základě archivace dat poskytovat i služby
typu „černá skříňka“, které jsou neocenitelné v případě vyšetřování havárií.
Nejen ve světě, ale i u nás se uvažuje o možnosti využití GPS v železniční dopravě. Ve
[30] jsou popsány pokusy prováděné se sledováním pohybu vlakových souprav pro potřeby
Českých drah. Pokusy prokázaly, že samotný systém GPS není schopen splnit přísné
požadavky na přesnost určení polohy vlakové soupravy. České dráhy stanovily požadovanou
přesnost na 1 metr, a to proto, aby bylo možné rozhodnout o tom, po které koleji
vícekolejných tratí a nádraží se vlaková souprava právě pohybuje. České dráhy by tak získaly
vítaný prostředek kontroly pohybu vlakových souprav, který by byl schopen zjistit pohyb
dvou souprav po stejné koleji. Použití vyvíjeného systému by tak výrazně zvýšilo bezpečnost
provozu na tratích. Praktické výsledky ukázaly, že bez doplňujících prostředků, jako je
123
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
například inerciální navigační systém, není možné řešit problémy s dostupností signálů
vznikající v tunelech a hlubokých zářezech.
V [8] je popsáno spojení přijímače GPS i inerciálním navigačním systémem,
představovaným optickým gyrokompasem. Zařízení bylo vyvíjeno pro potřeby automatické
lokalizace vozidel pohybujících se v husté městské zástavbě, kde často dochází k zastínění
oblohy budovami a systém pracující pouze na bází přijímače GPS proto vykazuje značnou
nespolehlivost. Na praktických ukázkách testování je pak demonstrováno výrazné zlepšení
přesnosti a spolehlivosti určování polohy dopravního prostředku.
Jiné zajímavé řešení je popsáno v [31]. Autor se zde zabývá řešením problému automatické
lokalizace vozidel v tunelech, zářezech apod., kde klasické jednotky vybudované na bázi
přijímače GPS selhávají. Vstupní podmínky jsou definovány v rámci programu
Automatického dálničního systému (angl. Automated Highway System – AHS), vyhlášeného
americkou Federal Highway Administration (FHWA). Pokud se má vozidlo pohybovat na
dálnici, vybavené AHS, musí být vybaveno AVL systémem, který zajistí, aby poloha vozidla
byla známá s přesností na
1 – 50 cm, okamžitá
rychlost s přesností na 1 –
5 cm/s a frekvence
stanovování těchto veličin
byla 25 – 100 Hz. Za
ideálních podmínek může
tyto parametry splnit
běžný přijímač GPS,
nicméně
v komplikovaných
terénních
podmínkách
(tunely, hluboká údolí,
zářezy apod.) samotný
přijímač GPS selhává.
Řešení tohoto problému
pomocí
inerciálního
Obr. 49 Měření zhušťovacích bodů
navigačního systému není
optimální, protože INS
může sloužit k překlenutí jen krátkodobých výpadků přijímače GPS (řádově v desítkách
sekund). Avšak například v dlouhých tunelech by tento systém rovněž selhal. V článku je
proto diskutováno řešení právě pro tyto případy: vybavení dlouhého tunelu sadou
pseudodružic, které by umožňovaly určovat polohu i v tunelu s frekvencí, dostačující při
současném použití jednotky INS k dosažení zadaných přesností určení polohy a rychlosti.
9.8.2 Využití GPS v oblasti měřictví
(Autor Jan Schenk4)
V geodézii se prakticky vždy používá relativní způsob určování polohy, kdy současně měří
nejméně dva přijímače a výsledkem je relativní poloha těchto přijímačů.
V naprosté většině případů jsou v geodézii využívána fázová měření. Při tzv. statické
metodě měří nejméně dva (ale zpravidla více) přijímačů současně po dobu několika hodin
4
Institut geodézie důlního měřictví, VŠB – Technická univerzita Ostrava
124
Ver. 1.0
9 Oblasti využití GPS
nebo i déle. Statická metoda poskytuje nejpřesnější výsledky. Používá se pro budování
polohových základů, při sledování deformací nebo v geodynamických sítích.
Rychlá statická metoda je ekonomičtější variantou statické metody a je pravděpodobně
nejpoužívanější metodou v geodézii. Hodí se zejména pro zhušťování bodových polí. Doba
observace na bodech je zkrácena na 10-30 minut podle typu přístroje (podstatné je, zda jde o
přístroj jednofrekvenční nebo dvoufrekvenční), vzdálenosti mezi přijímači (délka základny) a
konfiguraci družic v okamžiku měření. Doba měření je dána minimální dobou nutnou
k bezpečnému vyřešení celočíselných nejednoznačností. Po jejich vyřešení je přesnost
určených souřadnic dostatečná (centimetrová) i z velmi krátkých observačních intervalů.
Moderní přístroje zpravidla automaticky signalizují, že měření trvalo dostatečně dlouho a je
možné je ukončit. Na obr. 49 je znázorněno typické použití GPS při zhušťování bodového
pole.
Jeden přijímač zůstává na referenční stanici R po celou dobu měření. Druhý přijímač
přechází postupně mezi určovanými body. Pokud jsou požadovány výsledné souřadnice
určovaných bodů v souřadnicovém systému JTSK, je nezbytné měřit rovněž na
trigonometrických bodech (∆). Tak se získají souřadnice identických bodů pro výpočet
lokálního klíče sedmiprvkové Helmertovy transformace.
Metoda Stop and go je způsob měření podobný rychlé statické metodě, ale s tím rozdílem,
že přijímač nepřestává měřit ani při přesunu mezi jednotlivými podrobnými body. Tato
metoda má tu výhodu, že jen na prvním bodě je nutné setrvat tak dlouho, dokud není možné
spolehlivě vyřešit celočíselné nejednoznačnosti. Na zbývajících bodech je možno měření
zkrátit na několik sekund za předpokladu, že během přesunu nedošlo ke ztrátě signálu a
celočíselných nejednoznačnosti se nezměnily. Metoda je teoreticky velmi elegantní, ale právě
zmíněný předpoklad je v praxi často těžko splnitelný. V případě ztráty signálu přechází
metoda Stop and go v rychlou statickou metodu. Metoda je vhodná k zaměřování podrobných
bodů v terénu bez překážek omezujících viditelnost družic.
Další metody tzv. kinematická s inicializací a bez inicializace připomínají metodu Stop
and go s tím rozdílem, že jeden přijímač se neustále pohybuje a jeho poloha se určuje
v krátkém časovém kroku (např. jedné sekundy). Platí zde opět předpoklad, že během pohybu
přijímače nesmi dojit ke ztrátě signálu. Metody jsou vhodné např. při určování polohy a
profilů liniových staveb, nebo při doplnění sonarem k určování profilů dna vodních ploch.
Diferenční GPS (DGPS) – je pravděpodobně jedinou geodetickou aplikací GPS, která
využívá nikoliv fázových, ale pouze kódových měření. Metoda je založena na skutečnosti, že
chyby měřených zdánlivých vzdáleností jsou silně korelovány pro nepříliš vzdálené
přijímače. Umístíme-li jeden z přijímačů na bod se známými souřadnicemi, můžeme chyby
zdánlivých vzdáleností vypočítat a předat je (v reálném čase) druhém přijímači. Při uvážení
těchto korekcí vzroste přesnost určení polohy druhým přijímačem (a to opět v reálném čase)
na úroveň, která již může vyhovovat mapování ve středních měřítcích.
9.8.3 Synchronizace času
Jednou z nejnověji diskutovaných oblastí je využití synchronizace času v sítích mobilních
telefonů, umožňující relativně přesnou lokalizaci volajících mobilních stanic.
Potřeba lokalizace mobilních telefonů vyvstává především v souvislosti s voláním
záchranných služeb. Zatímco při volání z pevné linky se dispečerovi objeví bezprostředně
s příchodem telefonního hovoru číslo volající stanice a adresa, na níž se nachází, při volání
z mobilního telefonu se dispečerovi objeví pouze číslo volajícího účastníka. Vzhledem
125
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
k tomu, že volající velice často neznají svoji přesnou polohu, například protože se právě
pohybují v oblasti, kterou detailně neznají, mají v takovém případě záchranné služby problém
s rychlým vypravením vozidla k místu nehody. Vezmeme-li v úvahu například situaci ve
Spojených státech amerických, kde je na telefonní číslo 911 v současné době směřováno
odhadem 130 000 volání denně [86], pak se neznalost přesné polohy volajícího (resp. jeho
mobilního telefonu) jeví jako značný problém. Proto ve Spojených státech amerických v říjnu
roku 1996 nařídil Federální komunikační úřad (FCC), že všichni operátoři mobilních
telefonních sítí musí do svých systémů zabudovat do pěti let některé nové služby. Jednou
z nich je i automatická lokalizace volání linky 911 s horizontální přesností odpovídající
střední kvadratické chybě 125 metrů (s pravděpodobností alespoň 67 %) [86, 25].
K tomuto účelu je využíván signál vysílaný za určitých situací mobilním telefonem na
zpětném řídicím kanálu (angl. reverse control channel – RCC). Na základě příjmu a
zpracování těchto signálů je stanoven čas jejich příchodu (angl. time of arrival – TOA).
Takovéto vyhodnocování provádí více stanic mobilní sítě, u nichž je známa jejich přesná
poloha a které jsou vybaveny přijímači GPS běžícími v modu synchronizace času. Na základě
naměřených časů systém provádí hyperbolickou trilateraci (angl. hyperbolic trilateration) pro
stanovení polohy volajícího mobilního telefonu. Problémem však je, že tento postup
předpokládá, že naměřené vzdálenosti mezi mobilním telefonem a jednotlivými stanicemi
mobilní sítě odpovídají přímé viditelnosti. Tento předpoklad však není díky charakteristikám
používaných elektromagnetických vln vždy splněn. Radiové signály se mohou v hustě
zastavěných oblastech snadno odrážet a lámat a díky tomu jsou naměřené vzdálenosti delší
než skutečné. Další nepříjemnou vlastností použitých radiových vln je i poměrně krátký
dosah, díky kterému je výrazně omezen počet stanic mobilních sítě použitelných pro
získávání dat pro trilateraci.
Při určování horizontální polohy mobilního telefonu musíme nalézt tři neznámé:
souřadnice x a y a čas odvysílání signálu (angl. time of transmission, TOT) [86]. Z toho
vyplývá, že pro určení polohy telefonu musíme mít k dispozici změřený čas příchodu signálu
do alespoň tří stanic mobilní sítě. Vzhledem k tomu, že neznáme čas odvysílání signálu
mobilním telefonem, používají se pro určení polohy časové rozdíly mezi příchodem signálu
k různým stanicím. Geometrickým místem bodů, z nichž může přijít signál s daným časovým
rozdílem je jedno rameno hyperboly. Pokud zjistíme časy příchodu signálu z mobilního
telefonu do tří stanic mobilní sítě, získáme dva časové rozdíly, z nichž pro každý můžeme
zkonstruovat vlastní hyperbolu. Dvě hyperboly se obecně protínají až ve dvou bodech, takže
zde může vzniknout jistá nejednoznačnost určení polohy. Lze ji řešit například tak, že se časy
příchodu signálu z volajícího mobilního telefonu měří alespoň na čtyřech stanicích. Vlastní
matematické řešení není až tak jednoduché, jak by se na první pohled mohlo zdát, protože
výsledky měření jsou zatíženy výše zmíněnou chybou způsobenou vícecestným šířením
signálů. Proto se musí při hledání použít některá z metod, jako je například metoda
nejmenších čtverců.
V [86] jsou popsány výsledky simulací provedených v oblasti města Calgary. K testování
bylo použito celkem 7211 bodů, rozmístěných v pravidelné síti o straně 250 m. 195 bodů se
nacházelo v centru města, zastavěném relativně vysokou zástavbou, kde se předpokládal
velký vliv vícecestného šíření signálů, zbytek (7016 bodů) byl rozmístěn v příměstských
oblastech s relativně nízkou zástavbou. V příměstských oblastech nebylo možné určit polohu
u deseti procent bodů z důvodu nedostatečného počtu stanic, na nichž byl měřen příchod
signálu (méně než čtyři). Výsledná horizontální přesnost určení polohy bodů byla 621 metrů.
Dále následovaly pokusy přímo v terénu. Čtyři stanice mobilní sítě byly vybaveny
nezbytnou technikou (přijímačem GPS) a pak následovaly zkoušky. Při použití speciálního
126
Ver. 1.0
9 Oblasti využití GPS
algoritmu pro určování polohy bylo dosaženo horizontální přesnosti určení polohy mobilního
přijímače až 130metrů.
Dosažené výsledky prokázaly reálnost požadavku FCC na přesnost lokalizace účastníka
volajícího dispečerovi záchranných služeb.
9.8.4 Vědecké aplikace
V [51] je popsáno studium vlivu meteorologických front na měření pomocí GPS. Autoři
v článku ukazují na zjevnou závislost mezi přechody teplých a studených front a
troposférickou refrakcí ovlivňující signály družic nacházejících se blízko horizontu. Na
základě výsledků měření byl sestaven matematický model, umožňující z dlouhodobých
měření stacionárním přijímačem GPS (jako je například referenční stanice) vyloučit data
ovlivněná přechodem front. Tím se výrazně zvýší opakovatelnost měření stacionárního
přijímače a zvýší se i přesnost výsledků měření. V článku je tato skutečnost demonstrována
na příkladu měření pohybu zemských ker, kdy byla vyhodnocována vertikální složka pohybu
v jihovýchodní Anglii, konkrétně na hradě Herstmonceux, kde je umístěna jedna ze stanic
Mezinárodní služby GPS (angl. International GPS Service – IGS). Po eliminaci dat
ovlivněných přechody front klesla hodnota vertikální složky pohybu stanice z –3.1 mm za rok
na –0.6 mm za rok, což je hodnota odpovídající předpokladům z pohledu geofyziky.
Závěry autorů, uvedené v citovaném článku, jsou zajímavé (tykají se však pouze
nejpřesnějších geodetických měření): pokud není programové vybavení pro zpracování dat
z měření GPS schopné eliminovat troposférické zpoždění jako proměnlivé v čase, což je u
komerčních programových produktů běžné, pak je nezbytné zvažovat, kdy provádět měření.
Pokud měříme v malé oblasti, kde délka základen nepřesáhne 10 km, pak je možné měřit bez
ohledu na přechod front, protože vznikající chyby se při diferenčním měření eliminují. Pokud
však předpokládáme, že délka základen bude více než 10 km, pak se již vliv přecházejících
front projeví zhoršením přesnosti vertikální složky polohy, a to až o mnoho milimetrů. Takže
pokud někdo plánuje provádět velice přesná měření, kdy je důležitá i přesnost vertikální
složky, měl by si před zahájením kampaně nejprve prověřit předpověď počasí a pokud se blíží
fronta, měření raději odložit.
Pohybové trendy severní části moravsko-slezské zóny Českého masivu –
komplexní geodynamická analýza
(Autoři: Vladimír Schenk5, Radomír Grygar6, Zdenka Schenková7, Pavel Kottnauer7)
V roce 1997 vybudoval Ústav struktury a mechaniky hornin Akademie věd České
republiky (ÚSMH AV ČR) v severní části moravskoslezské zóny na základě zevrubných
geologických, geofyzikálních a geodetických analýz regionální síť devíti stanovišť pro
geodetická družicová měření GPS, zvanou SILESIA. Při budování této sítě byly využity
zkušenosti polských kolegů s GPS měřeními. Jednotlivá stanoviště byla osazena betonovými
pilíři o průřezu 40 x 40 cm a výšce 40 – 120 cm nad terénem. Výška závisela na konkrétních
terénních podmínkách v daném místě a byl taková, aby umožňovala potlačit signály odražené
od okolního terénu. Na vrcholu každého pilíře je umístěna ocelová deska s nucenou centrací
pro usazování přijímací antény GPS. Konstrukce měřicích bodů musela splňovat následující
podmínky:
5
6
Ústav struktury a mechaniky hornin, Akademie věd ČR
Institut geologického inženýrství, VŠB – Technická univerzita Ostrava
127
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
Obr. 50 Konstrukční schéma stanoviště pro monitorování družicových GPS signálů,
pohled na stanoviště Bradlo na Suchém vrchu.
•
•
•
betonový pilíř musí zasahovat až do skalního podloží
použité materiály musí vykazovat minimální teplotní roztažnost
v místě měření musí být volný horizont, aby nedošlo k blokování signálů GPS.
Obr. 51 Horizontální pohyby stanovišť sítě SUDETY v ročním intervalu 1998 a 1999
128
7.2.2002
Ver. 1.0
9 Oblasti využití GPS
Schéma konstrukce stanoviště pro monitorování družicových GPS signálů je na obr. 50. Při
výběru stanovišť byla zohledněna jejich návaznost na sousední GPS sítě MORAVA a
SNĚŽNÍK a síť GEOSUD v Polsku vybudovanou kolegy z University ve Wroclawi.
V roce 1997, 1998 a 1999 byly uskutečněny na geodynamických sítích SILESIA (9-10
stanovišť), SNĚŽNÍK (1 stanoviště) a GEOSUD (5-7 stanovišť) dvě dvoudenní GPS
kampaně. Těchto 17 stanovišť vytvořilo základ společné česko-polské sítě, dále nazývané
jako síť SUDETY (obr. 53). Na všech stanovištích bylo měřeno aparaturami Ashtech Z-12.
vybavenými měřickými nebo námořními anténami a napájenými z baterií 12V/165 Ah,
poskytujících dostatečnou kapacitu pro 48 h měření se vzorkovací frekvencí 30 s. Na základě
zkušeností byly učiněny následující závěry [153]:
•
•
•
minimální délka kampaně GPS měření na jednom bodě je 48 hodin
přenos zaznamenaných dat z přijímače GPS do notebooku musí být prováděn v době,
kdy je nad horizontem jen 4 až 5 družic GPS
stále existují problémy s kompatibilitou měřických a námořních GPS antén.
Obr. 52 Regionální roční horizontální pohyby GPS stanovišť
Naměřená data jsou uložena na CD-ROM. Data z kampaní 1997, 1998 a 1999 byla
zpracována na Zemědělské univerzitě ve Wroclawi s nejnovější verzí programu BERNESE v.
4.2. Při zpracování byly splněny následující podmínky:
•
•
•
•
přesné oběžné dráhy družic, parametry precese zemské osy a pohybu pólu byly
převzaty z Centre for Orbit Determination in Europe (CODE) v Bernu
charakteristiky fázových center antén byly získány z US National Geodetic Survey –
Geosciences Research Division
pro řešení nejednoznačností byla použita strategie QIF (Quasi Ionosphere Free)
pro korekci vlivu troposféry byl použit standardní atmosférický model
129
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
•
•
•
7.2.2002
pro korekci vlivu ionosféry byl použit globální stochastický model ionosféry
geocentrické a geografické souřadnice byly vypočteny v referenčním rámci ITRF’94
(1997) a ITRF’96 (1998)
souřadnice referenčních stanic BOR1, GOPE a PENC byly získány z kombinovaného
řešení EUREF.
Byla prováděna dvě řešení:
•
•
řešení s omezujícími podmínkami (angl. constrained solution), kdy byly stálé GPS
stanice GOPE, BOR1 a PENC brány jako nehybné
řešení bez omezujících podmínek (angl. free solution), nebo také lokální řešení, kdy
byly brány jako nehybné vybrané body sítě SUDETY.
Metodika registrace družicových GPS signálů umožnila dosáhnout vysoké přesnosti
v určení polohy stanovišť: v horizontálních souřadnicích střední kvadratická chyba nepřesáhla
2 mm a ve vertikální souřadnici dosáhla maximálně 5 mm. Dosažená přesnost ve stanovení
polohy jednotlivých pevně fixovaných betonových bloků na každém GPS stanovišti byla
určena z měření kampaně roku 1998 [155], do které byly zahrnuty metodické zkušenosti
získané během kampaně roku 1997. V kampani 1999 byla zavedena další metodická zlepšení
monitorování družicových GPS signálů a postupů zpracování dat získaná při kampani 1998.
Tento přístup zaručil, že přesnost v určení polohy bodu dosažená v kampani 1998 byla nejen
zachována, ale ještě zvýšena.
Vzhledem k tomu, že výsledky kampaní 1998 a 1999 jsou se zřetelem ke zjištěným
chybám věrohodné, byly pohybové vektory vypočteny z těchto dvou kampaní. Na obr. 51
jsou znázorněny celkové meziroční pohyby jednotlivých stanovišť. Jejich velikost, směr i
orientace je ve shodě s předpokladem a odpovídá celkovému přesouvání evropské desky
Obr. 53 Schéma geodynamické sítě SUDETY s vyznačením GPS bodů
a hlavních tektonických zlomů
130
Ver. 1.0
9 Oblasti využití GPS
směrem k východoseverovýchodu. Z pohledu řešeného úkolu jsou ale mnohem zajímavější
vzájemné relativní pohyby jednotlivých stanovišť. Na obr. 52 jsou znázorněny střední
horizontální a vertikální roční pohyby odhadnuté z 2. módu celkových pohybových vektorů.
Řešení s omezujícími podmínkami pro permanentní GPS stanice BOR1 a PENC byla použita
pro vyhodnocení existujících pohybů mezi geologickými bloky. Nakonec byly podle orientací
a velikostí pohybových vektorů definovány tři regionální geodynamické provincie [154]: (a)
provincie moravsko-slezského devonu a kulmu, (b) provincie moravsko-slezského nasunutí a
(c) provincie SV části Českého masívu (vně okrajového Sudetského zlomu). Pohybové trendy
jsou zřetelně viditelné na obr. 52.
Je nezbytné vzít v úvahu, že tyto výsledky, založené pouze na dvou kampaních z roku
1998 a 1999, jsou jen předběžné. Je však faktem, že v rámci Českého masivu nikdo takovéto
roční pohyby neočekával. Protože velice podobné trendy pohybu byly vždy pozorovány na
více stanovištích, lze vyloučit náhodný charakter těchto trendů. Je samozřejmě otázkou, zda
absolutní hodnoty těchto pohybů jsou skutečně tak velké, nebo jsou menší, případně i větší.
Odpověď by mohla dát kampaň GPS měření, která bude provedena v roce 2000 a která
umožní výše uvedené výsledky ověřit a ověřit i jejich geologickou a geodynamickou
interpretaci.
Mnoho prací za posledních deset let předpokládá, že tlak Alp směrem k severu, který je
vyvolán tlakem Afriky na Evropský kontinent, způsobuje recentní pohyby mezi jednotlivými
strukturními bloky Českého masívu. Obr. 52 přináší výsledky získané z GPS kampaní 1998 a
1999. Ukazují se zřetelné pohybové trendy v severní oblasti Moravsko-slezské části Českého
masívu. Tato linie odpovídá velice dobře mnoha základním regionálním geologickým teoriím.
Současný stav geodynamické sítě SUDETY je patrný z obr. 53. Jsou na něm vyznačena
místa,
kde
jsou
každoročně
monitorovány družicové GPS signály
na české i polské straně. Síť SUDETY
kromě stanovišť ke snímání GPS
BOHUMÍN
4
signálů zahrnuje i seismické stanice
12
vybudované ÚGN AV ČR.
15
Petrovice u
Karviné
Práce na tomto projektu probíhaly
v letech 1997 – 1999 v rámci grantu
GAČR č. 205/97/0679.
KARVINÁ
ORLOVÁ
Aplikace GPS při sledování
vlivů poddolování
Stonava, Želnov
39
HAVÍŘOV
2
34
Obr. 54 Síť bodů na nepoddolovaném území v OKR.
Čárkovanou čarou je vyznačena oblast
poklesové kotliny
7
(Autor: Jan Schenk7)
Využití GPS při sledování vlivů
poddolování
spočívá
především
v možnosti sledování absolutních
prostorových pohybů bodů vzhledem
k bodům, které nejsou dobýváním
ovlivněny [156]. Lze tedy měření na
poddolovaném území rozdělit na dvě
části:
Institut geodézie důlního měřictví, VŠB – Technická univerzita Ostrava
131
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
⇒ Jako základní je stanovení polohy vztažných bodů na nepoddolovaném území
v souřadnicovém systému WGS84, ke kterým se budou připojovat body na pozorovací
stanici v poddolovaném území.
⇒ Vlastní vlivy poddolování, tj. měnící se polohu bodů na pozorovací stanici, pak
zjišťujeme periodickým měřením relativními metodami GPS. Tyto metody volíme
podle situace pozorovací stanice a potřebné přesnosti v určení polohy. Je si třeba
uvědomit, že pohyb poddolovaného povrchu může být v intenzivní fázi pohybu až
několik centimetrů denně, takže je třeba dobu měření zkrátit na minimum.
Pro potřeby připojení pozorovacích stanic v karvinské části OKR bylo v roce 1996
vybráno 6 trigonometrických bodů, které tvoří síť bodů na nepoddolovaném území (obr. 54).
