Geolokalizace François Peyret, ředitel výzkumu, šéf sekce robotiky a lokalizace LCPC předseda komise pro lokalizaci statickou i dynamickou CNIG Místo úvodu začíná autor tím, že vyvrací některé názory, které se týkají GPS. Poté stručně popisuje princip fungování systému a uvádí různé způsoby jeho používání, které umožňují dosáhnout více či méně efektivních spojení. Dále pak mluví obsáhle o některých aplikacích, týkajících se všech fází života silnice, od studií až po provoz, a jenom mimochodem se zmiňuje o aplikacích, kde jsou používány nejvíce sofistikované systémy GPS. Nakonec zdůrazňuje hlavní slabiny systému, které stále ještě omezují jeho využití, a vysvětluje u každé z nich způsoby řešení, které jsou postupně zaváděny. Hlavním očekávaným řešením je uplatněni evropského systému Galileo, plánovaného na konec desetiletí. Systém Galileo bude plně interoperabilní se systémem GPS. Úvod: některé názory mají tuhý život ¾ GPS je navigační systém Chyba! Je pravda, že GPS je často používán v navigačních systémech, které vás vedou se zřetelem na místo určení, ale GPS sám o sobě je systémem, který vám umožňuje jednoduše zaznamenat vaši pozici (to už je dobře...) Je to systém nalezení polohy anebo lokalizace (což je synonymum). Jeho název je ostatně Globální Poziční Systém (Global Positioning System) ¾ Systém funguje pomocí satelitních fotografií Absolutně ne! Satelity GPS nejsou satelity SPOT...(evropské družice pro dálkový průzkum Země). Systém GPS je založen na měření vzdáleností mezi příjímačem a několika satelity a za pomoci jednoduchých geometrických výpočtů určuje jeho polohu na zeměkouli. ¾ Systém GPS je "velký bratr" (big brother), který vás může lokalizovat, aby vás špehoval Chyba! Přijímač GPS je čistě pasivní a nic nevysílá. Pouze satelity GPS jsou aktivní a "zasypávají" uživatele svými signály (2 nosné vlny o velmi vysoké frekvenci nesoucí zprávu a binární kódy, které umožňují přijímači změřit jejich vzdálenost k satelitům). Jste to vy, kteří se lokalizujete ve vztahu k satelitům, které samy jsou přesně lokalizovány v globální souřadnicové soustavě vztažené na zeměkouli. Odtud název Globální Poziční Systém. ¾ Velice přesný GPS je rezervován pro vojenské účely Také špatně! Nejpřesnější přijímače GPS byly vyprojektovány geodety a jsou zásadně používány civilními osobami. Jde o duální přijímače, které zpracovávají fázi signálu různým způsobem. To umožňuje dosáhnout přesnosti řádu několika centimetrů v reálném čase a "polechtat" i milimetry, je-li čas zpracovat značný počet měření v delším období. Jedinou výhodou, kterou měly americké vojenské kruhy (projektanti a vlastníci systému) a jejich
1
spojenci, je, že měly přístup k přesnějšímu kódu, nežli je kód "civilní", který jim poskytoval větší přesnost při použití jediného přijímače v reálném čase (l m namísto obvyklých 5 m). ¾ GPS je systémem, za který se musí platit Nikoliv!... Signály GPS jsou absolutně zdarma. Platí se jenom za přijímače a není nutná žádná forma předplatného. Neobávejte se o finanční zdraví federálního amerického státu, který je tak štědrý; náklady systému jsou už bohatě uhrazeny z daňových výnosů průmyslových výrobců přijímačů a satelitů. ¾ GPS slouží jenom k tomu, aby byla provedena lokalizace Stále špatně!... Satelity GPS jsou vybaveny mimořádně přesnými atomovými hodinami pro tato famózní měření vzdáleností, která jsou založena na měření doby letu vln a nezáleží na tom, který přijímač GPS to je, protože vzhledem k faktu, že kromě své pozice vypočítává i posun svých hodin vůči hodinám na satelitu, může být sám považován za atomové hodiny.... Nejstrategičtější aplikace GPS jsou ostatně takové, které používají této funkce hodin jako synchronizačních systémů telekomunikačních sítí anebo burzovních systémů. GPS má mnoho forem Systém GPS je komplexním systémem, který je používán v různých formách. Jak už bylo uvedeno, satelity GPS vysílají na dvou frekvencích: L1 a L2. Vlna L1 nese méně přesný civilní kód (C/A) a přesný vojenský kód (kód P). Vlna L2 nese jenom kód P. Kódy jsou binárními, pseudo-aleatorickými kódy (1 nebo 0), které otáčejí sinusové fáze o 180° na každém přechodu mezi 0 a 1. "Satelitní zpráva" existuje na dvou vlnách a přenáší na přijímač uživatele určitý počet informací nezbytných k tomu, aby mohl provést svůj výpočet (na satelitech, na přenosu signálu atd.). Přijímače (civilní) mají elektronické obvody a systémový