Družicové polohové systémy

Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava

Družicové polohové systémy

Petr Rapant

Ostrava, 2002

Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava


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


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


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


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


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


2.2.1 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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


• • •

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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


• • •

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


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


•

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


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


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


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


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


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


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


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 by/S@t 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


• • •

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


• • • • •

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


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


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


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


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


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


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


09 --

10 --

11 --

12 --

13 06

14 --

15 --

16 --


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


9.2 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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


• • •

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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


[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


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


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


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


[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


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


[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


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


[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


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


[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


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


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


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


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


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


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


Český termín

Výklad

7.2.2002


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


Výklad


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


Český termín

Výklad

7.2.2002


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


Výklad


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


Český termín

Výklad

7.2.2002


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


Výklad


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


Český termín

Výklad

7.2.2002


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


Český termín

Výklad


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


Angl. zkr.

7.2.2002

Anglický význam


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.



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


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


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


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


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


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


• • • • • • • •

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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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:


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

Družicové polohové systémy

Recommend Documents