Body byly zaměřeny statickou metodou GPS podle schématu uvedeném na obr. 54
v listopadu 1996. Následně byl určen klíč pro přepočet do JTSK 7 prvkovou Helmertovou
transformací. Kontrola stability bodů byla provedena v červnu 1997 a srpnu 1998. Byly
použity
dvě
soupravy
dvoufrekvenčních přijímačů fy
Leica CR 333 a SR 399. Doba
měření se pohybovala podle délky
základny a kvality GDOP od 20 do
60 minut. Síť byla vyrovnávána
k trigonometrickému bodu č. 2,
který byl zvolen jako pevný. Jeho
absolutní poloha v systému WGS
84 byla určena metodou Single
Point s přesností 1m. Přesnost
polohy po vyrovnání byla 3,1cm
(první ), 2,5cm (druhé) a 2,0cm
(třetí měření). Změny polohy
těchto bodů probíhají v rámci
těchto středních chyb, takže je lze
považovat za pevné, s výjimkou
bodu č. 15, který se nachází
nejblíže k dobývaným plochám
slojí a vykázal již posun 5,3 cm
Obr. 55 Schéma měření dvěmi soupravami přijímačů GPS
k jihu.
Strategie použití při pozorování
bodů na pozorovací stanici je dána
umístěním bodů stanice (množství překážek pro příjem signálů), počtem současně nasazených
přijímačů GPS signálů a jejich kvalitou. Takže vlastní měření na pozorovací stanici lze
rozdělit do dvou skupin:
⇒ měření vztažných bodů pro klasická geodetická měření (nevýhodné podmínky pro
příjem signálu na podrobných bodech) ,
⇒ měření podrobných bodů pozorovací stanice (výhodné podmínky).
Obvykle se používá rychlá statická metoda, pouze při měření připojovacích bodů na
nepoddolovaném území se používá statická metoda s dobou pozorování 20 – 30 minut. Aby
byla známá vnější přesnost v určení polohy bodů, jsou body zaměřeny vždy dvakrát nezávisle
z různých referenčních stanovisek. Schéma takového měření pro dvě soupravy GPS je zřejmý
z obr. 55. Referenční stanoviska se volí vždy na okraji vznikající poklesové kotliny, aby jejich
132
Ver. 1.0
9 Oblasti využití GPS
vzdálenost od podrobných bodů stanice byla co nejmenší a zároveň, aby jejich pohyb během
měření byl zanedbatelný. Tím se zkrátí doba měření na stanici a pouze se prodlouží doba pro
připojení na nepoddolované území. Při umístění referenční stanice mimo poddolované území
by se doba observace prodloužila u všech bodů stanice.
Přesnost
v určení
souřadnic bodů určených
na
pozorovací
stanici
Žolnov se pohybovala do
1cm v poloze a do 1,5cm
ve výšce. Tato velmi dobrá
přesnost
GPS
měření
umožnila získat skutečný
průběh pohybů povrchu,
především ve vodorovném
směru.
Klasickými
metodami je prakticky
nemožné dosáhnout této
Obr. 56 Vektory posunů na pozorovací stanici Žolnov
přesnosti s ohledem na
vzdálenost vztažných bodů na nepoddolovaném území. Na obr. 56 jsou prezentovány
výsledky pozorování vodorovných posunů tak, jak byly naměřeny na stanici Žolnov.
9.8.5 Aplikace GPS při povrchové těžbě nerostných surovin
V [113] je popsána aplikace RTK GPS pro potřeby řízení dopravy v jednom z největších
povrchových uhelných revírů, rozkládajících se ve státě Wyoming v USA na ploše 23
kilometrů čtverečních. V tomto revíru jsou otevřeny tři doly, z nich největší je téměř 5
kilometrů dlouhý a 75 metrů hluboký. V revíru pracuje 460 zaměstnanců, obsluhujících
v nepřetržitém provozu 56 mobilních strojů. Ve srovnání s průměrem za celé Spojené státy
americké je bezpečnost v tomto revíru čtyřikrát lepší.
Black Thunder se nachází v nadmořské výšce zhruba 1400 m a v zimě teplota klesá až na –
35 st. C. Tento revír produkuje 47 milionů tun uhlí s nízkým obsahem síry, což představuje
zhruba 5 % celkové produkce USA.
Lomy v revíru jsou vybaveny širokou škálou zařízení, mimo jiné i buldozery, skrejpry,
třídicími, vrtnými a těžními stroji, sklápěcími automobily a cisternami. Například každý z 15
sklápěcích automobilů stojí 1.5 milionu USD a najednou přepraví až 240 tun nákladu. Plánuje
se však brzké zavedení automobilů s přepravní kapacitou 320 tun.
Vůbec největším a nejdražším zařízením je skrývkové rýpadlo s vlečnou lopatou, které
váží více než 6 a půl tisíce tun, stálo 50 milionů USD a budováno bylo po dobu tří let.
Výložník je dlouhý 120 metrů a rýpadlo přemístí na jeden záběr 120 kubíků zeminy.
Simultánní řízení všech těchto nákladných zařízení v nehostinném prostředí uhelných dolů
vyžaduje znalost jejich aktuální přesné polohy. Postupem času se této úlohy ujal právě systém
GPS.
Hledání řešení
Před čtyřmi lety implementoval provozovatel rozsáhlý počítačový systém, využívaný
především pro potřeby logistiky. V rámci tohoto systému byla zavedena celá řada nových
technologií, jako jsou diferenční GPS, RTK GPS, geografický informační systém, CAD a
133
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
digitální modely terénu. Systém pomáhá obsluze dolů vypravovat a navigovat mobilní
prostředky, řídit těžbu tak, aby byla v souladu s plánem i přísnými limity ochrany životního
prostředí a provádět měřické práce a objemová měření. Tyto nástroje rovněž pomáhají
provozovateli dokumentovat stav a topografickou situaci povrchu před zahájením prací a tak
umožňují co možná nejlepší obnovu oblasti po ukončení těžby.
V roce 1994 byly pro potřeby měřické skupiny pořízeny čtyři měřické devítikanálové
jednofrekvenční přijímače GPS. Nejprve však byla vybudována referenční stanice, vysílající
diferenční korekce pro potřeby sledování pohybu mobilních prostředků (formát RTCM) a
dále data potřebná pro kinematická měření v reálném čase (RTK; formát CMR2) pro potřeby
měřičů a také operátorů počítačově podporovaného systému sledování skrývky a těžby.
Nicméně praxe ukázala, že měřické aplikace představují jen jedno z možných využití
systému GPS na povrchových dolech. Další oblastí intenzivního využívání tohoto systému se
ukázalo i navádění mobilních strojů.
Běžný postup prací
Před vlastním zahájením těžby je nezbytné nejprve odstranit půldruhého metru nadložních
zemin. K tomu se běžně používají buldozery a skrejpry. Pak se s pomocí odstřelů rozvolní
nadložní horniny a zpřístupní tak vlastní uhelné zásoby. Právě tyto práce jsou velice náročné
na koordinaci a synchronizaci s ostatními pracemi na dole. Je nezbytné zajistit jejich
provádění v souladu s plánem, na správném místě a tak, aby nebyly ohroženi lidé ani
technika.
Při plánování trhacích prací se postupuje tak, že se nejprve s využitím RTK GPS a
laserových dálkoměrů změří průběh povrchu terénu v zájmové oblasti pomocí profilů. Z nich
se následně vytvoří digitální model terénu této oblasti a s jeho pomocí se sestaví optimální
projekt rozmístění vrtů pro trhací práce. Souřadnice vrtů jsou následně přeneseny do
měřických přijímačů a s jejich pomocí jsou polohy vrtů vytýčeny v terénu. Mobilní vrtné
soupravy následně vyhloubí vrty a naplní je trhavinou. Po odstřelu je ještě provedena kontrola
celé oblasti s ohledem na shodu skutečného výsledku trhacích prací s předpokládaným
účinkem a rozvolněný materiál je s pomocí buldozerů a rýpadel odstraněn. Obdobně se
postupuje i při vlastní těžbě uhlí. Celkem je za rok odvrtáno 272 km vrtů.
V průběhu prací v dole se více než 56 mobilních strojů pohybuje po 40 kilometrech
neustále se měnících silnic. Tyto okolnosti přímo volají po účinné dispečerské práci.
Dispečerský systém
V poslední době je v revíru testován na čtyřech velkokapacitních nákladních automobilech
systém pro jejich sledování a dispečerské řízení. Předpokládá se, že následně budou všechna
vozidla vybavena přijímači DGPS a radiomodemem.
Stávající systém je vybudován na bázi šestikanálových jednofrekvenčních kódových
DGPS přijímačů, jejichž antény jsou montovány na tyči vyčnívající nad střechu vozidla.
Palubní počítač přenáší naměřené údaje prostřednictvím radiomodemu a jeho všesměrové
antény na dispečink, kde je prováděna jejich korekce.
Dispečerský počítač sleduje polohu a stav (plný, prázdný, rychlost, atd.) každého vozidla.
Tato data jsou ukládána a následně analyzována tak, aby bylo možné na základě praktických
měření určit jízdní doby, přepravní kapacity a optimální trasy přepravy pro jednotlivá vozidla.
Jakmile je vozidlo vyklopeno, dostane řidič ihned informaci o tom, kam má jet, jakou
trasou a zda poveze uhlí nebo skrývku.
134
Ver. 1.0
9 Oblasti využití GPS
Na dispečinku může obslužný personál sledovat aktuální polohu a trasu pohybu
jednotlivých mobilních prostředků, vybavených přijímačem DGPS. Pokud na dispečink přijde
požadavek na konkrétní typ mobilního prostředku (skrejpr, nákladní automobil, cisterna,
apod.), může dispečer snadno nalézt nejbližší prostředek s volnou kapacitou a navést ho
nejkratší trasou do místa, kde je potřebný.
Dispečerský počítač rovněž shromažďuje údaje o využívání mobilních prostředků a sleduje
i některé kritické stavy jejich agregátů (vysoká teplota oleje, chladicí kapaliny, atd.), které
ihned zaznamenává spolu s časovým údajem do databáze a signalizuje jejich výskyt
dispečerovi. Ten může ihned rozhodnout o opravě a zorganizovat servisní zásah. Tím se
výrazně redukují prostoje zařízení.
Po dobudování umožní tento systém výrazně zvýšit účinnost a produktivitu všech
mobilních prostředků.
Počítačově podporované řízení skrývky
Předešlý systém výrazně zvyšuje účinnost využití mobilních prostředků, nicméně ještě
větší přínos se očekává od zavedení počítačově podporovaného řízení skrývky (angl.
Computer-Aided Earth Moving System – CAES). V tomto případě jsou tři buldozery a dva
skrejpry vybaveny devítikanálovými jednofrekvenčními kódovými RTK-GPS přijímači,
schopnými určovat polohu s přesností na centimetry a s obnovovací frekvencí 5 Hz. Všechny
jsou dále vybaveny počítači na bázi procesoru Intel 80486 s barevným 12“ monitorem.
Každému z těchto prostředků CAES průběžně poskytuje aktuální digitální model terénu
dolu s vyznačenými oblastmi, kde je nezbytné odstranit část materiálu, respektive kde je
naopak nezbytné materiál navézt. Řidič se pak může optimálně rozhodovat o postupu prací a
minimalizovat tak náklady na přesun materiálu. Jakékoliv změny povedené v terénu jsou
přitom ihned promítány do digitálního modelu terénu, takže obsluha ihned vidí, zda již
dosáhla požadovaného stavu, nebo ne.
Veškerá měření prováděná GPS přijímači mobilních prostředků při jejich pohybu po dole
jsou průběžně přenášena do centra a používána mimo jiné i pro aktualizaci digitálního modelu
terénu dolu.
Zhodnocení dosažených výsledků
Celkově lze říct, že zavedení systému GPS přineslo významné časové úspory, jednoznačně
ospravedlňující investice do této techniky. Nicméně vyskytují se i některé problémy. Stěny
lomů mohou být až 100 metrů vysoké, při sklonu 0.5:1. To může způsobit problémy
s odraženými signály. Rovněž blízkost některých mohutných důlních zařízení může
způsobovat problémy. Praktické zkušenosti ukázaly, že systém GPS je v areálu povrchového
dolu dostupný 95 % doby. Zlepšení této situace by mohlo v blízké budoucnosti přinést použití
pseudodružic.
Pokrok ve vývoji systému GPS, laserových systémů, pozemních radarů apod. postupně
povede až ke vzniku autonomních mobilních prostředků, pracujících bez zásahu lidské
obsluhy. Pracovníci tohoto revíru pevně věří, že zůstanou na špici tohoto vývoje.
Obdobná aplikace RTK GPS v povrchovém dole, tentokráte v Austrálii, je popsána v [82]
a v [58] je popsáno využití RTK GPS pro potřeby dálkového řízení stavebních strojů,
především různých finišerů. Takovýto systém výrazně zvyšuje kvalitu práce těchto strojů a
redukuje potřebu následných dokončovacích úprav povrchu.
135
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
9.8.6 Jiné aplikace
Navigační systémy pro nevidomé
V [46] je popsána aplikace GPS jako součásti navigačního systému pro nevidomé (angl.
Personal Guidance System – PGS). Ten sestává ze tří modulů:
1. modulu pro určování polohy a orientace
2. modulu GIS
3. modulu uživatelského rozhraní.
První modul se týká polohy a orientace uživatele. Pro určení polohy a pro sledování
pohybu uživatele se používá přijímač GPS, který pro dosažení potřebné přesnosti využívá i
diferenční korekce, poskytované veřejně dostupnou službou. Jak přijímač GPS, tak i
radiomodem pro příjem diferenčních korekcí jsou spolu s malým počítačem umístěny do
brašny, nesené uživatelem na zádech. Při dobré dostupnosti signálů z družic dosahuje systém
přesnosti na úrovni střední kvadratické chyby 1 m.
Vedle určování polohy je první modul určen i pro určování orientace uživatele. Ačkoliv je
možné k tomuto účelu použít systém GPS (z posloupnosti změřených bodů by bylo možné
určit orientaci), toto uspořádání by spolehlivě fungovalo jen za chůze. V případě, že by se
uživatel zastavil a začal se otáčet na místě, mohl by systém snadno orientaci ztratit. Daleko
vhodnější je určovat orientaci nezávislým systémem. V tomto případě byl použit
gyroindukční kompas, umístěný na třmenu sluchátek, které jsou používány pro zadávání
pokynů uživateli. Díky tomuto uspořádání systém sleduje orientaci hlavy, a ne těla. Je tak
možné snadno zjistit, na co se nevidomý „dívá“, a tomu pak podřídit výklad ve sluchátkách.
Modul GIS zahrnuje digitalizovanou mapu a programové vybavení navržené tak, aby
sledovalo trasu uživatele, vybíralo cestu, informovalo uživatele o orientačních bodech a
místních znacích, řídilo dynamický přístup do databází a korigovalo případné ztráty signálu
nebo chyby. Je rovněž schopné zadávat příkazy uživateli, týkající se jeho pohybu. Databáze
obsahuje údaje odpovídající potřebám nevidomých, jako je čelní strana staveb, charakteristiky
silnic, směr provozu, existence přechodů, semaforů, parků a jiných nezastavěných oblastí,
cyklistických stezek, parkovišť, zastávek veřejné dopravy, atd.
S ohledem na potřebnou rychlost běhu systému a také s ohledem na omezení velikosti a
hmotnosti diktované přenášením systému na zádech uživatele, byly do GIS zahrnuty jen
nejnutnější funkce, nezbytné pro určování vzdáleností a směrů, výběr optimální cesty, apod.
Modul uživatelského rozhraní umožňuje obousměrnou komunikaci mezi navigačním
systémem a uživatelem. Pro komunikaci směrem k uživateli jsou k dispozici dva systémy:
mluvené slovo přenášené sluchátky, nebo virtuální „displej“ využívající binakulární
sluchátka. Druhý systém v podstatě umožňuje umísťovat zdroje zvuku „do prostoru“ tak, že je
uživatel vnímá na místě skutečných objektů reálného světa. Jednotlivé objekty se mu pak
„hlásí“ svými jmény ze svých míst v prostoru.
Tento systém je vyvíjen a testován na Kalifornské univerzitě v Santa Barbaře.
V praktickém provozu je jeho hlavním problémem mimo jiné dostupnost signálů z družic
systému GPS v oblastech s vysokou zástavbou a jejich případný odraz. Naděje jsou vkládány
do současného využívání družic systémů GPS a GLONASS.
136
Ver. 1.0
9 Oblasti využití GPS
Zákaznické služby závislé na aktuální poloze uživatele
Ze všech inovací, které se před námi objevují po vypnutí selektivní dostupnosti je asi
nejvýznamnější spojení GPS a mobilních telefonů [22]. Dodavatelů GIS a geodat budou
nesporně těžit z takovéhoto spojení. Data a mapy mohou být za této situace velice dobře
přizpůsobena aktuální poloze a aktuálním potřebám uživatelů. Například může nastat situace,
kdy uživatel v neznámém městě potřebuje najít nejbližší restauraci, vyhovující jeho
požadavkům (např. dosažitelná pěšky, s požadovanou úrovní služeb a s požadovaným
sortimentem). Jednoduše vezme svůj mobilní telefon, zavolá na příslušnou službu, zadá dotaz
a na grafickém displeji se mu zobrazí výsek mapy obsahující jeho polohu, polohu restaurace,
vyhovující zadaným podmínkám a trasu přesunu mezi aktuální a cílovou polohou. To vše bez
vědomé znalosti své polohy a bez znalosti prostředí. Výhodou zde je, že uživateli se přenášejí
jen malé objemy dat, právě vyhovující jeho potřebám, místo toho, aby se mu například
přenášela celá digitální mapa města, kde by musel nejprve nalézt svoji polohu, pak
lokalizovat blízké restaurace a z nich si vybrat tu, která ho zajímá, například na základě
telefonického dotazovaní jednotlivých provozoven. Tímto způsobem může GPS významně
přispět k zachování a případně i zvýšení propustnosti mobilních komunikačních sítí.
V blízké budoucnosti se v USA očekává zprovozňování třetí generace mobilních
komunikačních sítí, které zvýší přenosovou rychlost k uživatelům až na 2 Mbity za sekundu.
Tím se dramaticky zlepší podmínky pro provozování aplikací, které komunikují s uživatelem
geograficky a v reálném čase. Dnes se začínají prodávat mobilní telefony s přístupem na
Internet. Odhaduje se, že v roce 2003 jich bude na světě přes půl miliardy. Očekává se, že
trend v této oblasti bude vývoj směřovat k osobním digitálním asistentům (angl. Personal
Digital Assistant – PDA). Jejich využití půjde mnohem dále, než jen na úroveň vyhledávání
restaurací. Při příjezdu k velkému nákupnímu centru můžeme takto vyhledat volné místo na
rozlehlém parkovišti, nacházející se co nejblíže požadovaného vstupu, budeme si moci ověřit,
zda je v obchodním domě k dispozici požadované zboží, zamluvit si ho tak, aby bylo
k dispozici v době příjezdu a případně za něj touto cestou před příjezdem i zaplatit.
Navigační válka
Nástup globálních družicových navigačních systémů (v současnosti především systémů
GPS a GLONASS) vytvořilo zcela nové podmínky pro moderní vedení boje na zemi, na vodě
i ve vzduchu a vytvořilo také podmínky pro zavedení zcela nových zbraňových systémů,
naváděných na cíl právě s pomocí těchto systémů [274]. Typickou ukázkou jsou poslední dvě
velké vojenské akce, vedené spojeneckými vojsky. Jedná se konkrétně o akci s kódovým
označením Pouštní bouře, která proběhla v roce 1991 a o bombardování Srbska v roce 1998.
V prvním případě se projevily výhody moderního vedení boje s podporou systému GPS.
Generálové velící celé akci měli díky vybavení jednotek přijímači systému GPS (zpočátku
jich bylo kolem tisíce, v závěru konfliktu dokonce více než devět tisíc [274]) kdykoliv přesné
informace o aktuálním rozložení spojeneckých vojsk na bojišti. Tyto informace spolu
s dalšími informacemi zpracovávanými s využitím geografických informačních systémů
výrazně napomohly podstatnému zvýšení dynamiky moderního boje, přesnosti vedení paleb a
ke zkvalitnění součinnosti všech armádních složek na rozsáhlém území. Neustálá znalost
přesné polohy všech mobilních prostředků, jednotek, řízených střel apod. je základním
předpokladem úspěšného vedení bojové činnosti zejména v neznámém terénu, za snížené
viditelnosti a v noci [78]. To vše napomohlo při válce v zálivu výrazným způsobem k tak
výraznému vítězství při tak malých ztrátách na straně spojeneckých vojsk.
137
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
V případě bombardování Srbska se projevil výrazně druhý faktor. V rámci této akce byly
využívány nejmodernější zbraňové systémy naváděné na cíl právě s využitím systému GPS. I
když se na základě reálných zkušeností ze Srbska objevily i kritické hlasy, upozorňující na
některé nedostatky těchto systémů pramenící z ne zcela uspokojující přesnosti a také
z nemožnosti navádění těchto zbraňových prostředků na mobilní cíle, celkově vládne s jejich
výkony spokojenost.
S rostoucí závislostí zbraňových systémů i způsobů vedení boje na moderních globálních
družicových navigačních systémech však vyvolává otázku, nakolik může být jejich účinnost
ovlivněna záměrným rušením navigačních signálů. Při těchto úvahách postupně vznikala vize
„navigační války“.
Specialisté amerického střediska kosmických a raketových systémů definovali navigační
válku jako prostředí, ve kterém [78]:
•
•
•
vlastní ozbrojené síly neustále udržují schopnost používat družicovou navigaci v plném
rozsahu
znemožňuje zpřístupnit a využívat družicovou navigaci uživatelům protivníka
nemá naprosto žádný vliv na možnosti navigace širokého okruhu civilních uživatelů.
Tato definice vychází samozřejmě pouze z pohledu Spojených států amerických a systému
GPS. Vláda USA se zavázala, že standardní polohový systém GPS bude k dispozici civilním
uživatelům bez omezení, bezplatně a dlouhodobě. To mimo jiné znamená závazek
neomezovat jeho dostupnost ani v případě vojenských operací a tedy ani v podmínkách
navigační války. Nicméně kterýkoliv nepřítel může použít takové prostředky navigační války,
které tento požadavek naruší.
Navigační válka v prostředí globálních družicových navigačních systémů je jednou
z mnoha verzí radioelektronického boje a bude tedy vedena radioelektronickými prostředky.
Nejprimitivnější verze navigační války může nabýt formy prostého rušení navigačních signálů
v prostoru bojiště. Vzhledem k tomu, jak slabé jsou signály systému GPS (ale i systému
GLONASS; u možných příštích systémů tomu nejspíš nebude jinak), není k tomuto účelu
nezbytné používat speciální a výkonná zařízení, stačí použít relativně jednoduchý a slabý
vysílač, schopný svým neužitečným signálem zahltit vstupní obvody navigačních přijímačů.
Vedle této primitivní formy navigační války (která je již dnes ověřena i praktickými
pokusy) se uvažuje o mnohem náročnější (a z vojenského hlediska i nebezpečnější) formě,
kdy nepřátelské síly manipulují s navigačními signály a tím podsouvají řádným uživatelům
nesprávné údaje o jejich poloze. V podmínkách válečného konfliktu v takovéto situaci nemají
bojující jednotky čas ověřovat svoji polohu ještě jiným, doplňkovým způsobem. Snadno by
tak bylo možné navést nepřátelské jednotky do jiné oblasti, než by chtěly zaujmout, případně
takto narušit součinnost jednotlivých druhů vojsk (letectva, námořnictva, pozemních vojsk). I
když tato forma navigační války ani dnes ještě v praxi neexistuje, vojenští stratégové s ní
počítali již mnohem dříve a proto byl například na družice systému GPS počínaje Blokem II
zaveden ochranný mechanizmus – anti-spoofing, který byl v roce 1994 aktivován a od té doby
je uplatňován téměř nepřetržitě.
Navigační válka se dnes postupně stává realitou. S rostoucí závislostí vojsk na globálních
družicových navigačních systémech poroste i její význam (a potenciální hrozba). Ztráta
navigačních informací, znalosti vlastní polohy, ztráta dostupnosti informací potřebných pro
nejmodernější zbraňové systémy může v budoucnu vést až ke ztrátě bojeschopnosti armád.
Důsledky navigační války proto mohou být nedozírné. Nicméně jeden fakt této formě boje
nelze upřít – je to válka humánní, jejímž primárním účelem není ztráta lidských životů, ale
pouze ztráta schopnosti buďto částečně nebo zcela vést jakoukoliv bojovou činnost [78].
138
Ver. 1.0
9 Oblasti využití GPS
Tvorba adresační vrstvy pro potřeby geokódování pomocí GPS
(Autoři: Kateřina Králová8, Petr Rapant9, Jiří Horák11)
Jedním z problémů, před jejichž řešením stojí tvůrci a provozovatelé aplikací
geografických informačních systémů, je i tvorba tzv. adresační vrstvy, která přiřazuje
poštovním doručovacím adresám jednoznačné souřadnice [x,y] a umožní tak snadné
geokódování dat, lokalizovaných pomocí těchto adres.