software (firmware), více nebo méně sofistikované, které umožňují dostat se buď: - jedině ke kódu C/A na L1 - jenom ke kódu C/A a k fázi L1 - ke kódu C/A a ke 2 fázím na L1 a L2 - ke kódu C/A, ke kódu P na L2 (eventuálně L1) a ke 2 fázím L1 a L2 Tato kódová anebo fázová měření se provádějí paralelně na několika "kanálech", z nichž každý zpracovává signál z jediného satelitu. Zpravidla jich bývá 8 až 12. Dále pak pro četné aplikace, které vyžadují vyšší přesnost, se používá často diferenciální GPS, to znamená, že se používají nejenom signály zachycené přijímačem ze satelitní sítě, ale i z pevných stanic s přesně definovanou polohou. Tato poznámka se může vztahovat na projekt sítě GPS, kdy má "mobilní přijímač" užitek nejenom z jedné základny, ale i ze sítě fixních vysílačů. Diferenciálu se může ovšem používat v reálném čase (forma, která nás zvláště zajímá v tomto článku) anebo v delším období. V případě, že jde o měření v reálném čase, kdy přijímače použijí jenom jednoho kódu, jsou informace předané základnou na mobilní přijímač jednoduchými "korekturami", které zvyšují přesnost měření vzdáleností ze satelitů. 2
Jestliže to jsou přijímače, které využívají hlavně fázi signálů, je zpracování komplexnější a je potřeba předat na mobil všechna měření, a to vyšší rychlostí, což způsobuje problémy s kapacitou přenosu dat. Tato forma použití je obecně nazývána "RTK" (Real Time Kinematic). Dále pak algoritmy, které mají řešit komplexní rovnice z měření provázeného silným šumem, jsou často neúspěšné už v počáteční fázi vzhledem k určité vzdálenosti mezi základnou a mobilem, řádově od 15 do 20 km. Tyto aspekty přenosu a výpočtu způsobují, že tato forma výpočtu, ačkoliv je velmi zajímavá, neboť je velice precizní, je ještě dost choulostivá z hlediska využití. Výsledky výzkumu, které by umožnily zredukovat tato omezení, by byly velice vítané. GPS poskytuje mnohé služby silniční dopravě GPS může být využíván ve všech fázích stavby silnic a provozování silniční dopravy: při zpracování studií, při jejich realizaci i při vlastním provozu, což jsou téměř všechny možnosti jeho použití. Studie GPS je stále více využíván jako nástroj topografie při vyměřování terénu duálním způsobem, diferenciálním v této fázi, v čase pozdějším nebo v čase reálném. Geometři mají ve zvyku, že se spokojí jenom s tím, co má význam z hlediska času a jednoduchosti použití. Přesnost od 1 do 3 cm tady bohatě postačuje. Realizace Také tady u všech operací při zakládání a řízení stavby silnic zapojení GPS dobře nahrazuje tradiční optické nástroje, ovšem s výhradou, že jeho přesnost stanovení výšky typicky od 2 do 3 cm - způsobuje, že nivelační přístroje a tacheometry zůstávají ještě nezbytné pro kontrolu nivelety silničních vrstev. Novým a větším využitím GPS je jeho integrace do systému automatického doprovázení vozidel. Historicky začalo automatické doprovázení vozidel se systémy altimetrických referencí především nataženým drátem, potom s použitím laseru. Později se zkoušela automatizace laserových systémů, ale bez opravdového úspěchu. Příčinou bylo obtížné dosažení spolehlivé rovinné polohy nutné k vytvoření výškové značky. Pak se vyvinuly výkonnější systémy používající plně robotizovaných stanic schopných přesně udat potřebné souřadnice šířky a výšky. Pouze totální stanice ponechávají topografické nástroje na základně a jejich používání je ještě zpola ruční vzhledem k nutnosti přemísťovat stanice postupně spolu s tím, jak pokračuje stavba, čímž se ještě zvyšují rizika lidských omylů. GPS se svými kvalitami, spočívajícími v jeho globálnosti - pokrytí celého povrchu zeměkoule - a mohutnosti, se projevil také jako ideální kandidát pro poskytování pozičních informací pro tyto systémy. Několik podstatných informací o tomto způsobu použití GPS bylo už popsáno ve sloupcích uvedených výše. Citlivé regulační zařízení GMT Terrassement se ukázalo díky specifickému filtrování údajů GPS a mnohočetnému přenosu signálů ze satelitů jako schopné srovnat zemní vrstvy s přesností řádově v centimetrech. Hlavní slabinou GPS u této formy použití zůstává stále nedostatečná výšková přesnost u operací, při kterých se upravuje silniční plán. Probíhající výzkumné práce ke zvýšení této přesnosti, spjaté perspektivně s modernizací signálů GPS a se zaváděním "malého evropského bratříčka" GPS - systému Galileo - budou už před koncem tohoto desetiletí zastaralé.