V roce 1997 proběhlo na VŠB – Technické univerzitě Ostrava testování možnosti tvorby
adresační vrstvy pomocí přímých měření s využitím systému GPS. Ve vybrané části
městského obvodu Ostrava – Poruba proběhlo v průběhu března praktické měření souřadnic
jednotlivých vchodů do obytných budov. Celkem bylo lokalizováno několik desítek vchodů,
reprezentujících adresní body. Výsledky byly publikovány v [89, 90].
Geokódování
Cílem geokódování je umístit informace vztahující se k místům o známe adrese do mapy.
Těmito bodovými objekty mohou být například místa nehod, zločinů, adresy zákazníků, čísla
parcel apod. Geokódováním je možné na základě zadání adres nalézt například umístění
všech požárních stanic, podívat se, kde žijí všichni studenti navštěvující určitou školu, nebo
lokalizovat zákazníky.
Při geokódování vycházíme ze dvou vstupních souborů. Jedním je soubor, který obsahuje
obecně použitelný geokód (např. poštovní adresu) a jemu odpovídající geografické
souřadnice, a druhým soubor obsahující údaje určené k umístění do mapy, které obsahují
(přesněji musí obsahovat) mimo jiné i identifikátor – geokód – umožňující vytvoření relace
s první tabulkou. Pomocí této relace pak lze zobrazovaným údajům přisoudit polohu
v prostoru.
Geokódování pomocí měření GPS
GPS je systém, který umožňuje určovat polohu přijímače a poskytnout ji v podobě
geografických, resp. kartézských souřadnic. Přesnost určení polohy je závislá na mnoha
faktorech, mimo jiné na:
1. kvalitě přijímače
2. použité metodu měření
3. počtu viditelných družic.
Ad 1, Kvalitu přijímače máme plně v rukou, volba je závislá jednak na požadované
přesnosti měření a jednak na našich finančních možnostech. Požadovaná přesnost měření
závisí především na měřítku mapy, v níž má být geokódování prováděno. Pokud budeme
uvažovat o měřítku 1 : 10 000, je přesnost přijímače do 5 m vyhovující. Pokud ale budeme
počítat s měřítkem 1 : 1 000, pak by měla být požadována přesnost do 0,5 m.
Ad 2, Použitou metodu měření máme rovněž plně v rukou, téměř výlučně se provádí
měření v diferenčním modu, které však vyžaduje použití dvou přijímačů GPS, z nichž jeden
musí být umístěn na bodě o známých souřadnicích a druhým se provádí vlastní měření. Při
využití levnějších přijímačů pracujících v režimu kódových měření lze takto dosáhnout
8
9
Katedra ochrany životního prostředí v průmyslu, VŠB – Technická univerzita Ostrava
Institut ekonomiky a systémů řízení, VŠB – Technická univerzita Ostrava
139
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
přesnosti až ± 1 m, při fázových měřeních lze dosáhnout přesnosti ještě o jeden až dva řády
lepší.
Ad 3, Počet viditelných družic je závislý jednak na momentální poloze družic na oběžných
drahách v době měření a jednak na konfiguraci terénu v místě měření. Je to tedy parametr,
který nemůžeme nijak ovlivnit a kterému se musíme naopak co nejlépe přizpůsobit. Naštěstí
součástí programového vybavení přijímačů GPS jsou i nástroje umožňující výpočet
viditelnosti družic v zadané oblasti a při zadané konfiguraci terénu. Tyto prostředky pak
umožňují pečlivě plánovat vlastní měření.
Charakteristika zájmového území, příprava měření
Pro ověření geokódování pomocí systému GPS byla vybrána oblast v městském obvodu
Ostrava-Poruba, zahrnující části ulic
Opavská, 17. listopadu, Hlavní
třída, Havlíčkovo náměstí, Alšovo
náměstí a ulice Bohuslava Martinů.
Jedná se o poměrně široké ulice
s rozpětím od 35 metrů v ulici
Bohuslava Martinů až do 80 metrů
na Hlavní třídě. Městská zástavba je
zde zastoupena 5 a 6 poschoďovými
domy a doplněna bohatou vegetací.
K měření byly použity dva přístroje
firmy Garmin značky GPS 100
SRVY II, určené především pro
potřeby mapování.
S ohledem na zástavbu a zeleň
blokující přístup signálů z družic
Obr. 57 Sestava družic na začátku měření na ulici 17. listopadu
bylo možno určit, jaký počet
„viditelných“ družic bude nad daným místem měření v kteroukoliv denní dobu. S pomocí
programu PC100S2, který je schopen na základě almanachu přijatého z navigační zprávy
zobrazit měnící se sestavy družic na obloze, bylo naplánováno, kdy bude vhodné měřit
v jednotlivých ulicích.
Obr. 57 a obr. 58 ukazují na
příkladu ulice 17. listopadu sestavy
družic na začátku a na konci
měření. Průsečíkem os je místo, ve
kterém má být měřeno (jeho poloha
je předem přibližně zadaná),
kružnice určují viditelnost oblohy
jako vertikální úhel od kolmice
v místě měření, rovnoběžné linie
omezují viditelnost oblohy a
představují objekty blokující přístup
signálů.
Obr. 58 Sestava družic na konci měření na ulici 17. listopadu
140
Měření pomocí GPS
První přijímač byl použit jako
Ver. 1.0
9 Oblasti využití GPS
referenční stanice a byl umístěn na bodě nazývaném Fojtství, jehož souřadnice jsou zaměřeny
přesným geodetickým měřením:
• V souřadnicovém systému WGS-84:
N49°50´04.35154“
E18°09´41.65415“
výška 283.295 m
• V souřadnicovém systému S-JTSK:
Y=479282.94m
X=1100933.76m
výška Bpv. 270.26 m
Po uvedení do chodu byl tento přijímač nastaven do režimu referenční stanice a byly do něj
vloženy souřadnice měřeného bodu v souřadnicovém systému WGS-84. Tato stanice byla
stabilně umístěna na daném místě a přijímala signály po celou dobu měření.
Druhý přijímač se pohyboval po zájmovém území a měřil vždy jen v krátkých časových
intervalech na místech, jejichž souřadnice byly zjišťovány. Aby bylo možno zachytit co
nejvíce signálů družic, nebyly zaměřovány přímo domovní vchody, protože by tak více než
polovina oblohy byla zcela zakrytá. Místo toho byly určovány polohy bodů nacházejících se
v určité vzdálenosti na kolmici od domovních vchodů.
Po zaktivování přijímače mu byl zadán dynamický režim a jméno souboru, do nějž se
budou data ukládat. Na každém stanovišti, kde bylo měřeno, byl zkontrolován počet a stav
přijímaných signálů a pokud byl stav vyhovující, bylo provedeno měření v délce 2.5 až 3
minuty s tím, že každou
sekundu se provedlo
jedno zaměření polohy
měřeného bodu. Obsluha
zadala identifikační číslo
bodu a do terénního
zápisníku
byla
zaznamenána k tomuto
bodu adresa a vzdálenost
od domovního vchodu,
ve které bylo měřeno.
Následně se tým měřičů
přesunul na další místo a
do téhož souboru ukládal
data o poloze dalšího
domovního vchodu. Při
měření byly obvykle
dostupné signály čtyř až
Obr. 59 Body zaměřené pomocí GPS a nekorigované pomocí údajů z referenční
pěti družic a pouze ve
stanice, se všemi naměřenými hodnotami
výjimečných případech
jen tří družic. Pokud byly dostupné čtyři a více družic, bylo možné vyhodnotit třírozměrnou
polohu, pokud by byly dostupné signály jen tří družic, bylo možné určovat pouze polohu
dvourozměrnou. To ale nebylo v daném případě na závadu, nadmořskou výšku bylo možné
s dostatečnou přesností odečíst z mapy SMO-5.
141
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
Měření
bylo
provedeno
ve
3
časových
blocích,
zvolených s ohledem na
dostupnost
signálů
družic
v jednotlivých
ulicích:
• dne 18. března
byla
vhodná
doba
měření
cca od 16.00 do
17.30
hod,
měřeno bylo na
ulicích Opavská
a 17. listopadu,
• dne 19. března
byla
vhodná
Obr. 60 Body zaměřené pomocí GPS a korigované pomocí údajů z referenční
doba
měření
stanice
dopoledne cca
od 9.15 hod do
11.00 hod, měřeno bylo na Alšově náměstí a na ulici Bohuslava Martinů, a
odpoledne cca od 14.15 hod do 17.00 hod, měřeno bylo na ulicích Opavská, Hlavní
třída a na Havlíčkově náměstí.
Téměř pro každý vchod byl zaměřen jeden bod k němu se vztahující. Jen na ulici
Bohuslava Martinů byly změřením polohy jednoho bodu určeny polohy dvou vchodů ležících
naproti sobě přes ulici.
Zpracování naměřených údajů
Každý den byla data z obou přijímačů stažena do počítače, vždy jeden soubor
z referenčního a jeden z mobilního přijímače.
Pro orientaci byly spočteny souřadnice bodů bez použití korekcí z referenční stanice.
Teprve potom byly vypočteny souřadnice s pomocí korekcí. Na obr. 59 jsou ukázány
výsledky prvního měření. Zelené čáry jsou spojnicemi všech naměřených hodnot na jednom
stanovišti, z nichž pak byla vypočtena výsledná poloha bodu, zaznačená křížkem a
identifikačním číslem. Na obr. 60 jsou znázorněny pouze výsledné polohy zaměřených bodů
při aplikaci diferenčních korekcí a na obr. 62 jsou pro srovnání znázorněny polohy bodů tak,
jak byly určeny bez použití diferenčních korekcí z referenční stanice.
142
Ver. 1.0
9 Oblasti využití GPS
H
I
SOFTWARE NAME & VERSION
PC100S2 3.03
H
M
R DATUM
G WGS 84
IDX DA
DF
DX
DY
DZ
105 +0.000000e+00 +0.000000e+00 +0.000000e+00 +0.000000e+00 +0.000000e+00
H COORDINATE SYSTEM
U LAT LON DMS
;>PR010318.FLD _________________ _________________ 18MAR97 15:04:03 002800
H
W
W
W
W
W
W
IDNT
BASE
1
2
3
4
5
LATITUDE
N495004.352
N494953.765
N494953.252
N494955.939
N494956.501
N494957.452
LONGITUDE
E0180941.654
E0180952.951
E0180952.355
E0180954.029
E0180954.304
E0180954.949
DATE
26-AUG-00
18-MAR-97
18-MAR-97
18-MAR-97
18-MAR-97
18-MAR-97
TIME
20:26:21
15:06:56
15:11:15
15:16:12
15:19:57
15:24:14
ALT
+0283.3
+0283.3
+0283.3
+0283.3
+0283.3
+0283.3
ATTRIBUTE
____________
____________
____________
____________
____________
____________
DESCRIPTION
BASE STATION
____________
____________
____________
____________
____________
PNTS
000000
000146
000140
000140
000098
000123
SIGMA ;waypts
0.000000
11.54923
13.85775
21.45941
23.77966
14.70445
Obr. 61 Ukázka textového výstupu z výpočtu
Výstupem z vyhodnocení polohy bodů je textový soubor, v jehož záhlaví jsou uloženy
údaje o měření: použité programové vybavení pro výpočet poloh, datum měření, použitý
souřadnicový systém. K jednotlivým bodům jsou uvedeny tyto údaje: identifikátor bodu,
zeměpisná délka a šířka, datum a čas měření, výška bodu, atributy a poznámky, počet
naměřených bodů na daném stanovišti, chyba měření (ukázka viz obr. 61).
Protože polohy bodů jsou určovány standardně v souřadnicovém systému WGS-84, který
se u nás běžně nepoužívá, byly souřadnice bodů transformovány do souřadnicového systému
S-JTSK. V programu ArcView byly následně polohy bodů přepočítány na domovní vchody a
aby bylo možno naměřené výsledky zhodnotit, byly polohy bodů dále přepočítány na středy
jednotlivých domů (přesněji vchodů) připočtením poloviny šířky budovy.
Dosažené výsledky
Měření
bylo
provedeno ve třech
blocích:
Obr. 62 Polohy bodů zaměřené pomocí GPS a vyhodnocené bez použití
diferenčních korekcí z referenční stanice
• v prvním
časovém bloku
bylo měřeno 18
bodů a celková
doba
měření
byla 84 minut
• v druhém
časovém bloku
bylo měřeno 22
bodů a celková
doba
měření
byla 120 minut
• ve
třetím
časovém bloku
bylo měřeno 37
bodů a celková doba měření byla 170 minut.
Změřeno bylo celkem 77 bodů.
Z obr. 59 je patrné, že rozložení měřených hodnot na jednotlivých stanovištích je
nerovnoměrné. Srovnáním tohoto rozložení s rozmístěním viditelných družic na obloze
zjistíme, že mezi těmito dvěma faktory existuje velice silná korelace. Na obr. 57 je
znázorněno rozložení družic na obloze přibližně v době měření bodu č. 3 a na obr. 63 je pro
143
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
srovnání
zobrazeno
rozložení všech hodnot
naměřených v průběhu
určování polohy tohoto
bodu. Z obr. 57 je patrné,
že dostupné družice jsou
až na jednu seřazené
téměř v jedné linii. Z obr.
63 je pak patrné, že
největší
odchylky
v určování polohy jsou
právě ve směru kolmém
na tuto „linii“.
Výpočet souřadnic
bodů
Vyhodnocení
naměřených dat bylo
Obr. 63 Rozložení všech hodnot naměřených v průběhu určování polohy
provedeno
programem
bodu č. 3 z obr. 59
PC100S2,
zapůjčeným
současně
s přijímači.
Výsledky vyhodnocení bez použití diferenčních korekcí jsou uvedeny v tab. 9 a výsledky
vyhodnocení při použití diferenčních korekcí jsou uvedeny v tab. 10.
1. měření
2. měření
3. měření
Počet měření
2577
3200
5317
Počet měření, které nebylo možné použít
pro výpočet
164
698
1148
Počet měření, ze kterých byly
vypočítávány polohy
2413
2502
4169
18
20
34
Počet vytvořených bodů
Tab. 9 Přehled stavu naměřených dat pomocí GPS bez použití korekcí
Z celkového počtu 77 měřených bodů bylo vypočteno pouze 64 bodů, z nichž jen 4 jsou
určeny ve 3D prostoru. Důvodem může být skutečnost, že referenční stanice přijímala signály
z jiných družic než mobilní přijímač a dále slabá intenzita přijímaných signálů. Z těchto 64
bodů byly už v průběhu měření dva body označeny jako chybně změřené. Tedy pouze 62
bodů bylo použito pro následné transformace do souřadnicového systému S-JTSK. Při
přepočtu naměřených bodů na domovní vchody se počet záznamů rozrostl na 67, neboť v ulici
Bohuslava Martinů a na Alšově náměstí bylo více vchodů zaměřeno měřením na jednom
stanovišti.
144
Ver. 1.0
9 Oblasti využití GPS
1. měření
2. měření
3. měření
Počet měření
2577
3200
5317
Počet měření, které nebylo možné použít
pro výpočet
239
746
1897
Počet měření, která nekorespondovala
s referenční stanicí
179
238
294
Počet měření, ze kterých byly
vypočítávány polohy
2159
2216
3126
18
20
26
Počet vytvořených bodů
Tab. 10 Přehled stavu naměřených dat pomocí GPS s použitím korekcí.
Po přepočtu na středy domů byly zjištěné souřadnice porovnány se souřadnicemi
z katastrální mapy. Průměrná chyba u souřadnice X byla 5.5 metrů a u souřadnice Y 11.5
metrů, což je přesnost dostatečná pro potřeby geokódování na mapě v měřítku 1:10 000.
Tento způsob tvorby adresační vrstvy lze použít všude tam, kde jsou k tomu příznivé
podmínky pro měření, tzn. nízká a řídká městská zástavba. Je to však způsob velmi nákladný
vzhledem k ceně používaných přístrojů. Přesnost takto zaměřených poloh také nelze
srovnávat s velmi přesným geodetickým měřením, ale pro potřeby geokódování na úrovni
mapy v měřítku 1:10 000 je postačující.
145
Ver. 1.0
10 Závěr
10 Závěr
Moderní družicové navigační a polohové systémy již dnes široce zasahují do života
společnosti v blízké době začnou nepochybně zasahovat do života i jednotlivých občanů.
Objevují se aplikace, které jsou již mířeny na masový spotřebitelský trh, jako jsou turistické
navigační přijímače, které jsou dnes dostupné za cenu méně než 10 000,- Kč, nebo soupravy
pro automatickou lokalizaci vozidel apod.
Pokusil jsem se touto publikací napomoci tomuto trendu a dát co nejširšímu okruhu
čtenářů možnost seznámit se s touto technologií, úskalími jejího používání i možnými
oblastmi využití. Nakolik se mi to však povedlo, se mohu dozvědět jen z reakcí čtenář. Proto
bych chtěl v závěru požádat laskavé čtenáře o zasílání jakýchkoliv připomínek, námětů, oprav
apod. na moji e-mailovou adresu [email protected]
147
Ver. 1.0
11 Použitá a doporučená literatura
11 Použitá a doporučená literatura
[1]: Abidin, H. Z.: On-the-Fly Ambiguity Resolution. GPS World, April, 1997. Str. 40 – 50.
[2]: Ackroyd, N., Lorimer, R.: Global Navigation. A GPS User’s Guide. Second Edition.
Lloyd’s of London Press Ltd. London, 1994. 196 stran.
[3]: Aldrada-Marquez, L. a kol.: GNSS system architecture scenarios – Scenarios for the
implementation of satellite navigation in Europe. In: EUROCONTROL, 1995.
Str. 43 – 58.
[4]: Altink-Pouw, M. a kol.: Development of global satellite navigation strategy. In:
EUROCONTROL, 1995. Str. 10 – 11.
[5]: Austin, A., Dendy, R.: DGPS with NASA‘s ACTS. GPS World, June, 1995. Str. 42 – 50.
[6]: Baumann, S., Petrs, R.: Minutes. International Symposium on Integration of LORANC/Eurofix and Galileo/EGNOS. 22-23 March 2000, Bonn.
http://www.telematica.de/news/loran_bonn_minutes.html
[7]: Bazlov, Y. A. a kol.: GLONASS to GPS. A New Coordinate Transformation. GPS World,
January, 1999. Str. 54 – 58.
[8]: Bennett, S. M. a kol.: Blended GPS/DR Position Determination System. ION GPS-96.
Proceedings of The 9th International Technical Meeting of The Satellite Division
of The Institute of Navigation. September 17 – 20, 1996, Kansas City, Missouri.
Str. 147 – 153.
[9]: Börjesson, J., Johanson, J., Darin, F.: GLONASS: experiences from the first global
campain. 1999. 5 stran.
[10]: Breeuwer, E. a kol.: Flying EGNOS: The GNSS-1 Testbed. Galileos World. Building and
Ising Europess Global Navigation Satellite System. Winter 2000. Str. 10 – 21.
[11]: Campbell, J.: Making Tracks: Can GPS Lure Riders? GPS World, November, 1998.
http://www.gpsworld.com/1198/1198gpsfeature.html
[12]: Carel, O. a kol.: Urgent need for GNSS augmentation SAPRs. In: EUROCONTROL, 1995.
Str. 13 – 14.
[13]: Carpenter, E. J.: The Federal Radionavigation Plan. In: ION News64, 1996.
[14]: Clinton, B.: Presidet Clinton: Improving the Civilian Global Positioning System (GPS). The
White House, Office of the Press Secretary. Washington, 2000.
http://www.igeb.gov/sa/whfactsheet.txt
[15]: Clinton, B.: Statement of The President Regarding the United States’ Decision to Stop
Degrading Global Positioning System Accuracy. The White House, Office of the
Press Secretary. Washington, 2000. 2 str.
[16]: Cobb, S., O’Connor, M.: Pseudolites: Enhancing GPS with Ground-based Transmitters.
GPS World, March, 1998.
http://www.gpsworld.com/columns/0398column/0398column.htm.
[17]: Danchik, R. J., Pryor, L. L.: The NAVY navigation satellite system (TRANSIT). Johs
Hopkins APL Technical Digest, Vol. 11, No. 1 and 2. 1990. http://sdwww.jhuapl.edu/Transit/LLP.2
[18]: Danchik, R. J.: An Overview of Transit Development. Johns Hopkins APL Technological
Digest, Vol. 19, No. 1, 1998. Str. 18 – 26.
149
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
[19]: DeLoach, S., Wells, D., Dodd, D.: Why On-the-Fly? GPS World, May, 1995. Str. 53 – 58.
[20]: Dias, W. C.: GPS. 1998. http://giswww.pok.ibm.com/gps/gpsweb.html
[21]: Diggelen, F. van: GPS Accuracy: Lies, Damn Lies, and Statistics. GPS World, May, 1998.
http://www.gpsworld.com/columns/9805kalman.htm.
[22]: Divis, D. A. : SA No More. GPS Accuracy Increases 10 Fold. Geospatial Solutions, June,
2000. Str. 18 – 20.
[23]: Divis, D. A.: SA: Going the Way of the Dinosaur. GPS World, June, 2000, Str. 16 – 19.
[24]: Divis, D. A.: WRC Signals Success: GNSS Wins Allocations. GPS World, July, 2000, Str. 12
– 15.
[25]: Driscoll, C.: Wireless Caller Location Systems. 1998.
http://www.gpsworld.com/1198/1198driscol.html
[26]: Ehlschlaeger, C.: Age of Discovery.
http://everest.hunter.cuny.edu/~chuck/hons301.84/ageDiscovery.htm
[27]: Ewing, B.: Pseudokinematic GPS for the Surveyor. GPS World, October, 1990. Str. 50 – 52.
[28]: Exon, J.: The Future of the U. S. Global Positioning System. GPS World, July, 1993. Str. 44 – 47.
[29]: Femina, P. C. La: From Borobudor bicycles: Geophysical surveys on foot and by wheel.
GPS World, November. 1998.
http://www.gpsworld.com/1198/1198geophysics_2.html.
[30]: Filip, A.: Signals of change: Czech Rails DGPS train locator trials. GPS World, May, 1998.
Str. 34 – 43.
[31]: Galijan, R. C.: Analysis and Simulation of a Candidate Deployment Geometry and Characteristics of
Pseudolites Wthin a Tunel. . ION GPS-96. Proceedings of The 9th International
Technical Meeting of The Satellite Division of The Institute of Navigation.
September 17 – 20, Kansas City, Missouri, 1996. Str. 527 – 533.
[32]: Georgiadou, Y., Doucet, K. D.: The Issue of Selective Availability. GPS World, October,
1990. Str. 53 – 56.
[33]: Gibbons, G.: Face to Face: Col. Mike Wiedemer, Director, GPS Joint Program Office. GPS
World, April, 1995. Str. 32 – 42.
[34]: Gibbons, G.: SA, a Biginning, Not the End. GPS World, June, 2000. Str. 10.
[35]: Gibbons, G.: The Will to Position. Galileos World. Building and Using Europess Global Navigation
Satellite System. Winter 2000. Str. 7.
[36]: Gilbert, C.: Attribute collection with GPS. Part 3: Would you repeat that, please? Mapping
Awarness, February, 1995. Str. 39 – 41.
[37]: Gilbert, C.: Attribute collection with GPS. Part 4: Is the race to the swift? Speed vs.
accuracy. Earth Observation Magazine, February, 1995. Str. 44 – 46.
[38]: Gilbert, C.: Attribute collection with GPS. Part 4: Is the race to the swift? Speed vs.
accuracy. Mapping Awarness, March, 1995. Str. 41 – 43.
[39]: Gilbert, C.: Averaging GPS Data Without Applying Differential Correction. Earth
Observation Magasin, February, 1995. Str. 44 – 46.
[40]: Gilbert, C.: Could do better? Averaging GPS data without using differential correction.
Mapping Awarness, March, 1995. Str. 37 – 39.
[41]: Gilbert, C.: Evaluating the Attribute Collection Capabilities of a GPS-Based Data Capture
System. Part 4. Earth Observation Magazine, January, 1995. Str. 40 – 41.
150
Ver. 1.0
11 Použitá a doporučená literatura
[42]: Gilbert, C.: Position flags: what are they? (and why should I care?). Mapping Awarness,
July, 1995. Str. 34 – 36.
[43]: Gilbert, C.: Post-processed DGPS: sources of base data. Mapping Awarness, June, 1995. Str.
42 – 44.
[44]: Gilbert, C.: What’s wrong with this picture? GPS error – what you can fix and what you
can’t? Mapping awareness, May, 1995. Str. 26 – 28.
[45]: Goldvin, D. S.: Prepared Remarks of NASA Afdministrator Daniel S, Goldvin at GNSS
2000. GNSS 2000 Conference, Edimburg, may 2, 2000.
http://www.igeb.gov/sa/goldin.shtml
[46]: Golledge, R. G. a kol.: A gegraphical information system for a GPS based personal guidance
system. Int. J. of Geographical Information Science, č. 7, 1998. Str. 727 – 749.
[47]: Gore, A.: Vice President Gore Announces Enhancements to the Global Positioning System
that will Benefit Civilian Users Worldwide. The White Hous, Office of the Vice
President, 1998.
[48]: Gorev, V.: GLONASS: Current status and future outlook. Environmental Research Institute
of Michigan. 1996. http://www.rst-engr.com/glonass2.html.
[49]: Gouzhva, Y. a kol.: GLONASS Receivers: An Outline. GPS World, January, 1994. Str. 30 –
36.
[50]: Grant, J.: War Games: Troops Train with GPS-Enabled Battlefield Simulation. GPS World,
November, 1997.
http://www.gpsworld.com/feature/1197grant/1197grant.htm.
[51]: Gregorius, T., Blewitt, G.: The Effect of Weather Fronts on GPS Measurements. GPS
World, May, 1998. Str. 52 – 60.
[52]: Grygar R., Jelínek J.: Morphostructure Analysis of the Mutual Relationships and Tectonic
Influence of the Variscan and Alpine Orogeny in the Northern Part of the
Moravo-silesian Zone. Geolines, 8, 1999. Str. 25-26.
[53]: Grygar R.: Kinematic History and Role of the Sudetic’s Tectonic Zones. In: “Program and
Abstracts“ of the Czech-Polish Workshop on Recent Geodynamics of the East
Sudeten and Adjacent Areas, Ramzová, 5th-7th November 1998. Str 16.
[54]: Guier, W. H., Weiffenbach, G. C.: Genesis of Satellite Navigation. Johns Hopkins APL
Technical Digest, Vol. 19, No. 1, 1998. Str. 14 – 17.
[55]: Gurtner, W.: RINEX: The Receiver-Independent Exchange Format. GPS World, July, 1994.
Str. 48 – 52.
[56]: Han, S., Rizos, C.: Comparing GPS Ambiguity Resolution Techniques. . GPS World,
October, 1997. Str. 54 – 61.
[57]: Hay, C.: Tahe GPS Accuracy Impruvement Initiative. GPS World, June, 2000. Str. 56 – 61.
[58]: Hintzy, G. a kol.: Remota Machine Guidance by Real-time Kinematic GPS. Improving Work
Conditions, Productivity and Quality at Construction Sites. GIM International,
March, 1999. Str. 28 – 31.
[59]: Hofmann-Wellenhof, B.: On the Way to a New GNSS. Gallileo World, Spring, 2000. Str. 42
– 45.
[60]: Hrdina, Z., Pánek, P., Vejražka, F.: Rádiové určování polohy. (Družicový systém GPS).
Vysokoškolské skriptum, ČVUT Praha, 1996. 267 stran.
[61]: Hurn, J.: GPS. A Guide to the Next Utility. Trimble Navigation, Sunnyvale, 1989. 76 stran.
[62]: Chernomyrdin, V.: On Executing Works in use of the GLONASS Global Navigation
Satellite System for the Sake of Civil Users The Government of the Russian
151
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
Satellite System for the Sake of Civil Users. The Government of the Russian
Federation. The decree from March 7, 1995 number 237, Moscow.
[63]: Ireland, P.: Helping police with their enquiries. Mapping Awarness, April, 1998. Str. 20 –
24.
[64]: Ivanov, E., Salistchev, V.: GLONASS and GPS: Prospects for a Partnership. GPS World,
April, 1991. Str. 36 – 40.
[65]: Jelcin, B.: The Decree of the President of the Russian Federation. 1999.
http://mx.iki.rssi.ru/SFCSIC/38rp-e.html
[66]: Jiyu, L.: Multipath and GPS Station selection. GPS World. March, 1991. Str. 48.
[67]: Johansen, J.: History of Navigation. Frederiksburg, Denmark, 1999.
http://www.isa.dknet.dk/~janj/navigation.html
[68]: Johnson, N. a kol.: Exclusive Report. ITS/GPS Roundtable Part 1. 1998.
http://www.gpsworld.com/columns/roundtable/roundtables.htm.
[69]: Johnson, N. a kol.: Exclusive Report. ITS/GPS Roundtable Part 1. 1998.
http://www.gpsworld.com/columns/0997Innov/0997kalman.htm.
[70]: Johnson, N. a kol.: ITS/GPS Roundtable Says: “show us the Money!”. ITS/GPS Roundtable
Part 2. 1998.
http://www.gpsworld.com/columns/roundtable/roundtable2.htm.
[71]: Johnson, N. L.: GLONASS Spacecraft. GPS World, November, 1994. Str. 51 – 58.
[72]: Jong, C. D. de, a kol.: The benefits of a third carrier frequency to GNSS users. NIN
Workshop: GPS – De heilige graal? Delft, 1999.
[73]: Jong, K.: GLONASS and GPS. East meet West. 1999.
http://www.geoinformatics.com/Issues/Sept99/art2.htm
[74]: Jonge, P. J. de: Ambiguity resolution. TU Delft, 1998.
http://www,geo.tudelft.nl/mgp/lambda/index.html
[75]: Jonge, P. J. de: Papers on precise GPS positioning. TU Delft, 1998.
http://www,geo.tudelft.nl/mgp/lambda/lila.html
[76]: Jonkman, N. F. a kol.: GNSS Long Baseline Ambiguity Resolution: Impact of a Third
Navigation Frequency.
[77]: Kaplan, E. (ed.): Understanding GPS: Principles & Applications. Artech House Publishers,
Boston London, 1996. 554 str.
[78]: Kaucký, S.: Navigační válka. 1999. http://www.army.cz/noviny/nav-val.htm
[79]: Kaucký, S.: Ruský družicový navigační systém GLONASS. 2000.
http://www.army.cz/noviny/rusdr.htm
[80]: Keith, P.: Columbus and Celestial Navigation. http://www1.minn.net/~keithp/cn.htm
[81]: Keith, P.: Columbus and Dead Reckoning (DR) Navigation.
http://www1.minn.net/~keithp/dr.htm
[82]: Kelly: Mining Down Under RTK GPS Surveys Také Hold in an Australian Colliery. GPS
World, March, 1999.
[83]: Kleusberg, A., Langsley, R. B.: The Limitations of GPS. GPS World, March, 1990. Str. 50 –
52.
[84]: Kleusberg, A.: Comparing GPS and GLONASS. GPS World, December, 1990. Str. 52 – 54.
[85]: Klukas, R.: Cellular Telephone Positioning Using GPS Time Synchronization. GPS World,
August 1998 http://www gpsworld com/0299/1198innovation html
152
Ver. 1.0
11 Použitá a doporučená literatura
August, 1998. http://www.gpsworld.com/0299/1198innovation.html.
[86]: Klukas, R.: Cellular Telephone Positioning Using GPS Time Synchronization. GPS World,
August, 1998. http://www.gpsworld.com/0898/0898innovation.html.
[87]: Kostelecký, J.: Description of a Procedure of Transformation Between Geodetical
Coordinates and Planar (Cartographic) Coordinates in “Krovak” Projection.
VUGTK Zdiby.
[88]: Kotaite, A.: Offer of the Global Navigation Satellite System (GLONASS) from the
Government of the Russian Federation. Letter to Representatives on The
Council. International Civil Aviation Organization, Montreal, August 8th, 1996.
[89]: Králová, K. a kol.: Tvorba adresační vrstvy pomocí GPS. In: Sborník referátů z IX. semináře
GIS ve státní správě, Seč, 1997. Str. 64 – 70. ISSN 1211-7439.
[90]: Králová, K.: Vytvoření adresačního systému pro zadanou část města Ostravy. Bakalářská práce. VŠBTU Ostrava, 1997.
[91]: Lachapelle, G., Cannon, E., Lu, G.: P-code Versus C/A-code for Ambiguity Resolution on
the Fly. GPS World, February, 1993. Str. 48 – 49.
[92]: Langley, R. B.: Basic Geodesy for GPS. GPS World, February, 1992. Str. 44 – 49.
[93]: Langley, R. B.: GLONASS: Review and Update. GPS World. July, 1997. Str. 46 – 51.
[94]: Langley, R. B.: Navstar GPS Internet Connections. 1997.
gopher://unbmvs1.csd.unb.ca/hPUB.CANSPACE.GPS.INTERNET.SERVI
CES.HTML.
[95]: Langley, R. B.: NMEA 0183: A GPS Receiver Interface Standard. GPS World. July, 1995.
Str. 54 – 57.
[96]: Langley, R. B.: RTCM SC-104 DGPS Standards. GPS World, May, 1994. Str. 48 – 53.
[97]: Langley, R. B.: RTK GPS. GPS World, February, 1999.
http://www.gpsworld.com/0199/0199innov.html.
[98]: Langley, R. B.: The GPS End-of Week Rollover. GPS World, November, 1998.
http://www.gpsworld.com/0299/1198innovation.html.
[99]: Langley, R. B.: The GPS Obsevables. GPS World, April, 1993. Str. 52 – 59.
[100]: Langley, R. B.: The GPS Receiver: An Introduction. GPS World, January, 1991. Str. 50 – 52.
[101]: Langley, R. B.: The Integrity of GPS. GPS World, June, 1999.
http://www.gpsworld.com/0699/0699innov.html
[102]: Langley, R. B.: The Matematics of GPS. GPS World. July/August, 1991. Str. 44 – 50.
[103]: Langley, R. B.: The Orbits of GPS Satellites. GPS WORLD, March, 1991. Str. 50 – 53.
[104]: Langley, R. B.: Why is the GPS Signal So Complex? GPS World, May/June, 1990. Str. 56 –
59.
[105]: Lapina, L. A.: The GPS Interagency Advisory Council. In: ION News64, 1996.
[106]: Lebedev, M. G. a kol.: GLONASS on the way to wide-area international civilian application.
Coordinational Scientific Information Center of the Russian Space Forces. 1996.
http://www.rst-engr.com/glonass2.html.
[107]: Lebedev, M.: GLONASS status and prospects of development. ION-95, Palm Springs,
California. 1995. http://www.rst-engr.com/glonass2.html.
[108]: Leick, A.: GPS Satellite Surveying. John Wiley 6 Sons, 1990. 360 stran.
[109]: Leick, A.: Introducing GPS Surveying Techniques. ACSM Bulletin, July/August, 1992.
http://www spatial maine edu/ leick/pub14 htm
153
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
http://www.spatial.maine.edu/~leick/pub14.htm
[110]: Leick, A.: Rapid Static GPS Surveying. ACSM Bulletin, May/June, 1994.
http://www.spatial.maine.edu/~leick/pub21.htm
[111]: Letham, L.: GPS made easy. Using Global Positioning System in the outdoors.. Second
edition. The Mountaineers, Seattle, 1998. 208 stran.
[112]: Levy, L. J.: The Kalman Filter: Navigation’s Integration Workhorse. GPS World, September,
1997.
[113]: Long, J. L.: Black Thunder’s Roar: Mining for Solutions with RTK GPS. GPS World,
March, 1998. http://www.gpsworld.com/feature/0398feat/0398feature.html.
[114]: Mateo, L. M. de, a kol.: Extension of EGNOS to Latin America. European Space Agency.
1997.
http://www.estec.esa.nl/CONFANNOUN/veracruz97/Abstracts/deMateo.ht
ml.
[115]: May, M.: From the Historian. In: ION News73, 1997.
[116]: McDonald, K. D.: A GPS Second Civil Frequency. In: ION News64, 1996.
[117]: McDonald, K.: Econosat: Toward an Affordable Global Navigation Satellite System? GPS
World, September, 1993. Str. 44 – 54.
[118]: Mervart, L., Cimbálník, M.: Vyšší geodézie 2. ISBN 80-01-01628-5. ČVUT Praha, 1997.
[119]: Mervart, L.: Globální polohový systém. Vysokoškolské skriptum. Vydavatelství ČVUT
Praha, 1994. 110 stran.
[120]: Milbert, D.: New Data from Around the World. The May 2 Transition as Observed from
Multiple International Sites. IGEB 2000. http://www.igeb.gov/sa/diagram.shtml
[121]: Misra, P. N. a kol.: GLONASS Performance in 1992: A Review. GPS World, May, 1993.
Str. 28 – 36.
[122]: Misra, P. N., Abbot, R. I., Gaposchkin, E. M.: Integrated use of GPS and GLONASS:
Transformation between WGS-84 and PZ-90. Lincoln Laboratory, Lexington,
Massachusetts Institute of Technology, MA 02173. Proceedings of ION-96, the
9th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institue of
Navigation, Kansas City, Missouri, 17-20 September, 1996. Str. 307 – 314.
http://satnav.atc.ll.mit.edu/papers/PZ90-WGS84/PZ90-WGS84.html
[123]: Misra, P. N., Muchnik, R., Burke, B., Hall, T.: GLONASS Performance: Measurement
Data Quality and System Upkeep. Lincoln Laboratory, Massachusetts institute of
Technology. 1996. http://satnav.atc.ll.mit.edu/papers/GLO-96/glonass96.html.
[124]: Misra, P. N.: Integrated use of GPS and GLONASS in Civil Aviation. MIT Lincoln
Laboratory, Lexington, MA 02173. http://satnav.atc.ll.mit.edu/papers.
[125]: Misra, P., Slater, J. A.: A Report on the Third Meetig of the GLONASS-GPS
Interoperability Working Group. http://164.214.2.59/GandG/ion/WGMTG3.htm
[126]: Montgomery, H.: From the Editor. In: ION News71, 1997.
[127]: Montgomery, H.: From the editor. In: ION News74, 1997-98.
[128]: Montgomery, H.: National Academies Issue Joint Report; DoT/DoD Cooperation. GPS
World, July, 1995. Str. 16 – 18.
[129]: Moran, S. G.: The Benefits of GPS Modernization. ION Newsletter, roč. 9, č. 2, 1999.
http://www.ion.org/news95.html
154
Ver. 1.0
11 Použitá a doporučená literatura
[130]: Moskvin, G. I., Sorochinsky, V. A.: Navigational Aspects of GLONASS. GPS World,
January/February, 1990. Str. 50 – 54.
[131]: Mueller, T.: Wide Area Differential GPS. GPS World, June, 1994. Str. 36 – 44.
[132]: Mur, T. J. M., Dow, J. M.: Satellite Navigation Using GPS. ESA Bulletin nr. 90. 1997.
http://esapub.esrin.esa.it/bulletin/bullet90/b90mur.htm
[133]: Nelson, R. A.: The Global Positioning System. A National Resource. 1999.
http://www.aticourses.com/global_positioning_systém.htm
[134]: Parkinson, B. W.: GPS Eyewitness: The early Years. GPS World, September, 1994. Str. 32
– 45.
[135]: Peshak, B. K.: How about we all buy a new GPS. 1996. http://www.rstengr.com/sunspots.html.
[136]: Peshak, B. K.: Simon and Simon Investigations. Cheap rates, courteous service. 1997.
http://www.rst-engr.com/simonand.html.
[137]: Petr, R.: Bude celoplošná síť stanice DGPS v ČR a SR?. Časopis Zeměměřič, č. 12, 1999.
Str. 6 – 10.
[138]: Ramesh, S. a kol.: Surface Interpolation Techniques to Convert GPS Ellipsoid Heights to
Elevations. Surveying and Land Information Systems, č. 2, 1993. Str. 133 – 144.
[139]: Rizos, C.: 5.1.2 GPS Satellite Surveying: Some Considerations. Factors Influencing the
Adoption of GPS for Land Survey Applications. 1999.
http://www.gmat.unsw.edu.au/snap/gps/gps_survey/chap5/512.htm
[140]: Rizos, C.: Notes on Basic GPS Positioning and Geodetic Concepts. Chapter 1: Introduction
to GPS. University of New South Wales, 1999. 26 str.
http://www.gmat.unsw.edu.au/snap/gps/chapter1.pdf
[141]: Rizos, C.: Notes on Basic GPS Positioning and Geodetic Concepts. Chapter 2: GPS
Enhancements. University of New South Wales, 1999. 34 str.
http://www.gmat.unsw.edu.au/snap/gps/chapter2.pdf
[142]: Rizos, C.: Notes on Basic GPS Positioning and Geodetic Concepts. Chapter 3: Mapping
Issues. University of New South Wales, 1999.
http://www.gmat.unsw.edu.au/snap/gps/chapter3.pdf
[143]: Roca, J., Pérez, J. L.: All Aboard! On Track with Catalonia’s Trains. GPS World, June,
1997. Str. 20 – 28.
[144]: Sandhoo, K. S.: Second Civil GPS Frequency Targeted for Block IIF Satellites. In: ION
News612, 1996.
[145]: Sandlin, A., McDonald, K., Donahue, A.: Selective Availability: To be or not to be? GPS
World, September, 1995. Str. 44 – 51.
[146]: Santerre, R., Boulianne, M.: New tools for Urban GPS Surveyors. GPS World, February,
1995. Str. 49 – 54.
[147]: Seeberg, G.: Satellite Geodesy: Foundations, Methods & Applications. Walter de Gruyten,
Berlin New York, 1993. 531 str.
[148]: Shank, C., Lavrakas, J. W.: Inside GPS: Master Control Station. GPS World, September,
1994. Str. 46 – 54.
[149]: Shank, C.: What time is it, within two nanoseconds? In: ION News63, 1996.
[150]: Shaw, M.: Global Information Resource. In: ION News72, 1997.
[151]: Shinkle, K.: A GPS how-to: Conducting hoghway surveys. The NYSDoT way. GPS World,
February 1998 http://www gpsworld com/columns/0298column/0298column html
155
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
February. 1998. http://www.gpsworld.com/columns/0298column/0298column.html
[152]: Shrestha, R. a kol.: Surface Interpolation Techniques to Convert GPS Ellipsoid Heights to
Elevations. Surveying and Land Information Systems, Vol. 53, No. 2, 1993. Str.
133 – 144.
[153]: Schenk V., Cacoń S., Bosy J., Kontny B., Kottnauer P. and Schenková Z.: GPS Network
Sudeten and Preliminary Results of Two Campaigns 1997 and 1998. Exploration
Geophysics, Remote Sensing and Environment 6, No. 2, Geofyzika Brno, 1999.
28-30, Encl. 7 colour Figs
[154]: Schenk V., Cacoń S., Bosy J., Kontny B., Kottnauer P., and Schenková, Z.: GPS Network
SUDETEN – Results of 1998 and 1999. Dept. of Geodesy, Warsaw, 2000. 9 str.
[155]: Schenk V., Schenková Z., Kottnauer P., Cacoń S., Kontny B. and Bosy J.: Geodynamics
of the East Sudeten (Border Area of the Czech Republic and Poland). Abstract,
IUGG Birmingham, 1999. A 449.
[156]: Schenk, J.: Měření pohybů a deformací v poklesové kotlině. ISBN 80-7078-711-2. VŠB-TU
Ostrava 1999
[157]: Scherrer, R.: The WM GPS Primer. Wild Magnavox – Satellite Survey Company. 1985.
[158]: Schwarz, K. P., Sideris, M. G.: Heights and GPS. GPS World, February, 1993. Str. 50 – 56.
[159]: Sims, C., Fette, B.: On the Alert: Prototype Patrol Car Hits the Streets. GPS World, October,
1998. Str. 40 – 43.
[160]: Skalski, H.: GPS Modernization Program. In: ION News71, 1997.
[161]: Slonecker, E. T., Carter, J. A.: GIS Applications of Global Positioning System Technology.
GPS World, May/June, 1990. Str. 50 – 55.
[162]: Spilker Jr., J. J., Parkinson, B. W. (eds.): Global Positioning Systems: Theory &
Applications. American Institute of Aeronautics & Astronautics (AIAA), 1995.
Vol. 1 (694 str.) a Vol. 2 (601 str.).
[163]: Steciw, A. a kol.: A Programme to implement GNSS in Europe. In: EUROCONTROL, 1995.
Str. 40 – 41.
[164]: Taylor, G.: Crime in the Spotlight: GPS Patrols Calgary’s Skies. GPS World, August, 1998.
http://www.gpsworld.com/0898/0898feature.htm.
[165]: Troy, E.: An Introduction to GPS systém. http://www.sss-mag.com/apps.html
[166]: Vejražka, F., Fišer, J.: The DGPS Reference Station of the Czech Technical University.
http://radio.feld.cvut.cz/projects/houston/houst_e.html
[167]: Vejražka, F.: Současnost a budoucnost diferenčních metod určování polohy pomocí
navigačních družic. GEOinfo, č. 4, 2000. Str. 6 – 9.
[168]: Webb, P.: On Track and On Time. GPS World, January, 1999. Str. 20 – 26.
[169]: Weems, P. V. H.: Navigation. Comptons Encyklopedia Online.
http://www.optonline.com/comptons/ceo/03362_A.html
[170]: Wells, D., Kleusberg, A.: GPS: A Multipurpose System. GPS World, January/February,
1990. Str. 60 – 65.
[171]: Wysocki, J.: GPS and slelctive availability – the military perspective. GPS World.
July/August, 1991. Str. 38 – 44.
[172]: ---: 3S FAQ: Frequently Asked Questions. 3S Navigation. 1998.
http://truegnss.com/FAQ.html.
[173]: ---: A Chip Off the Old Block IIA. In: ION News73, 1997.
156
Ver. 1.0
11 Použitá a doporučená literatura
[174]: ---: A National Land DGPS System is in the Making. In: ION News71, 1997.
[175]: ---: A Schematic of the Wide Area Augmentation System. 1998.
http://sishow.jpl.nasa.gov/gpsiono/waas.htm.
[176]: ---: A View of GPS in 2015. In: ION News71, 1997.
[177]: ---: Additional civil coded signals on future Global Positioning System (GPS) satellites. 1998.
http://www.redsword.com/GPS/apps/pr/dod_033098.htm.
[178]: ---: Air Force Awards GPS Block IIF Satellite Contract. In: ION News612, 1996.
[179]: ---: Air Force Five-Phased Approach.
http://www.laafb.af.mil/SMC/CZ/homepage/y2000/5phase.htm.
[180]: ---: An Overview of the Navy Navigation Satellite System. 2000. http://sdwww.jhuapl.edu/Transit/index.html
[181]: ---: Automatic vehicle location system. R&D-Tracks. http://rdcentre.com/engtrk.html.
[182]: ---: Boat Safe Kids. The History of Navigation.Nautical Know How Inc. 1999.
http://www.boatsafe.com/kids/navigation.html
[183]: ---: Canadian Real-Time GPS Corrections. In: ION News73, 1997.
[184]: ---: CNS research. 1995.
http://www.eurocontrol.fr/public/annual_report/1995/cns_research.html.
[185]: ---: Code-Phase GPS vs. Carrier-Phase GPS. Trimble Differential GPS. 1998.
http://www.trimble.com/gps/nfsections/diffGPS/aa_dg7.htm.
[186]: ---: Consultation on European Commision’s communication on Galileo – involving Europe in
a new generation of Satellite Navigation Services 6528/99COM (1999) 54 Final.
Department of the Environment, Transport and the Regions, Londýn, 1999.
http://www.aviation.detr.gov.uk/consult/galileo/
[187]: ---: Control Segment. 1998. http://www.laafb.af.mil/SMC/CZ/homepage/control/index.html
[188]: ---: Coordinational Scientific Information Center of Russian Space Forces (official
GLONASS information center).
http://mx.iki.rssi.ru/SFCSIC/SFSCIC_main.html.
[189]: ---: Czech Technical University GPS/GLONASS Gopher Server.
Gopher://gopher.feld.cvut.cz/11/satelit.
[190]: ---: Dedacated call on GNSS. Task description. 5th Framework Program. European Union.
1999.
[191]: ---: Definitions of GPS Terms. 1997. http://www.redsword.com/GPS/old/sum_def.htm.
[192]: ---: Determination of pseudorange- and carrier phase multipath. 1998.
http://callisto.worldonline.nl/~samsvl/multipat.htm.
[193]: ---: DGPS … 1998. http://www.cnde.iastate.edu/staff/swormley/gps/dgps.html.
[194]: ---: Don’t Forget GLONASS. In: ION News71, 1997.
[195]: ---: Eurocontrol Experimental Centre. Papers presented to the first meeting of the ICAO
Global Navigation Satellite System Panel (GNSSP). 1995. 69 stran.
[196]: ---: EURONAV TR 4009. European Contribution to the GNSS-2 Navigation System. 1998.
http://www.trentel.org/transport/research/Projects/euronav.html
[197]: ---: Europe Seeks Strong Role in Future Civil Global System. In: ION News74, 1997-98.
[198]: ---: European Radionavigation Plan Nears Completion. In: ION News612, 1996.
[199]: ---: Eworld DOP Assessment. 2000.
http://www peterson af mil/usspace/gps support/reports/uclas world dop gif
157
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
http://www.peterson.af.mil/usspace/gps_support/reports/uclas_world_dop.gif
[200]: ---: FAA awards Hughes extended WAAS contract. In: ION News63, 1996.