3
Využití Ve fázi používání GPS mění svoji kůži a nachází se hlavně uvnitř systémů lokalizace a navigace. Pro správu silnic vytváří přesný nástroj k rychlému a přesnému sběru potřebných informací, které je zapotřebí průběžně zpracovávat. V této aplikaci je využívána hlavně přirozená forma, která se uplatňuje od dubna r. 2000. K tomuto datu Američané dezaktivovali záměrnou degradaci údajů (SA)1. Přesnost v měřítku řádově do 3 cm (95%) je ve většině případů postačující. Tam, kde je požadována větší přesnost, například k tomu, aby bylo možno jednoznačně stanovit trasu anebo udat přesnou polohu, se používá systémů DGPS, které využívají korekčních služeb geostacionárních družic anebo pozemních národních sítí, které šíří opravné informace pomocí radia FM. Samozřejmě, že pro uživatele je GPS dobře známý, protože ho často zaměňují se svými oblíbenými navigačními systémy. Těchto systémů však není ve skutečnosti ve Francii mnoho, protože jsou považovány za příliš drahé, na rozdíl od Japonska, kde už bylo prodáno více než 20 milionů systémů. GPS je už přítomen v některých informačních systémech pro cestující hromadnou dopravou (autobusy), poskytovaných jim před odjezdem (v době čekání) a během jejich přepravy (v popisu trasy), stejně tak jako v řídících systémech taxislužby. Studují se i četné jiné formy využití, které budou zavedeny, až budou technicky dozrálé a až bude připraven jejich legislativní rámec. Jako příklady je možno uvést : ♦ v rámci služeb uživatelům: • GPS napojením na radiotelefon - GSM, GPRS - tvoří jednu z možných základen pro zpoplatnění používání silnic (RUC: Road user charging). Na tento systém, vyzkoušený v Hongkongu, se pohlíží v Německu jako na "elektronickou známku" pro těžká nákladní vozidla anebo v Nizozemsku a ve Velké Británii jako na formu mýtného (telepeage) pro některé lokality; • georeferenční informace vztahující se k dopravě; • přesná lokalizace pro asistenční systémy u doprovázené přepravy; ♦ v oblasti bezpečnosti a životního prostředí: • automatické volání v případě nehody s přesnou lokalizací místa nehody; • sledování ukradených vozidel; • sledování přepravy nebezpečných anebo strategických nákladů; • kontrola dodržování stanovených pravidel, pokud jde o rychlost, ochranu životního prostředí atd.; ♦ ve věci logistiky: • sledování majetku a zboží během tranzitu a optimalizace jejich logistiky; • optimalizace jízd dopravců; • informace řidičů hromadné dopravy o pozici ostatních vozidel;
1
Záměrné snižování přesnosti a stability určitých informací předávaných satelity, které způsobovalo, že do května r. 2000 měly civilní osoby méně kvalitní informace než osoby vojenské.
4
• provoz vozidel na odklízení sněhu. Přehled, který je tu uveden, není zdaleka vyčerpávající. Informace o lokalizaci jsou mimořádně cenné pro řadu služeb. Budoucnost lokalizačních systémů za pomoci satelitů Přes svoje velké možnosti ilustrované v předchozích částech článku není GPS univerzálním lékem a četné slabiny stále ještě omezují jeho využití. Stínění Problémy stínění signálů vycházejících ze satelitů jsou zvláště problematické ve městech, kde použitelnost 4 satelitů není obecně větší než 50 %. V komerčních navigačních systémech existují některé triky k potlačení těchto problémů, z nichž hlavní je technika řečená "map matching" (vytvořit rovnocenný ekvivalent mapy). Tato technika spočívá v tom, že místo, které se musí měřit na silnici nebo na ulici, získává z obrazovky navigačního systému informace o poloze jedoucího vozidla (kódér silnice), případně o rychlosti jízdy, které udává gyrometr. Problémy se ovšem silně zmenší, když se znásobí počet satelitů. Existují dva důvody pro to, aby bylo možno doufat, že to bude v příštích letech lepší: - EGNOS, rozšířený evropský systém, který bude možno provozovat už v r. 2003 a který přidá tři geostacionární družice k systémům GPS, přičemž bude vysílat identické signály; - GALILEO, komplexní evropský systém, který by měl přidat koncem tohoto desetiletí asi třicet satelitů interoperabilních se satelity GPS a zvýšit tak významně počet viditelných satelitů. Přenášení údajů mezi základnou a přijímačem Omezení tohoto druhu jsou důležitá v přesných aplikacích typu řízení strojů, kde je nutné přenášet mezi základnou a přijímačem značné množství údajů bez přerušení, aby