[201]: ---: Federal Funding for GPS. In: ION News72, 1997.
[202]: ---: Federal Funding for National DGPS System Clears White House. In: ION News73, 1997.
[203]: ---: Forecasting ‘space weather’ threats to GPS. In: ION News63, 1996.
[204]: ---: Frequently asked Questions about SA Termination. Interagency GPS Executive Board
(IGEB), 2000. http://www.igeb.gov/sa/faq.shtml
[205]: ---: GALILEO to set the pace in satellite navigation. Evropská komise, 10. února 1999.
http://www.eubusiness.com/rd/990210co.htm
[206]: ---: Galileo. Involving Europe in a new generation of satellite navigation services. NIN Workshop.
Rotterdam, 1999. http://www.nlr.nl/nin/galileo.htm
[207]: ---: GARMIN: GPS Glossary. http://www.garmin.com/aboutGPS/glossary.html
[208]: ---: Geodesy and Geomatics Engineering. 1997.
http://gauss.gge.unb.ca/grads/sunil/sgps1.htm.
[209]: ---: Global GLONASS Experiment. In: ION News73, 1997.
[210]: ---: Global GPS Augmentations. In: ION News63, 1996.
[211]: ---: GLONASS and the GPS+GLONASS Advantage. Technology Facts.
http://www.magellangps.com/geninfo/glonass.htm
[212]: ---: GLONASS Integrity Problems. In: ION News64, 1996.
[213]: ---: GLONASS Interface Control document. International Civil Aviation Organisation [7].
GNSSP/2-WP/66. Montreal, Canada. 14 November 1995.
[214]: ---: GLONASS Update. In: ION News74, 1997-86.
[215]: ---: GLONASS. 1994. http://www.fas.org/spp/guide/russia/nav/glonass.htm
[216]: ---: GLONASS/GPS Comparison. 1998. http://www.oso.chalmers.se/~geo/gg_comp.html.
[217]: ---: Glosary of Acronyms. http://www.esrin.esa.it/gsp/glossary.htm
[218]: ---: Glossary. 1998. http://www.gpsworld.com/resources/glossary.htm
[219]: ---: Glossary. 1998.
http://www.novatel.com/GPSTECH/GLOSSARY/GLOSSARY.HTM.
[220]: ---: GNSS Update. Issue #7, May 1997.
http://www.navcanada.ca/publications/satnav/archives/gnss7.htm
[221]: ---: GNSS: Global Navigation Satellite System. http://ams.emap.sai.jrc.it/dg3gis/gnss.htm
[222]: ---: GNSS-1 – Global Navigation Satellite System.
http://esapub.esrin.esa.it/est/press/6e.html.
[223]: ---: GOS Chip Set Hits Market. In: ION News64, 1996.
[224]: ---: GOS in 10 Years. In: ION News74, 1997-98.
[225]: ---: GPS & Transportation. GPS World, May, 1995.
[226]: ---: GPS Acronyms and Abbreviations. 1999.
http://www.navcen.uscg.mil/gps/geninfo/gpsacro.htm
[227]: ---: GPS Active NANU List as of 8/30/00 at 9:58:00 AM EST.
http://www.navcen.uscg.mil/ADO/GpsActiveNanu.asp
[228]: ---: GPS Backup Being Studied. In: ION News74, 1997-98.
158
Ver. 1.0
11 Použitá a doporučená literatura
[229]: ---: GPS Block I. http://www.friends_partners.org/~muade/craft/gpslock1.htm
[230]: ---: GPS Block IIR. http://www.fas.org/spp/military/program/nav/blk2r_w.jpg
[231]: ---: GPS Constellation Status Get Review. GPS World, June, 2000. Str. 21.
[232]: ---: GPS Jamming Test. 1999. http://www.ngs.noaa.gov/CORS/jammer.html
[233]: ---: GPS Launch Fails. In: ION News64, 1996.
[234]: ---: GPS Mission Directory. 1997. http://gauss.gge.unb.ca/grads/sunil/missions.htm.
[235]: ---: GPS Modernization. Activities and Issues. In: ION News74, 1997-98.
[236]: ---: GPS Modernization. http://gps.faa.gov/Hot_Topics/l5factsheet5p65.pdf
[237]: ---: GPS Related Web Sites. 1998. http://gps.faa.gov/related/links_4.htm.
[238]: ---: GPS Related Web Sites. 1998. http://gps.faa.gov/related/links_3.htm.
[239]: ---: GPS Satellite Constellation Nears Initial Operation Status. GPS World, November, 1993.
Str. 12.
[240]: ---: GPS Test Standards Published. In: ION News71, 1997.
[241]: ---: GPS Tracks Vessels Through Panama Canal. In: ION News72, 1997.
[242]: ---: GPSurvey. General Reference. Trimble Navigation Limited. Revision B. January, 1994.
[243]: ---: GUIS Mission Planning Result. 1998. http://www.nz.dlr.de/cgi-bin/mp_script.
[244]: ---: Heightened interest in GLONASS. In: ION News63, 1996.
[245]: ---: History of Navigation. The Abridget Version. Navigate! 2000.
http://home.att.net/~agligani/navigation/history.htm
[246]: ---: How the system works. http://sd-www.jhuapl.edu/Transit/Systemworks.html.
[247]: ---: Charter. Interagency GPS Executive Board. 2000. http://www.geb.gov/charter.shtml
[248]: ---: IIF RFP Calls for 33 Satellites. GPS World, September, 1995. Str. 18.
[249]: ---: Industry Begins to Use ION Standard 101. In: ION News74, 1997-98.
[250]: ---: Inmarsat. Technology Facts. http://www.magellangps.com/geninfo/inmarsat.htm
[251]: ---: Interface Control Document (ICD) – GPS – 200.
[252]: ---: Interference: Sources and Symptoms. GPS World, November, 1997.
http://www.gpsworld.com/columns/1197innov.htm.
[253]: ---: Intro to GPS Apps. Books & Periodicals. 1997.
http://www.redsword.com/GPS/apps/info/books.htm.
[254]: ---: Intro to GPS Apps. GPS Policy Studies. 1997.
http://www.redsword.com/GPS/apps/general/policy.htm.
[255]: ---: Intro to GPS Apps. Newsgroups &Mailing Lists. 1997.
http://www.redsword.com/GPS/apps/info/maillists.htm.
[256]: ---: Intro to GPS Apps. Potentil Misuse of GPS. 1997.
http://www.redsword.com/GPS/apps/general/misuse.htm.
[257]: ---: Intro to GPS Apps. Types of GPS Receivers. 1997.
http://www.redsword.com/GPS/apps/general/receivers.htm.
[258]: ---: ION GPS-97 Panel Discusses Civil Enhancements. In: ION News73, 1997.
[259]: ---: ION Newsletter, Vol. 6, No. 1-2, 1996. http://www.ion.org/newsletter61.html.
159
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
[260]: ---: ION Newsletter, Vol. 6, No. 3, 1996. http://www.ion.org/newsletter63.html.
[261]: ---: ION Newsletter, Vol. 6, No. 4, 1996. http://www.ion.org/newsletter64.html.
[262]: ---: ION Newsletter, Vol. 7, No. 1, 1997. http://www.ion.org/news71.html.
[263]: ---: ION Newsletter, Vol. 7, No. 2, 1997. http://www.ion.org/news72.html.
[264]: ---: ION Newsletter, Vol. 7, No. 3, 1997. http://www.ion.org/news73.html.
[265]: ---: ION Newsletter, Vol. 7, No. 4, 1997-98. http://www.ion.org/news74.html.
[266]: ---: ION Sponsoring January Session on GPS Modernization. In: ION News73, 1997.
[267]: ---: IRN-200C-002. Navstar GPS Space Segment/Navigation User Interfaces. 1997.
[268]: ---: Joint Statement by the Government of the United States of America and the Government
of Japan on Cooperation in the Use of the Global Positioning System. 1998.
http://www.spatial.maine.edu/~leick/news11.htm
[269]: ---: LAAS Landings By 2002-2005. In: ION News64, 1996.
[270]: ---: Land Lingo. 2000. http://www.lpe.nt.gov.au/lingo/default.htm
[271]: ---: Launch a Success. In: ION News72, 1997.
[272]: ---: Links to Software, Shareware and other interesting sites… 1998.
http://www.marinesoft.com/Shareware/mse6.htm.
[273]: ---: Military Improves GPS. In: ION News74, 1997-98.
[274]: ---: Military Uses for GPS. 1998.
http://www.aero.org/publications/GPSPRIMER/MltryUse.html
[275]: ---: Navigation and Positioning. 2000.
http://www.utexas.edu/depts/grg/classes/crum/grg309/notes/position/sld001.htm
[276]: ---: Navstar GPS User Equipment. Los Angeles, Navstar GPS Joint Program Office. 1991.
[277]: ---: Need for GPS Block IIF.
http://www.laafb.af.mil/SMC/CZ/homepage/space/s_blk2f.htm.
[278]: ---: News in brief. In: ION News63, 1996.
[279]: ---: News in Brief. In: ION News64, 1996.
[280]: ---: News in Brief. In: ION News71, 1997.
[281]: ---: News in Brief. In: ION News72, 1997.
[282]: ---: News in Brief. In: ION News73, 1997.
[283]: ---: Notice Advisory to GLONASS Users. http://www.rssi.ru/SFCSIC/nagu.txt
[284]: ---: OmniSTAR. The Global DGPS System. 1998. http://www.omnistar.com/regions.html.
[285]: ---: On Second Civil GPS Carrier. In: ION News64, 1996.
[286]: ---: ORBCOMM. Technology Facts. http://www.magellangps.com/geninfo/orbcomm.htm
[287]: ---: Other Fixes. In: ION News612, 1996.
[288]: ---: Presidential Decision Nears on GPS Policy. GPS World, February, 1996. Str. 16 – 18.
[289]: ---: Radionavigation Plan Issued. In: ION News72, 1997.
[290]: ---: Reporter No. 24. English Edition. Wild Heerbrugg Ltd. 1985.
[291]: ---: Sam’s GPS Raw Data Pages. 1998. http://callisto.worldonline.nl/~samsvl/.
[292]: ---: Sam’s GPS Software Pages. 1998. http://callisto.worldonline.nl/~samsvl/software.htm.
160
Ver. 1.0
11 Použitá a doporučená literatura
[293]: ---: Satellite outages explained. In: ION News63, 1996.
[294]: ---: Second Civil GPS Signal Option Put into IIF RFP. GPS World, October, 1995. Str. 19.
[295]: ---: Sepia toned Magiolo Map. 2000. http://www.ruf.rice.edu/~feegi/Maggiolo.html
[296]: ---: SGPS Applications. 1997. http://gauss.gge.unb.ca/grads/sunil/apps.htm.
[297]: ---: SGPS Relative Positioning. 1997. http://gauss.gge.unb.ca/grads/sunil/rel_pos.htm.
[298]: ---: Space available: Room with a view. In: ION News63, 1996.
[299]: ---: Space Weather Warnings. In: ION News71, 1997.
[300]: ---: Special ION Conference Set on GPS Modernization Issues. In: ION News72, 1997.
[301]: ---: Specifications. 1998. http://www.omnistar.com.au/specs.html.
[302]: ---: SUBJ: GPS STATUS 29 Aug 2000. ftp://ftp.navcen.uscg.mil/gps/status.txt
[303]: ---: Team Canada – Global Positioning Systems.
http://www.geocan.nrcan.gc.ca/geomatics/htmle/gps-g02.html.
[304]: ---: The GNSS issues and the need for Community action.
http://www.dg13c6.org/transport/deployment/553.htm
[305]: ---: The History of Navigation – Boat Safe Kids! 1999.
http://www.boatsafe.com/kids/navigation.htm.
[306]: ---: The MINI-RANGER Satellite Survey System. Position Determining Systems. Motorola
Inc. 1983.
[307]: ---: The Role of Satellites in Multimedia Communications: Today and Tomorrow.
http://concord.cscdc.be/conference/presentation/3_1400_4_1/index.htm.
[308]: ---: The Russian Space Forces’s Coordinational Scientific Information Center.
http://www.rssi.ru/SFCSIC/sfcsic_main.html
[309]: ---: Think Tank: Commercialize GPS System, In: ION News72, 1997.
[310]: ---: This is how OmniSTAR works. 1998. http://www.omnistar.com/euroworks2.html.
[311]: ---: This is OmniSTAR Europe. 1998. http://www.omnistar.com/euroworks.html.
[312]: ---: Time can buy money. Putting GPS to work. 1998.
http://www.trimble.com/gps/nfsections/applications/moreinfo5/aa_m5n.htm.
[313]: ---: Tracking. 1998. http://www.trimble.com/gps/nfsections/applications/aa_ap4.htm.
[314]: ---: Transit overview. http://sd-www.jhuapl.edu/Transit/overview.html.
[315]: ---: U. S. Global Positioning System Policy. Fact Sheet. The White House. Office of Science
and Technology Policy National Security Coucil. 1996.
http://www.redsword.com/GPS/apps/pr/ost_032996.txt.
[316]: ---: U. S. Turns SA Off. GPS World, June, 2000. Str. 20.
[317]: ---: U.S. Coast Guard Navigation Information Center (official civilian GPS information
center). http://www.navcen.uscg.mil/gps/gps.html.
[318]: ---: Ultra-Precision GPS Navigation Systems. 1998.
http://www.cnde.iastate.edu/staff/swormley/gps/dgps.html.
[319]: ---: United States Naval Observatory (USNO). Automated Data Service (ADS). Block II
Satellite Information. 1998. ftp://tycho.usno.navy.mil/pub/gps/gpsb2.txt
[320]: ---: Update on the Latest Acronym: NDGPS. In: ION News74, 1997-98.
[321]: ---: Usage. http://sd-www.jhuapl.edu/Transit/usage%26termination.html.
161
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
[322]: ---: USDoT Proposes Second Civil GPS Signal. GPS World, September, 1995. Str. 18.
[323]: ---: WADGPS Plans Continue to Generate Controversy. GPS World, March, 1995. Str. 18.
[324]: ---: Welcome to OmniSTAR Europe! 1998. http://www.omnistar.com/europestar.html.
[325]: ---: What is GPS? 1994. http://www.garmin.com/aboutGPS/
[326]: ---: White House Aviation Commission Recommends GPS Augmentations. In: ION News64,
1996.
[327]: ---: Wide Area Augmentation System (WAAS). 1998. http://gps.faa.gov/waas/index.htm.
[328]: ---: Y2K/EOW rollover issues.
http://www.laafb.af.mil/SMC/CZ/homepage/y2000/rolov.htm.
[329]: Korchagin, V.: Russian’s Satellite Navigation Implementation Strategy in Civil Aviation. In:
EUROCONTROL & European Commission. Seminar on Global Navigation
Satellite System, 5-6 October 2000, Prague, Czech Republic.
[330]: ---: GPS III Pilot. Owners Manual & Reference. Garmin, Olathe, 1997.102 stran.
[331]: ---: TMC in Europe: Personal traffic information. ITS World, May/June 1999. Str. 22 – 25.
[332]: Green, P.: International incidents. ITS World, January/February 2001. Str. 20 – 23.
[333]: Campagne, P.: GALILEO. A New GNSS Designed with and for the Benefit of All Kind of
Civil Users. ION, September 2000. http://www.galileo-pgm.org/ .
[334]: Flament, P.: GALILEO. Global Navigation Satellite System. Galileo General Information – 8
May 2001. http://www.galileo-pgm.org/
[335]: ---: Galileo Definition Phase Results. Galileo Infor Day, 15. January 2001. http://www.galileopgm.org
[336]: Benedicto, J. a kol.: Galileo: Satellite System Design and Technology Developmets.
European Apace Agency, November, 2000. 20 str. http://www.egnos.org
[337]: ---: Galileo Definition Studies Summary. Global Satellite Navigation Services for Europe.
ESA, 2000. http://www.egnos.org
162
Ver. 1.0
Příloha A Srovnání systémů GPS a GLONASS
Příloha A Srovnání systémů GPS a GLONASS
Srovnání technického řešení obou systémů
Parametry konstelace
GPS
GLONASS
Standardní počet družic
24
24
Počet oběžných rovin
6
3
Sklon oběžných drah (°)
55
64,8
Poloměr oběžných drah (km)
26 560
25 510
Oběžná doba (hh:mm)
11:58
11:15
siderický den
8 siderických dnů
L1: 1 575,42
L1: (1 602 + 0,5625 . n)
L2: 1 227,60
L2: (1 246 + 0,4375 . n)
n = 1,2 .... 24 (viz odst. 6.2)
podle C/A kódu
(kódové dělení)
podle kmitočtu nosných vln
(kmitočtové dělení)
pro každou družici
unikátní
pro všechny družice stejný
C/A kód na L1
SP na L1
P kód na L1 a L2
HP na L1 a L2
C/A kód: 1,023
SP kód: 0,511
P kód: 10,23
HP kód: 5,11
12,5 min
2,5 min
modifikované
Keplerovy
parametry;
co hodinu
poloha družice, vektory
rychlosti a zrychlení;
co půl hodiny
WGS-84
PZ-90
UTC (USNO)
UTC (RF)
100 (95 %)
57-70 (99,7 %)
156 (95 %)
70 (99,7 %)
Složky vektoru rychlosti (cm.s )
?
15 (99,7 %)
Čas (µs)
?
1 (99,7 %)
Opakování polohy družic nad stejným bodem
terénu
Charakteristiky signálů
Nosné vlny (MHz)
Identifikace družic
Navigační signály
Frekvence navigačních signálů (MHz)
Doba přenosu almanachu
Parametry oběžných drah družic;
frekvence jejich aktualizace v navigační zprávě
Referenční systémy
Souřadnicový systém
Čas
Specifikace přesnosti
Horizontální (m)
Vertikální (m)
-1
(Zpracována na podkladě [79, 124, 213, 215])
163
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
Transformace mezi WGS-84 a PZ-90
Nalezení transformačního vztahu pro převod souřadnic mezi oběma geodetickými systémy
není jednoduché. Jednou z prvních publikovaných prací byla [122], kde byl nalezen
transformační vztah na základě měření jen ve velice malé oblasti a platný pravděpodobně jen
pro tuto oblast. Mnohem rozsáhlejší pokus o nalezení parametrů transformace je popsán v [7].
Ruští výzkumníci provedli rozsáhlá měření v síti osmi stanic rozmístěných po obvodu Ruské
federace. Výsledkem bylo nalezení vztahu, který je však platný jen pro měření prováděná
v Ruské federaci a přilehlých oblastech:

1
X 
 − 1.1

−6
Y 


= − 0.3 + (1 − 0.12 × 10 ) × 0.82 × 10−6
 



0
 Z WGS −84 − 0.9

− 0.82 × 10−6
1
0
0 U 

0  V 
 
1 W  PZ −90
Přesnost transformace je lepší než jeden metr na hladině významnosti 3σ. Pokud bychom
chtěli nalézt obdobně přesný vztah platný pro celou Zemi, bylo by nutné provést měření na
stanicích rozmístěných kolem celého světa. V tomto směru se očekává velký přínos od
nedávno skončeného Mezinárodního experimentu GLONASS (angl. International GLONASS
Experiment 1998 – IGEX-98).
Obr. 64 Stanovení polohy pomocí GLONASS. Vzorky
odebrané každou minutu. Měření provedeno dne 6.
ledna 1997 [124].
Obr. 65 Stanovení polohy pomocí GPS. Vzorky
odebrané každou minutu. Měření provedeno dne 6.
ledna 1997 [124].
Srovnání přesnosti měření horizontální polohy
Na následujících obrázcích jsou zobrazeny výsledky stanovování polohy kontrolního
přijímače. Data byla pořízena v udaných dnech snímáním vzorků co jednu minutu. Výsledky
byly vyneseny do křížových grafů znázorňujících rozdíly mezi polohou stanovenou
přijímačem a polohou antény zaměřenou geodeticky. Barevně jsou odlišena měření spadající
do tří intervalů hodnot parametru HDOP. Z obr. 65 je patrné, že nejhorších výsledků bylo
dosaženo při měření pomocí systému GPS za podmínky zapnuté selektivní dostupnosti. Na
obr 64 je zaznamenán výsledek měření pomocí systému GLONASS. Z obrázku je patrný
daleko menší rozptyl bodů, ale také menší podíl měření při HDOP <1 a větší podíl měření při
HDOP >3. Dále je patrné, že ve směru SV-JZ jsou výsledky měření výrazně horší. Obě tyto
164
Ver. 1.0
Příloha A Srovnání systémů GPS a GLONASS
skutečnosti jsou pravděpodobně způsobeny neúplnou konstelací družic systému GLONASS
(v době měření bylo dostupných 18 družic tohoto systému). Dále je z obrázku patrné i mírné
vychýlení středu modré oblasti o cca 7 m od středu křížového grafu, související s rozdíly mezi
souřadnými systémy WGS-84 a PZ-90 v místě měření.
Na obr. 66 je ukázka zpřesnění stanovování horizontální polohy při zavedení diferenčních
korekcí (DGPS). Z obrázku je patrná výrazná eliminace vlivu selektivní dostupnosti.
Výsledky znázorněné na obr. 67 ukazují, že
při použití kombinovaného přijímače GPSGLONASS lze dosáhnout výrazného zpřesnění
měření. Téměř 90 % měření je prováděna při
HDOP < 1 (tedy za podmínky velice dobré
geometrie konstelace družic) a došlo také
k eliminaci vlivu selektivní dostupnosti.
Obr. 66 Poloha stanovená pomocí DGPS. Vzorky
odebrané každou minutu.
Měření provedeno dne 5. ledna 1997 [124].
Obr. 67 Přesnost měření při použití signálů z obou
systémů současně. Vzorky odebrané každou minutu.
Měření provedeno dne 6. ledna 1997 [124].
165
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
Srovnání stavu družic obou systémů
Na obr. 68 a obr. 69 je graficky znázorněn stav jednotlivých družic obou systémů za delší
časový interval. Pro každou družici jsou zakresleny dva řádky údajů: horní řádek reprezentuje
stav přenášený v navigační zprávě, dolní řádek pak stav vysílaný přímo družicí (každá družice
je
vybavena
robustním
systémem
autonomního
testování; výsledek tohoto
pravidelně opakovaného testu
pak ovlivňuje aktuálně vysílaný
údaj o stavu družice). Údaje
vynášené v druhém řádku jsou
přerušované,
neboť
jsou
dostupné pouze v případě, že se
družice nachází v oblasti přímé
viditelnosti.
Obr. 68 Přehled stavu družic systému GPS v době od 7. října 1996 do 6.
ledna 1997. Pro každou družici jsou vedeny dva řádky: horní představuje
stav družice přenášený v rámci navigační zprávy, druhý indikuje hodnotu
stejného parametru, tentokráte však přijímaného přímo z dané družice
[124].
Obr. 69 Přehled stavu družic systému GLONASS v době od 7. října 1996 do 6.
ledna 1997. Pro každou družici jsou vedeny dva řádky: horní představuje stav
družice přenášený v rámci navigační zprávy, druhý indikuje hodnotu stejného
parametru, tentokráte však přijímaného přímo z dané družice [124].
166
Ver. 1.0
Příloha A Srovnání systémů GPS a GLONASS
Srovnání obsazení pozic na oběžných drahách funkčními družicemi
Na obr. 70 a obr. 71 jsou přehledně znázorněné konstelace družic obou systémů. Na obr.
71 jsou znázorněné jednotlivé oběžné roviny družic systému GPS (označované písmeny A až
F), obsazení těchto rovin družicemi (k danému dni bylo k dispozici celkem 26 družic, z nichž
25 bylo zdravých). U každé družice je vyznačeno číslo družice (totožné s číslem přiřazeného
dálkoměrného kódu),
označení pozice a
měsíc a rok uvedení
družice na oběžnou
dráhu.
Obr. 70 Obsazení jednotlivých pozic na oběžných drahách systému GLONASS
družicemi a jejich stav. Údaje platné pro 7. leden 1997 [124].
Na obr. 70 je
vykreslen
obdobný
graf
pro
systém
GLONASS. Oběžné
roviny jsou číslovány
od 1 do 3, pozice
družic jsou číslovány
průběžně od 1 do 24.
U každé polohy je
vynesen údaj o tom,
zda je obsazená, dále
údaj o stavu družice,
číslo kanálu, na kterém
družice vysílá a měsíc
a rok vynesení na
oběžnou
dráhu.
K danému datu byly
v systému
oficiálně
označené tři volné
pozice (1, 5 a 24) a
dvě
družice
byly
označeny
jako
nezdravé. Konstelace
družic
byla
tedy
tvořena 21 družicemi,
prakticky použitelných
však bylo jen 19.
Obr. 71 Obsazení jednotlivých pozic na oběžných drahách systému GPS družicemi
a jejich stav. Údaje platné pro 7. leden 1997 [124].
167
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
Srovnání rozložení pravděpodobnosti viditelnosti různých počtů družic obou systémů
zvlášť a dohromady
Na obr. 72 je uveden graf pravděpodobnosti viditelnosti daného počtu družic příslušného
systému nad bodem o souřadnicích 42 stupňů a 27 minut severní šířky a 71 stupňů a 15 minut
západní délky pro 7. ledna 1997. Graf odráží aktuální stav konstelací obou systémů. Z grafu je
patrný výrazný posun rozložení pravděpodobnosti pro systém GLONASS směrem k nižším
počtům viditelných družic, který je způsoben neúplnou konstelací jeho kosmického segmentu.
Na závěr jen vysvětlení, proč bylo porovnání výkonnosti obou systémů ukázáno na více
než tři roky starých datech. Důvod je prostý: konstelace systému GLONASS je v současné
době tak prořídlá, že by obdobné porovnávání na aktuálních datech asi nebylo příliš
vypovídající o možnostech tohoto systému.
Obr. 72 Rozložení pravděpodobnosti viditelnosti různých počtů družic obou
systémù zvlášť a dohromady [124].
168
Ver. 1.0
Příloha B Použité termíny a zkratky
Příloha B Použité termíny a zkratky
(Zpracováno podle [191, 226, 207, 218, 219, 270].)
Český termín
Výklad
Anglický ekvivalent
2D mód
Režim měření, kdy přijímač určuje pouze 2D mode
horizontální souřadnice místa měření. Vertikální
souřadnice (nadmořská výška) musí být známá
z jiného zdroje (mapa, altimetr apod.).
V takovém případě pro určení polohy stačí, aby
byly viditelné jen tři družice.
3D mód
Režim měření, kdy přijímač určuje kompletní 3D mode
trojrozměrnou
polohu,
stávající
jak
z horizontálních souřadnic, tak i nadmořské
výšky místa měření. V takovém případě je pro
určení polohy nezbytné, aby byly viditelné
alespoň čtyři družice.
akcelerometr
Zařízení pro snímání směru a velikosti zrychlení accelerometer
mobilního prostředku.
almanach
Informace vysílané každou družicí na oběžné almanac data
dráze v rámci navigační zprávy, obsahující
přibližné parametry oběžných drah (tzv.
efemeridy) všech družic kosmického segmentu a
stav těchto družic. Almanach umožňuje GPS
přijímači rychle nalézt dostupné družice v co
nejkratší době po zapnutí.
anti-spoofing (A-S)
Znepřístupnění přesné polohové služby systému anti-spoofing (A-S)
GPS pro nepřítele a ochrana před záměrnou
manipulací s navigačními signály ze strany
nepřítele.
atomové hodiny
Velice přesné hodiny odvozující čas od kmitání atomic clock
atomů určitého prvku. Na družicích GPS jsou
umístěné rubidiové a cesiové hodiny. Přesnost
cesiových hodin dosahuje jedné sekundy za
milion let.
atomový čas
Čas odměřovaný přesnými atomovými hodinami. atomic time
Mezinárodní atomový čas je odvozován
statisticky z měření mnoha atomových hodin.
autonomní
Mechanizmus, který umožňuje přijímači GPS Receiver Autonomous
monitorování integrity detekovat nesprávné signály vysílané družicemi Integrity Monitoring
v přijímači
GPS porovnáváním poloh určených pomocí (RAIM)
různých sad dostupných družic. Jeho ideální
realizace by vyžadovala nepřetržitou dostupnost
minimálně šesti družic, což by znamenalo, že
kosmický segment by musel být tvořen alespoň
třiceti družicemi.
169
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
Český termín
Výklad
7.2.2002
Anglický ekvivalent
azimut
Horizontální úhel, který svírá směr z jednoho azimuth
bodu na zemském povrchu k druhému bodu se
směrem severním. Měří se ve směru hodinových
ručiček a hodnota se pohybuje v intervalu 0 – 360
stupňů.
C/A kód
Signál standardní polohové služby vysílaný C/A code
družicemi GPS pro potřeby civilních uživatelů.
Obsahuje informace, které potřebuje přijímač pro
určení své polohy a času měření a své rychlosti
pohybu.
celočíselná
nejednoznačnost
Celý počet vln nacházejících se mezi přijímačem integer ambiguity
a družicí při fázových měřeních.
cílené hospodaření
Zemědělství prováděné s podporou moderních precision farming
geoinformačních technologií.
dálkoměrný kód, též
PRN kód
Identifikační a dálkoměrný signál vysílaný Pseudo Random Noise
každou družicí GPS a umožňující určovat code (PRN code)
vzájemnou vzdálenost přijímače a příslušné
družice. Jedná se o přesně definovanou
posloupnost nul a jedniček dané délky, mající
povahu pseudonáhodného šumu.
diferenční GPS
(DGPS)
Technika umožňující výrazné zpřesnění GPS Differential GPS
měření. DGPS redukuje dopad selektivní (DGPS)
dostupnosti, dopad vlivu prostředí na šíření
signálů, atd.
Dopplerův posun
Změna frekvence přijímané radiové vlny Doppler shift
v důsledku vzájemného pohybu vysílače a
přijímače.
dostupnost signálů
GPS
Dostupností signálů GS se rozumí schopnost accessibility
poskytovat požadované signály v zadané oblasti
na počátku zanýšlených operací.
družicový navigační
systém
Radiový navigační systém, jehož vysílače satellite navigation
(radiomajáky) jsou umístěné v kosmickém system
prostoru.
dvoufrekvenční
přijímač
Přijímač GPS zpracovávající signály přenášené two frequency receiver
jak na frekvenci L1, tak i na frekvenci L2.
efemeridy
Informace o aktuální poloze družice a o času ephemeris
vysílané jako součást navigační zprávy. Sada
efemerid je platná po dobu několika (standardně
čtyř) hodin.
epocha
Časový interval jednoho měření.
fázové měření
Měření prováděná na nosných vlnách signálů phase measurement
družicového navigačního systému.
fázový skok
Přerušení
přijímání
signálů
družicového cycle slip
navigačního systému při fázovém měření,
způsobené například zastíněním antény. Fázový
skok narušuje průběh měření.
170
epoch
Ver. 1.0
Český termín
Příloha B Použité termíny a zkratky
Výklad
Anglický ekvivalent
frekvence L1
Jedna ze dvou nosných frekvencí (1575.42 MHz) L1 frequency
vysílaných družicemi GPS a používaných pro
přenos navigačních signálů pro standardní i
přesnou polohovou službu a pro přenos navigační
zprávy.
frekvence L2
Jedna ze dvou nosných frekvencí (1227.6 MHz) L2 frequency
vysílaných družicemi GPS a používaných pro
přenos navigačních signálů přesné polohové
služby a pro přenos navigační zprávy; plánuje se
používat i tuto frekvenci pro přenos navigačních
signálů standardní polohové služby (tzv. druhý
civilní signál).
frekvence L3
Nosná frekvence používaná družicemi GPS pro L3 frequency
přenos dat týkajících se detekování jaderných
výbuchů ve vzduchu a v kosmickém prostoru.
frekvence L4
Nosná frekvence používaná systémem GPS pro L4 frequency
přenos dat z hlavní řídicí stanice prostřednictvím
stanic pro komunikaci s družicemi na družice
kosmického segmentu GPS.
frekvence L5
Plánovaná nová nosná frekvence (1176.45 MHz) L5 frequency
systému GPS, která bude používaná pro přenos
třetího civilního signálu.
frekvenční pásmo L1
Jedno ze dvou frekvenčních pásem (1602.5625 – L1 frequency band
1615.5000 MHz) používaných pro přenos
navigačních signálů standardní i vysoké přesnosti
a navigační zprávy družicemi GLONASS.
frekvenční pásmo L2
Jedno ze dvou frekvenčních pásem (1246.4375 – L2 frequency band
1256.5000 MHz) používaných pro přenos
navigačních signálů vysoké přesnosti a navigační
zprávy družicemi GLONASS; v budoucnu se
předpokládá, že bude používáno i pro přenos
navigačních signálů standardní přesnosti.
Galileo
Globální
družicový
navigační
připravovaný Evropskou unií.
Globální polohový
systém (GPS)
Globální družicový navigační systém založený na Global Positioning
24 družicích obíhajících okolo Země ve výšce System (GPS)
cca 20200 km a poskytující velice přesné,
celosvětově dostupné informace pro potřeby
určování polohy a navigace, 24 hodin denně, za
jakéhokoliv počasí a kdekoliv. Používá se též
název NAVSTAR.
GLONASS
Globální
družicový
navigační
systém Global Navigation
provozovaný Ruskou federací; Ruská obdoba Satellite System;
systému GPS.
Globalnaja
navigacionnaja
sputnikovaja systema
(GLONASS)
integrita signálů GPS
Schopnost systému GPS poskytovat uživatelům integrity
včasná varování jakmile by systém neměl být
systém Galileo
171
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
Český termín
Výklad
7.2.2002
Anglický ekvivalent
včasná varování, jakmile by systém neměl být
užíván k navigaci v důsledku chyb nebo selhání
systému.
ionosférická refrakce
Lom radiových vln v ionosféře v důsledku změny ionospheric refraction
rychlosti jejich šíření při průchodu ionosférou.
jednofrekvenční
přijímač
Přijímač GPS zpracovávající signály přenášené single frequency receiver
pouze na frekvenci L1.
kinematické měření
Přesná měřická metoda založená na DGPS; cinematic surveying
pohybující se stanice se nemusí na měřených
bodech zastavovat na delší dobu a přesto budou
naměřená data dostatečně přesná.
kosmický segment
Část družicového navigačního systému, která je space segment
rozmístěná v kosmu.
lokální rozšiřující
systém
Implementace DGPS pro podporu přistávání Local Area
letadel v malé oblasti.
Augmentation System
(LAAS)
Loran
Radiový navigační systém provozovaný a
udržovaný Pobřežní stráží USA. Je používán jako
doplňkový systém pro navigaci při přibližování
k přístavům a pro vnitrozemskou navigaci.
LORAN C je využíván v civilním letectví.
Long Range Radio
Direction Finding
System, resp. Long
Range Navigation
(LORAN)
maják
Viz radiomaják
beacon
ministerstvo obrany
(myšleno USA)
Ministerstvo obrany Spojených států amerických Department of Defense
řídí a kontroluje systém GPS.
(DoD)
NAGU
Služba periodicky informující o změnách ve Notice Advisory to
výkonu systému GLONASS (plánované odstávky GLONASS Users
družic, dodatečně zjištěné poruchy apod.).
(NAGU)
NANU
Služba periodicky informující o změnách ve Notice Advisory to
výkonu systému GPS (plánované odstávky družic NAVSTAR Users
apod.). Běžně jsou publikovány 96 hodin předem, (NANU)
s výjimkou mimořádných událostí (zjištěné
poruchy apod.).
následné zpracování
Metoda zpracování dat z měření založená na postprocessing
následném zpracování dat po dokončení měření.
navigace
Určování směru pohybu letadla, lodi, automobilu, navigation
turisty nebo jiného pohybujícího se objektu.
navigační systém
Soubor technických prostředků podporujících navigation system
navigaci.
navigační zpráva
Zpráva vysílaná každou družicí družicového satellite message;
navigačního systému a obsahující informace o navigation message
systémovém
čase,
parametrech
korekcí
družicových hodin, o parametrech modelu
ionosférické refrakce a dále efemeridy a stav
družic.
Informace
jsou
používány
při
zpracovávání signálů GPS pro získání času,
polohy a rychlosti.
172
Ver. 1.0
Český termín
Příloha B Použité termíny a zkratky
Výklad
Anglický ekvivalent
NAVSTAR
Oficiální název používaný vládou USA pro Navigation Satellites
označení systému GPS. NAVSTAR je akronym with Time And Ranging
názvu „Navigation Satellites with Time And (NAVSTAR)
Ranging“.
nejednoznačnost
Neznámý počet celých vlnových délek ambiguity
nacházejících se mezi družicí GPS a přijímačem.
NMEA
Americká komise pro standardizaci, která National Electrical
definuje strukturu datových zpráv, jejich obsahy Manufacturers
a také protokoly umožňující přijímačům GPS Association (NMEA)
komunikovat s jinými částmi elektronického
vybavení na palubě lodi.
NMEA 0183
Standard propojování námořních elektronických NMEA 0183
zařízení. Definuje požadavky na elektrické
signály, protokoly pro přenos dat, časování apod.
při propojování zařízení sériovým kanálem.
V současné době existuje verze 3.0.
P-kód
Přesný kód v signálech GPS, který je typicky p-code
využíván pouze americkou armádou. Je obvykle
zašifrovaný (pak se označuje jako Y-kód) a
opakuje se každých sedm dní.
plný operační stav
Stav, kdy družicový navigační systém dosáhne Full Operational
plného výkonu, poskytuje plánované služby na Capability (FOC)
definované úrovni a s jistou zárukou. V případě
systému GPS je definováno že nastane, jakmile
bude kosmický segment obsahovat 24 družic
Bloku II/IIA na odpovídajících oběžných drahách
a dostupných pro navigační účely.
Pobřežní stráž USA
Pobřežní stráž Spojených států amerických, United States Coast
zodpovědná mimo jiné za poskytování všech Guard (U.S.C.G.)
navigačních prostředků ve Spojených státech
amerických včetně DGPS.
počáteční operační
stav
Stav, kdy družicový navigační systém dosáhne Initial Operational
dostatečného výkonu, aby ho bylo možné začít Capability (IOC)
využívat, i když zatím bez jakékoliv záruky. V
případě systému GPS je definováno že nastane,
jakmile bude kosmický segment obsahovat 24
družic Bloku I/II/IIA na odpovídajících oběžných
drahách a dostupných pro navigační účely.
podrámec
Podjednotka rámce navigační zprávy.
pravděpodobná
kruhová chyba
Poloměr kruhu opsaného kolem bodu
správnou polohou, v němž s
50
pravděpodobností leží určená poloha.
pravděpodobná
sférická chyba
Poloměr koule opsané kolem bodu se správnou Spherical Error Probable
polohou, v níž s 50 % pravděpodobností leží (SEP)
určená poloha.
přesná polohová
služba (PPS)
V současné době nejpřesnější celosvětově Precise Positioning
dostupná služba pro určování polohy, rychlosti a Service (PPS)
času pomocí GPS. Využívání této služby je po
subframe
se Circular Error Probable
% (CEP)
173
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
Český termín
Výklad
7.2.2002
Anglický ekvivalent
většinu času omezená prostřednictvím antispoofingu jen pro autorizované uživatele.
přesnost
V případě geodat stupeň konformity se accuracy
standardem. Přesnost se vztahuje ke kvalitě
výsledků, kdy vyšší přesnost znamená že měření
se více blíží skutečné hodnotě.
přijímač s přepínáním
Jednokanálový přijímač GPS, který velkou multiplexing receiver
rychlostí přepíná mezi sledovanými družicemi.
Přijímač s přepínáním obvykle vyžaduje mnohem
více času k vyhledání družic a není tak přesný
jako
přijímač
vícekanálový.
Přijímače
s přepínáním jsou rovněž mnohem náchylnější ke
ztrátě družic pod hustým porostem, než přijímače
vícekanálové.
pseudodružice
Pozemní vysílače, které napodobují družice GPS pseudolit
a jsou určené pro zlepšení geometrie měření
v omezené oblasti. Mohou se využít v okolí
letišť, v přístavech a tam, kde je zhoršená
dostupnost signálů GPS, jako jsou tunely atd.
radiomaják
Stacionární vysílač radiových vln, pracující beacon; radio beacon
v rámci radiového navigačního systému a
vysílající signál všemi směry. V případě systému
DGPS vysílá radiomaják korekce zdánlivých
vzdáleností.
radionavigace
Určování polohy, nebo získávání informací radio navigation
týkajících se polohy, pro potřeby navigace
s využitím vlastností šíření radiových vln.
radiový navigační
systém
Navigační systém založený na principu šíření radio navigation system
radiových vln.
rámec
Základní stavební jednotka navigační zprávy frame
vysílané družicemi družicového navigačního
systému.
referenční stanice
Přijímač GPS umístěný na bodě o známých reference station
souřadnicích a používaný pro získávání korekcí
pro potřeby opravy měření pohyblivými
přijímači.
RTCM
Komise zřízená pro potřebu vytváření standardů
a směrnic pro rozhraní mezi datovými spoji
pozemních radionavigačních systémů a přijímači
GPS a pro tvorbu standardů pro pozemní stanice
DGPS.
řídicí segment
Celosvětový řetězec monitorovacích a řídicích control segment
stanic, který kontroluje a řídí kosmický segment
družicového navigačního systému.
selektivní dostupnost
(SA)
Název mechanizmu, který umožňuje ministerstvu Selective Availability
obrany USA omezovat přesnost dostupnou (SA)
uživatelům standardní polohové služby systému
GPS záměrným vnášením náhodné chyby do
174
Radio Technical
Commission for
Maritime Services
(RTCM)
Ver. 1.0
Český termín
Příloha B Použité termíny a zkratky
Výklad
Anglický ekvivalent
signálů SPS. Cílem zavedení tohoto mechanizmu
bylo zabránit nepřátelům v použití levných
přijímačů GPS pro některé vojenské účely.
siderický čas
Siderický čas je odvozen od rotace Země sidereal time
vzhledem ke hvězdám. Není to lineární časová
škála, jeho proměnlivost je závislá na
proměnlivosti rotace Země.
spoofing
Záměrné vysílání chybných GPS signálů s cílem spoofing
oklamat přijímače GPS. Nepřítel musí napodobit
družici GPS (asi jako pseudodružice), ale
s rozvratným úmyslem.
squaring
Technika zpracování signálu L2 umožňující squaring
odstranit z tohoto signálu vliv šifrování P-kódu.
standardní chybový
elipsoid
Elipsoid, v němž se s 20 % pravděpodobností Standard Error Ellipsoid
nacházejí měření polohy.
standardní polohová
služba (SPS)
V současné době nejpřesnější civilní celosvětově Standard Positioning
dostupná služba umožňující určování polohy, Service (SPS)
rychlosti a času pomocí GPS. Tato služba je
civilnímu sektoru poskytována Spojenými státy
americkými bezplatně a bez jakéhokoliv omezení
dostupnosti. Po dlouhou dobu byla úmyslně
znepřesňována aplikací mechanizmu selektivní
dostupnosti.
statické měření
Přesná metoda měření využívající metody DGPS. Static Surveying
Pohyblivá stanice musí na každém měřeném
bodě setrvat nehybně po určitý čas (15 minut až
hodinu nebo i více).
stav družice
Aktuální stav družice, indikující nakolik je health
možné signály družice používat pro navigaci.
stop-and-go měření
Přesná metoda měření využívající metody DGPS. Stop-and-Go Surveying
Někdy je nazývána i semikinematické měření.
Pohyblivá stanice při této metodě musí na
každém měřeném bodě setrvat jen řádově několik
sekund až první minuty.
studený start
Sekvence prováděná po zapnutí přijímače cold startup
v případě, že přijímač ještě nebyl zapnutý, nebo
dlouhou dobu neměřil případně od posledního
měření výrazně změnil svoji polohu. V takovém
případě přijímač musí nejprve načíst kompletní
navigační zprávu (což může trvat až 12.5
minuty), aby byl schopen určit svoji výchozí
polohu.
teplý start
Sekvence prováděná po zapnutí přijímače warm startup
v případě, že přijímač již byl zapnutý a od
posledního měření ani neuplynula doba delší, než
je platnost almanachu, ani přijímač výrazně
nezměnil svoji polohu.
175
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
Český termín
Výklad
7.2.2002
Anglický ekvivalent
Transit
Družicový navigační pracující na Dopplerově Transit
principu. Byl provozován námořnictvem USA a
využíván i civilním sektorem.
troposférická refrakce
Změna rychlosti šíření radiové vlny při průchodu troposphere refraction
troposférou.
univerzální
koordinovaný čas
(UTC)
Univerzální časový standard založený na měření Coordinated Universal
kmitání atomů a synchronizovaný s pohybem Time (UTC)
Země. Od roku 1986 nahradil Greenwichský čas.
Čas systému GPS je odvozen od UTC.
určená polohová chyba Měření chyby horizontální polohy ve stopách Estimated Positional
nebo metrech založené na různých faktorech Error (EPE)
včetně DOP a kvality signálů družic.
určení polohy
Souřadnice polohy vypočítané přijímačem GPS.
určování polohy
Proces určování polohy neznámých bodů pomocí positioning
různých prostředků.
určování polohy na
základě kódových
měření
Metoda kdy uživatel využívá časového zpoždění pseudoranging
příchodu signálů z více vysílačů pro určení
polohy.
URE
Odhad chyby určení vzdálenosti k družici User Range Error (URE)
způsobené
například
nemodelovanými
atmosférickými jevy, chybami výpočtu oběžných
drah, systematickou chybou družicových hodin,
vícecestným šířením signálů a selektivní
dostupností. Hodnota tohoto odhadu je přenášena
v navigační zprávě systému GPS a některé
přijímače GPS jsou schopné ji zobrazit. Hodnota
je vyjádřena v metrech (v případě zapnuté
selektivní dostupnosti je tato veličina běžně
nastavena na hodnotu 32; pokud je SA vypnuta,
pak je tato hodnota podstatně nižší).
uživatelský segment
Segment družicového navigačního systému, který user segment
zahrnuje družicové navigační přijímače.
vícekanálový přijímač
Přijímač umožňující nepřetržité paralelní parallel channel receiver
sledování družic díky více vstupním kanálům.
vícenásobný odraz
Chyba vznikající tak, že signál z jedné družice multipath
dorazí k anténě přijímače více cestami. Obvykle
je to způsobeno odrazem signálů od terénu (vodní
plocha, povrch terénu apod.) nebo od překážek
(střechy domů, auta stojící v blízkosti měření
apod.).
WAAS
Systém zaváděný a provozovaný americkou Wide Area
Federal Aviation Authority (FAA), tvořený Augmentation System
zařízením a programovým vybavením určeným (WAAS)
k doplnění přesnosti, dostupnosti a integrity
systému GPS. WAAS bude poskytovat letcům
informace o integritě signálů systému GPS a
diferenční korekce, podporující navigaci jak při
otevřeném letu, tak i při přesném přibližování
176
position fix
Ver. 1.0
Příloha B Použité termíny a zkratky
Český termín
Výklad
Anglický ekvivalent
k letišti.
WADGPS
Systém DGPS pracující v reálném čase a Wide Area Differential
poskytující korekce pro velké oblasti v podobě GPS (WADGPS)
matematických vztahů, popisujících chování
chyb
způsobených
ionosférickou
a
troposférickou refrakcí a nepřesně určenými
efemeridami družic.
WGS-84
Světový geodetický systém – 1984. Je to World Geodetic System
geodetický systém, definující matematický – 1984 (WGS-84)
referenční elipsoid, kartézský a geografický
souřadnicový systém a výškový systém. Je
užívaný systémem GPS.
Y-kód
Zašifrovaný P-kód. Dnes tvoří součást přesné Y-code
polohové služby GPS.
základní frekvence
Frekvence, od níž jsou odvozovány všechny další base frequency
frekvence, používané družicovým navigačním
systémem. Základní frekvence je generována
atomovými hodinami, umístěnými na družicích.
záměrné rušení
Záměrná aktivita nepřátelských sil zaměřená na jamming
rušení příjmu signálů GPS navigačními přijímači.
Zpravidla se realizuje vysílačem, který zhltí
vstupní obvody přijímače neužitečným signálem.
zdánlivá vzdálenost
Měřená vzdálenost mezi přijímačem GPS a pseudorange
družicí GPS neopravená o chybu hodin přijímače
a jiné chyby.
zhoršení přesnosti
z důvodů
geometrického
uspořádání družic
Funkce vyjadřující matematicky kvalitu určení Dilution of Precision
polohy v závislosti na vzájemném geometrickém (DOP)
uspořádání družic a přijímače. Čím je hodnota
této funkce menší, tím je měření přesnější.
Indikátory vlivu geometrie na různé určované
veličiny jsou: GDOP (geometrické DOP), PDOP
(polohové DOP), HDOP (horizontální DOP),
VDOP (vertikální DOP) a TDOP (časové DOP).
Zkratky:
Angl. zkr.
Anglický význam
V češtině
používaná zkr.
Český překlad
AVL
Automatic Vehicle Location
Automatická lokalizace vozidel
AVL
CEP
Circular Error Probable
Pravděpodobná kruhová chyba
CEP
DGPS
Differential GPS
Diferenční GPS
DGPS
DOP
Dilution of Precision
Zhoršení
přesnosti
geometrie.
ECEF
Earth Centered, Earth Fixed
z důvodu DOP
177
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
Angl. zkr.
7.2.2002
Anglický význam
V češtině
používaná zkr.