byla zachována přesnost přenosu diferenciálního GPS. V tomto případě jsou dvě větší příčiny, které snižují přesnost: ztráta signálů ze satelitů, o které se už psalo výše, a ztráta signálů předaných základnou. Tady ještě existují jakési prostředky, založené často na technice hybridizace se stále disponibilními snímači, to znamená v podstatě na technice inerčního typu (gyroskopy a akcelerometry) nebo na odhadu (gyroskopy a odometry). Avšak pro zachování centimetrové přesnosti musí být další snímače na úrovni kompatibilní přesnosti, a ty jsou v důsledku toho za současného stavu technologie ještě velice drahé. Zaváděcí algoritmy Dále pak v těchto velice výkonných formách typu RTK spočívá zavádění v řešení rovnic v počátečních podmínkách, kdy existuje velký počet neznámých (nazývaných ještě " nejasné zaměření"); to vyžaduje zavedení komplexních algoritmů, které jsou obecně neúspěšné, když vzdálenost mezi základnou a mobilem převyšuje určitou hodnotu - zpravidla je to 15 km což limituje použitelnou oblast okolo základny. Pokud jde o tyto algoritmy, zůstává tu ještě možnost významných zlepšení, což působí potěšení nejlepším výzkumným skupinám, které řeší tento problém. Věci se výrazně změní koncem tohoto desetiletí, až systémy Galileo a zmodernizovaný GPS (který nabídne více kapacit, frekvencí a kódů pro civilní uživatele ), naplánovaný Billem Clintonem jako odpověď na "hrozbu" systému Galileo, budou oba provozuschopné a nabídnou
5
společně 6 frekvencí přístupných civilnímu sektoru, což značně usnadní provádění výpočtů ve spojení s důležitými základnami. V daném okamžiku může dojít ke zlepšení situace na základě působení v síti stanic. Tyto stanice umožňují výhodný přístup k informacím ve stejnou dobu, což zlepšuje a zabezpečuje provedení výpočtů a zvyšuje zároveň i jejich krytí. Několik pilotních sítí reálného času je umístěno v "malých" zemích (Švýcarsko) a nebo v některých regionech velkých zemí (Bavorsko v Německu ) s tím, že si v takových případech předávají údaje prostřednictvím celulárního telefonického spojení. Francie disponuje také svou sítí; RGP (stálá síť GPS) byla vyzvána, aby svůj další rozvoj směřovala k síti reálného času. Ostatní sítě lokálnějšího charakteru jsou často zřizovány u příležitosti některých velkých staveb, které mohou takto disponovat vlastní lokalizační infrastrukturou, z čehož mohou mít užitek všichni, kteří se na stavbě podílejí. Bylo tomu tak například na obrovské stavbě mostu spojujícího Malmö s Kodaní. Vícečetné přenosy Vícečetné přenosy signálů ze satelitů jsou těžko předvídatelné a korigovatelné a mohou způsobit závažné chyby ve zvlášť těžkých podmínkách; v případě GPS v kódu a ve zmenšení údajů o několik centimetrů (chyba ne moc velká, přesto však velice nepříjemná). Tady se očekává řešení od konstruktérů a od zdokonaleného zpracovávání nízkoúrovňových signálů. Na vyřešení těchto problémů spolupracuje většina předních konstruktérů s univerzitami, které jsou v tomto oboru nejdále. Závěr GPS je systémem, který má mimořádně veliké možnosti, pokud jde o svět silnic, a to ve všech fázích jejich existence i ve všech formách jejich využití. Od základního GPS, provádějícího přesná měření v navigačních systémech, po GPS RTK, schopného řídit nivelizační práce až na úrovni několika centimetrů na základě svých referencí. Nezůstává toho udělat málo - je to komplexní systém, který má ještě mnoho strukturálních slabin, které omezují v některých případech jeho využití. Nějaká řešení existují anebo se už profilují na horizontě více či méně vzdáleném, aby bylo možno odstranit tyto slabiny: ¾ horší využití v místech stínění může být zlepšeno na základě hybridizace s jinými snímači. Za necelou desítku let také modernizací systému GPS a zavedením nového evropského systému Galileo; ¾ omezení způsobená obtížemi se zahájením řešení v centimetrické soustavě reálného času se díky úsilí výzkumných pracovníků snižují pomalu, ale jistě, a prakticky zmizí, až bude možno disponovat dvakrát větším počtem satelitů, vysílajících větší počet signálů; ¾ očekává se, že pro přesnější aplikace budou stále častěji využívány sítě informačních stanic, dosahující lepších výkonů nežli systémy s jednou jedinou základní stanicí.
Zdroj: RGRA č. 804, březen 2002, s. 28-31 Překlad: Alena Holíková Korektura: ODIS 6