Český překlad
EGNOS
European
Global
Overlay System
EUREF
European Reference Frame
Evropský prostorový referenční EUREF
systém
FOC
Full Operational Capability
Plná operační způsobilost
FOC
FRP
Federal Radionavigation Plan
Federální radionavigační plán
FRP
GNSS
Global Navigation satellite System Globální
systém
GNSS-1
Global Navigation satellite System Globální družicový
–1
systém – 1
navigační GNSS-1
GNSS-2
Global Navigation satellite System Globální družicový
–2
systém – 2
navigační GNSS-2
G-GIWG
GPS – GLONASS International Mezinárodní pracovní
Working Group
GPS – GLONASS
GLONASS GLObal
System
Navigation Evropský
globální
překryvný systém
NAavigation
Satellite Globální
systém
navigační EGNOS
družicový
navigační GNSS
navigační
skupina G-GIWG
družicový GLONASS
GPS
Global Positioning System
Globální polohový systém
GPS
HDOP
Horizontal Dilution of Precision
Zhoršení horizontální přesnosti
HDOP
HP
High precision service
Služba vysoké přesnosti
HP
ICAO
International
Organization
ITS
Intelligent Transport Systems
IGEX-98
International
Experiment - 1998
IGS
International GPS Service
Mezinárodní služba GPS
IGS
INS
Inertial navigation system
Inerciální navigační systém
INS
IOC
Initial Operational Capability
Počáteční operační způsobilost
IOC
ION
Institute of Navigation
Institut navigace
ION
JPO
Joint Project Office
Společná programová skupina
JPO
LAAS
Local Area Augmentation System
Lokální rozšiřující systém
LAAS
LADS
Local Area Differential System
Lokální diferenční systém
LADS
MCS
Master Control Station
Hlavní řídicí stanice
MCS
Civil
Aviation Mezinárodní organizace pro civilní ICAO
letectví
Inteligentní dopravní systémy
GLONASS Mezinárodní
GLONASS - 98
IDS
experiment IGEX-98
NAVSTAR NAVigation System with Time Navigační systém s časovou a NAVSTAR
And Ranging
dálkoměrnou službou
NDGPS
Nationwide Differential GPS
OTF
on-the-fly
PDOP
Positional Dilution of Precision
178
Celonárodní diferenční GPS
NDGPS
OTF
Zhoršení přesnosti určení polohy PDOP
(a času)
Ver. 1.0
Angl. zkr.
Příloha B Použité termíny a zkratky
V češtině
používaná zkr.
Anglický význam
Český překlad
PGS
Personal Guidance System
Osobní navigační systém
PGS
PPS
Precise Positioning Service
Přesná polohová služba
PPS
PZ-90
Parametry zemli – 1990
Parametry Země – 1990
PZ-90
RADS
Regional Area Differential System Regionální diferenční systém
RAIM
Receiver Autonomous
Monitoring
RDOP
Relative Dilution of Precision
RINEX
Receiver Independent Exchange Předávací formát nezávislý na RINEX
Format
přijímači
RMS
Root Mean Square
RTCM
Radio Technical Commission for Radiotechnická
Marine Services
námořní služby
RTK GPS
Real Time Kinematics GPS
SA
Selective Availability
Selektivní dostupnost
SA
SEP
Spherical Error Probable
Pravděpodobná sférická chyba
SEP
SGS-85
Sovjetskaja
Systema – 1985
SP
Standard Precision Service
Služba standardní přesnosti
SP
SPS
Standard Positioning Service
Standardní polohová služba
SPS
TAI
International Atomic Time
Mezinárodní atomový čas
TAI
TDOP
Time Dilution of Precision
Zhoršení přesnosti určování času
TDOP
TIFF
Time To First Fix
Doba do prvního určení polohy
TIFF
TOA
Time of arrival
Čas příchodu
TOA
TOW
Time of Week
Čas v týdnu
TOW
UERE
User equivalent range error
USCG
US Coast Guard
Pobřežní stráž USA
USCG
UTC
Universal Coordinated Time
Univerzální koordinovaný čas
UTC
VDOP
Vertical Dilution of Precision
Zhoršení
přesnosti
vertikální souřadnice
WAAS
Wide Area Augmentation system
Rozsáhlý rozšiřující systém
WAAS
WADGPS
Wide Area Differential GPS
Rozsáhlý diferenční GPS
WADGPS
WADS
Wide Area Differential System
Rozsáhlý diferenční systém
WADS
WGS-84
World Geodetic System - 1984
Světový geodetický systém - 1984
WGS-84
RADS
Integrity Autonomní monitorování integrity RAIM
v přijímači
RDOP
Střední kvadratická chyba
σ
komise
pro RTCM
RTK GPS
Geodetičeskaja Sovětský geodetický systém – SGS-85
1985
UERE
určování VDOP
179
Ver. 1.0
Příloha C Něco pro začátečníky
Příloha C Něco pro začátečníky
Tato příloha je určena začínajícím uživatelům jednoduchých turistických přijímačů GPS.
Poskytuje základní informace o systému GPS, principu jeho fungování a poskytuje i základní
informace o možných funkcích, zabudovávaných do přijímačů této třídy. V závěru jsou
uvedeny některé praktické ukázky možného užití těchto přijímačů a tabulka srovnávající
základní parametry běžných turistických přijímačů.
Co je to GPS
Globální polohový systém (GPS) je družicový systém vybudovaný pro potřeby navigace a
určování polohy na Zemi. Jeho služby jsou dostupné prakticky nepřetržitě, kdykoliv a
kdekoliv na zemském povrchu a v přilehlém okolí. Jedinou omezující podmínkou jeho
využívání je přímá viditelnost na oblohu. Systém GPS proto není možné využívat
v podzemních prostorách, v budovách, pod velmi hustou vegetací apod.
Tento systém zcela radikálně mění možnosti určování své polohy v otevřeném terénu.
Dnes již nepotřebujeme složitě manipulovat s kompasem nebo buzolou a mapou a snažit se
určovat svoji polohu pomocí různých orientačních bodů, případně si pomocí stejných
pomůcek určovat směr dalšího pochodu. Přijímač GPS nám umožňuje přímo určovat svoji
polohu pod širým nebem, takže klasickou otázku „Kde to jsem?“ můžeme zodpovědět velice
rychle a co je neméně důležité i s dříve nevídanou přesností. Díky velice levným ručním
přijímačům GPS (jejichž cena se pohybuje cca od 7.000,- Kč výše; srovnání různých
přijímačů je připojeno v tabulce na konci přílohy) a s pomocí základních znalostí o systémy
GPS se bude uživatel schopen pohybovat kdekoliv v terénu mnohem jistěji a bezpečněji.
Systém GPS je tvořen sadou 24 družic obíhajících kolem Země a vysílajících na zemský
povrch navigační signály. Přijímač GPS je malé elektronické zařízení, umožňující přijímat
tyto signály, zpracovávat je a s jejich pomocí určovat svoji aktuální polohu, vyjádřenou
pomocí geografických souřadnic. V poslední době je možné zakoupit turistické mapy různých
vydavatelů, které jsou již doplněny i o souřadnicovou síť, umožňující vynášet v mapách
polohy bodů dané souřadnicemi určenými přijímačem GPS. Díky tomu si můžeme do mapy
průběžně zaznamenávat trasu, po které se pohybujeme, nebo si zaznamenávat polohy různých
zajímavých lokalit, jako jsou například naleziště hub, místa vhodná pro stanování ve volné
přírodě, vchody do jeskyní apod.
Výhodou využívání přijímače GPS ve srovnání s klasickými prostředky (mapa + kompas)
je, že známe svoji polohu s velkou jistotou. Pomocí systému GPS a běžných ručních
přijímačů je dnes možné určovat svoji polohu v terénu s přesností na první desítky metrů
(výrobci přijímačů uvádějí běžně 15 m), což je přesnost z pohledu běžného turisty nevídaná!
Vezmeme-li v úvahu běžnou turistickou mapu v měřítku 1 : 50 000, pak určení polohy
s přesností na 20 m znamená chybu v určení polohy na mapě méně než půl milimetru! O
takové přesnosti se turistům před příchodem systému GPS ani nesnilo.
Další výhodou přijímačů GPS je, že pracují bez ohledu na povětrnostní podmínky a také
v noci a že umožňují určovat polohu i za situace, kdy máme výhled blokovaný porostem a
kdy je jakékoliv určování polohy standardními pomůckami prakticky nemožné.
Určování polohy pomocí GPS má však i jistá omezení, kterým je nezbytné dobře
porozumět. Radiové vlny vysílané družicemi velice oslabuje hustá vegetace a v některých
případech může dojít i k jejich úplnému zastínění. Tyto vlny neprocházejí ani horninami,
181
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
budovami, terénem apod., takže přijímače GPS vůbec nepracují v podzemních prostorách,
jako jsou například jeskyně nebo různé chodby, s velkou pravděpodobností nebudou pracovat
v hustém tropické džungli a s obtížemi mohou pracovat i v hustých jehličnatých a listnatých
lesích, v hustě zastavěných oblastech, v úzkých údolích apod. Dále, ačkoliv je systém GPS
navrhován tak, aby zajistil celosvětové pokrytí, může někdy dojít k situaci, že nad oblastí,
v níž se právě nacházíme, jsou viditelné právě jen čtyři družice. Pak jakákoliv překážka nebo
oslabení přijímaných signálů může znepřístupnit signály některé z družic a tím snadno
znemožnit určování polohy. Je obtížné předpovídat takovéto situace, zvláště v případě pohybu
v členitém a zalesněném terénu. Právě z těchto důvodů doporučují zkušení uživatelé přijímačů
GPS v žádném případě nezavrhovat klasické pomůcky, jako je kompas či buzola, nýbrž je
dobré mít je vždy k dispozici, aby mohly v případě potřeby zastoupit přijímač GPS.
Jak pracuje GPS
Systém GPS je nejmodernější navigační systém, který kdy byl uveden do provozu.
Původně byl určen především pro navigaci vojenských jednotek a zařízení, ale postupně se
významně rozšířilo i jeho civilní využívání.
Princip určování polohy je vcelku jednoduchý. Družice obíhající ve výšce 20200 km nad
zemským povrchem vysílají tzv. navigační signály, z nichž je přijímač schopen zjistit čas
jejich odvysílání. Současně si přijímač ze svých interních hodin odečte čas příchodu signálů
vysílaných jednotlivými družicemi. Z časových rozdílů mezi odvysíláním a příjmem signálů
družic přijímač vypočítá svoji vzdálenost k těmto družicím (jednoduše vynásobením časových
rozdílů rychlostí světla). Svoji polohu pak přijímač určí z polohy družic v okamžiku
odvysílání přijatých signálů, kterou lze rovněž určit na základě informací vysílaných
jednotlivými družicemi a ze zjištěných vzdáleností. Pro jednoduchost a názornost si v dalším
výkladu převedeme celý problém do roviny.
V případě přijetí signálu z první družice přijímač určí její polohu
v prostoru a svoji vzdálenost d1 od ní. Prakticky se tento přijímač může
nacházet kdekoliv na kružnici o středu v místě družice a poloměru
daném určenou vzdáleností družice/přijímač (viz. obr. 1). Jakmile
přijímač zpracuje signál druhé družice, opět určí její polohu a svoji
vzdálenost d2 od ní. V tomto případě je možná poloha přijímače
redukována na dva body, splňující jednoduchou podmínku: přijímač se
musí nacházet v místě, jehož vzdálenost k první družici je d1 a současně
jehož vzdálenost k druhé družici je d2. Jedná se v podstatě o průsečíky
kružnic opsaných kolem obou družic (obr. 2). O tom, který z těchto
dvou průsečíků odpovídá skutečné poloze přijímače je nutné
rozhodnout na základě doplňujících kritérií, jako je například předešlá
známá poloha nebo reálnost hodnot souřadnic.
d1
Obr. 1
d1
d2
Obr. 2
182
Při určování polohy v třírozměrném prostoru se
přijímač může nacházet kdekoliv na kulové ploše se
středem v družici a poloměrem rovným vzdálenosti
družice/přijímač. Pro určení polohy přijímače by
teoreticky mělo stačit určit vzdálenosti ke třem
družicím, ale prakticky je nezbytné provést určení
vzdálenosti alespoň ke čtyřem družicím, aby bylo
dosaženo potřebné přesnosti.
Ver. 1.0
Příloha C Něco pro začátečníky
Proč si pořídit přijímač GPS
S pokrokem v oblasti elektroniky rapidně klesají nejen rozměry a hmotnost přijímačů GPS,
ale (a to je pro nás uživatele zvláště zajímavé) i jejich cena. Dnes je možné pořídit si takovýto
přijímač za cenu od cca 7.000,- Kč výše. Není to stále ještě cena „lidová“, nicméně okruh
potenciálních uživatelů, pro které se tato technika stává dostupnou, narůstá. A tak se každý
z nás může již brzy ocitnout tváří v tvář otázce: „Existují důvody, proč bych si měl koupit
přijímač GPS?“.
Nejprve se podívejme, co nám může takovýto přijímač nabídnout:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
umožní nám určit svoji polohu kdekoliv v terénu a my si ji pak můžeme vynést do
mapy
umí nás vést po předem určené trase v terénu
umožňuje průběžně zaznamenávat naši polohu v terénu
pomocí takto uložených dat je přijímač schopen vést nás po stejné trase zpět do
výchozího bodu
umožňuje nám přenést si uložená data do počítače a provést jejich další zpracování,
jako je zakreslení skutečné trasy pochodu do digitální mapy, vykreslit si výškový
profil trasy, průběžně si evidovat trasy jednotlivých výletů apod.
umožňuje zaznamenávat průběh naší cyklistické túry
umožňuje velice dobře provádět navigaci v průběhu letu ve větroni, na závěsném
kluzáku, při paraglidingu apod.
umožňuje i velice přesně zaznamenávat průběh letu s těmito prostředky
a má i mnoho dalších možností.
Ať už jsme kdekoliv, v horách, na poušti, na polárním ledovci, na vodě nebo ve vzduchu,
přijímač GPS se může snadno stát vcelku levnou součástí naší navigační výbavy. Proto je jen
na nás, abychom zvážili, nakolik jsme schopni nabízených výhod využít. Pokud pravidelně
chodíme do přírody, především do hor nebo jezdíme po dálkových cykloturistických trasách,
případně holdujeme různým druhům rekreačního létání, pak pravděpodobně má smysl o koupi
přijímače uvažovat. Pokud bychom však jeho výhod využívali jen velice sporadicky, pak i
současná relativně nízká cena pořízení přijímače neospravedlní.
Turistické přijímače GPS
Na trhu je dnes široká škála přijímačů GPS a jejich rodina se každoročně utěšeně rozrůstá.
Svými rozměry sahají od přijímačů určených k použití v dopravních prostředcích, jako jsou
lodě a letadla, až po malé přijímače, které se pohodlně vejdou do ruky. A existují i extrémy,
jako jsou například přijímače GPS umístěné v náramkových hodinkách, o jejichž praktické
použitelnosti asi lze s úspěchem pochybovat. Díky pokroku v elektronice a technologiích dnes
i malé ruční přijímače nabízejí takovou škálu funkcí, které nebyly ještě poměrně nedávno
dostupné ani na větších přijímačích.
Nejprve se však podívejme na některá kritéria, která jsou společná pro všechny přijímače.
Jsou jimi typ a citlivost antény, přesnost určování polohy a souřadnicové systémy.
Anténa
Anténa je nejdůležitější součástí přijímače. Zajišťuje příjem signálů vysílaných družicemi
GPS. Pokud anténa není schopna tyto signály přijímat, pak je vcelku jedno, jak lehký přijímač
183
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
máme, kolik má funkcí, jaká je životnost jeho baterií. Bez přijímání signálů přijímač prostě
nemůže plnit svoji základní funkci – určovat polohu.
U ručních přijímačů rozlišujeme v zásadě tři typy antén dle jejich provedení:
•
•
•
vnější
vnitřní
externí.
Vnější anténa je řešena zpravidla jako čtyřramenná šroubovice (angl. quadrifilar helix). Je
umístěna v otočném plášti většinou válcového tvaru, umožňujícím nasměrovat anténu kolmo
na oblohu. Tato poloha zajišťuje nejlepší příjem signálů družic. Anténa dobře přijímá signály
i z družic nacházejících se na horizontu, avšak problémy může mít s příjmem signálů z družic
nacházejících se v nadhlavníku.
Vnitřní anténa je řešena zpravidla jako mikropásková (angl. microstrip). Je zabudovaná
přímo v těle přijímače a při měření musí být umístěna rovnoběžně se zemí. Je zpravidla menší
než předchozí typ antény, snadno přijímá signály z družic nacházejících se v nadhlavníku, ale
problémy může mít naopak s družicemi nacházejícími se blízko horizontu.
Externí anténa je konstrukčně řešena jako zcela nezávislé zařízení, které je s přijímačem
propojené pouze koaxiálním kabelem. Externí anténu je nezbytné použít, kdykoliv je přijímač
umístěn uvnitř lodi, letadla, auta apod. Externí antény jsou obvykle konstruovány jako
vodotěsné a jsou vybavené silným magnetem, umožňujícím uchytit ji na jakémkoliv
magnetickém podkladu, jako například na střeše auta. Dalším důvodem, proč použít externí
anténu, může být její vyšší citlivost. Pokud pracujeme někde v odlehlých prostorách,
především více na severu, kde se velice často pokrytí signály družic pohybuje na
garantovaném minimu čtyř družic, může každá ztráta družice z důvodu slabého signálu vážně
zkomplikovat navigaci v terénu. A pak je kvalitní citlivá anténa k nezaplacení. Problémem je,
že ne každý ruční přijímač GPS umožňuje externí anténu připojit. Pokud tedy předpokládáme,
že ihned nebo v blízké budoucnosti budeme potřebovat připojit externí anténu, musíme si
vybírat mezi přijímači vybavenými touto možností. Navíc je často nezbytné zakoupit externí
anténu od stejného výrobce jako přijímač GPS.
Externí antény jsou konstruované jako pasivní, to znamená, že přijímaný signál je veden
přímo do přijímače. Na kvalitě přijímaného signálu se může nepříznivě projevit jeho oslabení
při průchodu propojovacím kabelem. Proto někteří výrobci nabízejí i aktivní antény, které
přijímané signály nejprve zesílí a pak je teprve vedou do přijímače. Tyto antény díky tomu
vykazují větší citlivost, ale samozřejmě za vyšší cenu.
Jak poznáme přijímač s dobrou anténou? Dosti obtížně. Určitě ne podle údajů uvedených
v prospektech, které jsou obvykle měřeny laboratorně, a tedy za nepřirozených podmínek a
kterým obvykle ani nerozumíme. Daleko lepší je si zapůjčit přístroj, který hodláme zakoupit,
a vyzkoušet ho v oblasti, kde ho předpokládáme používat. Pokud se s přijímačem pohybujeme
v otevřené krajině, kde je dobrý výhled na oblohu, přijímač signalizuje, že by měl být
viditelný dostatečný počet družic, a přitom má opakovaně problémy s určováním polohy,
pravděpodobně nebude patřit mezi horké kandidáty na koupi. Pokud však uspějeme, nemáme
ještě vyhráno – další test by měl proběhnout pod hustou zelení, nejlépe v jehličnatém a
listnatém lese. Pokud i zde uspějeme, lze přijímač považovat za kandidáta na koupi,
samozřejmě pouze z pohledu citlivosti antény. Přijímače je však nutné hodnotit i podle
dalších kritérií.
Pokud nemáme možnost přijímač prakticky otestovat, nezbývá nám, než se vyptat svých
přátel a známých na jejich zkušenosti s různými přijímači a teprve na základě získaných
informací se rozhodnout.
184
Ver. 1.0
Příloha C Něco pro začátečníky
Přesnost
Z pohledu přesnosti je v současné době situace výrazně lepší, než byla ještě před rokem –
běžné ruční přijímače dnes umožňují určovat horizontální polohu s přesností na cca 10 – 30 m
(běžně se uvádí hodnota 15 m), což je přesnost pro turistické aplikace naprosto dostačující.
Poněkud horší je přesnost určování nadmořské výšky, kde může chyba dosahovat až 100 m.
Navíc musíme vzít v úvahu, že vrstevnice na našich turistických mapách jsou vyjádřeny
v jiném výškovém systému, než v kterém určuje nadmořskou výšku přijímač GPS. Odchylka
těchto dvou systémů může být řádově až mnoho desítek metrů, takže výsledný rozdíl mezi
nadmořskou výškou určenou přijímačem a odečtenou z mapy může být i více než 100 metrů.
Jinými slovy, na nadmořskou výšku se příliš spoléhat nemůžeme.
Některé přijímače mají zabudovaný jednoduchý mechanizmus, který umožňuje alespoň
částečně zvýšit přesnost určování polohy – tzv. průměrování, založené na jednoduchém
principu: na jednom místě se provede několikeré určení polohy a vypočítá se průměrná
hodnota, která se pak například uloží do paměti pro pozdější zpracování. Některé přijímače
provádějí průměrování jen pokud uživatel tuto funkci aktivuje, jiné začnou provádět
průměrování automaticky po té, co rychlost pohybu přijímače klesne pod určitou zadanou
mez.
Na přesnost určování polohy mají vliv především:
•
•
•
ionosféra
geometrické uspořádání družic nad místem měření
odraz signálů.
Vliv ionosféry. Když radiové vlny procházejí oblaky elektronů, vznikajících v ionosféře,
jsou jimi nepatrně zpomalovány, což způsobuje, že přijímač vyhodnocuje svoji vzdálenost
k družicím jako poněkud větší, než ve skutečnosti je. Chybu vnesenou vlivem ionosféry lze
kompenzovat dvěma způsoby: buďto pomocí modelu chování ionosféry odhadneme velikost
této chyby nebo tuto chybu přesně změříme a určované vzdálenosti o ni opravíme. Turistické
přijímače mohou použít prakticky jen první způsob. Druhý způsob by přicházel v úvahu jen
v případě, že bychom mohli provádět měření s využitím dvou nosných frekvencí. V současné
době je však tato možnost v kategorii turistických přijímačů nedostupná. Ionosféra přispívá
chybou 5 až 10 m z celkové avizované patnácti metrové chyby určování polohy.
Geometrické uspořádání družic nad místem měření rovněž významně ovlivňuje
přesnost určování polohy přijímačem. Na velikost chyby vnesené do určování polohy tímto
faktorem lze usoudit na základě hodnoty parametru DOP (angl. Dilution of Precision;
zhoršení přesnosti v důsledku geometrie uspořádání družic na obloze). Tento parametr má
celou řadu složek: vertikální, horizontální, časovou, polohou apod. Přijímač vypočítává
každou složku DOP pro všechny možné kombinace čtveřic viditelných družic a pro určování
polohy použije tu čtveřici, pro kterou vychází nejmenší hodnota parametru PDOP (angl.
Position Dilution of Precision; zhoršení přesnosti určování polohy). Pokud by byla geometrie
uspořádání viditelných družic v době měření velmi špatná, mohla by zhoršit přesnost určování
polohy až o několik set metrů. Normálně hodnota PDOP v rozmezí 1 až 3 znamená chybu
určování polohy do 15 m. Pokud hodnota PDOP stoupne na 4 až 6, může chyba stoupnout na
mnoho desítek až první stovky metrů. Pokud jsou hodnoty PDOP ještě větší, přijímač
pravděpodobně ani neučí svoji polohu a bude na displeji signalizovat špatnou geometrii
družic (angl. Poor Geometry). Uživatel toho v takové situaci mnoho dělat nemůže. Nejčastěji
bude jen moci počkat, až družice zaujmou příhodnější vzájemnou polohu a pak může
pokračovat v práci s přijímačem GPS. Někdy však může být tato situace vyvolána i tím, že je
část oblohy zastíněna nějakou překážkou. Pak by bylo možné v rámci konkrétní situace
185
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
vyhledat příhodnější místo pro provedení měření. Pokud jsou problémy vyvolány výhradně
konstelací družic a ne překážkami, pak zpravidla stačí počkat jen několik minut a přijímač
opět začne určovat svoji polohu.
Přijímač obvykle průběžně zobrazují hodnotu DOP konstelace družic používaných
k určování polohy. Někdy však vedle tohoto parametru (nebo i místo něho) zobrazují hodnotu
parametru nazvaného odhad chyby určování polohy (angl. Estimated Position Error – EPE),
který zohledňuje hodnotu parametru PDOP. Tato chyba reprezentuje pouze příspěvek
geometrie družic k celkové chybě určování polohy přijímačem. Při pohybu v terénu je vhodné
sledovat hodnotu parametru EPE. V případě, že jeho hodnota prudce vzroste, bude nezbytné
se na základě aktuální situace rozhodnout, zda je možné pokračovat v pochodu nebo bude
nezbytné vyčkat příhodnějších podmínek (například za situace, že se pohybujeme ve zcela
neznámém nebo nebezpečném terénu a potřebujeme znát svoji polohu co nejpřesněji).
Odraz signálů (nazývaný též vícecestné šíření; angl. multipath). Za běžných podmínek se
signály z družic dostávají do antény přijímače pouze přímo. Nicméně za určitých podmínek
může dojít k situaci, kdy se signál dostane do antény přijímače více cestami: jednak přímo a
jednak odrazem od nějaké překážky. V takovéto situaci může dojít buďto k interferenci obou
signálů a tím k vyřazení dané družice z měření nebo může dojít i k tomu, že přijímač použije
k určení své polohy odražený signál a tím opět výrazně vzroste chyba určování polohy.
Přijímání a zpracovávání odraženého signálu prakticky nelze detekovat a tak záleží jen na
zkušenostech uživatele, zda bude schopen rozpoznat vznik takovéto situace a vhodně ji
vyřešit (například změnou svého stanoviště).
Souřadnicové systémy
Přijímač GPS je schopen udávat polohu v celé řadě souřadnicových systémů. Dnešní
přijímače jich mají zabudovaných mnoho desítek až více než sto. Nalezneme mezi nimi i
velice exotické souřadnicové systémy, jako například pro Hongkong nebo pro Velikonoční
ostrovy. Avšak souřadnicové systémy používané na našem území, jako je S-42 (dříve
výhradně vojenský systém) nebo S-JTSK (dříve výhradně civilní systém) v žádném přijímači
nenalezneme. To má pro běžného uživatele dosti nepříjemný důsledek: přijímač GPS nelze
používat s běžnými turistickými mapami, ať už jsou v souřadnicovém systému S-JTSK nebo
S-42, protože souřadnice indikované na přijímači nelze přímo přenést do mapy, nýbrž by bylo
nutné nejprve provést poměrně složitý převod do příslušného souřadnicového systému.
Naštěstí vydavatelé turistických map na tuto situaci zareagovali a začali své mapy opatřovat i
souřadnicovým systémem WGS-84. Mapy jsou sice nadále v některém z běžných
souřadnicových systémů, ale na mapě jsou vyznačeny (nejčastěji ve formě sítě s krokem jedné
úhlové minuty) i geografické souřadnice ve WGS-84. Takovéto mapy snadno poznáme – na
titulní straně jsou obvykle opatřeny značkou „GPS“. V tom případě jsme schopni do mapy
přímo vynášet svoji polohu určenou přijímačem GPS. O nadmořské výšce však i v případě
těchto map platí to, co bylo uvedeno již výše.
Doposud popisované vlastnosti přijímačů GPS lze považovat za obecné, týkající se
každého přijímače. Vedle nich však ještě existují další, které se již nemusí týkat každého
přijímače. Jsou jimi:
•
•
•
186
indikace viditelných družic
indikace současné polohy a dalších doprovodných údajů
zabudované mapy
Ver. 1.0
Příloha C Něco pro začátečníky
•
•
•
•
•
•
•
•
orientační body
kompas
trasy
navádění na orientační bod (angl. GO TO)
záznam trasy pochodu
statistika trasy pochodu
rozhraní pro komunikaci s počítačem
různé navigační obrazovky.
Podívejme se na některé z výše uvedených funkcí podrobněji.
Indikace viditelných družic
Mnohé z přijímačů jsou dnes vybavené funkcí zobrazování potenciálně viditelných družic,
která je často doplněna i o signalizaci síly přijímaného signálu a indikaci skutečně nalezených
družic (obr. 3). Než může přijímač začít řádně vyhledávat družice, musí si na základě znalostí
přibližných oběžných drah družic a své přibližné polohy určit potenciálně viditelné družice a
ty pak systematicky vyhledávat. Od zapnutí přijímače po první určení polohy v takovém
případě neuplyne doba delší než několik desítek sekund. Pokud však máme zcela nový
přijímač, který ještě nebyl zapnutý nebo byl přijímač dlouho vypnutý (mnoho měsíců) a nebo
od posledního měření výrazně změnil svoji polohu na Zemi (o stovky až tisíce kilometrů), pak
přijímač není schopen ani přibližně určit potenciálně viditelné družice a musí proto
vyhledávat signály všech teoreticky možných družic (a těch je až 32). Díky tomu se doba od
zapnutí přijímače po první určení polohy může protáhnout až na mnoho minut (v nejhorším
případě až na téměř čtvrt hodiny). V takovém případě přijímače často nabízejí urychlení startu
buďto zadáním přibližných souřadnic polohy (jsou-li uživateli známé) nebo přibližným
určením polohy na zabudované mapě (obr. 5).
Na obr. 3 je
ukázka
možného
vzhledu
displeje
10
při
přijímače
zobrazování polohy
družic na obloze a
síly jejich signálů.
V levé
části
je
graficky znázorněna
předpokládaná
poloha jednotlivých
družic na obloze.
Vnější
kružnice
reprezentuje
horizont,
střední
kružnice
elevační
úhel 45o a křížek
Obr. 3 Vzhled displeje při zobrazování polohy všech potenciálně viditelných
uprostřed
družic
reprezentuje
nadhlavník v místě měření. Družice jsou reprezentovány čísly odpovídajícími číslům
10
Při zpracovávání této přílohy byl používán přijímač GPS III Pilot firmy Garmin [330]. (pozn. autor)
187
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
navigačních
kódů
vysílaných
jednotlivými
družicemi. Pokud je
číslo
uvedené
v rámečku znamená
to, že přijímač již
identifikoval signály
vysílané touto družicí
a používá je při
určování
polohy.
Při levém
okraji
displeje je stupnice
znázorňující
stav
baterií
v přijímač,
v záhlaví se vypisuje
Obr. 4 Vzhled displeje při zobrazování současné polohy a dalších
text informující o
doprovodných údajů
aktuální
aktivitě
přijímače (zpravidla se zde střídají texty jako „Vyhledávání družic“, „2D navigace“, „3D
navigace“, „Málo družic“ apod.). V pravém horním rohu levé části obrazovky se objevuje
údaj o odhadované chybě určování horizontální polohy v metrech a v pravém dolním rohu
pak parametr DOP, charakterizující geometrické uspořádání družic používaných přijímače pro
určování polohy; čím je hodnota tohoto parametru nižší, tím je geometrické uspořádání družic
lepší a tím přesněji je možné polohu přijímače určit. V pravé části displeje je graficky
znázorněna síla signálů jednotlivých potenciálně viditelných družic. Pokud je obdélníček
prázdný, pak to znamená, že přijímač již identifikoval signály dané družice, ale ještě je plně
nezpracoval a proto je doposud nepoužívá pro určování polohy. Plný obdélníček pak
znamená, že danou družici již přijímač plně používá pro určování polohy.
Indikace současné polohy a dalších doprovodných údajů
Jakmile přijímač nalezne a zpracuje signály z dostatečného počtu družic, začne zobrazovat
svoji současnou polohu a další údaje. Na obr. 4 je ukázka možného vzhledu displeje při
přepnutí přijímače do
tohoto modu. V levém
dolním rohu je zobrazena
současná
poloha
přijímače
vyjádřená
v geografických
souřadnicích
systému
WGS-84,
v pravém
dolním rohu pak aktuální
čas a datum. O řádek
výše
je
uvedena
průměrná
rychlost
pochodu,
celková
uražená vzdálenost a
napětí baterií přijímače
GPS, indikující jejich
Obr. 5 Ukázka vzhledu displeje při zobrazování aktuální polohy na mapě
stav. Výše je pak
188
Ver. 1.0
Příloha C Něco pro začátečníky
uvedena
okamžitá
rychlost pohybu, celková
doba pochodu a celková
doba provozu přijímače
od poslední výměny
baterií. Při horním okraji
displeje je zobrazena
stupnice
indikující
aktuální směr (azimut)
pohybu
přijímače.
Sestavu
údajů
zobrazených
na
prostředních dvou řádcích
této stránky je možné
nastavit dle požadavků
uživatele. Vybírat lze ze
Obr. 6 Vzhled displeje při výběru orientačního bodu
široké škály údajů, jako
jsou maximální rychlost
pohybu, relativní rychlost pohybu směrem k orientačnímu bodu (angl. Velocity Made Good),
čas východu a západu slunce a případně i měsíce, nadmořská výška apod. Některé ze
zobrazovaných čítačů (celková uražená vzdálenost, celková doba pochodu apod.) je možné
dle potřeby nulovat, jiné se nulují automaticky (jako například celková doba provozu od
poslední výměny baterií).
Zabudovaná mapa
Mnohé moderní ruční přijímače již obsahují zabudovanou digitální mapu malého měřítka,
která obsahuje údaje jako jsou dálnice, železnice, řeky, obce nad určitou velikost (např.
10 000 obyvatel), případně letecké koridory, letiště a další údaje, jejichž sestava je závislá na
cílové skupině uživatelů. Vzhledem k tomu, že zabudované mapy pokrývají zpravidla celý
svět, jsou jen velice hrubé a nehodí se například pro pohyb v terénu při pěší turistice. Mnohé
přijímače proto umožňují, aby si do nich uživatel přehrál podrobnější topografické a jiné
mapy omezené oblasti, v níž se bude pohybovat. Samozřejmě jen za situace, že tato data jsou
k dispozici. Na obr. 5 je ukázána digitální mapa zabudovaná do přijímače, určeného
především pro leteckou navigaci. Mapa je zvětšená do měřítka cca 1 : 500 000. Může
obsahovat následující údaje:
•
•
•
•
•
•
dálnice
železnice
města
hranice států
letiště
a další informace pro piloty.
Jednotlivé skupiny informací (informační vrstvy) lze zapínat a vypínat, případně lze
nastavit, od jakého zvětšení se mají na mapě objevit.
Orientační body
Orientační body (angl. waypoints) jsou význačné body ležící přímo na trase pochodu
(trasa jimi tedy prochází), které lze v terénu snadno a jednoznačně identifikovat a pro které
známe jejich souřadnice. V případě přijímače GPS potřebujeme znát polohu těchto bodů
189
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
vyjádřenou
v geografických
souřadnicích systému
WGS-84.
Tyto
souřadnice
můžeme
získat
například
odměřením z papírové
mapy nebo odečtením
z digitální
mapy.
Některé programy pro
práci s digitálními
mapami
dokonce
umožňují i naplánování
trasy
pochodu
na
obrazovce monitoru a
pak nahrání souřadnic
Obr. 7 Vzhled displeje při navádění na zadaný orientační bod
jednotlivých
orientačních
bodů
spolu s doprovodnými informacemi přímo do přijímače GPS. Přijímač nám pak umožňuje
pohybovat se v terénu od jednoho orientačního bodu k druhému, ukazuje nám pomocí
kompasu směr a vzdálenost k nejbližšímu nebo zvolenému orientačnímu bodu apod.
Turistické přijímače obvykle mají k tomuto účelu zabudovanou funkci jdi k (angl. GO TO),
která umožňuje vybrat orientační bod, ke kterému chceme dojít. Na obr. 6 je ukázka
obrazovky umožňující vybírat orientační body a na dalším obrázku je znázorněn vzhled
displeje při navádění na zvolený orientační bod.
Displej přijímače může obecně pracovat ve dvou režimech:
1. buďto šipka ukazuje trvale k orientačnímu bodu a přijímač nás tak navádí v terénu
vždy k tomuto bodu,
2. nebo šipka trvale ukazuje směr (kurz) z výchozího bodu k bodu cílovému a pomocná
čára nám signalizuje velikost odchylky od tohoto kurzu.
Ad 1, V tomto případě se směr šipky mění dynamicky v závislosti na aktuálním směru
pohybu přijímače. Pokud
se však s přijímačem
zastavíme a začneme se
s ním otáčet na místě
(tedy aniž bychom měnili
polohu), nebude šipka na
tyto změny reagovat a
uživatel
tak
ztratí
informaci
o
směru
k orientačnímu
bodu.
Teprve až se uživatel
znova rozejde, začne
přijímač
ukazovat
správný
směr
k orientačnímu
bodu.
pozorný
uživatel
si
Obr. 8 Vzhled obrazovky určené pro navigaci na dálnici
rovněž všimne, že při
190
Ver. 1.0
Příloha C Něco pro začátečníky
pohybu se mění nejen směr šipky, ale i orientace kompasu: horní okraj stupnice vždy indikuje
azimut aktuálního směru pohybu přijímač. A jen tak pro zajímavost – když se podíváme na
obr. 6 uvidíme, že i v tomto modu přijímač zobrazuje směr našeho pohybu, v tomto případě
pomocí stupnice zobrazované při horním okraji displeje.
Ad 2, V tomto případě šipka ukazuje trvale směr rovnoběžný se spojnicí výchozího a
cílového bodu. Linie rovnoběžná se směrem šipky indikuje, nakolik jsme se vzdálili od této
spojnice (obr. 7). Kompasová růžice se na displeji opět otáčí tak, aby indikovala směr
aktuálního pohybu přijímače. Na tomto obrázku dále vidíme, že kromě kompasu jsou v pravé
části zobrazeny ještě další údaje: aktuální rychlost pohybu, vzdálenost k dalšímu orientačnímu
bodu, čas potřebný k uražení této vzdálenosti (odvozený z průměrné rychlosti pohybu) a
identifikace cílového bodu.
Použitý přijímač je určený pro leteckou navigaci (jak již vyplývá z jeho názvu), a proto při
navádění na cílový bod pracuje právě v druhém režimu.
Trasy pochodu
Ruční přijímače GPS určené pro turistiku umožňují ukládat do paměti jednotlivé trasy,
které chceme absolvovat. Trasy jsou reprezentovány posloupnostmi orientačních bodů,
kterými procházejí. Přijímače GPS umožňují definovat až několik desítek tras (zpravidla 1030), tvořených mnoha desítkami bodů (zpravidla do 50). Na obr. 6 je ukázka obrazovky
určené pro práci s trasami.
Navigace na dálnici
Další obrazovka (obr. 8) slouží pro
navigaci na dálnici. V případě, že se
pohybujeme na dálnici, která je zaznačena
na mapě uložené v paměti počítače, zobrazí
se graficky uprostřed levé části displeje.
V průběhu jízdy se v této části objevují
upozornění
na
výjezdy
z dálnice,
identifikace orientačních bodů apod.
B
Ukázky možného použití
přijímačů GPS
Turistika
C
A
Obr. 9 Trasa prvního výletu (podkladová mapa
Geobáze firmy Geodézie ČS).
V oblasti turistiky je možné očekávat
v relativně krátké době poměrně masivní
nástup užívání osobních přijímačů GPS.
Turistika je u nás velmi populární,
v poslední době se rozšiřuje i komunita
cykloturistů, pro něž jsou již dostupné i
speciální přijímače, kombinující funkce
přijímače GPS a cyklistického počítače.
191
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
D
E
Jako
příklad
možného použití
přijímače GPS při
turistice lze uvést
záznam dvou tras
absolvovaných
v bezprostředním
okolí Ostravy –
Poruby. Obě byly
absolvovány
částečně pěšky a
částečně městskou
hromadnou
dopravou.
Trasa č. 1
F
Na obr. 9 je
znázorněna trasa č.
Obr. 10 Trasa druhého výletu (podkladová mapa Geobáze firmy Geodézie ČS).
1 (červenou čarou;
šipky
vyznačují
směr pochodu), která vedla z výchozího bodu (bod A) v městské části Pustkovec přes
Martinov k řece Opavě, dále podél této řeky až k železniční zastávce Děhylov (bod B). Zde
jsme nastoupili na autobus městské hromadné dopravy a zbylou část trasy přes Děhylov a
Martinov jsme absolvovali tímto autobusem. Zajímavé je, že po celou dobu jízdy bylo možné
díky umístění antény přijímače u okna autobusu
provádět sledování trasy. Po celou dobu jízdy
přijímal přijímač signály z minimálně tří družic, ale
většinu času ze čtyř a více družic. V Bodě C byl
realizován přestup z jedné linky MHD na druhou.
Trasa byla zakončena návratem zpět do výchozího
bodu A.
Na tomto obrázku je možné porovnat
zaznamenanou trasu s cestami tak jak jsou
vyznačeny na podkladové mapě (mapa České
republiky z edice Geobáze), která je v měřítku
1:100 000. Vidíme, že jak část trasy absolvovaná
pěšky, tak i část trasy absolvované autobusem
vcelku dobře odpovídá průběhu komunikací
zaznačených na mapě.
Trasa č. 2
Obr. 11 Ukázána vzhledu obrazovky
přijímače zachycující situaci bezprostředně
po zapnutí přijímače
192
Tato trasa je znázorněna na obr. 10 (trasa je
v tomto případě vyznačena zelenou čarou; šipky
opět vyznačují směr pohybu). Výchozí bod byl
v tomto případě v bodě D. Trasa vedla kolem
Vysoké školy báňské – Technické univerzity
Ostrava (bod E) lesoparkem Myslivna do
Ver. 1.0
Příloha C Něco pro začátečníky
Hlubočice. Dále kus podél tramvajové tratě a pak
na druhou stranu údolí a lesnatým terénem až
k jódovým sanatoriím v Klimkovicích (bod F). Zde
jsme nasedli opět na autobus MHD. Zbylá část
trasy však již není zaznamenána, neboť v autobuse
přijímač GPS nefungoval, a to i navzdory tomu, že
byl opět umístěn u okna. Po celou dobu jízdy
přijímač zachytil signály nejvýše jedné až dvou
družic.
V průběhu tohoto výletu bylo pořízeno několik
fotografií. Na obr. 11 je ukázána obrazovka
zachycující situaci
bezprostředně po
zapnutí přijímače,
kdy je na displeji
zobrazena poloha
jednotlivých
potenciálně
viditelných
družic,
které
přijímač
začíná
postupně
vyhledávat.
Prázdné
Obr. 12 Ukázka vzhledu displeje
obdélníčky
ve
v okamžiku, kdy přijímač určil svoji polohu
spodní
části
displeje znázorňují družice, jejichž signály přijímač
detekoval a začal zpracovávat. Výška obdélníčku indikuje
sílu přijímaného signálu. Jakmile přijímač zpracoval
Obr. 13 Situace při měření
v lesním porostu
informace přenášené z dané družice, začal používat signály
z této družice pro určování polohy. Prázdný obdélníček
reprezentující příslušnou družici se v tomto případě vyplnil.
Na obr. 12 je
znázorněn
vzhled
displeje
v okamžiku,
kdy přijímač určil svoji
polohu. Na displeji jsou
uvedeny údaje, jako je
okamžitá
rychlost
pohybu, celková doba
chůze, celková uražená
vzdálenost, nadmořská
výška a zeměpisná šířka
a délka, na nichž se
přijímač nachází, přesný
čas a případně i další
údaje.
Obr. 14 Ukázka stavu sledovaných veličin po skončení túry
Na obr. 13 je
znázorněna situace při
193
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
7.2.2002
měření v lesním porostu. V dolní části displeje vidíme, že síla signálů jednotlivých družic je
výrazně nižší, než v předešlém případě, kdy měření probíhalo v otevřeném terénu. Je
zajímavé, že i při tak slabých signálech přijímač fungoval bezchybně, průběžně určoval svoji
polohu a i předpokládaná chyba způsobená geometrií družic byla relativně malá (viz
parametry DOP a EPE na tomto obrázku).
Obr. 15 Ukázka navigačního přijímače pro osobní automobil [332]
Poslední obrázek (obr. 14) zachycuje stav sledovaných veličin (především celkové uražené
vzdálenosti a celkového čistého času chůze (tedy bez prostojů, které přijímač neregistroval)) a
celkové uražené vzdálenosti.
Silniční navigace
V silniční dopravě jsou přijímače GPS nezbytnou součástí systémů pro automatickou
lokalizaci vozidel (angl. Automatic Vehicle Location – AVL). Jedná se o zařízení vzniklé
integrací přijímače GPS, mikropočítače, digitální mapy, programového vybavení a případně i
dalších snímačů pohybu vozidla (různé akcelerometry, snímače otáček kol apod.). Tato
zařízení jsou dnes již komerčně dostupná a i u nás je možné takovéto zařízení zakoupit.
Bohužel tato zařízení u nás nemohou prozatím pracovat, protože nejsou k dispozici potřebné
digitální mapy silniční sítě s potřebnými doprovodnými údaji. Pokud však máte toto zařízení
k dispozici a je vybavené například digitální mapou Německa, pak po překročení státní
hranice je zařízení plně funkční. Jeho užití může vypadat například takto: Řidič zadá do
počítače adresu např. hotelu, ve kterém má zajištěné ubytování. Systém automaticky vyhledá
optimální trasu z místa, kde se vozidlo právě nachází a povede řidiče po této trase. Na
obrazovce systému AVL se ukáže část digitální mapy, zachycující situaci v místě, kde se
právě vozidlo nachází s vyznačením optimální trasy. Po celou dobu jízdy se bude mapa na
displeji posouvat tak, aby zobrazovala situaci v bezprostředním okolí vozidla. Pokud se
vozidlo přiblíží ke křižovatce, kde je nutné odbočit, systém řidiči signalizuje s dostatečným
předstihem, že se blíží odbočka (a to nejen graficky na displeji, ale i akusticky mluvenými
pokyny tak, aby pozornost řidiče nebyla snižována pozorováním displeje) a řidiče na ni
navede. Pokud se stane, že řidič sjede z vytýčené trasy, systém ho poměrně rychle (už po sto
194
Ver. 1.0
Příloha C Něco pro začátečníky
metrech) upozorní, že sjel z trasy a že je nezbytné se na ni vrátit a případně ho i navede zpět
na správnou trasu. Tato vlastnost je důležitá především ve městech, kde není problém špatně
odbočit, ale může být problém se ulicemi vrátit na požadovanou trasu. Pokud vše proběhne
v pořádku, dovede nás systém až před vchod do hotelu, kde nám oznámí, že jsme na
požadované adrese. Na obr. 15 a 16 jsou ukázky navigačních systémů různých výrobců.
Obr. 16 Ukázka navigačního přijímače pro osobní automobil jiného výrobce [331]
195
196
Technické parametry
Počet kanálů
Aktualizace polohy [s-1]
Doba potřebná k určení polohy
Teplý start [s]
Studený start [s]
Autolokalizace [s]
Inicializace výběrem státu [s]
Navigační parametry
Počet tras/bodů
Počet orientačních bodů
Počet trasových bodů
Počet referenčních elipsoidů
Provozní parametry
Rozměry [mm]
Hmotnost [g]
Velikost displeje [mm]
Počet pixelů
Udávaná životnost baterií [hod]
Počet baterií
Externí napájení
Anténa
Externí anténa
Funkce
Model
50/50
1500
2000
106
20/50
500
3000
106
GPS 12 XL
20/30
500
1024
106+1
15
45
300
45
12
1
20/30
500
1900
106+1
15
45
300
45
12
1
20/30
100
0
1
15
45
300
?
12
1
1/10
100
1200
12+1
?
?
?
?
?
?
GPS 315
20/30
500
1200
72+1
15
45
?
?
12
1
20/30
500
1200
72+1
?
?
?
?
?
?
GPS
ColorTRACK
20/30
500
1200
72+1
15
45
?
?
12
1
112x51x30 60x140x20 53x147x31 59x127x41 81x173x54 159x56x28 158x50x33 160x65x35 160x65x35
150
190
269
255
478
193
199
340
340
54x27
42x56
56x38
56x38
89x61
64x128
120x160
64x100
100x160
240x160
13-22
14
24
36-16
20
15
30
12
2 AA
2 AA
4 AA
4 AA
6 AA
2 AA
2 AA
4 AA
4 AA
3V
12 V
10-40 V
10-40 V
10-32 V
ne
ano
ano
ano
vestavěná vestavěná vestavěná snímatelná snímatelná vestavěná vestavěná vestavěná vestavěná
ne
ano
ano
ano
ano
ne
ne
ano
ano
15
45
300
45
15
45
120
45
eTrex Summit
12
1
eMap
12
1
GPS III+
Tab. 1 Srovnání parametrů levných přijímačů vhodných pro turistiku
Street Pilot
7.2.2002
GPS Blazer12
Rapant, P.: Družicové navigační a polohové systémy
MAP 410
ano
ano
IPX7
ne
ne
ne
Zvukový výstup
Zpětná navigace
Odolnost proti vodě
Interní mapová báze
Dohrávání map z CD
Paměťová karta
Ver. 1.0
ano
ano
ano
ano
IPX2
ano
ano
ano
IPX7
databáze
měst
ne
ne
ano
ne
ne
ano
IPX7
ano
ano
ano
ano
ne
IPX7
ano
ne
-
197
ne
ano
ano
ne
Příloha C Něco pro začátečníky
ano
ano
ano
databáze
měst
ano
ne
-
ano
ano
ano
ne
ano
-
ano
ano
ano
ano
Autor:
doc. Ing. Petr Rapant, CSc.
Institut:
Institut ekonomiky a systémů řízení
Název:
Družicové polohové systémy
Místo, rok vydání:
Ostrava, 2002
Počet stran
200
Vydání:
první
Vydala:
VŠB – Technická univerzita Ostrava
Tisk:
Institut 545
Náklad:
15
NEPRODEJNÉ.
ISBN 80-248-0124-8
545
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа