Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava Hornicko-geologická fakulta GLOBÁLNÍ NAVIGAČNÍ A POLOHOVÉ SYSTÉMY. David VOJTEK

Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava Hornicko-geologická fakulta

GLOBÁLNÍ NAVIGAČNÍ A POLOHOVÉ SYSTÉMY David VOJTEK

Ostrava, 2014

Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava Hornicko-geologická fakulta

GLOBÁLNÍ NAVIGAČNÍ A POLOHOVÉ SYSTÉMY David VOJTEK

Ostrava, 2014

Obsah

Obsah Seznam zkratek .......................................................................................................................VII Seznam obrázků ........................................................................................................................ X Vysvětlivky ................................................................................................................................ 1 1

Historie, současnost a budoucnost lokalizace a navigace ................................................... 2 1.1

Úvod ............................................................................................................................ 2

1.2

Lokalizace přímým měřením ....................................................................................... 4

1.3

Lokalizace nepřímým měřením ................................................................................... 6

1.3.1

Metoda lokalizace pomoci úhloměrných měření ................................................. 7

1.3.2

Metoda lokalizace pomoci dálkoměrných měření ............................................... 7

1.3.3

Metoda kombinovaných měření úhlů a vzdáleností ............................................. 8

1.4

2

Historie lokalizace a navigace ..................................................................................... 9

1.4.1

Navigace podle orientačních bodů ..................................................................... 10

1.4.2

Navigace výpočtem ............................................................................................ 12

1.4.3

Astronomická navigace ...................................................................................... 13

1.4.4

Radiová navigace ............................................................................................... 15

1.4.5

Družicová rádiová navigace ............................................................................... 19

Principy určování polohy s použitím GNSS ..................................................................... 26 2.1

Úvod .......................................................................................................................... 26

2.2

Vysílače v rádiové navigaci a lokalizaci ................................................................... 28

2.3

Metody identifikace vysílače ..................................................................................... 29

2.3.1

Frekvenční dělení ............................................................................................... 29

2.3.2

Kódové dělení .................................................................................................... 29

2.3.3

Časové dělení ..................................................................................................... 30

2.4

Složení signálu ........................................................................................................... 30

2.4.1

Signál složený z nosné vlny ............................................................................... 31

2.4.2

Signál složený z nosné vlny a pseudonáhodného kódu...................................... 31

2.4.3

Signál složený z nosné vlny, pseudonáhodného kódu a navigačních dat .......... 32

2.5

Vybrané metody rádiového určování polohy ............................................................ 33

2.5.1

Metoda Dopplerovská ........................................................................................ 33

2.5.2

Metoda triangulace kombinované měření úhlů a vzdáleností ............................ 35 I

Obsah 2.5.3 2.6

Metoda kódových měření pseudovzdáleností............................................................ 37

2.6.1

Ideální případ měření vzdálenosti metodou TOA .............................................. 37

2.6.2

Reálná měření vzdálenosti metodou TOA ......................................................... 41

2.6.3

Určování polohy měřením pseudovzdálenosti ................................................... 46

2.6.4

Přesnost pseudovzdáleností odvozených z kódových měření ............................ 51

2.7

Metoda měření fázových pseudovzdáleností ............................................................. 51

2.7.1 3

Přesnost pseudovzdáleností odvozených z fázových měření ............................. 55

Komponenty obecné architektury GNSS .......................................................................... 62 3.1

Úvod .......................................................................................................................... 62

3.2

Segmenty ................................................................................................................... 64

3.2.1

Kosmický segment ............................................................................................. 64

3.2.2

Řídicí segment .................................................................................................... 66

3.2.3

Uživatelský segment .......................................................................................... 69

3.3

Prostorový referenční rámec ...................................................................................... 70

3.3.1

Terestrický referenční systém ............................................................................ 70

3.3.2

Geoid .................................................................................................................. 72

3.4

Časový referenční rámec ........................................................................................... 73

3.5

Signály ....................................................................................................................... 75

3.5.1

Nosná vlna .......................................................................................................... 77

3.5.2

Pseudonáhodný (dálkoměrný) kód ..................................................................... 78

3.5.3

Navigační zpráva ................................................................................................ 81

3.6 4

Metoda multilaterace .......................................................................................... 36

Služby ........................................................................................................................ 83

GPS Navstar ...................................................................................................................... 94 4.1

Historie ...................................................................................................................... 95

4.2

Kosmický segment GPS ............................................................................................ 99

Konstelace ........................................................................................................................ 99 4.2.1 4.3

Družice ............................................................................................................. 104

Řídicí segment GPS ................................................................................................. 105

4.3.1

Hlavní řídicí stanice ......................................................................................... 107

4.3.2

Stanice pro komunikaci .................................................................................... 108

4.3.3

Monitorovací stanice ........................................................................................ 109

4.3.4

Modernizace řídicího segmentu ....................................................................... 111 II

Obsah 4.4

Prostorový referenční rámec GPS ........................................................................... 112

4.5

Časový referenční rámec GPS ................................................................................. 114

4.5.1

GPS čas ............................................................................................................ 114

4.5.2

Družicový čas ................................................................................................... 117

4.6

4.6.1

Původní signály ................................................................................................ 119

4.6.2

Modernizované signály .................................................................................... 128

4.7

5

Navigační signály a jejich modernizace GPS .......................................................... 118

Služby GPS .............................................................................................................. 134

4.7.1

Standardní polohová služba SPS ...................................................................... 134

4.7.2

Přesná polohová služba .................................................................................... 141

GLONASS ...................................................................................................................... 153 5.1

Historie .................................................................................................................... 153

5.2

Kosmický segment GLONASS ............................................................................... 158

5.3

Řídicí segment GLONASS ...................................................................................... 161

5.3.1

Systémové řídicí středisko ............................................................................... 164

5.3.2

Rozšířené stanice .............................................................................................. 164

5.3.3

Centrální synchronizační jednotky ................................................................... 165

5.3.4

Stanice pro telemetrii, sledování a povelové stanice ........................................ 165

5.3.5

Stanice pro komunikaci .................................................................................... 165

5.3.6

Monitorovací stanice ........................................................................................ 166

5.4

Prostorový referenční rámec GLONASS ................................................................ 166

5.5

Časový referenční rámec GLONASS ...................................................................... 169

Systémový čas GLONASS............................................................................................. 169 5.5.1 5.6

Navigační signály a jejich modernizace GLONASS ............................................... 170

5.6.1

Původní signály ................................................................................................ 172

5.6.2

Modernizované signály .................................................................................... 179

5.7 6

Družicový čas ................................................................................................... 170

Služby GLONASS ................................................................................................... 181

Galileo ............................................................................................................................. 185 6.1

Historie .................................................................................................................... 185

6.2

Kosmický segment Galileo ...................................................................................... 188

6.3

Pozemní segment Galileo ........................................................................................ 189

6.3.1

Řídicí stanice .................................................................................................... 190 III

Obsah 6.3.2 6.4

Prostorový referenční rámec Galileo ....................................................................... 196

6.5

Časový referenční rámec Galileo ............................................................................ 198

6.6

Navigační signály Galileo ....................................................................................... 199

6.6.1

Signál E1 .......................................................................................................... 200

6.6.2

Signál E5 .......................................................................................................... 200

6.6.3

Signál E6 .......................................................................................................... 201

6.6.4

Navigační zprávy.............................................................................................. 202

6.7

7

8

Galileo Sensor Station ...................................................................................... 195

Služby Galileo ......................................................................................................... 205

6.7.1

Open Service .................................................................................................... 205

6.7.2

Commercial Service ......................................................................................... 206

6.7.3

Public Regulated Service ................................................................................. 207

6.7.4

Integrity Monitoring Service ............................................................................ 208

6.7.5

Search and Rescue Service ............................................................................... 209

COMPASS ...................................................................................................................... 211 7.1

Historie .................................................................................................................... 211

7.2

Kosmický segment COMPASS ............................................................................... 213

7.3

Další informace o systému COMPASS ................................................................... 214

7.3.1

Řídicí segment COMPASS .............................................................................. 215

7.3.2

Prostorový referenční rámec a časový referenční rámec COMPASS .............. 215

7.3.3

Služby COMPASS ........................................................................................... 216

Formáty a komunikační protokoly GNSS ....................................................................... 217 8.1

Úvod ........................................................................................................................ 218

8.2

Protokoly pro přenos dat v reálném čase ................................................................. 220

NMEA 0183 ................................................................................................................... 220 8.2.1

Protokoly RTCM-SC104.................................................................................. 225

8.2.2

Transportní protokol Ntrip ............................................................................... 229

8.3

9

Formáty pro výměnu a archivaci dat ....................................................................... 233

8.3.1

RINEX .............................................................................................................. 233

8.3.2

Přesné efemeridy .............................................................................................. 240

8.3.3

Almanachy. ...................................................................................................... 241

Faktory ovlivňující přesnost určení polohy metodou GNSS .......................................... 249 9.1

Úvod ........................................................................................................................ 250 IV

Obsah 9.2

Rozdělení faktorů chyby pseudovzdáleností podle zdroje ...................................... 251

9.3

Faktory na straně kosmického a řídicího segmentu ................................................. 255

9.3.1

Platnost a přesnost modelu hodin družic .......................................................... 255

9.3.2

Platnost a přesnost efemerid ............................................................................. 259

9.3.3

Řízení přístupu k signálům družic .................................................................... 261

9.3.4

Stav družic ........................................................................................................ 267

9.3.5

User Range Accuracy ....................................................................................... 270

9.4

Faktory při šíření signálů prostorem ........................................................................ 270

9.4.1

Ionosférické zpoždění ...................................................................................... 270

9.4.2

Troposférické zpoždění .................................................................................... 276

9.4.3

User Range Error (GPS) ................................................................................... 279

9.5

Faktory na straně uživatelského segmentu .............................................................. 279

9.5.1

Vícecestné šíření signálua zastínění ................................................................. 279

9.5.2

Šum přijímače a jeho rozlišovací schopnost .................................................... 283

9.5.3

Chyba hodin přijímače ..................................................................................... 283

9.5.4

User Equipment Error (GPS) ........................................................................... 284

9.6

User Equivalent Range Error (GPS) ........................................................................ 285

9.7

Geometrický faktor působící na přesnost určení polohy, rychlosti a času - DOP ... 286

10 Zpřesňování polohy a času určených metodou GNSS .................................................... 298 10.1

Úvod ..................................................................................................................... 298

10.2

Klasifikace metod podle způsobu určení polohy ................................................. 301

10.2.1 Absolutní určování polohy ............................................................................... 301 10.2.2 Relativní určování polohy ................................................................................ 302 10.3

Klasifikace podle času aplikace korekcí .............................................................. 302

10.3.1 Real-time korekce ............................................................................................ 303 10.3.2 Korekce post-processing .................................................................................. 304 10.4

Reprezentace chyb pseudovzdálenosti v korekcích ............................................. 304

10.4.1 Reprezentace chyb v doméně měření pseudovzdálenosti (Observation Space Representation)............................................................................................................... 305 10.4.2 Reprezentace chyb ve stavové doméně (State Space Representation) ............. 306 10.5

Povaha zdrojů chyb měření .................................................................................. 307

10.5.1 Chyba hodin družic .......................................................................................... 307 10.5.2 Chyba efemerid ................................................................................................ 308 10.5.3 Chyba troposféry .............................................................................................. 310 V

Obsah 10.5.4 Chyba ionosféry ............................................................................................... 311 10.5.5 Šum přístroje a vícecestné šíření signálů ......................................................... 313 10.6

Klasifikace metody DGNSS podle dosahu korekcí ............................................. 313

10.6.1 Korekce DGNSS lokálního dosahu (single base korekce) ............................... 314 10.6.2 Korekce DGNSS regionálního dosahu ............................................................. 315 10.6.3 Korekce DGNSS velkoplošného rozsahu ........................................................ 316 10.7

Sítě RTK .............................................................................................................. 318

10.7.1 Proces sestavení korekcí RTK.......................................................................... 319 10.8

Diferenční metody pro relativní určování polohy ................................................ 321

10.8.1 Jednoduché diference ....................................................................................... 322 10.8.2 Dvojité diference .............................................................................................. 323 10.9

Typy korekcí sestavovaných v RTK sítích .......................................................... 325

10.9.1 MAC ................................................................................................................. 325 10.9.2 VRS .................................................................................................................. 326 10.9.3 FKP................................................................................................................... 327 Metody zpřesnění autonomních měření ............................................................................. 328 10.9.4 Průměrování získaných poloh .......................................................................... 328 10.9.5 Precise Point Positioning .................................................................................. 329 Klíč 338 Seznam literatury.................................................................................................................... 339

VI

Seznam obrázků

Seznam zkratek A-S

Anti-Spoofing

ASCII

The American Standard Code for Information Interchange

AUIB

Astronomical Institute at the University of Bern

BINEX

BINary EXchange

BMSC

Backup Master Control Station

BSNS

BeiDou Satellite Navigation System

CDMA

Code Division Multiple Access

CMR

The Compact Measurement Record

CNAS

China National Space Administration

CSNO

China Satellite Navigation Office

CORS

Continuously Operating Reference Station

CPF

Central Processing Facility

DGNSS

Differential Global Navigation Satellite System

DGPS

Differential Global Positioning System

EDGE

Enhanced Data rates for GSM Evolution

EUREF

European Reference Frame

FOC

Full Operational Capabilities

FKP

Flaechen-Korrektur-Parameter

GA

Ground Antenna

GBAS

Ground Based Augmentation System

GEO

Geosynchronous Equatorial Orbit / Geostationary Earth Orbit

GJU

The Galileo Joint Undertaking

GLONASS

Global Navigation Satellite System

GNSS

Global Navigation Satellite System

GPRS

General Packet Radio Service

GPS

Global Positioning System

GSM

Groupe Spécial Mobile

HAE

Height Above Ellipsoid

HEO

Highly Elliptical Orbit

ICD

Interface Control Document VII

Seznam obrázků IGS

International GNSS Service

IGSO

Inclined Geostationary Orbit

IOC

Initial Operational Capabilities

IONEX

The Ionosphere Map Exchange

JHU/APL

Johns Hopkins Applied Physics Laboratory

JPO

Join Program Office

JPL

Jet Propulsion Laboratory

L-AII

Legacy Accuracy Improvement Initiative

LORAN

Long Range Navigation

MAC

Master Auxiliary Concept

MEO

Medium Earth Orbit

MS

Monitoring Station

MSC

Master Control Station

NANU

Notice Advisory to Navstar Users

NRSCC

The National Remote Sensing Centre of China

NAVSAT

Navy Navigation Satellite System

NGA

National Geospatial-Intelligence Agency

NMEA

the National Marine Electronics Association

NTRIP

Networked Transport of RTCM via Internet Protocol

OS

Open Service

PDOP

Positional Dilution of Precision

PPP

Precise Point Positioning

PRN

Pseudorandom Noise

PPS

Precise Positioning Service

RINEX

Receiver Independent Exchange Format

RTCM

The Radio Technical Commission for Maritime Services

RTK

Real Time Kinematic

SA

Selective Availability

SAR

Search and Rescue

SBAS

Satellite Based Augmentation System

SNR

Signal Noise Ration

SOL

Safety-of-Life

SP3

Standard Product 3 VIII

Seznam obrázků SPS

Standard Positioning Service

SRF

Spatial Referential Frame

TOA

Time of Arrival

TCP/IP

Transmission Control Protocol/Internet Protocol

QZSS

Quasi-Zenith Satellite System

TEC

Total Electron Content

TLE

Two Line Elements

UMTS

Universal Mobile Telecommunication System

UNAVCO

University NAVSTAR Consortium

URL

Uniform Resource Locator

UTC

Coordinated Universal Time

VRS

Virtual Reference Station

WGS-84

World Geodetic system 1984

IX

Seznam obrázků

Seznam obrázků Obrázek 1-1

Nepřímé určení polohy úhloměrnou metodou. ................................................. 7

Obrázek 1-2

Nepřímé určení polohy kombinovanou úhloměrnou a dálkoměrnou metodou 8

Obrázek 1-3

Nepřímé určení polohy dálkoměrnou metodou. ............................................... 8

Obrázek 1-4

Geometrické znázornění metody multilaterace. ............................................. 17

Obrázek 1-5 Pokrytí navigačním signálem systému LORAN-C v Atlantické a Pacifické oblasti. (DoD, 2006) ................................................................................................................. 18 Obrázek 2-1

Geometrické určení polohy trilaterací v rovině. ............................................. 38

Obrázek 2-2

Geometrické určení polohy trilateraci v prostoru. .......................................... 40

Obrázek 2-3

Vliv geometrického uspořádání vysílačů na chybu určení polohy. ................ 46

Obrázek 2-4

Polohový vektor uživatele. ............................................................................. 47

Obrázek 2-5

Vztahy mezi měřenými vzdálenostmi a časováním dálkoměrného kódu. ...... 49

Obrázek 3-1 Schéma segmentů GNSS a jejich vybraných částí včetně toku komunikace mezi segmenty a jejich vybranými částmi. .............................................................................. 63 Obrázek 3-2 Vyjádření trojrozměrné polohy bodu v TRF prostřednictvím geocentrických kartézských souřadnic a pomocí geodetických zeměpisných souřadnic. ................................. 71 Obrázek 3-3 Undulace elipsoidu WGS-84 a geoidu EGM-96. Fialová barva znázorňuje absolutní hodnotu maxima pozitivní hodnoty undulace. Červená barva znázorňuje absolutní hodnoty maxima negativní undulace. ....................................................................................... 73 Obrázek 3-4 Ilustrační schéma srovnání dlouhých a krátkých PRN kódu a rychlých a pomalých PRN kódů. ............................................................................................................... 79 Obrázek 4-1

Přehled historie GPS 1973 - 1995 .................................................................. 95

Obrázek 4-2

Přehled historie GPS 1995 - 2010 .................................................................. 97

Obrázek 4-3

Oběžná dráha družice GPS PRN-17 za 24 hodin - 24. února 2010 .............. 102

Obrázek 4-4

Celá konstelace kosmického segmentu GPS - 10. března 2014 v 12:00 UTC 103

Obrázek 4-5

Rozmístění stanic řídicího segmentu po roce 2008 (duben 2014). ............... 106

Obrázek 4-6

Systém řízení operací GPS. Převzato a překresleno z (DoD, 2008). ............ 107

Obrázek 4-7

Referenční elipsoid WGS 84. Epocha realizace 1984.0 BHI ....................... 113

Obrázek 4-8 01-06).

Oznámení přestupné sekundy a hodnoty rozdílu UTCUSNO a GPS času (2012116

Obrázek 4-9

Původní signály GPS (blok II, IIA, IIR). ...................................................... 119 X

Seznam obrázků Obrázek 4-10 Struktura navigační zprávy GPS pro signály SPS a PPS.............................. 127 Obrázek 4-11 Modernizované signály GPS (blok IIR-M, IIF). .......................................... 129 Obrázek 5-1

Přehled historie GLONASS 1970 – 2012..................................................... 155

Obrázek 5-2

Oběžná dráha družice COSMOS 2419 (714) za 24 hodin - 24. února 2010. 160

Obrázek 5-3 UTC.

Celá konstelace kosmického segmentu GLONASS - 10. března 2014 v 12:00 161

Obrázek 5-4

Rozmístění stanic řídicího segmentu GLONASS (duben 2014). ................. 162

Obrázek 5-5

Referenční elipsoid PZ-90. Epocha realizace 1990.0 BHI. .......................... 167

Obrázek 5-6

Současné signály GLONASS (GLONASS-M) ............................................ 173

Obrázek 5-7 Struktura navigační zprávy GLONASS pro C/A-kód (signály OF). Převzato a upraveno z (RIOSDE, 2008). ................................................................................................. 178 Obrázek 6-1

Rozmístění stanic pozemního segmentu Galileo (duben 2014). .................. 194

Obrázek 6-2

Signály Galileo ............................................................................................. 199

Obrázek 8-1

Struktura GGA věty NMEA 0183. Zdroj (Dale, 2006). ............................... 223

Obrázek 8-2

Historie vývoje standardu RTCM SC-104. .................................................. 227

Obrázek 8-3 Popis obsahu vět RTCM SC-104 v2.3 a v3.0. Převzato a upraveno z (Kaplan, a další, 2005). 228 Obrázek 8-4 Zdrojová tabulka (SourceTable) NtripCasteru http://ntrip.vsb.cz:2010 s popisem struktury řetězce zdroj VSBO-DGNSS. ................................................................ 231 Obrázek 8-5 přístrojům.

Programové komponenty Ntrip a jejich vzájemné vazby a vztah ke GNSS 232

Obrázek 8-6 Konvence tvorby názvů souborů RINEX v2.X. Zdroj (IGS, RINEX WGP, RTCM-SC104, 2013). ............................................................................................................ 236 Obrázek 8-7 Konvence tvorby názvů souborů RINEX v3.X. Zdroj (IGS, RINEX WGP, RTCM-SC104, 2013). ............................................................................................................ 239 Obrázek 9-1 Polohová chyba SPS bezprostředně před a po vypnutí selektivní dostupnosti. Zdroj (DoD, 2001). ................................................................................................................. 266 Obrázek 9-2

Profil ionosféry. Převzato a přeloženo z (Kaplan, a další, 2005). ............... 272

Obrázek 9-3 DOP.

Vliv geometrického uspořádání družic na snížení polohové přesnosti měření 287

Obrázek 10-1 Zformování dvou jednoduchých diferencí. .................................................. 323

XI

Vysvětlivky

Vysvětlivky Abstrakt kapitoly

Důležité informace a definice k zapamatování.

Poznámky, zajímavosti a příklady.

! i

Průběžný text kapitoly, pro provázání obsahu kapitoly. Číslo otázky Typ otázky. Text otázky

?

Poznámky:

1

Historie, současnost a budoucnost lokalizace a navigace

1


V této kapitole se seznámíte s rozdílem mezi lokalizaci a navigaci a s vysvětlením obou pojmů. Důraz bude kladen na popis základních metod tzv. nepřímé lokalizace, která je základem všech dnes existujících globálních družicových navigačních systémů. V kapitole budete seznámeni s historií vývoje prostředků pro navigaci a lokalizaci, od metod navigace a lokalizace podle orientačních bodů, přes navigaci výpočtem, astronomickou navigaci, až po moderní metody rádiové a družicové navigace.

Odhadovaný čas

1.1

120 minut

Úvod

Už od počátku historie člověka, byla jednou z klíčových schopností člověka jako druhu, schopnost zorientovat se v krajině, určit svou polohu a umět se dostat bezpečnou nebo známou cestou z jednoho místa do místa druhého. Krajina a prostředí, ve kterém se člověk pohyboval, se s vývojem lidstva měnilo a s tím se měnily také nároky na přesnost určování polohy a přesnost navigace.

Poznámky:

2


Lokalizace a navigace Lokalizaci je myšleno určování jednoznačné polohy v prostoru. Navigaci je označováno umění dostat se z jednoho místa na druhé po vytýčené trase.

!

Ačkoliv se budeme primárně zajímat především o družicovou radiovou lokalizaci (dále také popisovanou jako rádio lokalizaci), a družicovou rádiovou navigaci (dále také jako rádio navigaci), seznámíme se i s vývojem a historií navigace a lokalizace. Ve vztahu metod navigace a lokalizace platí, že ne všechny metody vhodné pro lokalizaci jsou automaticky vhodné pro účely navigace. Naopak metody navigace mohou, v přesnostech vyplývajících z dané metody, dobře sloužit i pro lokalizaci (Rapant, 2002). Zatímco pro lokalizaci, je zpravidla hlavním kritériem dosažení požadované polohové přesnosti lokalizace, v případě navigace existují dvě kritéria. Těmi jsou:  

polohová přesnost lokalizace v průběhu navigace a čas potřebný pro určení aktuální polohy.

Nároky na polohovou přesnost navigace jsou dané typem navigační úlohy, která je právě řešená a prostředím ve kterém navigaci uskutečňujeme. Rozdílná přesnost navigace je požadovaná při; navigaci lodi na otevřeném moři, při cestě lodi průplavem, nebo při plavbě v přístavu. Čas potřebný pro zjištění polohy je dán rychlostí, kterou se pohybuje navigovaná osoba nebo pro prostředek. Extrémními příklady navigace je navigace dělostřeleckých granátů nebo raketových zbraní.

i

Rozdíl mezi lokalizaci a navigaci spočívá také v množství informací, které v procesu lokalizace nebo navigace získáváme.

Poznámky:

3

Historie, současnost a budoucnost lokalizace a navigace Při lokalizaci se snažíme, s definovanou přesností, určit 2D nebo 3D polohu. Při navigaci je určení polohy jen jeden kus informace, která je nezbytná pro úspěšnou navigaci. Dalšími významnými informacemi jsou čas, rychlost pohybu a směr pohybu. Lokalizaci můžeme provádět různě přesnými metodami. Zde platí nepřímá úměra mezi polohovou přesnosti určení polohy a časovou náročnosti zjištění polohy. Například velmi přesná lokalizace geodetickými metodami, s polohovou přesností v řádech prvních milimetrů nebo centimetrů, je na úkor času, potřebného pro změření potřebných veličin a výpočtu výsledné polohy. Z toho důvodu nejsou metody geodetické lokalizace vhodné pro navigaci, která je v čase dynamická, a přitom nevyžaduje míru přesnosti, jakou poskytují metody geodezie.

1.2

! i

Lokalizace přímým měřením

Metody přímého měření polohy zahrnuji odměření polohy v definovaném prostorovém referenčním rámci (pro zjednodušení souřadnicovém systému) na základě matematických pravidel pro přidělení souřadnic bodům v daném souřadnicovém systému.

!

Například budeme-li provádět lokalizaci přímým měřením polohy podél vodního toku, který definuje liniový souřadnicový systém s počátkem ústí vodního toku do vodního toku vyššího řádu, můžeme polohu bodu v blízkosti vodního toku určit, jako vzdálenost změřenou proti proudu vodního toku.

i

V závislosti na požadované přesnosti, můžeme používat různé prostředky, jak budeme vzdálenost odměřovat. Vzdálenost můžeme měřit délkou našeho kroku, nebo můžeme zvolit kalibrované měřidlo pro měření v terénu, nebo použit měřidlo

Poznámky:

4

Historie, současnost a budoucnost lokalizace a navigace k odměření vzdálenosti nad vhodným leteckým snímkem. Bod bude v tomto případě jednoznačně lokalizován přímým měřením. Budeme-li chtít odměřit polohu bodu v rovině, náš úkol se bude komplikovat s narůstající velikosti zájmové oblasti, kde bude poloha bodu odměřována. Máme-li například provádět lokalizaci osoby v rozsahu jedné místnosti, ve dvourozměrném kartézském souřadném systému, pak si pro účely lokalizace v místnosti s obdélníkovým půdorysem zvolíme počátek kartézského souřadnicového systému v jednom z rohu místnosti. Delší ze stěn, procházející zvoleným počátkem, bude v místě průsečíku s podlahou tvořit osu X. Kratší stěna, která je kolmá na delší stěnu a prochází počátkem zvoleného souřadnicového sytému, tvoří, v místě průsečíku s podlahou, osu Y. Polohu jakéhokoli objektů v místnosti můžeme snadno zjistit, přímým odměřením vzdálenosti objektů od počátku zvoleného souř. systému podél os X a Y.

i

Koncept popsaný v předchozím příkladu bude dobře fungovat v malé zájmové oblasti, kde bude zajištěna dobrá viditelnost a přístupnost os a počátku realizovaného souřadnicového systému. Při zvětšení rozsahu zájmové oblasti, nebude už přímá metoda odměření souřadnic, měřených bodů použitelná. To především s ohledem na členitost prostředí a zakřivení zemského povrchu.

Poznámky:

5


1.3

Lokalizace nepřímým měřením

Rozdělení Určení polohy nepřímým měření v definovaném souřadnicovém systému, například kartézském, je založené na měření jiných veličin, než vzdáleností podél os souřadnicového sytému. Nejčastěji se užívají následující tři metody měření polohy: 

metoda úhloměrných měření,



metoda dálkoměrných měření



a kombinovaná metoda úhloměrných a dálkoměrných měření.

Každá metoda lokalizace nepřímými měřeními vyžaduje orientační body, jejichž polohu v daném souřadnicovém systému už známe.

! !

Pro lokalizaci můžeme použít jako orientační body významné prvky krajiny, pro hrubou lokalizaci, nebo uměle vytvořené orientační body, například turistické označníky tras, stabilizované body geodetických sítí, nebo třeba navigační družice pro přesnější lokalizaci a navigaci. Dále popsané metody jsou popisem koncepce lokalizace nepřímým měřením. V praxi jsou realizovány různými prostředky. Všechny moderní metody lokalizace a navigaci využívají nepřímá měření pro určení polohy.

i

Poznámky:

6


1.3.1

Metoda lokalizace pomoci úhloměrných měření

Úhloměrná metoda vyžaduje pro jednoznačnou lokalizaci ve 2D prostu znalost polohy třech orientačních bodů, mezi kterým se měří vzájemné úhly. Pro upřesnění používají se dva orientační body a jeden nulový směr měření, který udává třetí bod.

Při běžné lokalizaci nad turistickou mapou a při navigaci se, jako nulový směr, používá směr ke skutečnému severnímu pólu. Od zvoleného směru jsou, pak zaměřovány úhly ke dvěma dalším orientačním bodům. V nižší geodezii se tato metoda nazývá protínáním z úhlů vpřed.

0°

ω2

!

ω1

Tímto způsobem je možné jednoznačně, geometrickou cestou nebo výpočtem, stanovit polohu bodu, na kterém je měření prováděno. Pro 3D lokalizaci je nutné od směrníku měřit nejen horizontální, ale i vertikální úhly.

Obrázek 1-1 Nepřímé určení polohy úhloměrnou metodou.

1.3.2

Metoda lokalizace pomoci dálkoměrných měření

Dálkoměrná metoda vyžaduje pro jednoznačnou lokalizaci ve 2D i 3D prostoru na zemském povrchu, tři orientační body, od kterých jsou odměřovány vzdálenosti.

!

Poznámky:

7

Historie, současnost a budoucnost lokalizace a navigace Vzdálenosti mohou být stanovené přepočtem měření jiných veličin. Například čas cestování akustického signálů, optického signálů, rádiového signálů. V nižší geodezii se tato metoda nazývá protínáním z délek vpřed.

1.3.3

Metoda kombinovaných měření úhlů a vzdáleností

Kombinovaná metoda vyžaduje pro jednoznačnou lokalizaci v 3D prostoru jeden orientační bod, který určuje nulový směr a dalšího orientační bod pro změření úhlů (horizontálního i vertikálního) a pro měření vzdálenosti.

!

Polohu měřeného bodu je možné, stejně jako v předchozích dvou případech, sestrojit buď geometrickou cestou, nebo stanovit výpočtem.

X2,Y2 X3,Y3

D2

D3

X1,Y1

D1

X1,Y1

ω1

0° D1

Obrázek 1-3 Nepřímé určení polohy dálkoměrnou metodou.

Obrázek 1-2 Nepřímé určení polohy kombinovanou úhloměrnou a dálkoměrnou metodou

Poznámky:

8


1.4

Historie lokalizace a navigace

V průběhu historie byla vytvořená celá řada metod navigace a lokalizace. Vývoj jednotlivých metod byl dán několika faktory.   

Prvním z nich je prostředí, ve kterém byla navigační a lokalizační řešena. Dalším faktorem, který se stal motorem vývoje radionavigačních prostředků, v druhé polovině 20 století, je rychlost navigace a pohybu prostředku, který je navigován. V neposlední řadě mají pro navigaci význam omezení, respektive volnost pohybu a rozměrnost prostoru, ve kterém je pohyb uskutečňován (Rapant, 2002).

V prvopočátcích bylo prostředím navigace omezeno na pevninskou část známého světa. Zemský povrch poskytoval dostatečný počet orientačních bodů, které umožňovaly základní dvourozměrnou navigaci podle orientačních bodů. V případě nedostatků vhodných orientačních bodů, byly vybudovány umělé orientační body. Navigace byla omezená na známé trasy a cesty v dohledu orientačních bodů. S přesunem člověka na moře, nejprve vnitrozemská a pobřežní částí, se navigace podle orientačních bodů stávala problematickou. S příchodem prvních kompasů se začala, od raného 13. Století, rozšiřovat nová metoda navigace tzv. navigace výpočtem (angl. Dead Reconing). Navigace výpočtem byla používána, až do závěru století 19. Postupem času byla navigace výpočtem zpřesňována, s objevy přesnějších prostředků pro měření rychlosti, časů a směru (kurzu) (Peck, 2003). S příchodem systematických astronomických pozorování a konstrukci přesného chronometru a sextantu se začala před začátkem 19. století rozšiřovat nová metoda navigace tzv. astronomická navigace. Astronomická navigace byla známá již dlouhou dobu, ale nebyla používaná jako primární navigační metoda, pro svoji náročnost a nejednoznačnost v určení polohy, která přetrvávala až do doby vynalezení přesného chronometru. Po objevení přesného chronometru a sextantu, umožnila astronomická navigace prakticky neomezenou navigaci na celém zemském povrchu. Určení polohy bylo zcela nezávislé na Poznámky:

9

Historie, současnost a budoucnost lokalizace a navigace záznamech absolvované trasy. Jako orientační body se využívaly nebeská tělesa (slunce, hvězdy a měsíc). S objevením rádiových vln se zanedlouho objevují první radionavigační systémy pro námořní dopravu a jsou položeny základy pozemní radiové navigace. Rozvoj letectví, v době mezi dvěma světovými válkami a v průběhu druhé světové války, znamená přechod do nového prostředí, do vzduchu. Tento přechod vede, k rozvoji radiový navigačních a detekčních systémů, které mají lokální pokrytí. Navigace přechází do trojrozměrného prostoru. Se vstupem lidstva do vesmíru jsou položeny základy družicové radiové navigace. Ta poprvé v historii přináší plně trojrozměrnou navigaci a lokalizaci, pro rychlé pohybující se prostředky s celosvětovým pokrytím. S pronikáním lidstva do podmořského prostředí a rozvoje raketových technologií, se začíná rozvíjet inerciální navigace. Která umožňuje navigací ve specifickém podvodním prostředí, kde není možné spolehlivě používat samostatně jiné metody navigace. Inerciální navigace se používala v éře před družicovou navigací také pro velmi rychlé pohybující se prostředky.

1.4.1

Navigace podle orientačních bodů

Koncept Navigace podle orientačních bodů je nejstarším způsobem navigace. Při navigaci podle orientačních bodů je směr navigovaného objektu určován směry k navigačním bodům v pořadí, ve kterém se na trase jednotlivé navigační body vyskytují.

!

Navigátor si vytýčí trasu a vyrazí směrem k prvnímu orientačnímu bodu, poté co navigátor dorazí, k zvolenému orientačnímu bodu, vyhledá další orientační bod na trase. Postup se opakuje až do doby, než je navigace ukončená v cíli plánované trasy. Trasa může být naplánovaná dopředu (vybrané orientační body), nebo může být trasa vytýčená operativním výběr orientačních bodů během navigace. Poznámky:

10

Historie, současnost a budoucnost lokalizace a navigace Při vedení trasou není vždy nezbytné projít orientačním bodem. Směr vedení k orientačnímu bodu se může dodržovat jen do chvíle, než je dosažená stanovená určitá vzdálenost od orientačního bodu (orientační bod může být nedostupný, například za přírodní překážkou). Následně je vybrán další orientační bod trasy, ke kterému je následně upraven směr pohybu. Pokud je k dispozici vhodná mapa i kompas, je možné provádět navigaci k orientačním bodům, které mohou být mimo optickou viditelnost, s použitím odměření azimutu plánovaného směru pohybu, k dalšímu orientačnímu bodu. Azimut je úhel, který svírá hledaný směr se směrem k severnímu pólu, měřeno po směru hodinových ručiček.

i

Od aktuální polohy stanovené v mapě, odměříme v mapě azimut, k dalšímu orientačnímu bodu plánované trasy. Pokud budeme v dalším postupu sledovat stanovený azimut, dojdeme na dohled k dalšímu orientačnímu bodu. Po dosažení orientačního bodu, se vydáme pod novým azimutem k následujícímu orientačnímu bodu. Aktuální polohu je možné stanovit také prostřednictvím dvou azimutů, odměřených ke dvěma známým orientačním bodům v krajině (Rapant, 2002). Tento postup vyžaduje dobrou znalost prostředí nebo kvalitní mapu s označením významných orientačních prvků krajiny.

!

Volba druhu a počtu orientačních bodů závisí na charakteru krajiny. Za orientační body mohou sloužit, jak přírodní prvky krajiny (vrcholy hor, vodní toky a jejich soutoky, vodní plochy, osamělé stromy v krajině, skály, apod.), tak umělé vytvořené orientační body (různé stavby, majáky, bóje).

Poznámky:

11

Historie, současnost a budoucnost lokalizace a navigace Vizuální navigace podle orientačních bodů je snazší v otevřené krajině s orientačními body. Extrémně náročná je v krajině se souvislým porostem a v kopcovité krajině. V oblastech na zemském povrchu, bez orientačních bodů, jako je poušť nebo hladina oceánu, je navigace podle orientačních bodů, bez použití pomůcek pro stanovení směru (kompasu) nerealizovatelná!

1.4.2

Navigace výpočtem

Navigace výpočtem (angl. Dead Reconing) byla základní metodou navigace na moři až do konce 18. století. Koncepce Navigace je založena na pečlivém vedení záznamů plavby od vyplutí z přístavu tak, aby bylo výpočtem možné sestrojit přesný průběh již absolvované trasy.

!

Při navigaci je nutné vést záznamy o směru plavby (kurzu nebo směru ovlivněném magnetickou deklinací), o rychlosti plavby, o délce plavby ve zvoleném směru a síle a rychlosti mořských proudů. Nahlíženo dnešní optikou, je pro navigaci výpočtem důležitá celá řada přesných instrumentů a znalostí. K důležitým pomůckám patří:    

přesné námořní mapy s vyznačením hloubek a mořských proudů, kompas nezatížený vlivem magnetického severu, přesná zařízení pro měření rychlosti a přesné chronometry.

Poznámky:

12

Historie, současnost a budoucnost lokalizace a navigace V historii však byla navigace výpočtem zcela v rukou navigátorů a závisela více na jejich zkušenosti a umění, než na přesnosti použitých prostředků, které jsou podle našich moderních měřítek, považovány za nepoužitelné. Ačkoliv se často uvádí, jak nepřesná z počátku navigace výpočtem byla, existují důkazy o mistrovství navigátoru, kteří byli schopni, v raném 13. století, realizovat dlouhé plavby na otevřeném oceánu. Při plavbách se používaly magnetické kompasy zatížených magnetickou deklinací a s dělených do pouhých 32 směrů. Rychlost lodi navigátoři a lodivodové stanovovali spíše expertním odhadem, než pomocí důmyslných zařízení a matematicky složitých postupů. Lodivodové byli schopni odhadovat rychlost lodi na základě dlouholeté praxe.

i

Ještě v 15 století, ačkoliv již byly známé principy astronomické navigace, preferovali kapitáni plavbu na otevřeném moři po směru rovnoběžek, aby nemuseli v neznámém prostředí řešit výpočet zeměpisné šířky (Peck, 2003). Navigační instrumenty a prostředky pro metodu navigace výpočtem se začaly zdokonalovat až v průběhu 17. a 18. století. Na konci tohoto období přichází éra nové navigační metody založené na astronomických pozorováních.

1.4.3

Astronomická navigace

Principy astronomické navigace jsou známy už velmi dlouho, přesto se v námořní navigaci prosadily až s příchodem přesných chronometrů v poslední čtvrtině 18. století. Koncepce určení zeměpisné šířky Pokud je známá v daném čase deklinace nebeského tělesa a pozorovatel umí změřit, jak vysoko se těleso nachází nad horizontem, v čase měření, může vypočítat na základě dat almanachu, svou přesnou zeměpisnou šířku.

!

Poznámky:

13

Historie, současnost a budoucnost lokalizace a navigace Základní princip astronomické navigace stojí na kombinaci astronomických observací nebeských těles (hvězd, slunce, měsíce) a přesném měření času (Ifland, 2000). Astronomové v průběhu historie zjistili, že se poloha nebeských těles, se změnou času a polohy pozorovatele na zemi, mění. Změna polohy nebeských těles není náhodná a na základě dlouhodobých pozorování a výpočtů byly v průběhu 17. století byly sestaveny tzv. námořní almanachy (angl. Nautical Almanacs). Almanachy umožňují stanovit polohu jednotlivých nebeských těles na obloze. Pro vybraná tělesa na obloze je možné, z almanachu odvodit jeho deklinaci (hvězdnou zeměpisnou šířku) pro pozorovatele, který se nachází na určitém místě zemského povrchu a provádí observaci tělesa v určitém čase.

i

Pro měření zenitového úhlu nebeských těles se používaly různé nástroje. Postupně byla požívaná celá řada pomůcek, ale až sextant se stal první skutečně universální a spolehlivou pomůckou pro měření elevačního (zenitového) úhlu nebeských těles. Sextant poprvé zkonstruoval John Bird v roce 1759 (Ifland, 2000). Koncepce určení zeměpisné délky S vynálezem přesného chronometru v roce 1764, který sestrojil John Harrison, bylo možné rozšířit určování polohy i o zeměpisnou délku. To se provádělo na základě rozdílů času poledne na referenčním poledníku a lokálním poledníku, kde se mořeplavec právě nacházel. Mořeplavec si na začátku své plavby seřídil svůj chronometr podle času své národní námořní observatoře. Následně mohl mořeplavec během své plavby stanovit změnu zeměpisné délky, vůči místu národní observatoři, jako rozdíl lokálního času (lokálního poledne) a času národního poledníku.

! i

Lokální poledne je čas, kdy je slunce pro pozorovatele na lokálním poledníku nejvýše nad horizontem.

Poznámky:

14

Historie, současnost a budoucnost lokalizace a navigace Za každé 4 minuty v rozdílu času poledne na aktuálním (neznámem) lokálním poledníku a poledne na poledníku národní námořní observatoře, si mohl připočíst jeden 1° rozdílu v zeměpisné délky. S postupem času, jak se zlepšovala přesnost určování času a přesnost měření elevačního úhlu nebeských těles, se zvýšila přesnost astronomické navigace až na polohovou přesnost 30 metrů. K rozvoji astronomické navigace přispěla také produkce jednotných námořních map a ustanovení referenčního nultého poledníku v Greenwichi, ke kterému došlo v roce 1884.

1.4.4

Radiová navigace

Koncepce Rádiová navigace je založena na detekci radiových vln. Typicky se měří: 

absolutní doba šíření rádiové vlny vyslané ze zdroje k detektoru,



nebo se měří rozdíl doby cestování alespoň třech různých rádiových vln, které pochází z alespoň třech zdrojů spárovaných do dvou dvojic.



Také se využívá měření směru příchodů rádiových vln ze známých vysílačů,



případně měření založené na Dopplerově jevu.

!

V případě, že je vysílač rádiových totožný s přijímačem, pak se jedná o aktivní systém, který pracuje s vlastním zdrojem rádiových vln. Prvním krokem k rádiové navigaci byl objev rádiových vln v roce 1887, se kterými experimentoval Heinrich Hertz. V roce 1904 německé námořní lodě začínají používat rádiové

Poznámky:

15

Historie, současnost a budoucnost lokalizace a navigace vlny, jako doplňkový systém k tehdejším navigačním systémům. Systém byl založený na detekci odražených rádiových vln a sloužil pro detekci kolizních kurzů plavidel. Dosah systému byl 3 km (Veřtát, 2009). V roce 1930 byl vybudován první radiolokační systém v Německu s názvem Lorenz. Systém sloužil pro navádění letadel na přistání letadel v noci nebo za špatného počasí. Systém byl později rozšířen tak, aby měl daleký dosah a mohl pomáhat navádět dálkové bombardéry. Během druhé světové války se rozvíjely radarové (angl. radio detection and ranging) systémy. Německý radar Freya (1937) i britský Chain Home a Gee (1940) sloužily pro určování polohy, směru a rychlosti nepřátelských letadel (Chain Home) nebo pro navigaci (Gee), především dálkových bombardérů. Radarová technologie se rozšířila jako prostředek detekce letadel, ale i pro detekci lodí a ponorek. LORAN (LORAN-C) Systém se skládal z tzv. řetězců (angl. chain) pozemních vysílacích stanic. Každý řetězec sestával z minimálně z třech stanic. Jedna stanice byla označovaná jako primární stanice (Master) a další stanice jako sekundární (Auxiliary). Primární stanice byla nezávislé spárovaná s minimálně dvěma sekundárními stanicemi.

!

Měření, provedené nezávisle ke každému párů stanic primární – sekundární v trojici, vedlo ke konstrukci dvou tzv. TD křivek (z angl. Time Difference), které měly tvar paraboly. V průsečíku obou křivek se nacházel přijímač LORAN. Během druhé světové války v letech 1940 až 1943 začaly USA budovat svůj pozemní radionavigační systém s názvem LORAN (z angl. Long Range Navigation). Předlohou pro systém LORAN byl Britský systém Gee, který vznikl na počátku druhé světové války. Na budování systému se podílela MIT Radiation Laboratory, US Navy a Royal Navy (Wikipedia, 2013).

Poznámky:

16

Historie, současnost a budoucnost lokalizace a navigace Vztahy pro geometrickou konstrukci hyperboly D1 – DA = Základna A D1 – DB = Základna B

Sekundární stanice A

XA,YA DA

D1 DB Primární stanice

X1,Y1

Sekundární stanice B

XB,YB

Obrázek 1-4 Geometrické znázornění metody multilaterace.

Princip měření, který se používal v systému LORAN se nazývá multilaterace (dálkoměrná metoda rádiového nepřímého měření polohy). LORAN dovoloval uživateli určovat svou polohu a rychlost v dosahu až 1200 mil (1930 km) od stanic řetězce (Wikipedia, 2013).

Multilaterace je určení polohy přijímače na základě měření rozdílů časového zpoždění příjmu signálů z minimálně třech synchronizovaných vysílačů o známé poloze. Princip je také nazýván časoměrně hyperbolickou metodou, která je označována

i

Poznámky:

17

Historie, současnost a budoucnost lokalizace a navigace zkratkou TDOA (angl. Time Difference of Arrival) (Veřtát, 2009). Je-li známa neměnná vzdálenost mezi dvěma vysílači, je možné použít naměřený rozdíl zpoždění v příjmu signálů stanic v páru ke konstrukci hyperboly. Ta spojuje všechna místa, ve kterých je teoreticky možné naměřit, mezi párem vysílačů, získanou hodnotu rozdílu zpoždění rádiových signálů. S koncem druhé světové války byl systém předán do užívání také civilním leteckým a námořním uživatelům.

Obrázek 1-5 Pokrytí navigačním signálem systému LORAN-C v Atlantické a Pacifické oblasti. (DoD, 2006)

Systém LORAN postupně prošel vývojem a modernizaci a byl využíván USA, Kanadou, Japonskem a mnoha státy Evropy. Systém úzce spolupracoval s Ruským protějškem pojmenovaným Čajka (Chayka). Varianta systému LORAN s názvem LORAN-C byla dlouhou dobu považována, v komunitě uživatelů GPS, za vhodný doplňkovým systém k systému GPS, který byl vybudován o více než čtyřicet let později. Provoz systému LORAN-C byl ukončen 8. 2. 2010 ve 20:00 UTC. LORAN-C umožňoval určení polohy s chybou 185-463 m. Přesnost časové synchronizace byla 500 ns.

Poznámky:

18

Historie, současnost a budoucnost lokalizace a navigace Systém LORAN-C byl nepříznivě ovlivňován povětrnostním vlivy. Také ionosféra ovlivňovala kvalitu navigace během úsvitu a soumraku. Vlivem odrazů signálů od ionosféry docházelo k vícecestnému šíření signálů.

i

Systém pokrýval polohovými a časovými službami pacifickou a atlantickou oblast. Čajka Sovětský svaz vybudoval svůj vlastní pozemní radionavigační systém s názvem Chayka. Chayka fungoval na stejných principech jak LORAN (LORAN-C) a byl s ním téměř identický.

!

Systém sestával z pěti řetězců, které pokrývali polohovými a časovými službami západní i východní Evropu, oblasti mezi Sovětským svazem a USA a severní i severozápadní části Sovětského svazu. Systém byl rovněž určen jako navigační systém pro námořní a leteckou dopravu.

1.4.5

Družicová rádiová navigace

Družicová rádiová navigace je podobná pozemní rádiové navigaci popsané v předcházející podkapitole. Významným posunem u družicové navigace je přesun radiového vysílače, coby „orientačního bodu“, do kosmického prostoru. To umožní pokrytí celého povrchu Země rádiovými signály z poměrně malého počtu vysílačů.

!

Éra družicové rádiové navigace začala startem první umělé družice Země Sputník 1 (SSSR 1957). První experimenty s radiovými signály družic Sputník byly provedeny v laboratořích aplikované fyziky John Hopkinsnovy univerzity v USA (Guier, a další, 1998).

Poznámky:

19

Historie, současnost a budoucnost lokalizace a navigace Výzkumu byly zaměřený na dva experimenty, které měly prokázat: 

zda je možné dopplerovským měřením signálů družic Sputnik, které bylo provedeno z několika pozemních stanic, určit přesnou polohu družice,



lze určit polohu pozemní stanice na základě několika dopplerovských pozorování družic, když jsou známy parametry jejich oběžných drah a signály.

TRANSIT Systém TRANSIT, někdy označován NAVSAT (z angl. Navy Navigation Satellite System) byl budován v roce 1964 pro účely U.S. Navy pro letadlové lodě a nově budovanou flotilu atomových ponorek.

i !

TRANSIT byl první družicovým navigačním systémem (Danchik, 1998). Byl založen na Dopplerovských měřeních. Systém sestával z šesti navigačních družic, které vysílaly navigační signály na dvou frekvencích. Signály vysílané ve dvou minutových intervalech obsahovaly:  

efemeridy družic a vojenská data.

Efemeridy jsou data o poloze přirozených nebo uměle vytvořených astronomických tělesech. V moderní době jsou efemeridy umělých družic Země chápány, jako parametry oběžných drah, které umožňují modelovat polohu družice prakticky v jakémkoliv požadovaném čase. Jedná se o matematický model pohybu družice.

i

Pro určování polohy systém TRANSIT používal dopplerovská měření. Družice TRANSIT byla viditelná každých 35-120 minut. Ponorka potřebovala sledovat družici po dobu alespoň dvou minut k tomu, aby mohla určit svou polohu. Přesnost určení polohy se z počátečních Poznámky:

20

Historie, současnost a budoucnost lokalizace a navigace 800 metrů zlepšila až na 5 metrů. Pokud byly používány metody zpřesňování měření, bylo možné dosáhnout polohové přesnosti až 1 metr (Rapant, 2002). Nedostatky systému TRANSIT  

Nedostatečná konstelace kosmického segmentu. Použití metody dopplerovských měření pro určení polohy přijímače.

!

Z důvodu nízkého počtu družic nebyl jejich signál dostupný neustále během celého dne. Mezi příjmem navigačních signálů byly časové prodlevy 35 – 120 minut v závislosti na aktuální poloze plavidla. Poloha byla určována ve 2D. Při výpočtu polohy bylo nutné provádět korekce na vlastní pohyb plavidla, protože vlastní pohyb plavidla způsoboval také zdánlivou změnu frekvence signálů. Z výše uvedených důvodů nebyl systém TRANSIT vhodný pro letectvo.

!

V roce 1967 byl TRANSIT zpřístupněn pro potřeby civilní námořní dopravy. Provoz systému TRANSIT byl ukončen v roce 1996, rok po uvedení do systému GPS Navstar do plného provozu. Cyklon Projekt Cyklon označovaný také Cikada-M byl sovětskou obdobou amerického systému TRANSIT. Jednalo se o ryze vojenský systém, vyhrazený pro navigaci ponorkových nosičů balistických raket. V letech 1967 – 1978 bylo na oběžné dráhy vyneseno 31 družic systému Cyklon. Ty umožňovaly pomocí Dopplerovských měření určení polohy pro statické a pomalu pohybujících se plavidla. V případě pomalu pohybujících se plavidel byla nutná dlouhodobá observace, k určení dostatečně přesné polohy plavidla.

Poznámky:

21

Historie, současnost a budoucnost lokalizace a navigace Cesta k GPS Navstar Prvním klíčovým projektem, předcházejí GPS, byl projekt SECOR (z angl. Sequential Collation of Range). Projekt byl realizován v průběhu desetiletí 1960 až 1970 americkou armádou. Cílem projektu bylo provést přesná geodetická měření zemského povrchu, která bude možné provádět za jakéhokoli počasí s použitím jedné družice. Zvláštním předmětem zájmu byly především ostrovy a ostrůvky v Pacifiku. V rámci projektu byly vypuštěné dvě družice (rok 1962 a rok 1969) (DMA, 1984). Každá ze dvou družic systému byla zaměřená ze tří míst na zemském povrchu, jejichž poloha byla geodeticky určená. Čtvrté místo s neznámou polohou bylo osazeno radiovým vysílačem. Z něj byl vyslán signál k družici, která jej vrátila zpět. Vzdálenost měřená z družice k neznámému místu, společně s polohou zaměřenou vůči třem známým místům, posloužila k výpočtu souřadnic neznámého místa. V letech 1964 se rozběhl projekt letectva a námořnictva USA s názvem Timation. Cílem projektu bylo ověřit nový koncept přesného měření vzdálenosti dálkoměrným signálem z družice na zemi. Koncept byl založen na velmi přesné časové základně.

GNSS Éra globálních družicových navigačních systému angl. Global Navigation Satellite System (GNSS) začala vybudováním systému: 

GPS (USA) a



GLONASS (SSSR dnes RF).

i !

Na přelomů tisíciletí bylo zahájeno budování dalších dvou systému: 

COMPASS (Čína)

Poznámky:

22

Historie, současnost a budoucnost lokalizace a navigace 

a GALILEO (EU).

Dne 17. 12. 1973 bylo zahájeno, pod dohledem JPO a vedením ministerstva obrany USA, budování prvního globálního navigačního družicového systému GNSS pojmenovaného Navstar GPS, dále jen GPS (z angl. Global Positioning System). Stejně jako všechny následující GNSS systémy, je GPS založen na principu trilaterace (dálkoměrná metoda rádiového nepřímého měření polohy). Trilaterace je určení polohy objektu založená na znalosti absolutní doby zpoždění signálů mezi vysílačem a přijímačem, přepočtenou na vzdálenost (měření je možné mezi jedním vysílačem a několika přijímači nebo několika vysílači a jedním přijímačem). Metoda je označovaná zkratkou TOA (z angl. Time of Arrival).

i

O tři roky později, v roce 1976, zahajuje Sovětský svaz výstavbu svého GNSS. Budovaný systém byl pojmenován GLONASS. USA dokončuje svůj systém v roce 1994, a následující rok je deklarováno, že systém GPS dosáhl plné operační způsobilosti (FOC z angl. Full Operational Capability). Dokončení budování systému GLONASS je narušeno změnou státního uspořádání a rozpadem Sovětského svazu. Přesto je i v případě systému GLONASS dosaženo v roce 1995 FOC, alespoň na krátko. V roce 1997 rozhoduje Čína o vybudování svého vlastního GNSS s názvem BeiDou (COMPASS). Jeho budování je rozděleno na dvě fáze. V první fázi má být do roku 2012 dobudována první generace lokálního družicového navigačního systému BeiDou-1, ten se stane základem pro systém BeiDou-2 (jinak označovány jako COMPASS). Dokončení COMPASS je plánováno na konec druhé dekády 21 století.

Poznámky:

23

Historie, současnost a budoucnost lokalizace a navigace Evropská unie se rozhoduje v roce 2001 o vybudování vlastního navigačního sytému s názvem Galileo. Plánovaný systém má být provozován na komerčních základech. Obdobně jako Čína přistupuje k budování svého GNSS ve dvou etapách. V první etapě je vybudován systém GNSS-1 (2005), který nese jméno EGNOS. Jedná se o systém vylepšující stávající GNSS (GPS a GLONASS), brzy je jasné, že systém EGNOS neposkytuje požadovanou nezávislost EU na GPS a GLONASS. Ve druhé fázi je plánováno vybudování systému GNSS-2 (Galileo). Z politických a ekonomických důvodu je dobudování systému naplánováno na konec druhé dekády 21. století.

Poznámky:

24

Historie, současnost a budoucnost lokalizace a navigace Otázka 1.1 Označte všechny správné odpovědi. Metoda nepřímé lokalizace v kartézském souřadnicovém systému vyžaduje:

?

a) Měření vzdáleností od třech orientačních bodů, jejichž polohu v kartézském souřadnicovém systému známe. b) Odměření vzdálenosti podél os kartézského souřadnicového systému od počátku souřadnicového systému. c) Měření azimutu a vzdálenosti k jednomu orientačním bodům. d) Měření azimutů ke dvěma orientačním bodům.

Otázka 1.2 Přiřaďte, co k sobě patří. Které prostředky jsou používány, jakou metodou navigace (lokalizace). 1) 2) 3) 4)

Kompas, mapa s orientačními body. Mapa, rychloměr, kompas a stopky. GNSS přístroj, navigační družice. Sextant, hodiny, almanach, mapa.

a) b) c) d)

?

Navigace výpočtem. Družicová rádiová navigace. Astronomická navigace. Navigace podle orientačních bodů.

Poznámky:

25

Principy určování polohy s použitím GNSS

2


V této kapitole se seznámíte s rolí vysílače při rádiovém určování polohy a s třemi metodami identifikace vysílače rádiových signálů. Po přečtení byste měli umět popsat rozdíl mezi metodou frekvenčního, kódového a časového dělení. Dále se seznámíte s komponentami signálů, které se používají v družicové navigaci k sestavení třech typů signálů, měli byste znát rozdíl mezi jednotlivými typy signálů a jaký je jejich význam každého z typů signálů, pro řešení navigační úlohy. Následovat bude seznámení s metodami rádiového určení polohy s důrazem na metodu trilaterace. Po přečtení kapitoly byste měli umět vysvětlit princip fungování metody dálkoměrných měření prostřednictvím tzv. kódových a fázových měření. Měli byste znát minimální předpoklady pro úspěšné provedení dálkoměrných měření kódovou i fázovou metodou. Měli byste být schopni porovnat obě metody a identifikovat jejich slabá a silná místa. Pro obě metody byste měli znát základní vztah pro stanovení tzv. pseudovzdálenosti a měli byste být schopni popsat co to pseudovzdálenost je.

Odhadovaný čas

2.1

3 hodiny

Úvod

Určování polohy metodou GNSS spadá do kategorie rádiového určování polohy a využívá některou z metod nepřímého měření polohy.

Poznámky:

26

Principy určování polohy s použitím GNSS Příslušná metoda nepřímé lokalizace je aplikována mezi vysílači (družicemi), které vysílají navigační signály (dále jen signály) a přijímačem. Přijímač je uživatelské zařízení, které je schopné přijímat signály a dekódovat jejich obsah.

!

Přijímač stanoví, z naměřených dat a ze signálů vysílače, svou vlastní polohu, čas, případně další veličiny, jako je rychlost nebo zrychlení. Rádio navigační systémy se rozdělují na aktívní a pasívní. V systémech aktivní rádiové navigace pracuje uživatelské zařízení současně jako vysílač i přijímač.

U pasívních rádio navigační systémů, přijímač uživatele nevysílá žádný signál, ale jen pasivně přijímá signál vysílačů (například družic).

Příklady pasivních systému jsou systémy: TRANSIT, VOR/DME, ILS, LORAN, GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou-2/COMPAS. Dále nás bude zajímat především pasivní radiová navigace a lokalizace.

i ! i

Poznámky:

27


2.2

Vysílače v rádiové navigaci a lokalizaci

Výhoda radionavigačních systému spočívá v pokrytí rozsáhlého území (prostoru) malým množstvím rádiových vysílačů, pozemních stanic nebo družic, při zachování vysoké přesnosti navigace a lokalizace. Přeneseně je vysílač (družice) orientačním bodem. Orientačním bodem, jehož signál, je přenášen vlnách elektromagnetického záření, které odpovídá vlnovým délkám 15–30 cm a frekvencím v rozsahu 1-2 GHz.

!

V případě družicových GNSS systému je možné pokrýt celý zemský povrch signálem jen dvaceti čtyř družic na středně vysokých oběžných drahách (MEO z angl. Medium Earth Orbit). Rádiové vlny umožňuji přijímači (uživatelskému zařízení) sledovat vysílač (orientační bod) na velké vzdálenosti. Daleko za hranicí optické viditelnosti. V případě pozemních radionavigačních systému se jedná o vzdálenosti prvních tisíců kilometrů (limitující je zakřivením povrchu Země) (Wikipedia, 2013). V případě družicových radionavigačních systémů, jsou pak vysílače (družice) ve vzdálenosti prvních desítek tisíc kilometrů od přijímačů.

i

V případě konstelace družic, která umožňuje nepřetržitý příjem signálů pro navigaci a lokalizaci na celém zemském povrchu, se hovoří o globálních družicových navigačních systémech (GNSS z angl. Global Navigation Satellite System).

Poznámky:

28


2.3

Metody identifikace vysílače

Protože v typickém radiovém navigačním systému bývá několik vysílačů, jejichž signály se v prostoru a čase překrývají, musí být jednoznačně identifikovatelný zdroj signálů (vysílač).

!

Identifikace vysílače se provádí nejčastěji třemi způsoby. Používá se:   

2.3.1

frekvenční dělení vysílačů, kódové dělení vysílačů nebo časové dělení vysílačů (Rapant, 2002).

Frekvenční dělení

V systému s vysílači s frekvenčním dělením jsou jednotlivé vysílače odlišeny svou unikátní frekvenci nosné vlny signálů, která je jim přidělená. Přijímač musí být schopný přijímat signály v definovaném rozsahu frekvencí. Zároveň musí umět přiřadit jednotlivé frekvence ke správným vysílačům.

!

Frekvenční dělení se objevuje v systémech LORAN, VOR, GLONASS.

2.3.2

Kódové dělení

V systému s vysílači s kódovým dělením jsou jednotlivé vysílače odlišeny na základě pseudonáhodného kódu (PRN angl. Pseudo Random Noise), který je přimíchán do nosné vlny signálu. Ačkoliv všechny vysílače používají stejnou frekvenci, každý má přidělený unikátní PRN kód.

!

Poznámky:

29

Principy určování polohy s použitím GNSS Aby mohl přístroj správně identifikovat zdroj přijatého signálu, musí být schopen generovat repliky všech standardních PRN kódů, které jsou používané vysílači. Kódové dělení se používá v systémech GPS, Galileo, BeiDou-2/COMPASS a zavádí se v systému GLONASS. Standardní PRN kód, je kódem vyhrazeným pro navigační účely a je za běžných okolností vysílán navigačními družicemi. Nestandardní kód není určen pro navigační účely a běžné GNSS přijímače s tímto kódem nemusí umět pracovat.

i

Družice vysílající nestandardní PRN kód je pro standardní přijímač neviditelná.

2.3.3

Časové dělení

V systému s vysílači s časovým dělením sdílejí všechny vysílače jednu frekvenci a jeden PRN kód. Každý vysílač má přesně vymezený časový úsek, ve kterém vysílá svůj signál. Tento princip odlišování zdroje vysílání signálů se v oblasti GNSS nepoužívá.

2.4

!

Složení signálu

V závislosti na tom, zda je poloha vysílačů statická nebo dynamická a podle počtu použitých vysílačů, je uzpůsobená také struktura signálů, které se používají pro radiovou navigaci a lokalizaci. Signály se vždy skládají z nosné vlny a mohou navíc obsahovat, pseudonáhodný kód a navigační data.

i

Poznámky:

30


2.4.1

Signál složený z nosné vlny

Tento typ jednoduchého signálů je vhodný pro úhloměrná měření a pro dálkoměrná měření ke statickým vysílačům o známé poloze. Oba typy měření nevyžadují žádná další data pro přijímač, která by se musela přidávat do nosné vlny. Pro signály složené jen z nosné vlny se používá frekvenční nebo časové dělení k identifikaci zdroje signálu. Tento typ signálů se využíval v počátcích systému LORAN (Wikipedia, 2013). Signály složené jen z nosné vlny jsou využívány v letecké navigaci, například systém VOR/DME (Veřtát, 2009). V GNSS se tento typ signálů nepoužívá.

2.4.2

Signál složený z nosné vlny a pseudonáhodného kódu

Signály s pseudonáhodným kódem jsou používané k dálkoměrným měřením. Pseudonáhodný kód může mít, mimo funkce identifikace zdroje vysílání, také další funkce. Pseudonáhodné kódy jsou základem dálkoměrným měření v GNSS. Více v kapitole 3.5.

!

Signál složený z nosné vlny a pseudonáhodného kódu neobsahuje data, která jsou potřebná pro výpočet polohy pohybujícího se vysílače, například družice. Přesto se takto strukturovaný signál používá v GNSS systémech, kde je obvykle označován jako pilotní signál (angl. Pilot Signal).

Poznámky:

31

Principy určování polohy s použitím GNSS Aby byl pilotní signál použitelný pro lokalizaci a navigaci, musí být doplněn druhým signálem, který je označován jako datový signál. Pilotní signál je pak primárně určen pro přesná dálkoměrná měření (kódová měření) a identifikaci zdroje.

2.4.3

i

Signál složený z nosné vlny, pseudonáhodného kódu a navigačních dat

Signál složeny z nosné vlny, pseudonáhodného kódu a navigačních dat je vhodný pro navigační systémy, ve kterých se dynamicky mění poloha vysílačů, jako jsou například družice GNSS. Navigační data v signálu slouží k přenosu dat, potřebných pro: 

výpočet přesné polohy vysílače v čase měření,



stanovení přesného času a



získání dalších nezbytných systémových informaci o kondici vysílačů navigačního systému a jejich signálů.

!

Signály GNSS obsahující navigační data, jsou označované jako datové signály (angl. Data Signal). Více v kapitole 3.5 .

Poznámky:

32


2.5

Vybrané metody rádiového určování polohy

Pro rádiové určování polohy používá nejčastěji následující metody nepřímého měření:     

metoda dopplerovská, metoda úhloměrná (triangulace), metoda dálkoměrná (trilaterace), metoda dálkoměrná (měření fází nosné vlny), metoda časoměrně hyperbolickáu (multilaterace).

!

Rozdělení bylo převzato a upraveno z (Rapant, 2002). Ačkoliv se dále budeme věnovat podrobně trilateraci a metodě založené na měření počtu fází nosné vlny. Obecněji si nejprve popíšeme zbývající metody; dopplerovskou, triangulaci a multilateraci.

2.5.1

Metoda Dopplerovská

Princip metody vychází z Dopplerova jevu, kdy mezi vysílačem a přijímačem, které jsou ve vzájemném relativním pohybu, dochází ke změně frekvence a vlnové délky u vyslaného signálu (akustický, optický, rádiový). Velikost změny frekvence a hodnota znaménka změny závisí na vzájemném směru pohybu a na vzájemné rychlosti vysílače a přijímače. První pokusy o družicové určování polohy, stejně jako první družicové radionavigační systémy TRANSIT (CIKADA) byly založené na měření dopplerovského posunu frekvence.

Poznámky:

33

Principy určování polohy s použitím GNSS Systém TRANSIT fungoval na principu porovnávání teoretické a změřené tzv. dopplerovské křivky přijímače. Dopplerovská křivka znázorňuje časovou závislost změny frekvence signálů vyslaného z pohybujícího se vysílače (družice) směrem k statickému přijímači. Pokud je známa dráha vysílače, existují pro určitý časový úsek dopplerovské křivky sestavené statickým přijímačem pouze dvě možné polohy přijímače.

i

Při měření přístroj nejprve sestavil teoretickou podobu (testovací) dopplerovské křivky, kterou pak porovnával s naměřenou dopplerovskou křivkou, postupným srovnáváním křivek a přibližovaní testovací křivky k měřené v iteračních krocích, upřesňoval polohu přijímače vůči vysílači (Wikipedia, 2014). Nevýhodou dopplerovské metody byla její:   

nepřesnost, časová náročnost a nutnost kompenzovat rychlost a směr pohybu přijímače při výpočtu polohy.

Vlastní pohyb a přijímače vůči družici, stejně jako rotace Země, způsobuje další změny v posunu frekvence navigačního signálů. Dopplerovské metody se již dnes v GNSS jako primární metoda stanovení polohy v čase nepoužívají. Přesto mají dopplerovské metody své místo v navigačním řešení při výpočtu, směru, rychlosti a zrychlení na základě změny fází nosných vln pozorovaných družic.

!

Data potřebná pro výpočet rychlosti a zrychlení; poloha družice v čase, její vektory rychlosti a zrychlení, je možné vypočítat z dat navigačních zprávy družice. Výsledné dopplerovské posuny měřené na straně přijímače pro signály jednotlivých družic jsou používány pro výpočet přesného směru, rychlosti a zrychlení přístroje.

Poznámky:

34

Principy určování polohy s použitím GNSS I když dopplerovská data nejsou pro polohu a čas potřebná, přístroj je pro každou družici a všechny, přístroji dostupné, nosné frekvence ukládá. To je dobře patrné ve standardu RINEX, kde jsou jednou z ukládaných veličin měření i dopplerovská měření, viz kapitola 0.

2.5.2

i

Metoda triangulace kombinované měření úhlů a vzdáleností

Metoda triangulace je postavená na měření směrových úhlů signálů přicházejícího ze dvou a více vysílačů, které vysílají úzce směrový rádiový parsek. Pokud je známý azimut alespoň dvou vysílaných paprsků, je možné jednoznačné určit polohu přijímače ve 2D. Jinou variantou výpočtu polohy u statického přijímače, je možné použití signál z jednoho pohybujícího se vysílače, jehož polohu v čase známe a u něhož víme, pod jakým azimutem signál odvysílal (Rapant, 2002). Systém VOR (z angl. VHF Omni-directional Radio range) používaný v civilním letectví, umožňuje měřit úhel radiály (spojnice mezi VOR majákem a letounem) vůči severnímu magnetickému pólu. Maják VOR vysílá jeden základní signál všesměrově. Druhý signál (s fázovým posunem) je vysílaný úzkým rotujícím svazkem. Velikost fázového posunu se mění s úhlem, pod jakým je svazek vysílán. Pozor v tomto případě se nejedná přímo triangulaci!

i

Systém VOR je dnes kombinován se systémem DME (z angl. Distance Measuring Equipment). Systém pro měření vzdálenosti od radiomajáku na základě doby šíření radiového pulzu. Při kombinaci VOR/DME stačí příjem jednoho radiomajáku pro určení polohy. Vysílač v letounu vyšle pár rádio pulzů s přesně definovaným vzájemným zpožděním. Pozemní stanice DME tuto sekvenci přijme a se zpožděním 50 μs sekvenci odvysílá zpět. Radiopřijímač v letadle změří dobu, mezi vysláním páru

Poznámky:

35

Principy určování polohy s použitím GNSS rádio pulzů a jejich zpětným přijmutím od radiomajáku DME. Odečte 50μs a získá tak dobu šíření pulsu od letounu k radiomajáku a zpět. Tu je možné přepočítat na vzdálenost k radiomajáku. Od VOR zná letoun i směr (CENDI, 2006). Úlohu je možné obrátit na případ, kdy se pohybující se směrovou anténou provádí identifikace zdroje směru radiového signálů. Po zaměření dvou a více směrů v různých polohách je možné určit zdroj vysílání. Metoda triangulace se v družicové navigaci, z důvodů technických nároků na konstrukci vysílače případně přijímače, nepoužívala.

2.5.3

Metoda multilaterace

Multilaterace je určení polohy vysílače na základě měření rozdílů časového zpoždění příjmu signálů v několika přijímačích o známé poloze (případně určení polohy přijímače na základě měření rozdílů zpoždění příjmů signálů od několika synchronizovaných vysílačů o známé poloze). Princip multilaterace je také nazýván časoměrně hyperbolickou metodou měřící TDOA (angl. Time Difference of Arrival) (Veřtát, 2009). Metoda se používá pouze v pozemních radionavigačních systémech. Metoda se uplatnila například v systémech LORAN (USA), který byl provozovány od konce druhé světové války, do roku 2010, a v podobném systému ČAJKA (SSSR dnes RF). Multilaterace vyžaduje přesnou časovou synchronizaci pozemních radiomajáků tak, aby bylo možné provést přesný výpočet zpoždění příchodů dvou párových signálů od třech vysílajících stanic. V případě systému LORAN-C, byla vzájemná synchronizace rádiových signálů stanic v jednom řetězci do 100 nanosekund. To při přepočtu na vzdálenost znamená tento rozdíl chybu polohy zkonstruované hyperboly až 30 metrů. Synchronizace času na straně uživatele byla 500 nanosekund. To odpovídá polohové chybě zkonstruované hyperboly až 150 metrů. Poznámky:

36


2.6

Metoda kódových měření pseudovzdáleností

Metoda nepřímých dálkoměrných měření je postavená na tzv. pseudonáhodných kódech a je základní metodou GNSS. Pseudonáhodné kódy jsou v některých případech označované jako dálkoměrné kódy. Metoda je také označovaná jako trilaterace nebo zkratkou TOA s angl. Time of Advance. Metoda bude dále označována také jako tzv. metoda kódových měření nebo zkráceně kódová měření.

!

Provedením kódových měření ke čtyřem družicím je možné určit polohu přijímače a čas přijímače.

2.6.1

Ideální případ měření vzdálenosti metodou TOA

Základní princip TOA spočívá v měření času, který rádiový signál potřebuje k tomu, aby překonal vzdálenost mezi anténou vysílače (družice GNSS) a anténou přijímače (GNSS přístroj). Čas potřebný pro překonání vzdálenosti (družice – přijímač) je možné, po roznásobení rychlosti šíření rádiových vln, přepočítat na vzdálenost. Rádiové vlny tvoří malou část frekvenčního spektra elektromagnetického záření. Elektromagnetické vlny se šíří ve vakuu rychlosti 299 792 458 m/s.

! i

Poznámky:

37

Principy určování polohy s použitím GNSS Ideální podmínky pro metodu metody TOA 1) 2) 3) 4) 5)

Čas všech vysílačů a přijímače je synchronní s tzv. systémovým časem. Je známá přesná poloha vysílačů. Rychlost šíření signálů prostředím je konstantní. Je měřená vždy přímá vzdálenost mezi vysílačem a přijímačem. Na straně přijímače ani v jeho okolí nepůsobí žádné rušivé vlivy.

!

Za ideálních podmínek je možné, při provedení třech kódových měření, ke třem vysílačům o známé poloze, provést jednoznačnou lokalizaci přijímače v rovině (2D lokalizace). Pokud se uživatel nachází na Zemském povrchu, pak toto tvrzení platí i pro lokalizaci v prostoru (3D lokalizace).

D3 0 X3,Y3

D1 ? X1,Y1

D2

X2,Y2

Obrázek 2-1 Geometrické určení polohy trilaterací v rovině.

Poznámky:

38


Kódová měření v rovině vyžadují tři vysílače, ke kterým jsou změřené vzdálenosti. Ze dvou vypočtených vzdáleností, ke dvěma vysílačům, je možné sestrojit dvě kružnice se středy ve vysílačích a poloměrech rovným změřeným vzdálenostem. Existují dva průsečíky kružnic, kde se může hledaná poloha přijímače nacházet.

i

Třetí měření vzdálenosti, k třetímu vysílači, definuje třetí kružnici, která se protne s předcházejícíma dvěma kružnicemi v jediném místě, viz Obrázek 2-1.

Kódová měření v prostoru jsou založená na protínání kulových ploch se středem v místě, kde se nachází družice. Výsledkem protnutí dvou kulových ploch sestrojených kolem družic je průsečík ve tvaru kružnice. Kulové plochy mají poloměr definovaný velikosti vypočtené vzdáleností (družice – přijímač). Na kružnici průsečíku kulových ploch se nachází hledaná poloha.

i

Třetí měřená vzdálenost vypočtená z času putování signálů třetího vysílače, určuje třetí kulovou plochu. Ta protíná kružnici průsečíku prvních dvou kulových ploch ve dvou bodech, jen ve speciálním případě je to jeden bod. Jeden bod průsečíku třech kulových ploch se nachází pod rovinou definovanou třemi družicemi, druhý bod se nachází nad touto rovinou (oba body průsečíku jsou symetrické vzhledem k rovině), viz Obrázek 2-2. Pokud je pozorovatel na Zemském povrchu, pak je jeho poloha vždy v místě s nižší výškou nad Zemským povrchem. Pokud se ale pozorovatel nenachází na Zemi, nemusí být určení polohy jednoznačné a je nutné doplnění dodatečných dat.

Poznámky:

39


D X,Y,Z

Obrázek 2-2 Geometrické určení polohy trilateraci v prostoru.

Poznámky:

40


2.6.2

Reálná měření vzdálenosti metodou TOA

V reálných podmínkách není žádná z ideálních podmínek, popsaných v předchozí podkapitole, splněná. Při dálkoměrných měřeních: 

není zaručena synchronizace systémovým časem,



poloha vysílačů je zatížená chybou,



signál se šíří prostředím, které jej zpomaluje,



během měření může docházet k odrazům signálů a měření vzdálenosti odraženého signálů místo přímého signálů a



na straně přijímače působí vlivy rušící příjem a zpracování signálů.

hodin

vysílačů

a

přijímače

!

se

Tyto všechny vlivy zatěžují měření času, během kterého signál družice překoná vzdálenost mezi družici a přijímačem, chybou. Proto je vzdálenost určená přepočtem TOA v reálných podmínkách označována jako pseudovzdálenost. Vlivy působící na měření se projevují chybami, které jsou často popisované jako:     

chyba hodin družic, chyba hodin přijímače, chyba ionosférického zpožděni, chyba troposférického zpoždění a skupina zahrnující všechny ostatní významné zdroje chyb.

Poznámky:

41

Principy určování polohy s použitím GNSS Pseudovzdálenost se pak může v časové doméně vyjádřit vztahem (2.1).

( )

( )

! (2.1)

kde P(t) vyjadřuje změřenou pseudovzdálenost, TREC představuje čas přijetí signálu přijímačem, TSAT znamená čas odeslání signálu z družice. Proměnná ε(t) vyjadřuje chybu měření pseudovzdálenosti.

Základní komponenty chyby pseudovzdálenosti se pak vyjádří pomocí vztahu (2.2).

( )

( )

( )

( )

! (2.2)

kde τREC respektive τSAT představuji chybu hodin přijímače respektive družice, γiono(t) představuje chybu způsobenou ionosférou, δtropo(t) představuje chybu troposféry, proměnná QREC(t) představuje všechny ostatní chyby působící na straně přijímače. Uvedené dělení má význam z pohledu snížení vlivů jednotlivých chyb, které vyplývají z reálných podmínek měření metodou TOA.

Poznámky:

42

Principy určování polohy s použitím GNSS První čtyři chyby jsou společné pro všechny uživatele, kteří svá měření provádí: 

ve stejném čase,



ke stejné družici,



v geograficky blízké oblasti.

!

Proto je možné tyto chyby vhodnými metodami měření a zpracování naměřených dat eliminovat. Více v kapitole 10. Poslední skupina chyb QREC(t) zahrnuje chyby, které jsou individuální pro každé měření a každý přijímač a není možné je snadno opravit. Více v kapitole 10.5. Chyba hodin družic Ačkoliv jsou družice vybavené přesnými atomovými hodinami, jejich čas se liší od systémového času. Tato časová odchylka je modelována.

!

Data o velikosti odchylky hodin družic od systémového času jsou předávaná přijímači v navigační zprávě, kterou vysílají družice. Přijímač ze získaných dat přepočítává čas družic na systémový čas. Ačkoliv je odchylka hodin družic, od systémového času, modelována, zbývá i po aplikaci oprav zbytková chyba hodin družic. Zbytkovou chybu lze, pro účely výkladu v této kapitole zanedbat, protože je v porovnání s ostatními chybami velmi malá. Více o chybě hodin družic v kapitole 10.5.1. Chyba hodin přijímače Chyba je způsobená nepřesnými hodinami přijímače, které jsou zatížené relativně velkou chybou. Tu nelze uspokojivě modelovat, s ohledem na množství různých přijímačů s různou kvalitou časové základny (oscilátoru).

!

Protože je odchylka hodin přijímače neznámá, je součástí navigačního výpočtu přijímače i stanovení odsazení (chyba) hodin přijímače od systémového času, a to

Poznámky:

43

Principy určování polohy s použitím GNSS pro každou vypočtenou polohu. Více o chybě hodin přijímače v kapitole 9.5.3. Chyba způsobená ionosférou Chyba vzniká při průchodů signálu části atmosféry s vysokým obsahem kladně nabitých částic.

!

Ionosféra způsobuje zpomalení nosné vlny signálů a zrychluje dálkoměrné kódy a navigační zprávu, tak celkově zanáší chybu do měření času šíření signálu mezi družici a přijímačem. Vliv ionosféry je významný a s časem a místem měření se mění. Více viz kapitola 9.4.1 a 10.5.4. Chyba způsobená troposférou Chyba vzniká ve spodní části atmosféry při cestě signálu z družice k přijímači. Troposféra způsobuje zpoždění signálu. Vliv troposféry je stejně významný jako vliv ionosféry a je rovněž s časem a místem měření variabilní. Více viz kapitoly 9.4.2 a 10.5.4. Ostatní chyby Chyby zahrnují chyby na stráně uživatele způsobené šumem a rozlišením přijímače uživatele, chyby způsobené odraženým signálem, který se nešíří přímou cestou.

! !

K odrazům dochází vlivem prostředí, ve kterém měření probíhá, pak dochází k tzv. vícecestnému šíření signálu a v horším případě stínění signálu. Více viz kapitola 9.5.1, 10.5.5. Vzhledem k uvedeným chybám nemá metoda trilaterace v reálných podmínkách jednoznačné řešení. Výsledkem výpočtu polohy (nebo geometrické konstrukce) je oblast nacházející se

Poznámky:

44

Principy určování polohy s použitím GNSS v průsečíků kružnic vynesených pseudovzdáleností (pro řešení 2D), a kulových ploch (pro 3D řešení), kde se hledaná poloha může nacházet. Viz Obrázek 2-1pro 2D. Důležitým aspektem metody trilaterace v praxi je, že velikost a tvar oblasti, kde se hledaná poloha nachází a tedy i potenciální chyba měření závisí, nejen:  

na velikosti chyby zjištěné pseudovzdáleností, ale i na geometrickém uspořádání družic vůči přijímači.

!

Polohová chyba trilaterace je tedy dána chybou v měřených pseudovzdálenostech a geometrickým uspořádáním celého měření viz Obrázek 2-3. Více o vlivu geometrického uspořádání na výslednou chybu polohových a časových měření je uvedeno v kapitole 9.7. Pro ilustraci vztahu chyby psudovzdálenosti a geometrického uspořádání měření bylo záměrně vybráno 2D řešení s třemi družicemi, které je snadněji pochopitelné. Reálná měření probíhají v 3D prostoru s měřením pseudovzdáleností ke čtyřem družicím.

i

Poznámky:

45


Pseudovzdálenost = chyba vzdálenosti + vzdálenost

SV3 SV3

SV1

SV1

SV2 SV2

Obrázek 2-3 Vliv geometrického uspořádání vysílačů na chybu určení polohy.

2.6.3

Určování polohy měřením pseudovzdálenosti

Družice navigačních systému vysílají v rámci svých signálů PRN kódy. Přestože kód vypadá jako náhodná posloupnost hodnot 0 a 1, je sekvence hodnot přesně daná. Ve skutečnosti jsou signály sekvencí hodnot 1 a -1 a základní jednotkou není bit, ale jednotka chip. Dále v textu budou používané jednotky bity.

i

Pseudonáhodné kódy jsou charakterizované svou délkou a rychlostí. Tyto dva parametry určuji, zda je kód vhodný k měření pseudovzdálenosti nebo pro jiné účely. Dostatečně dlouhé

Poznámky:

46

Principy určování polohy s použitím GNSS a rychlé kódy umožňují jednoznačné a přesné měření vzdáleností mezi družici a přijímačem více kapitola 3.5.2. Pro správné měření pseudovzdálenosti je nutné, aby přijímač uměl vygenerovat repliku PRN kódu, který vysílá družice.

!

Měření pseudovzdálenosti PRN kódem je zatíženo chybami uvedenými v předešlé podkapitole a chybou danou strukturou PRN kódu. Poslední jmenovanou chybu budeme v následujícím výkladu zanedbávat.

Pi si

Ze všech chyb má největší dopad na dálkoměrné měření chyba hodiny družice a přístroje, které nejsou synchronní se systémovým časem. Pro potřeby následujícího výkladu, budou ostatní uváděné chyby považovány rovněž za zanedbatelné. V příkladu budeme vycházet z příkladu na obrázku, viz Obrázek 2-4.

Obrázek 2-4 Polohový vektor uživatele.

Vektor u představuje polohový vektor přijímače GNSS, který chceme určit. Vektor si je polohový vektor družice, který přijímač určí z navigační zprávy družice (z efemerid ). Vektor r (v obrázku koresponduje s Pi)je vektor, který určuje vzájemnou polohu přijímače GNSS a družice a jež je určován kódovým měřením (pomocí PRN kódu) v definovaném čase.

!

Poznámky:

47

Principy určování polohy s použitím GNSS Poloha uživatele je vyjádřena v kartézském geocentrickém souřadnicovém systému pevně spojeném se Zemí (ECEF z angl. Earth Centered Earth Fixed) souřadnicemi xu, yu, zu více v kapitole 3.3. Poloha družice je známá a vyjádřena taktéž ECEF souřadnicemi x, y, z. Efemeridy jsou parametry oběžné dráhy družice, které slouží k výpočtu polohy družice v požadovaném čase.

Velikost vektoru r je možné vypočítat podle vztahu (2.3).

‖

‖

i ! (2.3)

Proces určení času šíření signálu s použitím PNR kódu viz. Obrázek 2-5. Družice je v čase t1 (družicového času) opustí signál s PRN kódem v určité fázi, stejná replika stejného PRN kódu, je ve stejné fázi v čase t1 (času přijímače) vygenerovaná v přijímači. V čase t2 je kód v signálu z družice zachycený přijímačem. Pokud by byly hodiny družice i hodiny přijímače synchronní, bylo by možné přesně určit čas t2 jako prostý rozdíl času a vynásobením rychlostí šíření signálů by vedlo ke stanovení skutečné vzdálenosti družice od přijímače. Avšak hodiny družice ani hodiny přijímače nejsou synchronní vůči systémovému času, proto je měření na obou stranách zatíženo chybami, které vedou k změření pseudovzdálenosti viz Obrázek 2-5.

Poznámky:

48


(Časový ekvivalent geometrické vzdálenosti)

Δt

tu

δt

čas

Ts

Ts+δt

Tu

Tu+tu

(Časový ekvivalent pseudovzdálenosti) Obrázek 2-5 Vztahy mezi měřenými vzdálenostmi a časováním dálkoměrného kódu.

Výsledné měření pseudovzdálenosti je možné zapsat podle vztahu (2.4).

(

)

‖

‖

! (2.4)

Protože odchylka hodin družic je modelovaná a vysílaná družicí k přijímači v navigační zprávě, může přijímač odchylku hodin družice od systémového času eliminovat (ne zcela, ale zbývající chyba je malá a proto ji dále můžeme pro tento

Poznámky:

49

Principy určování polohy s použitím GNSS příklad zanedbat), zůstane nám v měřené pseudovzdálenosti pouze chyba hodin přístroje (jejich odchylka vůči systémovému času) vztah (2.5). ‖

‖

(2.5)

Bude-li prováděno měření k více družicím, získáme vždy rovnici (2.6). Kde Pj (dříve vektor r) je vypočtená pseudovzdálenost j-té družice, která je zatížená pouze neznámou hodnotou chyby hodin přijímače (odchylka hodin přijímače vůči systémovému času). Dále zůstává neznámá hodnota polohového vektoru u, přičemž je známý polohový vektor sj družice. Konstanta c představuje rychlost světla, kterou se šíří rádiový signál a tu představuje chybu hodin přijímače. ‖

‖

(2.6)

Rovnici (2.6) je možné přepsat úpravou do podoby (2.7). Pro jednoznačné určení polohy a času je pak nutné použít měření ke čtyřem družicím, které umožní zformovat soustavu čtyř nelineárních rovnic o čtyřech neznámých (2.7). √(

)

(

)

(

)

√(

)

(

)

(

)

√(

)

(

)

(

)

√(

)

(

)

(

)

Minimální požadavky pro validní kódové měření Řešením rovnic (2.7) některou z matematických metod je možné, z observací ke čtyřem družicím v čase t2 a známé polohy družic v čase t2, stanovit polohu přijímače xu, yu, zu společně s vypočtením chyby hodin přijímače tu.

(2.7)

!

Poznámky:

50


2.6.4

Přesnost pseudovzdáleností odvozených z kódových měření

Přesnost dosažená měřením pseudovzdálenosti odvozených z kódových měření je dána typem použitého dálkoměrného kódu. S ohledem na délku kódu v bitech a jeho rychlost b/s je možné odvodit geometrickou vzdálenost odpovídající odvysílání jednoho bitu PRN kódu.

!

Standardní přesnost čtení PRN kódu umožnuje měřit vzdálenost s přesnosti na 1% délky bitu PRN kódu. V současnosti jsou vyvíjené metody umožňující měřit vzdálenost s přesnosti na 0,1 % délky bitu PRN, kódu (Hofmann-Wellenhof, a další, 2008). Například uživatelé C/A-kódu systému GPS pracují s kódem, který je dlouhý 1023 b a je odvysílán rychlosti 1023 Kb/s. Po přepočtu vyplívá, že jeden bit C/A-kódu odpovídá přibližné délce 293metrů.

i

Přesnost čtení vzdálenosti pomocí C/A-kódu je pak 29,3 metrů při rozlišení na 1% délky bitu. Při použití pokročilých metod zpracování C/A-kódu s rozlišením až ne 0,1% chipu dosáhne přesnost čtení až 2,93 metrů.

2.7

Metoda měření fázových pseudovzdáleností

Metoda měření fázové pseudovzdálenosti (dále nazývaná jen jako fázová měření) je založená na měření vzdálenosti definované počtem vlnových délek nosné vlny mezi GNSS družici a přijímačem. Při měření nejsou využívány PRN pro zjištění pseudovzdálenosti.

!

Poznámky:

51

Principy určování polohy s použitím GNSS GNSS systémy nebyly konstruované pro provádění fázových měření a metoda fázových měření je výsledkem nezávislé iniciativy prvních uživatelů GNSS systémů, která se transformovala do plnohodnotné metody, dnes široce podporované výrobci GNSS zařízení pro velmi přesná měření. Pseudovzdálenost měřena metodou fázových měření, mezi družici a přijímačem, se stanoví jako součet: 

celočíselného počtu vlnových délek nosné vlny označovaného jako N,



zbytkové části nosné vlny



a chyb měření.

!

Chyby působící na fázová měření jsou shodné s chybami kódových měření, přestože měření založeno na měření času. Jedná se opět o: 

chybu hodin družice,



chybu hodin přijímače,



chyby způsobené ionosférickým



a troposférickým zpožděním,



chybu vícecestného šíření signálů, šum a rozlišovací schopnost přijímače.

Chyba hodin družice i přijímače mají význam pro synchronizaci fázového měření a eliminací nežádoucího fázového posunu nosné vlny, která je generovaná družicí a vlny replikované přijímačem.

i

Poznámky:

52

Principy určování polohy s použitím GNSS Měření pseudovzdálenosti fázových měření je možné popsat rovnicí (2.8).

|

|

! (2.8)

kde P vyjadřuje změřenou pseudovzdálenost, ΦSAT představuje fázi nosné vlny ve chvíli, kdy signál opustil anténu družice, ΦREC představuje fázi nosné vlny (replikovaného signálu na straně přijímače) ve chvíli, kdy byla přijímačem zachycena část signálů odeslaná družici. Nové dvě proměnné představují vzdálenost tvořenou celočíselným počtem celých vlnových délek nosné vlny N a vlnovou délkou nosné vlny λ. ε(t) vyjadřuje chybu měření pseudovzdálenosti a její složení odpovídá vztahu (2.2) v předchozí kapitole. Ambiguity Na rozdíl od kódových měření, která jsou zatížená nejistotami způsobenými chybami uvedenými ve vztahu (2.8), vstupuje na počátku měření fázových pseudovzdálenosti nejednoznačnost v počtu celých vln označována N. Nejednoznačnost je nazývána ambiguity. Fázový skok Pokud je již vyřešená nejednoznačnost N, ale dojde k přerušení sledovaného signálů družice, typicky zastínění družice překážkou v prostředí, dojde k tzv. fázovému skoku angl. cycle slip.

! !

Poznámky:

53

Principy určování polohy s použitím GNSS Při fázových měřeních je možné spolehlivě stanovit desetinný doměrek z celé vlnové délky nosné vlny. K tomu dojde téměř okamžitě po zahájení měření a synchronizaci časů. Avšak pro zjištění N je nutné provést více observací, které mohou, ale také nemusí vést ke stanovení statisticky nejpravděpodobnějšího počtu N při měření ke všem družicím, které jsou použité ve výpočtu polohy. Všechny techniky fázových měření vychází na počátku z kódových měření. Kódové měření slouží pro první aproximaci možného počtu N, která je pak na základě různých matematicko- statistických technik zpřesněna až na rozsah jediné vlny.

i

Ačkoliv je N na počátku měření neznámé, přijímač od zahájení měření sleduje pro každou družici, o kolik celých vlnových délek nosné vlny se N v průběhu měření změnilo. Po dostatečně dlouhé době nepřerušovaného měření k několika družicím, je možné stanovit počáteční hodnotu N měření. Na základě sledovaného počtu přibývajících nebo ubývajících celých vlnových délek nosné vlny je možné stanovit přenosu pseudovzdálenost. Minimální požadavky pro validní fázové měření Pro stanovení polohy:  



při statickém fázovém měření je nutná observace dvou družic po dobu nejméně čtyř po sobě následujících observačních epoch. Při dynamickém fázovém měření je nutné provádět observaci k pěti družicím po dobu alespoň čtyř po sobě následujících observačních epoch, nebo k sedmi družicím po dobu alespoň dvou následujících observačních epoch.

!

Poznámky:

54


2.7.1

Přesnost pseudovzdáleností odvozených z fázových měření

Přesnost určení pseudovzdálenosti fázového měření je dána velikostí vlnové délky nosné vlny. Obdobně jako v případě kódových měření, je možné spolehlivě měřit vzdálenost s rozlišením na 1% délky vlnové délky nosné vlny (Hofmann-Wellenhof, a další, 2008). Přesnost měření pseudovzdálenosti se pak pohybuje v jednotkách milimetrů. Například v případě systému GPS jsou používané vlnové délky 19 cm a 24 cm. Výsledná přesnost v určení pseudovzdálenosti se pohybuje 1,9 mm respektive 2,4 mm. V obou případech se jedná o chybu způsobenou jen nosnou vlnou, bez ostatních chyb, které ovlivňují měření pseudovzdáleností.

! i

Poznámky:

55

Principy určování polohy s použitím GNSS Otázka 2.1 Označte jednu správnou odpověď. Družicovou navigaci a lokalizaci nejlépe charakterizují následující pojmy.

?

a) Navigační družice / Pozemní rádiový vysílač /Mapa / GNSS přijímač / Rádiové signály b) Navigační družice / Rádiové signály /GNSS přijímač / Kompas c) Navigační družice / GNSS přijímač / Rádiové signály / Pseudovzdálenost

Otázka 2.2 Označte jednu správnou odpověď. Jakou roli hraje rádiový vysílač v družicové navigaci a lokalizaci?

?

a) Je to pohybující se orientační bod s neznámou polohou. b) Je to bod pro kontrolní výpočet, který slouží k ověření správně stanovené polohy ve zvoleném souřadnicovém systému. c) Je to statický orientační bod o známé poloze. d) Je to pohybující se orientační bod se známou polohou.

Poznámky:

56

Principy určování polohy s použitím GNSS Otázka 2.3 Spojte odpovídající si pojmy v prvním a druhém sloupci. Správně přiřaďte charakteristiku metody identifikace zdroje rádiového signálu s názvem metody. 1) Kódové dělení 2) Frekvenční dělení 3) Časové dělení

a) Každý vysílač má přidělený časový interval, ve kterém vysílá svůj signál, zatímco ostatní vysílače v daném čase signál nevysílají. b) Každý vysílač má přidělenou unikátní frekvenci, na které vysílá signál s dálkoměrným kódem, který je stejný pro všechny vysílače. c) Využívá unikátního pseudonáhodného kódu, který je přidělen každému vysílači. Všechny vysílače vysílají své signály na stejné frekvenci.

Otázka 2.4 Spojte odpovídající si pojmy v prvním a druhém sloupci. Správně přiřaďte charakteristiku typu signálu s obecným názvem signálu. 1) Pilotní signál 2) Datový signál

?

?

a) Signál umožňuje provádět jak dálkoměrná měření, tak určit stavové informace družice a systému GNSS. b) Signál umožňuje provádět jen dálkoměrná měření. K úplné lokalizaci a navigaci je nutný k uvedenému signálu ještě další signál, ze kterého lze získat další potřebná data o GNSS systému.

Poznámky:

57


Otázka 2.5 Spojte odpovídající si pojmy v prvním a druhém sloupci. Správně spojte název metody nepřímé lokalizace, která se používá v GNSS, s jejím stručným popisem. 1) Dopplerovská metoda 2) Triangulace 3) Trilaterace (TOA) 4) Multilaterace (TDOA)

?

a) Využívá metodu měření absolutního zpoždění signálů, při cestě signálů ze čtyř vysílačů směrem k přijímači. b) Používá zdánlivého změny frekvence vysílaného signálu s ohledem na vzájemný relativní pohyb mezi vysílačem a přijímačem a sledování změn frekvence v čase. c) Využívá měření směrů, ze kterých přijímač přijal signál vysílaný třemi statickými vysílači. d) Používá měření dvou rozdílů zpoždění signálů, mezi minimálně třemi vysílači, které jsou spojené do dvou synchronizovaně vysílajících párů.

Otázka 2.6 Popište vlastními slovy a následně zkontrolujte s textem. Vyjmenujte pět podmínek, které musí platit v idealizovaném případě, aby bylo možné provést metodu trilaterace s použitím jednoho rádiového přijímače a třech rádiových vysílačů dálkoměrného signálu.

?

Poznámky:

58

Principy určování polohy s použitím GNSS Otázka 2.7 Označte jednu správnou odpověď. Který výčet pojmů nejlépe charakterizuje metodu trilaterace?

?

a) Jedna družice / Přijímač / Absolutní čas zpoždění při cestě signálu z družice k přijímači přepočítaný na pseudovzdálenost / Opakované měření k družici. b) Čtyři družice /Přijímač / Absolutní časy zpoždění signálů při cestě z družic k přijímači přepočítané na vzdálenosti. c) Čtyři družice / Přijímač / Absolutní časy zpoždění signálů při cestě z družic k přijímači přepočítané na pseudovzdáleností k družicím. d) Tři družice / Přijímač / Absolutní časy zpoždění signálů při cestě z družic k přijímači přepočítané na pseudovzdálenost k družicí.

Otázka 2.8 Označte všechny správné odpovědi. Které pojmy se hodí k popisu metody měření pseudovzdáleností odvozených z kódových měření? e) f) g) h) i) j) k)

?

Pseudonáhodný kód Absolutní čas zpoždění signálů Nejednoznačnost počtů fázových vln Pseudovzdálenost (kódová) Poloha družice Rychlost světla Vlnová délka

Poznámky:

59

Principy určování polohy s použitím GNSS Otázka 2.9 Označte všechny správné odpovědi. Které pojmy se hodí k popisu metody měření pseudovzdáleností odvozených z fázových měření? a) b) c) d) e) f) g)

?

Dálkoměrný kód Nosná vlna Nejednoznačnost počtu fázových vln Pseudovzdálenost (kódová) Chyba ionosféry Rychlost světla Fázový skok

Otázka 2.10 Vyjmenujte a následně zkontrolujte s textem. Vyjmenujte pět významných chyb měření a nejistot, které se běžně uvádí v matematickém vztahu, který popisuje pseudovzdálenost měřenou kódovou metodou.

Otázka 2.11 Vyjmenujte a následně zkontrolujte s textem. Vyjmenujte šest významných chyb měření a nejistot, které se běžně uvádí v matematickém vztahu, který popisuje pseudovzdálenost měřenou fázovou metodou.

? ?

Poznámky:

60

Principy určování polohy s použitím GNSS Otázka 2.12 Spojte odpovídající si pojmy v prvním a druhém sloupci. Přiřaďte ke každé z metod dálkoměrných GNSS měření minimální počet viditelných družic a potřebný počet epoch měření. 1) 2) 3) 4)

Fázová statická Fázová dynamická Kódová 3D Kódová 2D

?

a) 4 družice 1 jedna epocha měření b) 2 družice 4 po sobě jdoucí epochy měření c) 3 družice 1 epocha měření a znalost výšky d) 5 družic - 4 po sobě jdoucí epochy měření nebo 7 družic - 2 po sobě jdoucí epochy měření

Poznámky:

61

Komponenty obecné architektury GNSS


3

V této kapitole se seznámíte se základními komponentami GNSS. Kromě popisu kosmického, řídicího a uživatelského segmentu a jejich rolí v GNSS, budete po přečtení kapitoly schopni popsat souřadnicový systém a systémový čas GNSS, které jsou dalšími klíčovými určujícími prvky každého GNSS. V závěru kapitoly se seznámíte s typickou strukturou signálů navigačních systémů a charakteristikou základních služeb GNSS. Po přečtení budete schopni popsat jaké signály jsou v GNSS používány, k čemu slouží jednotlivé částí signálů (nosná vlna, pseudonáhodný kód a navigační zpráva) a dále budete vědět jaký je vztah mezi signály a jednotlivými typy služeb, která jsou odvozené ze signálů GNSS.

Odhadovaný čas

3.1

90 minut

Úvod

Všechny GNSS se skládají ze třech základních systémových částí: 

kosmický segment,



řídicí segmentu a



uživatelský segmentu.

!

Jednotlivé GNSS se liší v tom, jak je jejich kosmický a řídicí segment segmenty realizován. Přesto oba uvedené segmenty ve všech systémech plní obdobné úlohy.

Poznámky:

62


Kosmický segment

TT&C

MS

ULS

MCS UTC čas

GNSS

GNSS

přijímač

přijímač

ST Uživatelský segment

Řídící segment MSC

Main Control Station Hlavní řídicí stanice ST System Time Systémový čas GNSS TT&C Telemetry, Tracking and Command/Control Telemetrická a povelová stanice

ULS MS

Up-Link Station Stanice pro komunikace s družicemi Monitoring Station Monitorovací stanice

Obrázek 3-1 Schéma segmentů GNSS a jejich vybraných částí včetně toku komunikace mezi segmenty a jejich vybranými částmi.

Z pohledu uživatelského segmentu jsou významnými částmi architektury GNSS, také signály, které jsou vysílané družicemi kosmického segmentu a které jsou základem služeb dostupných pro daný GNSS systém. Stejně jako jsou signály charakteristické pro daný systém, je pro každý GNSS systém charakteristický prostorový referenční rámec (dále jen souřadnicový systém) a časový referenční rámce (dále jen systémový čas). Základní schéma segmentů GNSS systému viz Obrázek 3-1.

!

Poznámky:

63

Komponenty obecné architektury GNSS Systémový čas je směrem k uživatelskému segmentu transformován vždy na UTC čas.

i

Detailní popis segmentů a dalších systémových částí pro GPS, GLONASS, Galileo a COMPASS naleznete v kapitolách 4, 5, 6 a v kapitole 7.

3.2

Segmenty

Slovo segmenty ve spojení s popisem hlavních komponent GNSS bylo používáno ve spojení se systémem GPS, proto bude používáno dále jako universální pojem, ačkoliv je možné v literatuře najít i jiná pojmenování. Například při popisu systému GLONASS se používá pojem pozemní řídicí komplex pro řídicí segment a Galileo používá výraz komponenta.

3.2.1

i

Kosmický segment

Kosmický segment je tvořen konstelaci umělých družic Země, které se pohybují po předem známých oběžných drahách. Konstelace družic kosmického segmentu je dána: 

Celkový počtem družic na orbitech



Počtem orbitální rovin



Počtem slotů v orbitální rovině



Tvarem a výškou orbit

!

Poznámky:

64

Komponenty obecné architektury GNSS 

Inklinaci orbit



Orientaci orbit vůči Zemi



Oběžnou dobou družice

Parametry oběžných drah každé družice jsou popsány v tzv. efemeridách. Na základě efemerid je možné určit polohu družice v definovaném čase. Družice vysílají směrem k Zemi signály (dále jen signály). Jednotlivé GNSS systémy se liší v tom, kolik družic jejich kosmický segment má, na jakých oběžných drahách jsou družice rozmístěny a na počtu a skladbě signálů, které družice vysílají.

!

Kosmický segment je vždy navržený tak, aby zajistil co nejlepší pokrytí zemského povrch signály z družic. Efektivita aktuální i celkové konstelace kosmického segmentu je vyjádřena pro každé provedené měření parametrem, který se nazývá zhoršení přesnosti angl. Dilution of Precision (DOP).

Podle nastavených parametrů a instrukci generuje družice řídicího segmentu nosnou vlnu signálu s dálkoměrným kódem pro pilotní signály. Pokud se jedná o tzv. datový signál, je navigační zpráva signálu získáván z paměti družice, do které ji nahrála některá ze specializovaných stanic řídicího segmentu. Ačkoliv je kosmický segment schopen fungovat autonomně, například v případě systému GPS až 180 dnů (JPO, 2004), docházelo by velmi rychle k zhoršení přesnosti určení polohy a času, pokud by nebyly navigační zprávy družic pravidelně aktualizované.

i ! i

Poznámky:

65

Komponenty obecné architektury GNSS Obsah navigačních zpráv se sestavuje na základě pozorování družice stanicemi řídicího segmentu. Navigační družice se skládá z mnoha subsystémů. Zjednodušeně lze uvést následující subsystémy.  



  

3.2.2

Subsystém navigační a datové jednotky – hw a sw který slouží k sestavení signálu družice, ke kontrole a k řízení družice. Subsystém atomových oscilátorů – tvoří atomové hodiny a frekvenční syntetizér. Subsystém slouží k odvození základní frekvence družice a je její časovou základnou, ze které jsou následně odvozovány jednotlivé složky signálů. Anténní subsystém – slouží pro vysílání navigačních signálů k uživatelům GNSS. Subsystém dále slouží pro komunikaci družice s řídicím segmentem a předávání telemetrických dat družice. V neposlední řadě anténní subsystém zajišťuje komunikaci družice s ostatním družicemi konstelace. Energetický subsystém a solární jednotky Subsystém stabilizace družice na oběžné dráze Pohonný subsystém

Řídicí segment

Řídicí segment je tvořen stanicemi, které zajišťuji, provoz celého navigačního systému. Stanice řídicího segmentu všech GNSS musí, plnit obdobné úkolu jako jsou; 

monitorování konstelace družic,



monitorování signálů družic,



sestavování navigačních zpráv družic,



udržovat systémový čas GNSS

!

Poznámky:

66

Komponenty obecné architektury GNSS 

a zajišťovat komunikaci s družicemi.

Řídicí segment v neposlední řadě také komunikuje směrem k uživatelskému segmentu, kterému přes různé komunikační kanály, např. email, web sděluje informace o plánovaném stavu kosmického segmentu. Další významnou funkci řídicího segmentu je garantování stanovených standardů a deklarovaných výkonnostních parametrů služeb pro uživatelský segment, ke kterým se zavázal provozovatel GNSS systému. Řídicí segment se skládá ze sítě: 

pozemních stanic



a komunikační infrastruktury.

!

Stanice řídicího segmentu, které lze rozdělit do několika skupin, podle činnosti, které vykonávají. Činnosti jednotlivých typů stanic mohou být v rámci daného GNSS sloučeny do jednoho typu stanice, nebo mohou být dekomponovány na dílčí činnosti a následně delegovány na vyhrazené typy stanic. Například Navstar GPS má stanice označované angl. Ground Antena. Ty svou činnosti pokrývají role stanic pro komunikaci, telemetrických a povelových stanic a zároveň slouží jako monitorovací. Řídicí stanice (MCS angl. Main Control Station) – je centrální uzel řídicího segmentu, který slouží k plánování provozu systému, plánováni údržby systému a řízení systému. Data získána z ostatních stanic řídicího segmentu jsou odesílané právě do řídicí stanice systému, kde jsou následně zpracovávaná. Zpracovaná data jsou základem pro sestavení obsahu navigačních zpráv. Ty jsou následně distribuované přes ULS stanice k jednotlivým družicím konstelace. Řídicí segment většinou spravuje také systémový čas daného GNSS systému.

i !

Poznámky:

67

Komponenty obecné architektury GNSS Stanice pro systémový čas GNSS – stanice pro odvození systémového času GNSS systému v případě, že tuto činnost nevykonává řídicí stanice systému.

Stanice pro komunikaci s družicemi (ULS z angl. Up-link Stations) – stanice slouží k nahrávání dat na družice.

Povelové stanice a stanice pro telemetrické sledování družic (TT&C z angl. Telemetry, Tracking and Command/Control) – stanice slouží k předávání povelů a získávání telemetrických dat družic. Získána telemetrická data družic jsou předávána do řídicí stanice. Řídicí stanice prostřednictví TT&C stanic řídí celou konstelaci družic. Monitorovací stanice (MS z angl. Monistor Station) – stanice slouží pro získávání signálů vysílaných družicemi daného GNSS. Získaná data jsou předávána řídicí stanici. Komunikační infrastruktura zahrnuje, jak komunikaci mezi jednotlivými stanicemi řídicího segmentu, tak komunikační rozhraní mezi řídicím a kosmickým segmentem. Komunikace mezi kosmickým a řídicím segmentem je zajišťována k tomu vyhrazenými stanicemi řídicího segmentu (ULS a TT&C).

! ! ! ! !

Poznámky:

68


3.2.3

Uživatelský segment

Uživatelský segment je tvořen uživateli vybavenými GNSS přijímači, kteří mohou určovat svou polohu, čas, rychlost a zrychlení. Společně s polohou a časem jsou uživatelé informování o integritě GNSS systému. Integrita GNSS systému (signálů) vyjadřuje míru důvěry ve správnost družicemi vysílaných signálů a informací. Integrita zahrnuje schopnost systému předat včas uživateli výstrahu, v případě, že by GNSS systém neměl být používán (ESA, 2013). Všechny GNSS systému rozlišují různé typy uživatelů. Minimálně jsou vždy odlišené dva typy, které lze nazvat obecně jako: 

autorizované uživatelé a



neautorizované uživatelé.

! i !

Rozlišování jednotlivých uživatelů je řešeno na úrovni signálů družic. Kombinace signálů družic tvoří různé typy služeb, které pak mohou oprávnění uživatele, vybavení vhodným GNSS přístrojem, používat. Přesnost lokalizace a navigace, závisí právě na druhu služby, se kterou jejich přístroj umí pracovat. Primárním účelem rozdělení uživatelů bylo, zajisti různou mírů přesnosti v lokalizaci a navigaci. Ačkoliv jsou v GNSS definované služby, je možné prostřednictvím vhodných metod měření, smazat rozdíl v dosahovaných přesnostech polohových a časových služeb mezi autorizovanými a neautorizovanými uživateli. To zatím platí v plném rozsahu pro systém GPS a GLONASS.

i

Poznámky:

69


3.3

Prostorový referenční rámec

V GNSS se pracuje s nebeským referenčním rámcem (CRF z angl. Celestial Reference Frame) a s terestrickým referenčním rámcem (TRF z angl. Terrestrial Reference Frame).

!

Systém CRF je označován jako kvazi-inerciální referenční systém, který umožňuje detailně modelovat pohyb zemského tělesa a používá se pro výpočet efemerid družic. Pro účely navigace jsou, efemeridy družici transformovány do TRF, který je pevně spojen se Zemí a v němž určuje svou polohu uživatelský segment.

Pro účely transformace z CRF do TRF systémů je nutné znát parametry rotace Zemského pólu, parametry precese a nutace Zemského pólu a parametry rotace Greenwich poledníku (Hofmann-Wellenhof, a další, 2008), (ESA, 2014). Vzhledem k obsahu publikace se dále systémem CRF nebudeme zabývat.

3.3.1

! i

Terestrický referenční systém

Systémy TRF, které se používají v GNSS patří do kategorie globálních, kontinuálních, trojrozměrných souřadnicových systémů, vztažených k Zemi, TRF systémy jsou také anglicky označovány jako ECEF (z angl. Earth Centered Earth Fixed).

Poznámky:

70

Komponenty obecné architektury GNSS Tvar zemského tělesa je zjednodušený na referenční elipsoid. Polohu každého objektu v daném ECEF systému je možné vyjádřit dvěma typ souřadnic buď geocentrickým souřadnicemi (x, y, z), nebo geodetickými (zeměpisnými) souřadnicemi (λ, φ, h), viz Obrázek 3-2. Referenční elipsoid je jednoznačně popsaný sadou parametrů, které umožní odvodit tvar elipsoidu matematickou cestou. Základními parametry popisu jsou: 

a – velikost hlavní poloosy,



1/f – převrácená hodnota zploštění,



ω – úhlová rychlost rotace Země,



GM – gravitační parametr.

IERS Referenční pól

Z

IERS Referenční pól

[λ, φ, h]

IERS Referenční poledník

!

[X, Y, Z]

IERS Referenční poledník

h

Těžiště Země

Z

!

Těžiště Země

φ λ

X

Y

X

Y

Obrázek 3-2 Vyjádření trojrozměrné polohy bodu v TRF prostřednictvím geocentrických kartézských souřadnic a pomocí geodetických zeměpisných souřadnic.

Poznámky:

71

Komponenty obecné architektury GNSS Výšková měření v případě zápisu polohy v geodetických (geografických) souřadnicích, jsou vztažená k ploše referenčního elipsoidu. Avšak v praxi jsou výšková měření odvozována od referenčního geoidu, který lépe aproximuje rozložení hmoty Země než elipsoid a umožňuje snadnější realizaci výškových měření.

!

Výšková měřené vůči elipsoidu jsou označována písmenem h nebo zkratkou HAE (z angl. Height Above Ellipsoid).

3.3.2

Geoid

Geoid je tvořen ekvipotenciální plochou, která se co nejvíce přimyká střední klidové hladině moří a oceánů, která je spojená i pod kontinenty a která prochází zvoleným referenčním bodem.

!

Povrch geoidu nelze matematicky odvodit. Složitý průběh geoidu se mapuje pomoci gravimetrických měření a následně je matematický aproximován například použitím matematických řad (NIMA, 2000). Výška nad geoidem je označována H nebo zkratkou jako MSL (Mean Sea Level).

Například rozdíl výšek nulové hladiny mezi referenčním elipsoidem WGS-84 a geoidem EGM-96 je od +85 metrů do -107 metrů.

! i

Poznámky:

72


Obrázek 3-3 Undulace elipsoidu WGS-84 a geoidu EGM-96. Fialová barva znázorňuje absolutní hodnotu maxima pozitivní hodnoty undulace. Červená barva znázorňuje absolutní hodnoty maxima negativní undulace.

3.4

Časový referenční rámec

Každý GNSS systém má vlastní systémový čas. Ten je udržován hlavní řídicí stanici, která odpovídá za synchronizaci konstelace družic kosmického segmentu.

!

Poznámky:

73

Komponenty obecné architektury GNSS Systémový čas GNSS je odvozen buď jako průběžný atomový čas, který je založen na SI definici základní jednotky času, nebo je odvozen z nezávislé realizace universálního koordinovaného času UTC (angl. Coordinated Universal Time).

!

UTC čas je udržován jako atomový standard TAI (francouzsky Temps Atomique International), který je opravován na universální čas UT1. UT1 čas je odvozený od rotace Země s korekcí vlivu pohybu zemských pólu pro zeměpisnou délku časových pozorování.

!

To je případ systémového času GLONASS, který je průběžně synchronizován s UTCSU. Více v kapitole 5.5 V případě používání průběžného atomového času, například GPS čas, je referenční škálou pro stanovení počáteční epochy systémového času, místní realizace času UTC (například UTCUSNO) více v kapitole 4.5. V rámci GNSS se pracuje také s tzv. družicovým časem. Družicový čas je odvozován od atomových hodin navigačních družic.

i !

Navigační družice bývají vybavené několika atomovými hodinami a to v závislosti na GNSS systému a typu družice. Čas všech atomových hodin družice se průměruje a je základem dostatečně přesné a stabilní časové a frekvenční základy pro družici. Za správné nastavení časové základny družic je odpovědná hlavní řídicí stanice řídicího segmentu.

Poznámky:

74

Komponenty obecné architektury GNSS Hlavní řídicí stanice provádí modelování chování a chyb hodin družic a vypočítává nezbytné korekce pro přepočet družicového času na systémový čas. Družice konstelace bývají časově synchronizovány s přesnosti na jednotky nebo desítky nanosekund.

!

Detaily o realizacích systémového času jednotlivých GNSS jsou uvedené v kapitolách 4.5, 5.5 a kapitole 6.5. Časová a bitová synchronizace PRN kódu a navigační zprávy družice je klíčová pro přesné zjištění pseudovzdálenosti.

Z hlediska interoperability systémů GNSS je dalším klíčovým aspektem interoperabilita systémových časů. Interoperabilitu systému GPS a GLONASS je například zajištěná na úrovni navigačních zpráv družic GLONASS, které obsahují data s korekcemi GLONASS času na čas GPS.

3.5

i i

Signály

Signály a jejich skladba je další charakteristickým prvkem pro každý GNSS. S ohledem na historické důvody budování prvních GNSS (vojenské systémy), byly signály strukturovány tak, aby umožňovaly sestavení dvou nezávislých služeb pro autorizované a pro neautorizované uživatele. U nově budovaných systémů a při modernizaci stávajících systémů se počítá s větším množstvím signálů, které umožní definovat více různých typů služeb.

Poznámky:

75

Komponenty obecné architektury GNSS Signál se skládat z několika části. Signál se skládá z: 

nosné vlny,



pseudonáhodného kód a



navigační zprávy (nemusí být vždy součásti signálu) více v kapitole 2.4.

!

V jedné nosné vlně může být několik různých signálů, které jsou určené pro různé uživatele. Použití více než jednoho signálu umožňuje řídit přesnost a kvalitu polohových, časových a navigačních služeb pro různé typy uživatelů. Signály vysílané GNSS a nebo plánované signály GNSS viz Tabulka 3-1.

!

Modernizací signálů je možné postupně zlepšovat výkonnostní parametry systémů. Modernizace signálů je vázána především na modernizaci kosmického segmentu.

Poznámky:

76


GPS

Současné2 signály

GLONASS

Galileo

COMPASS1

L1C/A

L1SP (C/A)

B1I

L1P

L1HP (P)

B2I

L2P

L2SP (C/A

L1M

L2HP (P)

L2M Budoucí signály

Tabulka 3-1

3.5.1

L1C

L3 | L3-I | L3-Q L1 | E1 | E2

B1Q

L2C

E5 | E5a | E5b

B2Q

L5 | L5-I | L5-Q

E6

B3

Navigační signály GNSS v současnosti a po plánované modernizaci GNSS (stav březen 2014)

Nosná vlna

Nosná vlna je základem signálů. Všechny GNSS využívají minimálně dvě základních frekvencí, jako základ pro své signály. Použití dvou nosných vln je klíčové pro odstranění vlivu ionosféry na signály.

1

!

Pojmenování vychází z (CSNO, 2013).

2

Za současné signály jsou považovány takové, které jsou použitelné pro navigační, polohové a časové výpočty. Oficiálně jsou ve stavu FOC (angl. Full Operational Capability)

Poznámky:

77

Komponenty obecné architektury GNSS Frekvence nosné vlny jsou v GNSS záměrně zvolené v L-pásmu jako kompromis, který zohledňuje požadavky na služby GNSS, nepříznivé efekty ovlivňující šíření nosné vlny atmosférou a technické specifikace vysílačů (družic) a GNSS přijímačů. Ionosféra nežádoucím způsobem ovlivňuje čas, který signál potřebuje k tomu, aby dorazil z antény navigační družice do antény GNSS přístroje. Protože existuje, pro rádiové vlny v L-pásmu, závislost mezi mírou ionosférického zpoždění a frekvencí nosné vlny signálu, je možné, u signálů vyslaných z jednoho vysílače na dvou různých frekvencích, určit, jak byly signály na obou frekvencích ionosférou ovlivněny.

i

Následně je možné vliv ionosféry na měření eliminovat. Více v kapitole9.4.1, 10.5.4.

3.5.2

Pseudonáhodný (dálkoměrný) kód

Pseudonáhodný (PRN) dále slouží k: 

nalezení družice,



identifikaci družice,



k určení pseudovzdálenosti k družici, proto je někdy označován jako dálkoměrný,



a také jako jeden z prostředků k řízení přístupu k signálům.

PRN kód je délkou přesně ohraničená posloupnosti bitů, které jsou vysílány definovanou rychlostí. Posloupnost bitů kódu, přestože vypadá jako náhodná, je jednoznačně definovaná a je unikátní pro každou z družic navigačního systému.

! !

Poznámky:

78

Komponenty obecné architektury GNSS Z hlediska charakteristik se jednotlivé pseudonáhodné kódy liší. Pro účely dalšího vysvětlení budeme rozlišovat dva extrémy:  

„pomalé a krátké kódy“ a „dlouhé a rychle kódy“.

Délka kódu 3 bity Délka kódu 24 bitů Za 1 ms překoná signál s kódem 300 km.

Pomalý kódu - 5 b/ms Délka kódu 24 b Rychlý kódu - 10 b/ms Délka kódu 24 b

60 km

30 km

30km

60 km

30 km

30 km

60 km

30 km

30 km

60 km

30 km

30 km

60 km

30 km

30 km

Dlouhý kód - 24 b Rychlost kódu 5 b/ms Krátký kód - 3 b Rychlost kódu 5 b/ms bit 0 bit 1

Úplná sekvence kódu

Obrázek 3-4 Ilustrační schéma srovnání dlouhých a krátkých PRN kódu a rychlých a pomalých PRN kódů.

Pomalé a krátké kódy se hodí k rychlé a jednoznačné identifikaci družice. Dlouhé a rychlé kódy se hodí k dálkoměrným měřením, viz Obrázek 3-4.

Poznámky:

79

Komponenty obecné architektury GNSS Dálkoměrné pseudonáhodné kódy, umožňují zpracování navigačního signálů v reálném čase, umožňují kódové dělit (CDMA) signál pro odlišení zdroje signálů, redukují vliv interferencí a umožňuji demodulaci navigační zprávy, a to navzdory faktu, že je signál družic velmi slabý (Hofmann-Wellenhof, a další, 2008).

i

Pseudonáhodné kódy mají kromě výše uvedených charakteristik také jednu další důležitou vlastnost. Násobením signálů s PRN kódem a jeho vygenerovanou replikou v přijímači, dojde k zesílení zpracovávaného signálů a indikaci, že daný signál obsahuje hledaný dálkoměrný kód. Například C/A-kód systému GPS je krátky (1023 b) a pomalý (1.023 Mb/s). Tyto jeho vlastnosti z něj dělají ideální kód pro detekci navigačního sinálu družice a identifikaci zdroje. C/A-kód je na druhou stranu krátký. Jeho trvání je 1ms to je ekvivalentem vzdálenosti, kterou signál za tuto doku urazí cca 300 km. Družice systému GPS mají výšku oběžné dráhy kolem 20 200 km. 

Tzn. že k pokrytí vzdálenosti mezi družici a uživatelem je nutno minimálně 68 opakování celého C/A-kódu.



Tzn. C/A-kód je nejednoznačný pro měření pseudovzdálenosti a tudíž nevhodný pro dálkoměrná měření.



Tzn. 1 bit C/A-kódu odpovídá vzdálenosti necelých 300 m.

! i

Poznámky:

80

Komponenty obecné architektury GNSS Naproti tomu sekvence P-kódu v signálu družic systému GPS vyhrazená jedné družici je dlouhá 6 187 100 000 000 bitů (JPO, 2004) a trvá 7 dní, než je celá odvysílána rychlostí 10,23 Mb/s. 

Tzn. délka P-kód pokryje potřebnou vzdálenost z družice k Zemi přibližně 910.



Tzn. 1 bit P-kódu odpovídá vzdálenosti necelých 30 metrů.



Tzn. je vhodný pro dálkoměrná měření.

3.5.3

I

Navigační zpráva

Navigační zpráva obsahuje data, která GNSS přístroj potřebuje ke správnému stanovení polohy družice v prostoru a čase. Navigační zpráva dále obsahuje časové značky pro měření pseudovzdálenosti prostřednictvím dálkoměrného kódu.

!

Struktura navigačních zpráv se liší nejen mezi jednotlivými GNSS, ale také mezi jednotlivými signály jednoho GNSS. Navigační zpráva se skládá z datových bloků, které mají pevně definovanou velikost v bitech, definovaný čas potřebný pro odvysílání každé části navigační zprávy. Platí pro systémy GPS a GLONASS.

i

Navigační zpráva je členěné do bloků nebo do paketů (novější typy navigačních zpráv).

Poznámky:

81

Komponenty obecné architektury GNSS Pojmenování bloků se liší systém od systému. Obsah navigační zprávy se obecně dělí na dvě části. Data vztahující se k družici 

Data obsahují efemeridy družice,



korekce hodin družic,



data o zdravotním stavu družice a



další systémová data družice nezbytná pro navigační úlohu.

!

Pokud navigační zprávu rozdělíme na uzavřenou sadu s konstantním počtem stránek (bez ohledu na skutečnou implementaci navigační zprávy), jejichž obsah se opakuje s definovaným časovým intervalem, pak kompletní data se vztahem k vysílající družici, jsou většinou vysílána v každé stránce navigační zprávy. GNSS přístroj je schopný stanovit polohy družice, opravu jejich hodin a zdravotní stav, po stažení obsahu jediné celé stránky, nebo její části, kde se data k družici nacházejí. Data popisující stav konstelace 

Data se skládají z almanachu systému,



indikaci zdravotního stavu družic v konstelaci a



dalších systémových informací.

!

Data popisující konstelaci jsou co do velikosti, nepoměrně rozsáhlejší, než data vztahující se jen k družici a proto se na každé stránce objevuje jen část těchto dat. Pro získání kompletní sady dat o celé konstelaci družic je nutné stáhnou všechny stránky navigační zprávy.

Poznámky:

82

Komponenty obecné architektury GNSS Například navigační zpráva družic systému GPS pro civilní signály je dlouhá 12,5 minuty. Skládá se z 25 rámců (stránek), které jsou dlouhé 30 sekund. V prvním a třetím podrámci (větě) každé stránky jsou data vztahující se k vysílající družici. Ve zbývajících dvou větách stránky jsou data vztahující se ke konstelaci. Polohu a čas družice, včetně zdravotního stavu družice, zjistí přístroj nedříve za 18 sekund (nejdéle 30). Kompletní informace o celé konstelaci zjistí přístroj z jedné družice nejdříve za 12,5 minut.

3.6

i

Služby

Slouží k vymezení typů uživatelů uživatelského segmentu. Služba je definována signály, které jsou v rámci služby dostupné. Uživatel určitého typu služby musí být vybaven přístrojem vhodným pro dekódování signálů vybrané služby.

!

V každém GNSS jsou minimálně dva typy služeb pro autorizované a pro neautorizované uživatelé. Na základě služeb dnes již existujících a budovaných GNSS systémů (ESA, 2013), (ESA, 2013), (ESA, 2012) je možné zobecněním dojít k následujícím typům polohových a časových služeb GNSS služeb. Otevřené služby (OS angl. Open Services) Služby jsou určené pro neautorizované uživatele, mají ve srovnání s ostatními službami nižší přesnost určovaných veličin. Služby mají relativně nízkou nebo negarantovanou integritu.

!

Poznámky:

83

Komponenty obecné architektury GNSS Komerční služby (CS angl. Commercial Services) Služby jsou pro vyhrazené uživatele. Služby využívají komerční šifrování a mají garantovanou kvalitu a dostupnost. Služby mohou mít i garanci integrity služby a mohou obsahovat přidaná data, která jsou nad rámec dat v navigační zprávě, potřebných pro určení polohy a času. Služby vysoké bezpečnosti (SoL angl. Safety-of-Life) Služby pro specializované aplikace například v segmentech dopravy, záchranných a krizových složek, které vyžadují vysokou integritu služby. Na službě závisí životy nebo by mohlo v důsledku nedetekovaného selhání služby dojít k velkým materiálním škodám. Služby mají garantovanou kvalitu a dostupnost. Integrita služby je prioritní! Vyhrazené služby státu a vojenským účelům Služby nekomerčního charakteru s nekomerčním šifrováním vyhrazené pro složky státu například armáda, silové složky, daňové a celní úřady, finanční správa. Služby mají relativně vyšší přesnost v určování polohy, je garantována lepší integrita služeb.

! ! !

V současné době jsou běžně implementované služby vyhrazené státu (služby pro nekomerční autorizované uživatelé) a otevřené služby. S modernizací stávajících GNSS systému a budováním nových GNSS se implementují služby typu SoL. Stav implementace různých typů služeb viz. Tabulka 3-1. Specifikaci služby provádí provozovatel systémů a ten také prostřednictvím řídicího segmentu garantuje dodržování předepsaných výkonnostních parametrů služeb.

!

Poznámky:

84

Komponenty obecné architektury GNSS K základním výkonnostním parametrům služeb patří: 

dostupnost,



pokrytí,



integrita,



přesnost pseudovzdálenosti signálu v prostoru,



polohová přesnost,



přesnost určení času, rychlosti a zrychlení.

!

Více v kapitole 4.7.1. Služby jsou specifikované pro určitou sadu podmínek, což znamená, že při skutečném měření, při nedodržení stanovených podmínek, nemusí být kvalitativní parametry služeb v definovaných hodnotách.

!

Poznámky:

85


GPS

Současné3 služby

GLONASS

Galileo

COMPASS

SPS (OS)

SP (OS)

OS

Standard Positioning Service

Standard Precision

Open Service

HP (AS)

AS

PPS

High Precision

Authorized Service

Precise Positioning Service

Budoucí služby

SOL

SOL

OS

Safety of Life

Safety of Life

Open Service

CS Commercial Service

PRS Public Regulated Service

SOL (SAR) Search and Rescue Tabulka 3-2 Služby GNSS systému dostupné v současnosti a po modernizaci nebo dobudování GNSS (stav březen 2014).

3

Za současné signály jsou považovány takové, které jsou použitelné pro navigační, polohové a časové výpočty. Oficiálně jsou ve stavu FOC (angl. Full Operational Capability)

Poznámky:

86

Komponenty obecné architektury GNSS Otázka 3.1 Označte všechny správné odpovědi. Které pojmy popisují významné prvky GNSS? a) b) c) d) e) f) g) h)

?

Kosmický segment Signály a služby Systémový čas GNSS Telekomunikační družice Uživatelský segment Prostorový referenční systém Řídicí segment Digitální mapy

Otázka 3.2 Označte všechny správné odpovědi. Odpovědi se mohou vzájemně doplňovat. Jak byste charakterizovali kosmický segment GNSS?

?

Konstelace umělých družic Země, snímající Zemský povrh. Družice, ke kterým se uživatelé GNSS během svého měření aktivně připojují. Konstelace umělých družic Země, vysílající signály k Zemskému povrchu. Konstelace družic, které jsou vůči Zemi relativně statická a jejichž polohu na orbitech známe. e) Konstelace družic, které se vzhledem k Zemi pohybují a jejichž polohu známe. f) Družice konstelace vysílají v signálech multimediální zprávy (obsah) a dálkoměrné kódy. g) Družice konstelace vysílají v signálech navigační zprávy a dálkoměrné kódy. a) b) c) d)

Poznámky:

87

Komponenty obecné architektury GNSS Otázka 3.3 Označte jednu správnou odpověď. Která skupina vět nejlépe popisuje řídicí segment GNSS?

?

a) Monitoruje konstelaci družic. Skládá se z různých typů stanic. Sestavuje obsah navigačních zpráv všech družic konstelace. Odpovídá za systémový čas GNSS. Uživatelský segment běžně s řídicím segmentem komunikuje prostřednictvím svých GNSS přijímačů. b) Monitoruje a řídí přístroje uživatelů GNSS. Skládá se z různých typů stanic. Monitoruje integritu signálů družic v konstelaci. Odpovídá za systémový čas GNSS. Součásti jsou družice GNSS. c) Monitoruje konstelaci družic. Monitoruje integritu signálů družic v konstelaci. Skládá se z různých typů stanic. Sestavuje obsah navigačních zpráv všech družic konstelace. Informuje uživatelský segment o plánovaných změnách v konstelaci, které by mohly ovlivnit kvalitu služeb GNSS. Odpovídá za systémový čas GNSS.

Poznámky:

88

Komponenty obecné architektury GNSS Otázka 3.4 Spojte odpovídající si pojmy v prvním a druhém sloupci. Správně přiřaďte typ stanice k základní charakteristice stanice. 1) Řídicí stanice 2) Stanice pro komunikace s družicemi 3) Povelové stanice a stanice pro telemetrické sledování družic 4) Monitorovací stanice

?

a) Získává signály z viditelných družic a předává získaná data řídicí stanici. b) Slouží pro ovládání a sledování družic a k odesílání povelů družicím. Data ze sledování jsou odesílaná ke zpracování. c) Slouží pro nahrávání navigačních dat do paměti družic. d) Slouží k řízení kosmického a řídicího segmentu GNSS.

Otázka 3.5 Označte jednu správnou odpověď. Jak byste nejlépe charakterizovali uživatelský segment?

?

a) Tvoří jej uživatele vybavení vhodným GNSS zařízením, kteří určují svou polohu. b) Tvoří jej vhodná GNSS zařízení. Zařízení určuje svou polohu, čas, rychlost a zrychlení. c) Tvoří jej uživatele vybavení vhodným GNSS zařízení, kteří určují svou polohu, čas, rychlost a zrychlení. Uživatelé se mohou dělit na autorizované a neautorizované.

Poznámky:

89

Komponenty obecné architektury GNSS Otázka 3.6 Označte jednu správnou odpověď. Které referenční těleso tvoří základ prostorových referenčních systémů v GNSS?

?

a) Geoid a) Elipsoid b) Koule

Otázka 3.7 Spojte odpovídající si pojmy v první sloupci (pojem nadbývá) a druhém sloupci. Přiřaďte trojici souřadnic odpovídajícímu pojmenování souřadnic. 1) [x, y, h] 2) [x, y, z] 3) [λ, ϕ, h]

a) Kartézské geocentrické souřadnice b) Geografické souřadnice

Otázka 3.8 Označte všechny správné odpovědí. Které dvě časové škály se používají v GNSS systémech? a) b) c) c)

? ?

TAI UT0 UT1 UTC

Poznámky:

90

Komponenty obecné architektury GNSS Otázka 3.9 Označte jednu správnou odpověď. Který popis nejlépe charakterizuje družicový čas?

?

a) Je to čas, který je odvozený od atomových hodin družice a unikátní pro každou družici. Družicový čas je průběžně monitorovaný a jeho chyba vůči systémovému času GNSS je modelovaná hlavní řídicí stanici. b) Je to unikátní čas družice odvozený na základě měření v hlavní řídicí stanici. Družicový čas je odvozený pro každou družici z UTC standardu a systémového času GNSS v hlavní řídicí stanici. c) Čas družice odvozený od atomových hodin družice a unikátní pro každou družici. Družicový čas si každá družice monitoruje samostatně. Jeho chybu vůči systémovému času GNSS si družice modeluje sama na základě dat odvysílaných hlavní řídicí stanici.

Otázka 3.10 Označte jednu správnou odpověď. Co je nosná vlna signálů?

?

a) Je doplňkem signálů navigačních družic. Družice mohou vysílat signály na více nosných vlnách s různými frekvencemi. b) Je základem signálů navigačních družic. Družice vysílají signály alespoň na dvou nosných vlnách s různou frekvencí. To umožní odstranit vliv ionosféry na dálkoměrná měření. c) Je základem signálů navigačních družic. Družice vysílají signály jen na jedné frekvenci.

Poznámky:

91

Komponenty obecné architektury GNSS Otázka 3.11 Označte všechny správné odpovědí. K čemu může sloužit pseudonáhodný kód v signálech družic? a) b) c) d) e) f) g)

?

K identifikaci družice. Ke kalibraci dálkoměrných měření. K vyhledání družice. K posílání dat o poloze a čase družic. K provedení dálkoměrných měření. K řízení přístupu k signálům družic. K posílání systémových dat o konstelaci družic GNSS.

Poznámky:

92

Komponenty obecné architektury GNSS Otázka 3.12 Označte jednu správnou odpověď. Která skupina sousloví nejlépe charakterizuje navigační zprávu?

?

a) Slouží k předávání potřebných data z družice do přijímače v signálech družic. / Obsahuje stavové informace o družici. / Obsahuje stavové informace o konstelaci. / Obsahuje časové značky odvysílání signálu. / Je součásti datových signálů. b) Slouží k předávání potřebných data z družice do přijímače přes Internet / Obsahuje stavové informace o družici. / Obsahuje stavové informace o konstelaci. / Obsahuje časové značky odvysílání signálu. / Je součásti pilotních signálů. c) Slouží k předávání potřebných data z družice do přijímače přes Internet. / Obsahuje stavové informace o družici. / Obsahuje stavové informace o konstelaci. / Obsahuje časové značky odvysílání signálu. / Je součásti datových signálů.

Poznámky:

93

GPS Navstar

4

GPS Navstar

V této kapitole se seznámíte s kosmickým segmentem a řídicím segmentem amerického systému GPS Navstar. Dozvíte se, jak jsou oba segmenty koncipovány, jaké plní role v celé architektuře systému GPS. U kosmického segmentu budete obeznámení s bližší charakteristikou celé konstelace navigačních družic a s jednotlivými generacemi družic. U řídicího segmentu budete informování o jednotlivých typech stanic řídicího segmentu. Dále se v kapitole dozvíte základní informace o prostorovém referenčním rámci WGS 1984, který je základem pro určování polohy v systému GPS, a o systémovém času GPS a jeho realizaci. Tak vám bude přiblížen vztahu GPS času a družicovému času GPS. Po přečtení posledních dvou části kapitoly budete znát, jaké signály družice GPS vysílají v současnosti a jak se bude rodina signálů rozšiřovat v budoucnu. U současných signálů detailněji poznáte jejich strukturu. V návaznosti na signály budete obeznámení se základními službami GPS a jejich vybranými kvalitativními parametry.

Odhadovaný čas

120 minut

Poznámky:

94

GPS Navstar

4.1

Historie

V roce 1972 vzdušné síly USA demonstrují úspěšně koncept nového navigačního Formulace potřeby navigačního systému 1970systému, který používá dálkoměrné pro operace ve vzduchu, na zemi a na moři. družicové signály postavené na Přijato rozhodnuti o nasazení jednotného 1976 kódu prosinecpseudonáhodném kosmického navigačního systému(Pace, GLONASS. a další, 1995). Dokončení technického plánu vývoje. 1978

1973 prosinec

1974

První testovací družice NTS-1 a NTS-2.

1975

JPO pověřená dohledem nad vývojem řídicího segmentu, kosmického segmentu a GPS přijímačů.

1978

Vypuštěná vývojová družice GPS Blok I.

1983

• DoD reviduje parametry SPS. • DoD doporučuje uvolnit SPS pro veřejnost. • SSSR sestřeluje civilní Korejské letadlo nad Sachalinem - prezident R. Regan odtajňuje systém GPS

1985

Poslední družice bloku I na orbitě.

1989

První družice z 29 družic bloku II na orbitě.

1991

• Aktivována selektivní dostupnost (SA). • Nasazení GPS v první válce v Iráku.

1993

• Dosažen IOC. • Schválení zpřístupnění GPS veřejnosti.

1994

• Dosažení FOC – 24 družic bloku II (U.S. Air Force , U.S. Coast Guard's). • Aktivován A-S.

1995

Oznámeno dosažení FOC.

Návrh budoucích parametrů systému.

Koncept je označovaný jako „System • První prototyp družic pro pozemní testy. 1980 621B“. S použitím horkovzdušného balónu • Přepracovaní návrhu vývojových družic a pozemních vysílačů, simulujících družice, • První dvě vývojové družice vynesené na 1982 je určovaná poloha letadla přelétajícího oběžnou dráhu. • Následuje dalších a5 oblastí s přesnosti 43 nadružic stovku mil (Pace, a testovacích (do roku 1991). další, 1995). 1984

Dosažená testovací konstelace čtyřech družic. 1973 zástupce ministra dubnu

V obrany Sovětský svaz nabízí světové veřejnosti vzdušné síly USA ke konsolidaci 1988pověřuje použití signálů GLONASS zdarma. dílčích projektů a snah o vybudování • Rozpad sovětského svazu. 1991 nového navigačního systému do jediného • Hotova konstelace 10-12 družic. projektu ministerstva obrany. Projekt měl • Zjištěné interference nosné vlny signálů družic s frekvencemi pro být původně označován jako Defense radioastronomická pozorování. Navigation Satellite System (DNSS). 1993

Systém GLONASS byl prohlášen dekretem prezidenta RF zasystému plně funkční. Vývoj nového byl v prosinci

1973 • Vypuštěno sedm trojicJPO družic GLONASS. pod vedením (angl. The GPS 1994svěřen • Dosaženo plné konstelace 24 družic. 1995Navstar Join SP-kód Program Office). JPO • Zpřístupněn (C/A) veřejnosti. dostalo povolení k vybudování systému Oznámeno dosažení FOC. 1996 s označením GPS Navstar (dále jen GPS). Byla zahájena první etapa, budováni

JPO zahajuje projekt DNSS. (dnes známý jako GPS Navstar).

Obrázek 4-1 Přehled historie GPS 1973 - 1995

Poznámky:

95

GPS Navstar systému GPS. JPO byla zřízená pří vesmírné divizi velitelství systémů vzdušných sil USA. V JPO jsou zastoupeny všechny složky armády USA, americká pobřežní stráž, NATO, NGA (National Geospatial-Intelligence Agency) a Austrálie. Běhen následujících 21 let byl vybudován: 

primárně vojenský systém,



který umožňuje práci také civilním uživatelům.



Systém poskytuje svým uživatelům nepřetržitou trojrozměrnou navigaci v prostoru a čase.



Navigační signály družic jsou dostupné na celém povrchu Země a v přilehlém kosmickém prostoru,



jedná se o pasivní radionavigační systém.



Navigační služby systému jsou pro autorizované (převážně vojenské) uživatele i neautorizované uživatele zcela zdarma.

i !

Náklady spojené s provozem, údržbou a rozvojem systému jsou placené z rozpočtu USA. V období 1974 – 1979 byla etapa detailního ověření všech koncepcí a návrhů, která vedla k finálnímu návrhu architektury systému a jeho komponent. Toto období je charakteristické testováním prvních verzí GPS přijímačů v testovacím armádním polygonu v Arizoně, kde simulovaly družice tzv. pseudolity nad kterým přelétala letadla, helikoptéry, v jejichž blízkost jezdila auta a pěší jednotky vybavené prototypy GPS přístrojů. V této fázi byl vybudován prototypový řídicí segment (Pace, a další, 1995).

Poznámky:

96

GPS Navstar V období 1980 – 1989 přechází systém do etapy plného vývoje celého systému. V tomto dosažení FOC. 1996 obdobíOznámeno je budována konstelace družic a řídicí • Publikován Interface Control Document 1996 segment. Nejprve je budovaná konstelace tzv. GLONASS s popisem struktury signálů. vývojových • Dekretdružic o dvojímbloku použitímI.GLONASS. Degradace období let kosmického 1990 – segmentu: 1994 byl dokončený • Nízká životnost GLONASS družic. kosmický segmentu. V tomto • Špatná ekonomická situace Ruské období bylo federace. dosaženo plného obsazení, všech projektovaných V konstelaci zbývá24 jen 6-8slotů funkčníchna družic.oběžných 2000 drahách, operačními družicemi Program na obnovu systému GLONASS:bloku II. Ty 2001 Dekret č.587 „Federal Dedicated Program – na rozdíl od družic bloku I zahrnovaly prvky, Global Navigation System – 2002-2011“. selektivní dostupnost (SA) a Anti-Spoofing Setkání GPS-GLONASS pracovní skupiny pro 2006 (A-S),interoperabilitu pro zajištění bezpečnosti systému. a kompatibilitu. Družice měly zlepšené monitorování integrity Dekretem prezidenta je garantovaný volný 2007 signálůpřístup a byly odolnější a spolehlivější (Pace, ke všem signálům GLONASS. a další,Vypuštěna 1995).první družice GLONASS-K. 2011

V 1996

2012

Dosažení plná konstelace (GLONASS-M) Družice GLONASS-M • Civilní signály SP-kódu na L1 a L2. roce• 1995 systéms GPS. oficiálně dosáhl Interoperabilita

V Full Operational Capability).

1995

Oznámeno dosažení FOC.

1996

Autorizace k odstranění SA (prověřování opodstatnění SA každý rok).

1997

Družice bloku IIR-M (signály L2C a M-kód).

1998

DoT a DoD oznamují dvě nové civilní frekvence L2C a L5 (od družic bloku IIF)

2000

2. Květen - zrušena SA.

2004

QUALCOMM předvádí A-GPS.

2008

Rozšíření řídicího segmentu o stanice NGA.

2010

Družice bloku IIF (signál L5).

Obrázek 4-2 Přehled historie GPS 1995 - 2010

plné operační způsobilosti - FOC (angl.

GPS byl uveden do plného provozu po sérii provozních zkoušek. Systém poskytuje dvě navigační služby. Tzv. standardní polohovou službu angl. Standard Positioning Service (SPS) a přesnou polohovou službu angl. Precise Positioning Service (PPS).

!

Oproti prvotním plánům, kdy měl být systém ryze vojenský a jeho existence byla utajována, byl GPS, na doporučení ministerstva obrany angl. Department of Defense (DoD) a 2005 ministerstva dopravy angl. Department of Transportation (DoT), z rozhodnutí prezidenta USA 2010došlo v roce 1983. Pro neautorizované uživatele zpřístupněn i pro civilní uživatelé. K tomu Poznámky:

97

GPS Navstar byla vyhrazená tzv. standardní polohová služba (SPS), zatímco autorizovaným uživatelům tzv. přesná polohová služba PPS (Rosetti, 2014). K zpřístupnění GPS pro civilní účely přispělo mimo jiné i nešťastné sestřelení korejského civilního letadla KAL 007 nad poloostrovem Sachalin 1. září 1983 (Rosetti, 2014). Pro odlišení neautorizovaných uživatelů (převážně civilní) a autorizovaných uživatelů byly do systému zabudovány dva mechanismy umožňující kontrolovat přístup jednotlivých uživatelů k signálům družic. Jedním z přijatých opatření byla tzv. selektivní dostupnost angl. Selective Availability (SA), která vedla k výraznému a záměrnému snížení přesnosti všech polohových a časových měření neautorizovaných uživatelů. SA byla plně aktivována od FOC. Od roku 1996 byla každoročně prověřována opodstatněnost SA. Z nařízení prezidenta USA byla 2. května 2000 SA vypnutá, což napomohlo dalšímu rozvoji GPS a jeho ještě většímu rozšíření v civilním sektoru.

!

Od dosažení FOC je systém průběžně modernizován. Modernizace se týká všech jeho segmentů. V případě kosmického segmentu bylo už v roce 1998 oznámeno přidání dvou nových civilních signálů. Ty jsou dostupné s novými generacemi družic bloku IIR-M a IIF více v kapitole 4.6.2. V letech 2005-2008 byla rozšířená síť stanic řídicího segmentu GPS o stanice agentury NGA, které zhustili původní síť pěti pozorovacích stanic řídicího segmentu více kapitola 4.3.

Poznámky:

98

GPS Navstar

4.2

Kosmický segment GPS

Konstelace Kosmický segment byl v prvopočátcích založen na vývojových družicích bloku I (družice první generace). V době dosažení FOC bylo na svých orbitech 24 družic bloku II/IIA (družice druhé generace). Jejich konstelace byla označovaná jako 21+3. Systém podle (DoD, 1995) počítal s minimálním počtem dvacet jedna operačních družic a třech záložních družic.

Označení konstelace

23+4

Celkový počet družic na orbitech Počet orbitální rovin

32 6 (označení A až F) 5 druž. v A 4 druž. v B

Počet slotů na orbitální rovnu

6 druž. v C 5 druž. v D 6 druž. v E 5 druž. v F Eliptický téměř kruhový

Tvar orbity Výška orbity

20 200 km

Inklinace oběžných drah

55° 8 x IIA

Aktivní bloky

12 x IIR 7 x IIR-M 4 x IIF

Oběžná doba Tabulka 4-1

11 h 58 min

Parametry konstelace GPS (stav k prosinci 2013)

Poznámky:

99

GPS Navstar

Od družic bloku II/IIA byl zavedeny dvě metody řízení přístupu uživatelů k signálům družic. První je selektivní dostupnost (SA) a druhou metodou je průběžné šifrování (A-S) více v kapitole 9.3.3. Družice bloku II/IIA vysílaly dva signály na dvou frekvencích L1 a L2, které jsou základem přesné polohové služby PPS a standardní polohové služby SPS.

!

Kosmický segment prochází postupnou modernizaci a byly postupně od roku 1997 nahrazovány zdokonalenými družicemi bloku IIR/IIR-M (třetí generace). Družice IIR-M vysílají nový civilní signál L2C a nový vojenský kód označovaný jako M-kód ve dvou signálech (L1M a L2M). L2C signál je vysílán zatím (březen 2014) bez modernizované navigační zprávy s názvem CNAV.

!

Použitelnost nových frekvencí a signálů je závislá na počtu aktivních družic daného bloku. Například pokud není zaručeno nepřetržité pokrytí signálem L2C minimálně 4 družicemi bloku IIR-M, není zaručena kontinuita nového L2C signálu, přestože některé nové GPS přístroje jsou už pro příjem L2C navigačního signálu připravené. K prosinci 2013 je na orbitech pouze 11 družic, které vysílají neúplný signál L2C. FOC pro L2C signál bude pravděpodobně dosaženo v roce 2016 (Gruber, 2011) Od roku 2010 jsou vypouštěny družice bloku IIF (družice čtvrté generace), které přináší další civilní frekvenci L5 se dvěma signály L5I a L5Q, který jsou určené především pro aplikace vyžadující vysokou bezpečnost angl. Safety of Life (SoL) Předpokládaným rokem dosažení FOC signálu L5 Sol je rok 2020 podle (Gruber, 2011)

i !

Poznámky:

100

GPS Navstar Ve vývoji jsou družice bloku III (družice páté generace). Ty budou umožňovat vypnutí SPS v oblastech válečných konfliktů, která nahradí techniku SA. Družice GPS již od bloku IIF nepodporují metodu SA pro řízení přístupu k signálům. Dalším vylepšením v oblasti signálů je dostupnost dalšího civilního signálu s označením L1C. Předpokládaný rok dosažení FOC je podle (Gruber, 2011) rok 2026. V roce 2011 byla dokončena změna v konstelace družici GPS na novou konstelaci 24+3. Cílem bylo zlepšit dostupnost signálů družic. Základní parametry kosmického segmentu GPS k prosinci 2013 viz. Tabulka 4-1. Podle SPS specifikace (DoD, 2008) současná konstelace umožňuje pokrytí celého zemského povrchu a přilehlého prostoru do výšky 3000 km, s minimální viditelnosti 6 družic při volném výhledu na oblohu, s překážkami na horizontu maximálně do výšky 5°. Reálně může být během dne viditelných i 12 až 13 družic GPS.

! !

Poznámky:

101

GPS Navstar

Obrázek 4-3 Oběžná dráha družice GPS PRN-17 za 24 hodin - 24. února 2010

Poznámky:

102

GPS Navstar

Obrázek 4-4 Celá konstelace kosmického segmentu GPS - 10. března 2014 v 12:00 UTC

Poznámky:

103

GPS Navstar

4.2.1

Družice

Každá družice GPS má přidělený jeden ze standardních pseudonáhodných (PRN) kódů. V konstelaci je vyhrazeno 32 standardních PRN kódů pro identifikaci družic a 5 dalších nestandardních PRN kódu. Více o PRN kódech v kapitolách 3.5.2 a 4.6.1. Každá družice indikuje příznak svého zdravotního stavu ve své navigační zprávě. Příznak oznamuje, zda je družice zdravá angl. Healthy, nebo nezdravá angl. unhealthy. Při provozu družice může dojít k plánovanému, nebo neplánovanému vyřazení družice ze zdravé konstelace družic. Plánované vyřazení družice z konstelace (dočasné) je oznamováno s předstihem uživatelskému segmentu v tzv. NANU (Notice Advisory To Navstar Users) zprávách, které distribuuje NAVCEN. Každý den je na základě souhrnu všech NANU zpráv vydáno doporučení pro uživatele GPS, které se nazývá OPS Advisory a ve kterém je souhrn aktuálních NANU a předpověď plánovaných operací kosmického segmentu. NAVCEN angl. Navigation Center provozuje služby a poskytuje informace, které zvyšují bezpečnost, zabezpečení a efektivitu vodních cest USA a dále civilních uživatelů GPS (NAVCEN, 2014).

! ! ! i

K plánovaným operacím, které vedou k dočasnému označení družice, jako nezdravé patří pravidelná údržba družic. Jedná se například o: 

delta-V manévr pro udržení polohy družice,

Poznámky:

104

GPS Navstar   

C-field tuning (nastavení základní frekvence), Ion Pump Operations (operace spojené s údržbou atomových hodin), SW testy.

V případě neplánovaného selhání družice GPS, jejího signálů nebo jeho části, může dojít k detekci selhání nebo anomálie samotnou družicí. Pokud je problém detekován družicí, záleží na tom, zda byla detekována anomálie v signálu družice nebo anomálie v navigační zprávě.

!

V případě detekce anomálie v signálu, družice začne vysílat signál s nestandardním PRN kódem, tím se stane neviditelná pro běžné GPS přijímače. Na tuto událost následně reaguje řídicí segment, který vyřadí družici z aktuální konstelace. Pokud je detekovaná anomálie v obsahu navigačních dat družice, začne družice vysílat tzv. výchozí navigační zprávu namísto normální navigační zprávy. Celá operace v obou případech netrvá déle než 6 sekund. Návrat družice do normálního režimu zabere 6 až 24 sekund (DoD, 2008). Druhou linii ochrany je řídicí segment, jehož reakční časy, v případě, že anomálie nebyla detekovaná samotnou družicí, jsou výrazně pomalejší.

4.3

Řídicí segment GPS

Řídicí segment GPS je tvořen 21 stanicemi (březen 2014), které jsou rozmístěny po celém světě, viz Obrázek 4-5. Podle (DoD, 2008) se dělí řídicí segment do tří subsystémů: 

!

hlavní řídicí stanice angl. Master Control Station (MCS) a záložní hlavní řídicí stanice angl. Backup Master Control Station (BMCS),

Poznámky:

105

GPS Navstar  

sítí čtyř pozemních stanic typu pozemní anténa angl. Ground Antennas (GA), a sítí globálně rozmístěných monitorovacích stanic angl. Monitor Stations (MS).

Z pohledu obecně pospané architektury GNSS v kapitole 3.2.2, plní stanice typu pozemní anténa (GA) roli stanice pro komunikaci s družicemi (ULS) a současně slouží jako stanice povelová a telemetrická (TT&C).

Obrázek 4-5 Rozmístění stanic řídicího segmentu po roce 2008 (duben 2014).

Poznámky:

106

GPS Navstar Stanice řídicího segmentu slouží, mimo jiné, jako sekundární jištění proti výpadkům a anomálnímu chování signálů vysílaných družicemi. Primární jištění realizují v případě potřeby samotné družice, které umí autonomně reagovat na některé anomálie v signálu.

4.3.1

!

Hlavní řídicí stanice

Hlavní řídicí stanice je situovaná na základně letectva Spojených států amerických Schriever v Coloradu. Stanice je provozována U.S. Air Force Space Command, Second Space Pozemní antény (GA)

Monitorovací stanice (MS)

Hlavní řídící stanice (MCS) • • • • •

Příkazy Telemetrie Nahrávání navigačních dat Řízení pozemních antén (GA) Status pozemních antén (GA)

Funkce ověřování výkonu • Kontrola výkony vzhledem k specifikacím • Detekce selhání a vydání výstrahy

Funkce řízení sítě • Správa datových přenosů

Funkce řízení družic • Generování příkazu • Zpracování telemetrie • Generování dat pro nahrávání a řízení

• • • •

Navigační data Dálkoměrná měření Řízení monitor. Stanic (MS) Status monitor. Stanic (MS)

Polohové a časové funkce • Zpracování dálkoměrných dat • Odhad a predikce stavu družic • Generování navigačních dat

Obrázek 4-6 Systém řízení operací GPS. Převzato a překresleno z (DoD, 2008).

Poznámky:

107

GPS Navstar Operation Squadron. MCS plní v řídicím segmentu a jeho systému pro řízení operaci klíčovou roli, viz Obrázek 4-6. V případě dlouhodobějšího výpadku MCS jsou operace řízení GPS předány do BMCS (záložní hlavní řídicí stanice).

4.3.2

!

Stanice pro komunikaci

Stanice pro komunikaci tvoří v současnosti čtveřice stanic Ascension Islands, Diego Garcia, Kwajalein a Cape Canaveral.

!

Na rozdíl od prvně třech jmenovaných stanic, není stanice Cape Canaveral umístěna na vojenské základně. K stanicím pro komunikaci se počítá také dálkově řízena anténa patřící do sítě pro řízení družic letectva USA (Air Force Satellite Control Network). Stanice pro komunikace tvoří rozhraní mezi řídicím segmentem a kosmickým segmentem. Všechny stanice umožňují plně duplexní komunikaci s družicemi. V standardním režimu probíhá komunikace vždy mezi jednou stanici sítě a jednou družici v daném čase. V případě potřeby je možné s dohledem MCS komunikovat simultánně s více družicemi současně. Stanice Cape Canaveral slouží jako místo předstartovních testu kompatibility nových družic.

! i

Poznámky:

108

GPS Navstar Základní činnosti stanice pro komunikaci jsou: 

Předávání povelů družicím.



Předávání instrukcí procesoru družic.



Nahrávání navigačních dat na družice.



Sběr telemetrických údajů družic.

4.3.3

!

Monitorovací stanice

Monitorovací stanice řídicího segmentu GPS jsou rozmístěny rovnoměrně globálně po celém světě.

!

Praktický všechny stanice řídicího segmentu včetně MSC i GA slouží jako monitorovací stanice. Před rozšířením sítě monitorovacích stanic o stanice NGA byly monitorovací stanice situovány v Colorado Springs na základnách Ascension Islands, Diego Garcia, Kwajalein, Hawaii a Cape Canaveral. Pouze stanice na Hawaii měla „jen“ funkci monitorovací stanice. Každá z monitorovacích stanic je přímo řízená MCS. Stanice kontinuálně sbírají: 

Dálkoměrná,



navigační data a



data o místních meteorologických podmínkách.

!

Poznámky:

109

GPS Navstar Přístroje používané pro monitorovací stanice jsou ze třídy měřičských přístrojů. Jedná se o dvanácti kanálové přijímače typu all-in-view, které byly vyvinuté speciálně pro účel monitorování signálů v řídicím segmentu GPS. Přijímače jsou schopné přijímat nezávisle signály L1 a L2. Přijímače:    



jsou řízeny dálkově, přijímají i nestandardní GPS signály (nestandardní PRN kód nebo signál družic, které jsou označeny jako nezdravé), všechna jejich měření mají časovou značku, demodulovaný obsah navigačních zpráv není korigován s použitím samo opravného kódu, který je používán v navigační zprávě k odstraňování chyb, ke kterým může, při přenosu navigačních dat, dojít, jsou vybavené atomovými hodinami.

Stanice kontinuálně sledují P(Y) kód na frekvencích L1a L2. Ačkoliv je C/A kód nutný pro zahájení měření, není nepřetržitě sledován. Surová data pseudovzdáleností a fázová data jsou sledována na frekvencích L1 a L2 v epoše 1.5 sekundy. Měření jsou prostřednictvím vyhlazování převáděná v MCS do 15 minutových bloků měření.

!

Fázová měření se používají k vyhlazení kódových měření. Proces vyhlazení umožní z měřených dat odstranit šum. Při zpracování jsou odstraněny odlehlé hodnoty měření a fázové skoky. Dvoufrekvenční data, jsou převáděna do tzv. ionospherefree kombinace.

i

Poznámky:

110

GPS Navstar

4.3.4

Modernizace řídicího segmentu

Řídicí segment GPS prošel několika významnými modernizacemi v mezidobí let 2007 – 2011. L-AII (Iniciativa na zlepšení zděděné přesnosti) V souladu s modernizačním plánem L-AII (angl. Legacy Accuracy Improvement Initiative) byla základní síť stanic monitorovacích stanic rozšířena o nové monitorovací stanice NGA (angl. The National Geospatial-Intelligence Agency).

!

Původních šest monitorovacích stanic bylo rozšířeno na šestnáct nových monitorovacích stanic. Rozšíření bylo dokončeno v roce 2008. V rozšířené síti je možné sledovat kontinuálně všechny družice v konstelaci GPS. Přičemž každá družice je neustále monitorovaná minimálně ze dvou až tří stanic současně. Rozšíření vedlo k 10-15% zvýšení přesnosti vysílaných efemerid a korekcí hodin družic v navigačních zprávách družic (GPS.gov, 2014).

!

AEP (Plán evoluce architektury) V roce 2007 došlo k uskutečnění AEP (angl. Architecture Evolution Plan). Výsledkem bylo nahrazení původního mainframe hlavní řídicí stanice novými IT technologiemi. V roce 2011 byl dokončen upgrade. Změny v IT architektuře řídicího segmentu umožňují rozšířit síť monitorovacích stanic na dvacet stanic řízených z MCS a konstelace je možné osadit až třicet dva družicemi bloku IIF, jejichž data bude schopen řídicí segment sledovat, kontrolovat a zpracovávat (GPS.gov, 2014). OCX (Řídicí systém operací nové generace) V roce 2008 byl uzavřen kontrakt na OCX (angl. Next Generation Operational Control System). Systém zaručí nové schopnosti řídit a kontrolovat modernizované civilní signály družic. Jedná se o signály L2C, L5 a L1C (GPS.gov, 2014). Poznámky:

111

GPS Navstar LLC (Schopnost startovní kontroly) Vybudované bylo také nové kontrolní a řídicí centrum LLC (angl. The Launch Checkout Capability), které bude provádět kontrolu a vypuštění všech družic bloku III. Centrum bude plně integrováno s OCX, proto by nemělo docházet k dočasnému zhoršení parametrů konstelace vlivem nečekaných chyb a výpadků u nově vynášených družic bloku III.

4.4

Prostorový referenční rámec GPS

Pro určování polohy se v systému GPS používá prostorový referenční rámec s názvem World Geodetic System 1984 (WGS 84). WGS 84 patří do skupiny TRF, které jsou pevně spojeny se Zemí (užívá se pro ně někdy označení ECEF). Systém byl vybudován pro účely GPS.

!

Parametry referenčního elipsoidu WGS 84 viz Tabulka 3-1. Orientace elipsoidu je vztažená k epoše 1984.0 BHI (Internation Time Bureau). Elipsoid má svůj střed v těžišti Země. Osy souřadnicového systému X, Y a Z jsou vzájemně ortogonální. Systém je označován jako pravotočivý. Osa Z koresponduje IERS referenčním pólem (IRP). Osa X prochází těžištěm země a průsečíkem IERS referenčního poledníku (IRM) a roviny rovníku a referenčního poledníku (nultého poledníku). Osa Y je pravotočivá a kolmá na osy X a Z. V rovině rovníku je umístěná v protisměru pohybu hodinových ručiček. Hmota referenčního elipsoidu odpovídá hmotě Země včetně oceánu a její atmosféry. Realizace první verze WGS 84 byla prováděná na základě observací v systému TRANSIT. Všechny následující realizace, jsou, mimo jiné, zpřesňovány prostřednictvím měřením k družicím GPS.

i

Poznámky:

112

GPS Navstar

IERS Referenční pól IERS Referenční poledník

ZWGS 84

[X, Y, Z] [λ, φ, h]

Těžiště Země

XWGS 84

YWGS 84

Obrázek 4-7 Referenční elipsoid WGS 84. Epocha realizace 1984.0 BHI

Poslední realizace systému WGS 84 (G1674) je vztažená k ITRF2008 v epoše 2005.0. WGS 84 (G1674) se odchyluje od ITRF2005 o přibližně 2 cm.

!

Na začátku roku 2013 mělo dojít k dalšímu vyrovnání WGS 84 vůči ITRF2010. Určování polohy ve WGS 84 je možné provádět buď v kartézských geocentrických souřadnicích (x, y, z), nebo geografických souřadnicích (λ, φ, h).

!

Poznámky:

113

GPS Navstar

a

6 378 137.0 m

1/f

298.257 223 563

GM

398 600, 441 8 ˟109 m3/s2

Ω Tabulka 4-2

7,292 115 ˟ 10-5 rad/s Základní parametry elipsoidu WGS 84.

Pro výšková měření se společně s WGS 84 používá geoid označován jako WGS 84 EGM96 (Earth Gravitational Model 1996) viz (NIMA, 2000).

4.5

4.5.1

Časový referenční rámec GPS

GPS čas

Systémový čas GPS se nazývá GPS čas (dále GT z angl. GPS Time). GT je atomovým časem, který je odvozován z času UTCUSNO. Počáteční epocha GT začíná 6. ledna 1980 00:00:00 UTCUSNO. UTCUSNO je UTC standard pro USA a je udržován v observatoři námořnictva Spojených států amerických (U.S. Naval Observatory).

! i

Poznámky:

114

GPS Navstar Protože GT není synchronizován vůči UTCUSNO, dochází postupně k celočíselnému odsazení času UTCUSNO od a GT. Celočíselný rozdíl mezi oběma časy je uváděn v navigační zprávě každé družice GPS. K datu 1. červen 2012 je odsazení GT vůči UTC 16 přestupných sekund.

! i

GT se seřizuje k UTCUSNO s přesnosti na jednu mikrosekundu. V celé konstelaci družic s vypnutou SA je chyba GT 4 až 10 nanosekund. Při zapnuté SA je chyba GT v celé konstelaci 40 až 60 nanosekund. Základními jednotkami GPS času jsou:  

GPS Week Number (WN) a Second of Week (SOW).

WN je čítač počtu týdnů od epochy 0000 GT. Z důvodu omezení velikosti čítače na 1 023 bitů je možné zapsat jen 1 023 týdnů, než dojde k přetečení čítače týdne angl. week rollover. K přetečení počítadla poprvé došlo 21. Srpna 1999. Po přetečení dojde k vynulování čítače GPS Week Number. SOW je stanovení GT na celé sekundy v rámci GPS týdne s přesnosti na jednu mikrosekundu. WN a SOW je součásti navigačních zpráv družic.

Poznámky:

115

GPS Navstar

Obrázek 4-8 Oznámení přestupné sekundy a hodnoty rozdílu UTCUSNO a GPS času (2012-01-06).

Poznámky:

116

GPS Navstar

4.5.2

Družicový čas

Družicové časy jednotlivých družic jsou monitorovány MCS řídicího segmentu. V případě potřeby je družicový čas, na pokyn MCS nastaven tak, aby se nelišili o více než jednu milisekundu od GT.

!

V závislosti na bloku družic jsou družice vybaveny trojíma až čtverýma atomovými hodinami. Součástí navigační zprávy družic jsou korekce družicového času na GT. Tím je výrazně potlačená chybu hodin družic, jako jeden z významných faktorů snižující přesnost měření pseudovzdáleností. Pro práci s časem při navigačním výpočtu jsou měrnými jednotkami času jednotlivé částí signálu (navigační zpráva, dálkoměrný kód a čítače v navigační zprávě). Všechny části signálu jsou časově i bitově synchronizované a mají přesně stanovenou délku i rychlost, kterou jsou vysílány. Vztahy základních měrných jednotek v signálů viz Tabulka 4-3 .

! i

Poznámky:

117

GPS Navstar

Část signálu

Délka

Čas

Trvání jednotky délky

Podrámec

300 b

6s

20 ms

Z-count čítač

4 Z-count

6s

1.5 s

4 Z-count = 1 podrámec

Slovo

30 b

0.6 s

20 ms

10 Slov = 1 Podrámec

C/A kódu

1 023 b

1 ms

1/1 023 ms

1 bit Slova = 20 x celá sekvence C/A-kódu

P kódu

15 345 000 b

7 dnů

97.75 ns

1 chip C/A-kódu = 10 chipů P-kódu

X1 čítač

10 X1

977,5 ns

Tabulka 4-3

4.6

Vztah

X1začíná vždy s podrámcem 10 X1 = 10 chip P kódu

Vztahy časoměrných jednotek odvozené z jednotlivých částí signálů GPS (C/A-kód a P-kód).

Navigační signály a jejich modernizace GPS

Signály družic GPS je možné rozdělit na:   

signály původní, které byly vysílané družicemi bloku II/IIA a IIR na dvou frekvencích L1 a L2, signály modernizované, které jsou vysílané družicemi bloku IIR-M, IIF na frekvencích L1, L2 a L5 a signály plánované, které se objeví s nástupem družic bloku III.

Modernizované signály jsou vysílané novými generacemi družic, ale ještě stále neobsahují modernizované navigační zprávy typu CNAV a nedosáhly FOC.

Poznámky:

118

GPS Navstar

4.6.1

Původní signály

Původní signály jsou vysílané všemi generacemi družic GPS a z důvodu zpětné kompatibility budou vysílané také družicemi bloku III. Signály jsou vysílané na dvou frekvencích v L-pásmu. Frekvence jsou označovány L1 a L2. Frekvence L1 původně obsahovala dva datové signály, s dvěma PRN kódy, s C/A-kódem a P-kódem. Frekvence L2 obsahovala jen jeden datový signál s Pkódem. Frekvence L1 a L2 Nosná vlna označovaná L1 má frekvenci f = 1574,42 MHz a vlnovou délku λ = 19 cm. Nosná vlna označovaná jako L2 má frekvenci f = 1227,60 MHz a vlnovou délku λ = 24 cm.

! !

Fázově posunutý signál

L1 1574,42 MHz

L2 1227,60 MHz

Poznámky:

P-kód

C/A-kód

NAV

NAV

P-kód NAV

Obrázek 4-9 Původní signály GPS (blok II, IIA, IIR).

119

GPS Navstar

C/A-kód Zkratka C/A-kód je akronymem pro angl. Coarse/Acquisition (hrubý/nabývací kód). C/A-kód je pseudonáhodný kód, podobný pseudonáhodnému šumu a lze jej označit, na základě jeho délky 1023 bitů a rychlosti vysílání 1.023 Mb/s, jako „pomalý a krátký“.

!

Odeslání kompletního C/A kódu trvá družici 1 ms. Postup generování kódu je popsán v dokumentu Interface Control Document (JPO, 2004), který veřejně publikovaný. Kód není šifrovaný a společně s navigační zprávou moduluje jen frekvenci L1. Signál s C/A-kódem je dále označovaný jako signál L1C/A. C/A-kód má několik funkcí: 

slouží k vyhledávání a získání signálů navigačních družic GPS,



k identifikaci družic a k získání P kódu.

!

Pro uživatel služby SPS slouží C/A-kód k provedení dálkoměrných měření a k získání obsahu navigační zprávy družice. Každá družice systému GPS má po ustavení na oběžné dráze přidělený jeden C/A-kód, ze sady standardních C/A-kódů, který je reprezentován tzv. PRN číslem. Rychlost C/A-kódu a jeho délka jej dělá ideálním pro rychlé nalezení signálů družice a její identifikaci. Během 1 sekundy se C/A kód zopakuje v signálu družice tisíckrát. Původně měl C/A-kód sloužit jen k tomu, aby bylo nalezeno vysílání GPS družice. S uvolněním GPS technologie pro civilní použití se stal C/A-kód základem služby SPS, která je určená pro neautorizované uživatele.

Poznámky:

120

GPS Navstar

C/A kód pomalý kód / krátký kód

Charakter:

Účel:



Získání signálu GPS družice



Identifikace GPS družice



Dálkoměrná měření pro SPS



Zpřístupnění navigační zprávy pro SPS

Délka:

1 023 b

Rychlost:

1 023 Kb/s

Přepočtena délka pro přenos 1 bitu:

293 metrů

Počet stand. kódů:

32

Šifrování:

Ne

Tabulka 4-4

Charakteristiky C/A-kódu.

GPS přístroj se snaží při hledání družice zaměřit na frekvenci nosné vlny družice a její C/A-kód. Je nutná kombinace obojího, aby bylo potvrzeno, že přístroj skutečně pracuje s platným signálem GPS. Jakmile se přístroj zamkne na platný signál GPS družice, tak přejde na sledování obou signálů s P-kódem, který je pseudonáhodným kódem určeným pro provádění dálkoměrných měření. Jeden bit C/A kódu odpovídá měřené pseudovzdálenosti cca 293 metrů. Celý kód pak odpovídá vzdálenosti 293 kilometrů. Z tohoto pohledu je C/A nevhodný pro měření pseudovzdálenosti hned dvakrát. 

Jeho celková délka z něj dělá kód nejednoznačný pro měření vzdálenosti

i i

Poznámky:

121

GPS Navstar k družici, která je v nejbližším bodě své orbity vůči uživateli vzdálená cca 20 200 kilometrů. Při délce C/A kódu cca 300 kilometrů se kompletní C/A kód zopakuje minimálně šedesát sedm krát. C/A-kód je nejednoznačný pro dálkoměrná měření! 

Samotná délka jednoho bitů z něj dělá primárně nevhodný pseudonáhodný kód pro měření pseudovzdálenosti. Jeden bít C/A kódu odpovídá vzdálenosti cca 293 metrů, což je ve srovnání s P-kódem 10 x horší (délkové) rozlišení 1 bitu kódu.

P-kód Písmeno P v názvu P-kód je akronymem pro angl. Precision (přesný kód). Kód lze označit na základě jeho délky 6 187 100 megabitů a rychlosti 10,23 Mb/s, se kterou je vysílán, za „rychlý a dlouhý“.

!

Odeslání kompletního P-kódu trvá družici 7 dnů (604 800 sekund). Stejně jako C/A-kód je P-kód pseudonáhodný a je podobný pseudonáhodnému šumu. Cekem existuje 37 unikátních P-kódů. Z tohoto počtu je 32 kódů rezervováno pro družice GPS (JPO, 2004). Skutečná délka P-kódu je 6 187 100 000 036 bitu. Všech 37 variant P-kódu je generováno offsetem počátku základního kódu v rozsahu 0 až 36 bitů (JPO, 2004).

i

Poznámky:

122

GPS Navstar

P(Y)-kód dlouhý kód / rychlý kód

Charakter: Účel:



Dálkoměrná měření pro PPS



Zpřístupnění navigační zprávy pro PPS



Identifikace družice

6 187 104 000 000 b

Délka:

(cca 722 GB)

Čas odvysílání:

7 dnů (604 800 s)

Rychlost:

10,23 Mb/s

Přepočtená délka pro přenos 1 bitu:

293 m

Počet stand. kódu:

32

Šifrování:

Ano / P(Y)-kód = P-kód + W-kód

Tabulka 4-5

Charakteristiky P(Y)-kódu.

Přesný mechanizmus generování P-kódu je popsán v dokumentaci ICD (JPO, 2004), která je veřejně publikována. P-kód je však průběžně šifrovaný na tzv. P(Y)-kód. K zašifrování se používá W-kódu. Průběžné šifrování je označováno jako AntiSpoofing (A-S) a je společně s utajováním M-kódu, jedním za dvou aktivních prvků řízení přístupu uživatelů k signálům družic GPS.

! !

Poznámky:

123

GPS Navstar P-kód společně s navigační zprávou moduluje frekvenci L1 a L2. Signál s P-kódem je označován dále jako signál L1P a L2P. Signály L1CA, L1P a L2P jsou základem PPS přístupné autorizovaným uživatelům. Tím, že P-kód moduluje obě nosné vlny, poskytuje výhodu dvou frekvenčních měřeními, která umožňují eliminovat nepříznivý vliv ionosféry, která působí na signály družic, při jejich průchodu ionosférou. Primární a funkci P-kódu je provádění přesných dálkoměrných měření. P-kód dále umožňuje „ teoreticky identifikaci družic“ a hlavně zpřístupněni obsahu navigační zprávy družice. Každá družice systému GPS má po ustavení na oběžné dráze přidělený jeden P-kód ze sady standardních P-kódů. Celkem je pro družice GPS rezervováno 32 PRN kódů. 

P-kód je díky své délce jednoznačný pro měření pseudovzdálenosti mezi družici a pozorovatelem na Zemi.



Díky své rychlosti, P-kód umožňuje měřit přesněji pseudovzdálenost. Dosahuje desetinásobně vyšší přesností měřených pseudovzdáleností, než C/A-kód. Přepočtená délka jednoho bitu kódu odpovídá vzdálenosti 29.3 metrů.

! i i

Délka P-kódu a podobnost všech 37 sekvencí jej dělá nevhodným pro účely vyhledání a zaměření signálů družic, pro tyto účely se používá C/A-kód.

Poznámky:

124

GPS Navstar Navigační zpráva Navigační zpráva (dále jen NAV) je součásti všech původních signálů GPS a je pro všechny původní signály obsahově i strukturou shodná.

!

Navigační zpráva GPS má: 

nešifrovanou a



šifrovanou část.

V nešifrované částí NAV jsou efemeridy, korekce družicového času, almanach, data ionosférického modelu pro uživatele jedno frekvenčních měření, viz Obrázek 4-10. V šifrované části navigační zprávy jsou datové bloky vyhrazené pro přenos speciálních zpráv a zašifrovaná WAGE (angl. Wide Area GPS Enhancement) data pro uživatele PPS. WAGE je obdoba SBAS korekcí, kterými může uživatel PPS zvýšit polohovou a časovou přesnost svých měření (DoD, 2007).

NAV je strukturována do rámců, podrámců a slov. Obsah a časování obsahu navigační zprávy je klíčové pro časová měření při navigačním výpočtu. Obsah kompletní navigační zprávy je odvysílán družici za 12.5 minuty. Popis obsahu a struktury NAV je uveden v (JPO, 2004) i (DoD, 2007).

i !

Navigační zpráva je členěná do rámců (stránek). Odvysílání jednoho rámce trvá 30 sekund. V navigační zprávě je celkem 25 rámců, jejichž obsah se z části mění. Každý rámec je rozčleněn na pět podrámců. Čas pro odvysílání jednoho podrámce je 6 sekund. První tři podrámce se opakují ve všech stránkách.

Poznámky:

125

GPS Navstar Podrámce 1 až 3 obsahují efemeridy družice, korekce hodin družice, GPS týden, stavový příznak zdraví družice a URA index (indikace chyby v měření pseudovzdálenosti zapříčiněné na straně kosmického a řídicího segmentu). GPS přístroj je schopný po přečtení obsahu prvních třech podrámců, stanovit přesnou polohu družice a chybu hodin družice vůči GPS času.

i

Obsah posledních dvou podrámců se průběžně ve všech pětadvaceti stránkách mění. Postupně jsou v podrámci 4 a 5 předávány stavové informace konstelace (almanach a zdravotní stav družic GPS), data ionosférického modelu, UTC data, zašifrovaná data WAGE a další speciální zprávy. Například parametry modelu ionosféry jsou obsažené na 18 stránce navigační zprávy.

i

Každý podrámec se skládá z deseti slov. První slovo je označované jako telemetrické slovo označované zkratkou TLM word (angl. Telemetry Word). Jedná se o synchronizační kód, který je stejný pro všechny podrámce. Mimo jiné obsahuje informace pro autorizované uživatele a pro řídicí segment. Pokud při čtení navigační NAV, kterou přístroj GPS dekóduje, nedojde k přečtení celého TLM, pak je celý podrámec zahozen jako nekompletní, dokud se nepodaří načíst kompletní TLM word.

Poznámky:

126

GPS Navstar

Významný datový obsah podrámce

1 rámec z 25 rámců Podrámec 1

TLM

HOW

Číslo GPS týdne, URA a zdravotní stav, korekce hodin družic

Podrámec 2

TLM

HOW

Efemeridy

Podrámec 3

TLM

HOW

Efemeridy

Podrámec 4

TLM

HOW

Almanach a zdravotní stav družice 25 -32, Speciální zprávy, Konfigurační příznaky, Ionosférická a UTC data, EAGE Data

Podrámec 5

TLM

HOW

Almanach a zdravotní stav družice 1 -24, Referenční čas almanachu a číslo GPS týdne

Telemetrické slovo

Obsah podrámce se mění v každém z 25 rámců

Předávací slovo časová značka

Obrázek 4-10 Struktura navigační zprávy GPS pro signály SPS a PPS.

Druhé slovo každého podrámce, označované jako HOW (angl. Handowe Word), obsahuje, mimo jiné, časovou značku time-of-week, kdy bude zahájeno vysílání první značky X1 čítače následujícího podrámce.

!

Poznámky:

127

GPS Navstar X1 je čítač epoch GT, který je synchronizovaný se začátkem/koncem každého GPS týdne. Používá se v navigační zprávě k bitové a časové synchronizaci všech částí signálů při dálkoměrných měřeních.

4.6.2

i

Modernizované signály

Modernizace civilních signálů Cílem modernizace navigačních signálů je poskytnout uživatelům SPS nové civilní dálkoměrné kódy, které jsou navržené přímo pro dálkoměrná měření (civilní obdoba P-kódu). Modernizované signály s novými civilními dálkoměrnými kódy budou vysílané na více frekvencích. To umožní eliminovat nežádoucí vliv ionosféry na měření i uživatelům SPS.

! !

Modernizací prochází také vojenské signály. S příchodem družic bloku IIF zcela zmizela schopnost družic aktivovat SA. U družic bloku III bude nahrazená SA novou technologii nazývanou NAVWAR (Gruber, 2011), (GlobalSecurity.org, 2014).

Poznámky:

128

GPS Navstar

Fázově posunuté signály

P-kód

C/A-kód

M-kód

NAV

NAV

MNAV

P-kód

L2C CM CL

M-kód

NAV

CNAV

MNAV

L5

I5-kód

Q5-kód

1176,45 MHz

CNAV

L1 1574,42 MHz

L2 1227,60 MHz

CNAV není zatím součásti žádného vysílaného signálů Obrázek 4-11 Modernizované signály GPS (blok IIR-M, IIF).

M-kód Od družic bloku IIR-M je vysílaný nový vojenský M-kód, společně s modernizovanou navigační zprávou MNAV.

!

Výsledkem jsou dva totožné vojenské navigační signály, které modulují frekvence L1 a L2. Signály jsou dále označované L1M a L2M.

Poznámky:

129

GPS Navstar Nový M-kód byl navržen za účelem zlepšené odolnosti proti úmyslnému i neúmyslnému rušení a pro zlepšení zabezpečení přístupu k vojenským signálům. Významnou charakteristikou M-kódu je jeho nezávislost na ostatních signálech družic GPS.

Uživatel je schopen uskutečnit celý navigační výpočet jen s použitím M-kódu (ESA, 2014).

i !

Více detailů o M-kódu zatím nebylo publikováno. MNAV Nová vojenská navigační zpráva, není strukturována po rámcích, ale po paketech. To umožňuje flexibilitu datového obsahu ve zprávě. Obdobně jako jsou nedostupné bližší specifikace M-kódu, je známo málo informací také o MNAV. L2C (CM kód / CL kód) Od družic bloku IIR-M vysílán také nový civilní signál označovaný jako L2C. Signál moduluje frekvenci L2 a skládá ze dvou nových dálkoměrných kódů: 

CM (angl. Civilian Moderate) a



CL (angl. Civilian Long).

!

Poznámky:

130

GPS Navstar CM-kód je dlouhý 10230 bitů a opakuje se každých 20 ms. CL-kód má délku 767250 bitů a opakuje se každých 1500 ms. Oba kódy jsou vysílaný rychlostí 511,5 kb/s. Složením obou kódů vznikne nový kód s rychlostí znaků 1,023 Mb/s.

!

CM-kód je spojen s novým typem navigační zprávy. Signál s CM-kódem bude označován jako L2C Data Signal. Signál CL-kódem bude označován jako L2C Pilot Signal. CNAV Nový typ civilní navigační zprávy v L2C datovém signálu se nazývá CNAV. První výraznou změnou je změna v její strukturování. Stejně jako MNAV je CNAV strukturovaná po paketech. CNAV se bude skládat až z dvanáctisekundových 300 bitů velkých paketů. Zatím jsou známé následující charakteristiky CNAV: 

Dva, ze čtveřice po sobě jdoucích paketů, vždy obsahují efemeridy. Poslední paket, ze čtveřice, bude vždy obsahovat data hodin družicového času.



CNAV má implementovanou novou metodu korekcí chyb v datech navigační zprávy s názvem FEC (angl. Forward Error Correction).



CNAV má zvětšený čítač čísla GPS týdne (WN). Z původních 10 bitů (1023 hodnot – 1023 týdnů / 19.6 let) bude mít 13 bitů (8192 hodnot – 8192 týdnů / 157 let).



CNAV obsahuje pakety s hodnotou odsazení GT od času GNSS. To zaručuje budoucí interoperability se systémy GLONASS a Galileo



CNAV umožňuje přenášet data korekcí, která jsou obdobou dat současných

! i

Poznámky:

131

GPS Navstar SBAS systémů a která jsou vhodná k opravě hodnot družicového času vysílaných v původní navigační zprávě NAV. 

Každý paket obsahuje výstražný indikátor, zda je možné navigačním datům a signálům družice důvěřovat. Tato výstraha přijde nejpozději 6 sekund od okamžiku, kdy dojde selhání signálů, které umí družice GPS detekovat.



CNAV bude umožňovat rozšíření kosmického segmenty GPS až na 63 družic, oproti maximu 32 družic v současné navigační zprávě.

Frekvence L5 S příchodem družic bloku IIF se ve struktuře signálů GPS objevil nový civilní signál označovaný jako L5 SOL.

!

Signál je vysílán na nové frekvenci L-pásma obecně označované jako L5 s frekvenci f = 1176.45 MHz. Frekvence L5 je vysílána v pásmu vyhrazeném pro mezinárodní letecké radionavigační služby. Signál obsahuje dva PRN kódy, I5-kód a Q5-kód. Oba kódy jsou dlouhé 10230 bitů. Odvysílání obou kódů trvá 1 milisekundu. I5-kód je kombinován s navigační zprávou označovanou L5 CNAV a je ve fázi s nosnou vlnou (in-phase). Do I5-kódu je přidán ještě Neuman-Hoffmanův kód o délce 10 znaků s frekvencí 1 kHz. Signál I5 tvoří tzv. L5 Data Signal. Q5-kód je posunutý vůči fázi nosné vlny (quadrature-phase) a kromě Neuman-Hoffmanova kódu, o délce 20 znaků o frekvenci 1 kHz, neobsahuje žádná další data a tvoří tzv. L5 Pilot Signal.

Poznámky:

132

GPS Navstar

L1C S vypuštěním první družice bloku III, bude dostupný třetí civilní navigační signál označovaný jako L1C (ESA, 2014), (Gruber, 2011). Skladba signálů bude analogií L2C, avšak s tím rozdílem, že signál bude vysílán na frekvenci L1, společně s původním signálem L1C/A.

!

Poznámky:

133

GPS Navstar

4.7

Služby GPS

Systém GPS poskytuje v současnosti (duben 2014) dva typy navigačních, polohových a časových služeb. První je otevřená služba pro neautorizované uživatele s názvem Standardní polohová služba angl. Standard Positioning Service (SPS).

Druhou je přesná polohová služba angl. Precise Positioning Service (PPS), která je vyhrazená pro autorizované uživatele.

! !

Obě služby jsou specifikované ve stejnojmenných standardech GPS SPS Performance Standard (DoD, 2008) a GPS PPS Performance Standard (DoD, 2007).

4.7.1

Standardní polohová služba SPS

SPS je polohová a časová služba poskytovaná prostřednictvím dálkoměrných signálů, vysílaných na GPS frekvenci L1. Signály frekvence L1, která jsou vysílány všemi družicemi, obsahují dálkoměrný C/A-kód s navigační zprávou, a jsou dostupné pro mírové civilní, komerční a výzkumné účely (DoD, 2008).

!

„The SPS is a positioning and timing service provided by way of ranging signals broadcast at the GPS L1 frequency. The L1 frequency, transmitted by all satellites, contains a coarse/acquisition (C/A) code ranging signal, with a navigation data message, that is available for peaceful civil, commercial, and scientific use.“ (DoD, 2008)

Poznámky:

134

GPS Navstar Standard SPS se v čase vyvíjel s rozvojem a změnami v řídicím a kosmickém segmentu GPS viz Tabulka 4-6. Rok vydání

Důvod změny standardu

Edice standardu

1993

IOC GPS (Initial Operational Capability)

SPS edice 1

1995

FOC GPS (Full Operational Capability)

SPS edice 2

2001

Vypnutí SA (selektivní dostupnosti)

SPS edice 3

2008

Modernizace řídicího segmentu L-AII. Začlenění nových monitorovacích stanic NGA.

SPS edice 4

Tabulka 4-6

Časový vývoj edicí SPS.

V současnosti jsou předmětem SPS signály L1 C/A. Konstelace uvedená v SPS edice 4 nezohledňuje změnu v konstelaci kosmického segmentu, ke které došlo v průběhu let 2011 a 2012. Konstelace SPS se vztahuje k epoše 00:00:00 UTC, 1. července 1993 (DoD, 2008).

i

SPS specifikuje sadu kvalitativních parametrů, které se zavázal provozovatel systému GPS dodržovat. Vybrané kvalitativní parametry standardu SPS ze 4. edice viz Tabulka 4-7. Plné znění standardu s definovanými výkonnostními standardy GPS, které se vztahuji k signálům v prostoru angl. Signal In Space (SIS) jsou uvedeny v (DoD, 2008). K základním výkonnostním parametrů uvedeným v SPS patří: 

SPS SIS Coverace (pokrytí),



SPS SIS Availability (dostupnost),

!

Poznámky:

135

GPS Navstar 

SPS SIS Health (zdraví),



SPS SIS Accurancy (přesnost pseudovzdáleností),



SPS SIS Integrity (integrita),



SPS SIS Continuity (kontinuita)



SPS SIS UTCusno Accurancy (časová přesnost signálů).

Dostupnost je definované na jako časové období, po které, družice umístěna v definovaném slotu, vysílá zdravý a sledovatelný SIS. Z hlediska celé konstelace se jedná o časové období, po které jsou obsazeny všechny definované sloty družicemi, které vysílají zdravý a sledovatelný signál.

!

Dostupnost se netýká tzv. nadbytečných družic (angl. Surplus Satellite). Které vysílají zdravý a sledovatelný signál, ale není jim přidělena pozice v žádném definovaném slotu konstelace.

Přesnost je definovaná ve vztahu k přesnosti určení pseudovzdálenosti družice. Je vždy popisovaná s pravděpodobnosti 95% a za dvou stavů. V prvním případě se jedná o přesnost při definovaném jakémkoliv nebo nulovém stáří navigačních dat angl. Age of Data (AOD), v druhém případě pak souhrnně ve všech AOD.

!

Poznámky:

136

GPS Navstar

Kvalitativní parametr SPS

Hodnoty parametru

Podmínky a omezení

Pokrytí signálem jednotlivých družic

Terestrický prostor:



Pro zdravé signály a okrajové signály4.



Pro zdravé signály a okrajové signály.

Jedno frekvenční C/A-kód:



Jakákoliv zdravý signál.





Zanedbává jedno frekvenční model ionosférického zpoždění.



Zahrnuje korekci chyby skupinového zpoždění pro L1.



Zahrnuje interní signálové vlivy mezi P(Y)-kódem a C/A-kódem na L1.



100% pokrytí

Kosmický prosto: 

Pokrytí signálem pro celou konstelaci

Pokrytí není definováno

Terestrický prostor: 

100% pokrytí

Kosmický prosto: 

Přesnost signálů (pseudovzdálenost)



Tabulka 4-7

Pokrytí není definováno

≤ 7,8 m 95% globální průměr URE, běžné operace, všechna ADO ≤ 6,0 m 95% globální průměr URE, běžné operace, Zero ADO5

Vybrané hodnoty výkonnostních parametrů „Standardní polohové služby 4. edice“ z roku 2008. Převzato a upraveno (DoD, 2008).

4

Okrajový signál je signál získaný za ztížených podmínek, například zastínění reliéfem, překážkami na horizontu, nevhodnou polohou nebo orientaci antény. Ačkoliv takový signál může být v pořádku (zdravý) a může vést ke správnému měření pseudovzdálenosti, je nutné provést další dodatečná měření pseudovzdálenosti k ověření zda případně nedošlo k selhání okrajového signálu. 5

ADO angl. Age of Data

Poznámky:

137

GPS Navstar

Kontinuita signálů

Přerušení neplánovaným selháním: 

Tabulka 4-8

≥ 0,9998 pravděpodobnost v jakékoliv hodině, že nedojde ke ztrátě dostupnosti signálů z důvodů neplánovaného přerušení signálů



Vypočteno jako průměr napříč všemi sloty konstelace (21+3). Normalizováno na období roku.



Předpokládá signál dostupný ze slotu na začátku hodiny.


Integrita je definována jako důvěra, kterou může mít uživatel ve správnost signálu SPS SIS. Pro popis stavu integrity se používají čtyři komponenty: 

pravděpodobnost významného selhání služby,



čas do spuštění poplachu,



dosažení prahu tolerance, pro označení signálů jako zavádějícího a



indikátor potenciálního problémů angl. Alert – Alarm Indications.

!

Posledně uvedený indikátor obsahuje devět stavů (události) SPS SIS, které znamenají, že signál, který je družici vysílán, není v pořádku.

Kontinuita signálů označuje pravděpodobnost, že bude zajištěno pokračování signálu družic bez přerušení, v důsledku neočekávaného výpadku.

!

Poznámky:

138

GPS Navstar

Stavové hlášení a hlášení problémů

Plánovaná události ovlivňující službu: 



Pro jakýkoliv signál

Vhodná NANU zpráva bude vydána Pobřežní stráží USA a FAA6 v předstihu nejméně 48 hodin.

Neplánovaný výpadek nebo problém ovlivňují službu: 

Tabulka 4-9

6

Vhodná NANU zpráva bude vydána Pobřežní stráží USA a FAA v nejbližším možném čase po události.


FAA - The Federal Aviation Administration

Poznámky:

139

GPS Navstar


Hodnoty parametru


Polohová/ časová přesnost

Globální průměr přesnosti v polohové doméně:



Definované pro polohové a časové řešení za reprezentativních podmínek



Založeno na průměru měření pro všechny body v celém prostoru, kde jsou poskytovány SPS služby, v intervalu 24 hodin.



Definované pro polohové a časové řešení za reprezentativních podmínek



≤ 9 m 95% horizontální chyba



≤ 15 m 95% vertikální chyba

Nejhorší přesnost v polohové doméně: 

≤ 17 m 95% horizontální chyba



≤ 37 m 95% vertikální chyba



Založeno na měření pro jakýkoliv bod v celém prostoru, kde jsou poskytovány SPS služby, v intervalu 24 hodin.

Přesnost v doméně přenosu času:



Definované pro časová řešení za reprezentativních podmínek



Založeno na průměru měření pro všechny body v celém prostoru, kde jsou poskytovány SPS služby, v intervalu 24 hodin.



≤ 40 ns 95% (jen pro signál v prostoru)

Tabulka 4-10 Standard polohové a časové přesnosti standardní polohové služby (DoD, 2008).

Definované parametry SPS jsou platné pro uživatele, který bude používat GPS zařízení plně kompatibilní se specifikaci rozhraní mezi kosmickým segmentem a SPS přijímačem (IS-GPS-200). Standard nezohledňuje chyby způsobené vlivy mimo přímou kontrolou řídicího segmentu. K těmto vlivům patří:

!

Poznámky:

140

GPS Navstar 

rušení signálu způsobené ionosférickou nebo troposférickou scintilaci,



vliv residuální chyby přijímače při kompenzace ionosférického a troposférického zpoždění,



vliv šumu a rozlišovací schopnost přijímače,



vliv selhání hw nebo sw přijímače,



vliv vícecestné šíření signálů,



vliv metody potlačení vícecestného šíření signálu na straně přijímače,



vliv antény přijímače a



vliv chyb způsobených operátorem (uživatelem).

SPS se netýká fázových měření a je zaměřená pouze na SIS označené jako zdravé (DoD, 2008). V polohové a časové doméně SPS definuje Dostupnost polohových a časových služeb a jejich přesnost v polohové a časové doméně viz Tabulka 4-10.

4.7.2

Přesná polohová služba

PPS je polohová a časová služba poskytovaná prostřednictvím autorizovaného přístupu k dálkoměrným signálům vysílaných na GPS frekvencích L1 a L2. L1 frekvence, vysílána všemi družicemi GPS Navstar, obsahuje dálkoměrný (C/A) kód s navigační zprávou, které jsou dostupné pro mírové civilní, komerční a výzkumné účely; a signál s přesným dálkoměrným P-kódem a navigační zprávou, které jsou určeny pouze pro autorizované požití. P-kód bude za běžných okolností kryptograficky pozměněn tak, aby se z něj stal Y-kód. Y-kód nebude přístupný uživatelům bez platného kryptografického klíče. Družice GPS Navstar vysílají taktéž druhý signál obsahující dálkoměrný P-kód nebo P(Y)-kód s navigačními

!

Poznámky:

141

GPS Navstar daty na frekvenci L2. Navigační zprávy jsou stejné napříč všemi kódy a frekvencemi, ale určité části navigačních zprávy budou za běžných okolností kryptograficky pozměněny tak, aby nebyly přístupné uživatelům bez platného kryptografického klíče (DoD, 2007). „The PPS is a positioning and timing service provided by way of authorized access to ranging signals broadcast at the GPS L1 and L2 frequencies. The L1 frequency, transmitted by all Navstar satellites, contains a coarse/acquisition (C/A) code ranging signal, with a navigation data message, that is available for peaceful civil, commercial, and scientific use; and a precision (P) code ranging signal with a navigation data message, that is reserved for authorized use. The P-code will normally be cryptographically altered to become the Y-code. The Y-code will not be available to users that do not have valid cryptographic keys. Navstar satellites also transmit a second P- or Y-(P(Y)-) code ranging signal with a navigation data message at the L2 frequency. The navigation data message is identical across all codes and frequencies, but certain portions of the navigation data message will normally be cryptographically altered so as to not be available to users that do not have valid cryptographic keys.“ (DoD, 2007) Výkonnostní standard přesné polohové služby definuje výkonnostní úroveň signálu v prostoru, který poskytuje ministerstvo obrany USA komunitě autorizovaných PPS uživatelů. Dokument z roku 2007 PS byl vytvořen jako základ pro certifikaci PPS přijímačů pro účely; létání v souladu se standardem IRF (angl. Instrument Flight Rules) a stanovení minimálního výkonnostní úrovně, kterou musí konstelace GPS udržovat. (DoD, 2007)

i

První a zároveň poslední publikované edice PPS PS (k roku 2013) pochází z února 2007. Autorizovaní uživatele mohou užívat všechny signály a jejich částí, nebo jen některé signály, případně jen jejich částí. Z výkonnostních standardů je pro srovnání uveden standard přesnosti ve stanovení pseudovzdálenosti (PPS SIS Accurancy) viz Tabulka 4-11.

Poznámky:

142

GPS Navstar


Hodnoty parametru


Přesnost signálů (pseudovzdálenost)

Dvou frekvenční P-kód:



Jakoukoliv družici označenou v NAV jako zdravou.






Zanedbává jedno frekvenční model ionosférického zpoždění.



Zahrnuje korekci chyby skupinového zpoždění pro L1.






≤ 5,9 m 95% globální průměr URE, běžné operace, všechna ADO



≤ 2,6 m 95% globální průměr URE, běžné operace, Zero ADO



≤ 11,8 m 95% globální průměr URE, běžné operace, jakékoliv ADO

Jedno frekvenční P-kód: 




≤ 5,4 m 95% globální průměr URE, běžné operace, Zero ADO



≤ 12,6 m 95% globální průměr URE, běžné operace, jakékoliv ADO

Dvou frekvenční P-kód a WAGE data: 


Tabulka 4-11 Přesnost určení pseudovzdálenosti pro signál v prostoru (DoD, 2007).

Poznámky:

143

GPS Navstar Stejně jako v případě SPS se rozlišuje ve standardu PPS přesnost dosažená v měření pseudovzdálenosti během:   

Zero ADO, za všech ADO a za jakéhokoliv ADO.

!

Na rozdíl od specifikace PSP neobsahuje specifikace PPS jednotnou hodnotu přesnosti dosahované v polohové a časové doméně, nicméně v příloze standardu s názvem „PPS Position, velocity, time (pvt) Performance expectations“ je uvedená metodika stanovení očekávané chyby měření v polohové a časové doméně. Standard PPS se v mnohem větší míře zabývá jednotlivými výkonnostními parametry a principy, na základě kterých jsou hodnoty parametrů stanoveny. S ohledem na nedostupnost služeb PPS pro neautorizované uživatele se obsahem PPS nebudeme dále zabývat.

i

Poznámky:

144

GPS Navstar Otázka 4.1 Spojte odpovídající si pojmy v prvním a druhém sloupci. Správně přiřaďte významnou událost v historii systému GPS Navstar k datu. 1) 2) 3) 4)

1973 1995 2000 2011

a) b) c) d)

?

Dosažení FOC pro SPS a PPS. Odstranění SA z SPS. Zahájení budování GPS. Změna konstelace z 21+3 na 23+4

Otázka 4.2 Doplň do tabulky. Doplňte základní parametry konstelace GPS?

?

Počet družic v konstelaci (konec 2013): Počet orbitálních rovin: Minimální počet družic na orbitu: Typ orbity: Oběžná doba: Minimální počet viditelných družic ze zemského povrchu: Maximální počet viditelných družice ze zemského povrchu:

Poznámky:

145

GPS Navstar Otázka 4.3 Označte jednu správnou odpověď. Jaké je pokrytí Země signály GPS (podle SPS)?

?

a) -100 metrů pod povrchem až do výšky 3000 km nad povrchem Země. b) Na povrchu Země a do výšky 3000 km. c) 10100 km nad povrchem Země.

Otázka 4.4 Označte všechny správné odpovědí. V případě, že není na straně uživatelského segmentu použitá žádná speciální metoda detekce selhání nebo anomálie signálů družice GPS, kdo a v jakém pořadí reaguje na neplánovanou anomálii v chování družice nebo ve vysílaném signálu?

?

a) Uživatelský segment > Řídicí segment > Družice b) Pokud anomálii detekuje družice, tak je pořadí reakce: Družice > Uživatelský segment > Řídicí segment. c) Pokud anomálii nedetekuje družice, tak je pořadí reakce: Řídicí segment > Družice > Uživatelský segment d) Pokud anomálii nedetekuje družice, tak je pořadí reakce: Řídicí segment > Uživatelský segment > Družice

Poznámky:

146

GPS Navstar Otázka 4.5 Zkombinujte pojmy a ve třech sloupcích, tak aby výrok dával smysl a byl pravdivý. Které stanice a jak mezi sebou komunikují? a) GA (TT&C/C) b) MCS c) MS

1) … posílá naměřená data A. GA (ULS) pseudovzdáleností k družicím GPS B. MSC do … C. MCS 2) … monitoruje stav družic GPS. Předává povely a řídí družice podle pokynů … 3) … posílá navigační data, pro nahrání na družice GPS, stanicím typu …

Otázka 4.6 Označte jednu správnou odpověď. Kterou funkci neplní MCS stanice systému GPS? a) b) c) d) e)

?

?

Správa řízení sítě. Funkce řízení družic. Předávání povelů družicím a přímé řízení družic a jejich monitorování. Polohové a časové funkce (modelování navigačních dat). Komunikace s GPS zařízeními uživatelského segmentu.

Poznámky:

147

GPS Navstar Otázka 4.7 Uveďte a následně zkontrolujte s textem. Jak se jmenuje terestrický referenční rámec, který je v GPS používán? Co znamená zkratka v jeho názvu?

Otázka 4.8 Spojte odpovídající si pojmy v prvním a druhém sloupci. Jaké je směřování os souřadnicového systému WGS 84? Vyberte správné dvojice. 1) Osa X 2) Osa Y 3) Osa Z

? ?

a) Prochází osou rotace Země (v pólech IERS) pro epochu 1984.0 BHI. b) Směřuje v rovině rovníku kolmo na spojnici těžiště a průsečíku IERS referenčního poledníku v epoše 1984.0 BHI s rovníkem. Rotace je v protisměru hodinových ručiček (pravotočivě). c) Směřuje z těžiště Země do průsečíku referenčního poledníku s rovinou rovníku v epoše 1984.0 BHI.

Poznámky:

148

GPS Navstar Otázka 4.9

?

Označte jednu správnou odpověď. Systémový čas GPS (GT) je? a) GT je atomový čas, pro který je na úrovni navigační zprávy uveden počet přestupných sekund vůči UTC času. b) GT je čas UTC, pro který je synchronizován průběžně s časem TAI. c) GT je čas UT0, pro který je na úrovni navigační zprávy uveden počet přestupných sekund vůči UTC času.

Otázka 4.10 Označte jednu správnou odpověď. S kterou epochou UTCUSNO je svázán počátek systémového času GPS?

?

a) 6. 1. 1973 b) 6. 1. 1980 c) 6. 1. 1995

Otázka 4.11 Spojte odpovídající si pojmy v prvním a druhém sloupci. Které signály jsou základem služeb SPS a PPS? 1) PPS (2007) 2) SPS (2008)

?

a) L1C/A b) L1C/A, L1P, L2P

Poznámky:

149

GPS Navstar Otázka 4.12

?

Doplňte tabulku. Doplňte tabulku s popisem základních signálů GPS. Z části „Možnosti“ pod každým ze sloupců vyberte relevantní volby. Každý řádek tabulky odpovídá jednomu signálu.

Frekv.

Název signálů

PRN kód

Nav. zpráva

Časový rámec uplatnění signálu

Přístupnost signálů

Závislost na jiných signálech

Otevřený Šifrovaný Anti-spoof.

Uveďte název signálu, na kterém je získání daného signálu závislé.

Možnosti

L1 L2 L5

L1C L2C

*

C/A P M CM,CL I5,Q5

Nemá NAV MNAV CNAV CNAVI5

Dosáhl FOC Nedosáhl FOC Plánovaný

* další názvy signálu vytvořte jako složeninu frekvence a PRN kódu.

Poznámky:

150

GPS Navstar Otázka 4.13 Spojte odpovídající si pojmy v prvním a druhém sloupci. Přiřaďte k názvu kvalitativního parametru GNSS služby, jeho definici. 1) 2) 3) 4) 5)

Kontinuita Integrita Přesnost Dostupnost Pokrytí

?

a) … je definovaná ve vztahu k přesnosti určení pseudovzdálenosti družice. Je vždy popisovaná s pravděpodobnosti 95%. b) … je definované jako časové období, po které je družice umístěna v definovaném slotu a vysílá zdravý a sledovatelný SIS. Z hlediska celé konstelace se jedná o časové období, po které jsou obsazeny všechny definované sloty družicemi, které vysílají zdravý a sledovatelný signál. Netýká se tzv. nadbytečných družic (angl. Surplus Satellite). Které vysílají zdravý a sledovatelný signál, ale není jim přidělena pozice v žádném definovaném slotu konstelace. c) … definuje oblast, ve které budou k dispozici zdravé signály jednotlivých družic i celé konstelace. d) … je definovaná jako důvěra, kterou může mít uživatel ve správnost SPS SIS. e) … označuje pravděpodobnost, že bude zajištěno pokračování signálu družic bez přerušení, v důsledku neočekávaného výpadku.

Poznámky:

151

GPS Navstar Otázka 4.14 Označte jednu správnou odpověď. Jaká je hodnota polohové přesnosti SPS (2008), pro tzv. globální průměr?

?

a) ≤ 13 m 95% horizontální chyba a ≤ 22 m 95% vertikální chyba b) ≤ 100 m 95% horizontální chyba a ≤ 150 m 95% vertikální chyba c) ≤ 9 m 95% horizontální chyba a ≤ 15 m 95% vertikální chyba d) ≤ 4,4 m 95% horizontální chyba a ≤ 7 m 95% vertikální chyba

Poznámky:

152

GLONASS

5

GLONASS

V této kapitole se seznámíte s kosmickým a řídicím segmentem ruského systému GLONASS, dozvíte se, jak jsou oba segmenty koncipovány a jaká je jejich role v celé architektuře systému GLONASS. Následně se obeznámíte s kosmickým segmentem, s bližšími charakteristikou celé jeho konstelace i jednotlivých družic. Pokračovat budeme řídicím segmentem a jeho jednotlivým typy stanic. Dále se v kapitole dozvíte informace o terestrickém referenčním systému PZ-90, který je základem pro určování polohy v GLONASS. Dalším významným prvkem architektury GLONASS, s kterým se obeznámíte, je realizace systémovém času GLONASS. Po přečtení posledních dvou částí této kapitoly, budete vědět, jaké signály družice GLONASS v současnosti vysílají a jak budou jejich signály v budoucnu rozšiřované.

Odhadovaný čas

5.1

60 minut

Historie

Historie ruského globálního navigačního systému začíná v letech 1968 – 1970. V tomto období ministerstvo obrany Sovětského svazu, Sovětská akademie věd a Sovětské námořnictvo spolupracovalo na návrhu a vývoji jednotného navigačního systému pro operace na moři, ve vzduchu i na souši. Výsledkem spolupráce je dokument, formulující potřebu takového navigačního systému. Dokument byl sepsaný v roce 1970.

Poznámky:

153

GLONASS V říjnu 1976 by přijat plán pro vybudování navigačního systému. Rada ministrů Sovětského svazu jej posvětila v dekretu nazvaném „Nasazení jednotného kosmického navigačního systému GLONASS“. V roce 1978 byl dokončen technický plán vývoje systému. (Wikipedia, 2013) Stejně jako americký systém GPS, byl i ruský GLONASS do roku 2007 v prvé řadě systémem vojenským.

Systém GLONASS (fon. rus. Globanaja Navigacionnaja Sputnikovaja Sistěma) je pasivním radionavigačním systémem, který spravují Ruské kosmické sily pro potřeby vlády Ruské federace.

i !

Hned první testy ukázaly, že bude možné systém provozovat pro civilní účely, aniž by byly dotčené obranné vojenské zájmy bývalého Sovětského svazu a užití systém bylo rozšířeno i na civilní uživatele. Účelem GLONASS je: 

poskytovat neomezenému počtu vzdušných, námořních a dalších typů uživatelů,



troj rozměrné měření polohy, rychlosti a času,



za všech povětrnostních vlivů,



kdekoliv na Zemi a v jejím blízkém okolí (RIOSDE, 2008).

!

První navigační družice GLONASS označení URAGAN (1. generace) byla vypuštěna v říjnu roku 1982. Testovací konstelace prvních čtyř navigačních družic byla dosažena v lednu 1984.

Poznámky:

154

GLONASS V roce 1988 nabídl Sovětský svaz navigační signály GLONASS zdarma k používání světové veřejnost. Po vzniku Ruské federace v roce 1991 byla stanovena testovací konstelace 10-12 družic.

1970 1976 prosinec

Formulace potřeby navigačního systému pro operace ve vzduchu na zemi a na moři.

1973

Přijato rozhodnutí o nasazení jednotného kosmického navigačního systému GLONASS

1974

1978

Dokončen technický plán vývoje. Návrh budoucích parametrů systému.

1980

• První prototyp družic pro pozemní testy • Přepracovaní návrhu vývojových družic

1982

• První dvě vývojové družice vyneseny na oběžnou dráhu. • Do roku 1991 následuje dalších 43 družic a 5 testovacích.

1984 1988 1991

1993

Dosažena testovací konstelace čtyřech družic Sovětský svaz nabízí světové veřejnosti použití signálů GLONASS zdarma • Rozpad sovětského svazu • Konstelace 10-12 družic • Zjištěné interference signálů družic s frekvenci pro radioastronomická pozorování Systém byl prohlášen dekretem prezidenta za plně funkční

1994 1995

• Vypuštěno sedm trojic družic GLONASS • Dosaženo plné konstelace 24 družic • Zpřístupněn SP-kód veřejnosti

1996

Oznámeno dosažení FOC

prosinec

JPO zahajuje první fázi projektu DNSS dnes známý jako Navstar GPS První testovací družice NTS-1 a NTS-2

JPO pověřeno dohledem nad vývojem řídícího segmentu, kosmického segmentu a OznámenoGPS dosažení FOC přijímačů

1975 1996 1996

1996

• Publikován Interface Controldružice Document Vypuštěná vývojová GPS Blok I 1978

GLONASS s popisem struktury signálů • Dekret o• dvojím použitímparametry GLONASS SPS DoD reviduje 1983 • DoD doporučuje uvolnit SPS pro Degradace kosmického veřejnost segmentu • Nízká životnost • SSSRGLONASS sestřelujedružic civilní Korejské letadlo • Špatná ekonomická situace -Ruské nad Sachalinem prezident R. Regan federace odtajňuje systém GPS V konstelaciPoslední zbývá jen 6-8 funkčních družic družice bloku I na orbitě 1985

2001

Program naPrvní obnovu systému GLONASS družice z 29 bloku II na orbitě 1989

Dekret č.587 „Federal Dedicated Program – Global Navigation System selektivní – 2002-2011“ • Aktivována dostupnost (SA) 1991

2007

• Nasazení GPS v první válce v Iráku Setkání GPS-GLONASS pracovní skupiny pro interoperabilitu a kompatibilitu • Dosažen IOC 1993 • Schválení zpřístupnění GPS veřejnosti Dekretem prezidenta je garantovaný volný přístup ke všem signálům GLONASS • Dosažení FOC – 24 družic bloku II

1994

2011 2012

1996 1997

1998 2000

2000

2006

1995

(U.S. Air Force , U.S. Coast Guard's) Vypuštěna první družice GLONASS-K • Aktivována A-S • Dosažení plná konstelace družice

Oznámeno dosažení FOC 1995 GLONASS-M GLONASS-M • Civilní signály SP-kódu na L1 a L2 • Interoperabilita s GPS

Obrázek 5-1 Přehled historie GLONASS 1970 – 2012

Poznámky:

2005 2010

155

2004 2005

2010

GLONASS Tato konstelace nebyla ideální pro plné provozní nasazení GLONASS, ale umožňovala testovat systém. V roce 1993 byl systém GLONASS, prezidentem Ruské federace, prohlášen jako funkční. Už během fáze testování se ukázalo, že rádiové frekvence, používané ruskými navigačními družicemi interferují s frekvencemi radioastronomických pozorování (Wikipedia, 2013). Během let 1994 a 1995 bylo postupně vypuštěno sedm trojic družic GLONASS. V prosinci 1995 dosáhla konstelace GLONASS plného počtu 24 družic. V únoru 1996 byl systém plně operační způsobilý a poskytoval dvě polohové a časové služby označované SP (standard precision) a HP (high precision).

!

V roce 1995 byly nařízením ruské vlády zpřístupněny signály GLONASS SP civilním uživatelům a bylo garantováno, že budou přístupné zdarma. Ve stejném roce byl publikovaný dokument ICD GLONASS (Interface Control Documment) s popisem struktury navigačního signálu pro civilní účely. Přestože uvedené pojmenování služeb není v oficiální dokumentaci systému GLONASS uvedeno, bude nadále používáno buď toto pojmenování, nebo budou služby SP označovány jako OS a HP služby jako AS. Služba SP (OS) je ekvivalentem SPS služby systému GPS.

i

Družíce vysílaly na jedné frekvenci, jeden civilní signál a na dvou frekvencích, pak druhý vojenský signál pro autorizované uživatele. Přístup k vojenským signálům byl omezen, tím že specifikace vojenských signálů byla tajná.

Poznámky:

156

GLONASS Nízká životnost družic první generace, společně s ekonomickou situací Ruské federace, vedly k rychlé degradaci kosmického segmentu GLONASS. V roce 2001 v konstelaci zbývalo pouze 6 respektive 8 funkčních družic. V roce 2001 vydal prezident RF dekret č. 578 o znovu vybudování GLONASS mezi lety 2002-2011. Dekret se jmenoval „Federal Dedicated Program – Global Navigation System – 2002-2011“. Cíle programu definovaného v dekretu byly naplněny s ročním zpožděním, v roce 2012. Od té doby je opět kosmický segment obsazen 21+3 družicemi (Wikipedia, 2013).

! !

Rusko vedlo řadou jednání o spolupráci na rozvoji systém GLONASS. Za zmínku stojí pracovní skupina zaměřená na interoperabilitu a kompatibilitu systémů GPS a GLONASS na úrovni civilních a komerčních služeb, která se poprvé sešla v roce 2005 v Moskvě. Výsledkem práce této skupiny je plán nových navigačních signálů, u třetí generace družic GLONASS-K, které bude používat kromě FDMA dělení signálů, také CDMA, více o CDMA a FDMA v kapitole 2.3. V roce 2007 byly z nařízení prezidenta Ruské federace uvolněná všechna omezení snižující přesnost polohových a časových služeb, které byly určené pro civilní a komerční účely (RIANOVOSTI, 2006).

!

Na rozdíl od systému GPS, systém GLONASS začal výrazněji pronikat na trh spotřební elektroniky až po roce 2012, ačkoliv na trhu zařízení pro přesné určování polohy (geodetické a GIS aplikace) je již užíván od poloviny první dekády 21. století.

Poznámky:

157

GLONASS

5.2

Kosmický segment GLONASS

Kosmický segment byl, až do rozpadu Sovětského svazu, postaven na družicích GLONASS označovaných také jako URAGAN (družice první generace). Charakteristická, pro družice první generace, byla jejich nízká životnost. Družice GLONASS používaly metodu FDMA. Dalším problémem u družic první generace bylo zvolené frekvenční schéma, které způsobovalo kolize s frekvencemi vyhrazenými pro radioastronomická pozorování. Systém dosáhl FOC v roce 1996, kdy byla jeho kosmický segment obsazen 24 družicemi GLONASS. Družice vysílaly jeden civilní navigační signál na frekvenci L1 a dva totožné vojenské signály na frekvenci L1 a L2 v rámci služby HP (RIOSDE, 2008). Řízení přístupu uživatelů k signálům družic vycházelo z utajení parametrů signálů pro službu HP. Jiné prvky řízení přístupu k signálům systém GLONASS neměl.

! !

Po rychlém úpadku kosmického segmentu GLONASS v letech 1996 – 2001, byly, od roku 2006, do znovu budované konstelace družic vypouštěny modernizované družice GLONASS-M označované jako URAGAN-M (druhá generace). Tyto družice měly vyplnit mezidobí k přechodu na družice třetí generace s názvem GLONASS-K. Podle (Kaplan, a další, 2005) družice GLONASS-M přinesly zlepšení:   

ve zvýšení přesnosti atomových hodin družic, v delší životnosti družic, v signálech a navigační zprávě.

Poznámky:

158

GLONASS


21+3

Celkový počet družic na orbitech

28

Počet orbitální rovin

3 (označení 1, 2 a 3)


8 (+1) druž. v 1 8 (+1) druž. v 2 8 (+2) druž. v 3

Tvar orbity

kruhová

Výška orbity

19 100 km


64,8°

Aktivní generace Oběžná doba Tabulka 5-1

27 x GLONASS-M 1 x GLONASS-K 11 h 15 min

Parametry kosmického segmentu GLONASS (stav k prosinci 2013).

Zlepšení přesnosti hodin družice zvýšilo přesnost navigačního výpočtu. Zlepšení navigační zprávy bylo realizací společných plánu na interoperabilitu a kompatibilitu GLONASS s GPS. Nové navigační zprávy družic GLONASS-M obsahují data pro korekci GLONASS času na GPS čas a další vylepšení.

!

Poznámky:

159

GLONASS V roce 2011 byla vypuštěná první družice GLONASS-K (třetí generace). Třetí generace družic přináší třetí civilním navigačním signálem a na nové třetí frekvenci.

Obrázek 5-2 Oběžná dráha družice COSMOS 2419 (714) za 24 hodin - 24. února 2010.

Nový civilní signál na třetí frekvenci L3, využívá CDMA. V současnosti se připravují družice GLONASS-K2 a čtvrtá generace družic GLONASS-KM, které by podle plánu měly přinést nový civilní signál tzv. Safety-of-Life čtvrté nové frekvenci L5 (RIOSDE, 2008).

i

Poznámky:

160

GLONASS Základní parametry kosmického segmentu GLONASS k prosinci 2013 viz Tabulka 5-1.

Obrázek 5-3 Celá konstelace kosmického segmentu GLONASS - 10. března 2014 v 12:00 UTC.

5.3

Řídicí segment GLONASS

Řídicí segment, označován v (RIOSDE, 2008) jako pozemní řídící komplex, je celý situovaný na území bývalého Sovětského svazu (SSSR).

!

Poznámky:

161

GLONASS Základní funkce řídicího segmentu jsou obdobné, jako v případě ostatních GNSS. Řídicí segment monitoruje signály družic, předpovídá a sestavuje model efemerid a chování hodin družic v celé konstelaci.

Obrázek 5-4 Rozmístění stanic řídicího segmentu GLONASS (duben 2014).

Poznámky:

162

GLONASS Řídicí segment GLONASS: 

sestavuje obsah navigačních zpráv (efemeridy, opravy hodin a almanachy) pro každou z družic konstelace GLONASS,



a zajišťuje jejich nahrání na jednotlivé družice konstelace,



zajištuje synchronizaci družicového času konstelace se systémovým časem GLONASS,



vypočítává odchylky GLONASS času od UTCRF,



vydává povely družicím a, řídí je,



provádí údržbu družic a zajišťuje jejich sledování.

jednotlivých

!

družic

Pro splnění uvedených úkolů bylo vybudováno celkem 12 stanic, které zastávají různé funkce. Segment je tvořen: 

jedním systémovým řídicím centrem (SCC z angl. System Control Center),



třemi rozšířenými stanicemi,



pěti povelovými stanicemi a



deseti monitorovacími stanicemi (MS z angl. Monitor Station) viz Obrázek 5 5.

!

Poznámky:

163

GLONASS

5.3.1

Systémové řídicí středisko

Systémové řídicí středisko GLONASS se nachází u Krasnoznamensku. SCC zodpovídá za plánování a koordinaci funkcí jednotlivých částí GLONASS. A plní rolí hlavního uzlového místa, kde jsou sbírána data ze sítě monitorovacích stanic, rozšířených stanic. Na základě získaných dat sestavuje SCC obsah navigačních zpráv družic. Navigační zprávy, sestavené v SCC, jsou následně, prostřednictvím ULS stanic, nahrány na družice. Ty jejích obsah vysílají jako součást signálů. Efemeridy družic jsou na základě zjištěných dat predikovány na následujících 24 hodin a na družice jsou nahrávány jednou denně.

! i

Korekce hodin družic, jsou modelovány a aktualizovány dvakrát denně.

5.3.2

Rozšířené stanice

Rozšířené stanice plní několik rolí současně. K rozšířeným stanicím patří stanice Schelkovo, Jenisejsk a Komsomolsk na Amuru. 

Stanice Schelkovo a Komsomolsk mají role TT&C, ULS, CC, SLR a MS,



stanice Jenisejsk má role TT&C, ULS a MS.

!

Poznámky:

164

GLONASS

5.3.3

Centrální synchronizační jednotky

Dvě stanice mají klíčovou roli časových synchronizačních jednotek (CC) a jsou zdrojem pro stanovení systémového času GLONASS a zjištění odchylek družicového času od systémového času GLONASS.

5.3.4

!

Stanice pro telemetrii, sledování a povelové stanice

TT&C stanice slouží: 

pro sledování oběžných drah jednotlivých družic,



poskytují rozhraní pro předávání datového nákladu pro palubní procesor družic a



zajišťují předaní příkazu pro řízení družic.

!

TT&C slouží k předávání povelů pro úpravy polohy družic na oběžných drahách. Trajektorie družice je sledována každých 10 až 14 oběhů družice. Měření se provádí ve třech až pěti blocích o délce 10 až 15 minut. Vzdálenosti k družicím se měří pomocí radarových měření, která jsou kalibrována prostřednictvím laserových dálkoměrných měření na stanicích SLR (Kaplan, a další, 2005). Všechny družice GLONASS jsou vybaveny odražeči pro laserová měření.

5.3.5

Stanice pro komunikaci

Do sítě stanic pro komunikaci patří všechny tři rozšíření stanice Schelkovo, Jenisejsk, Komsomolsk na Amuru a další dvě stanice Petrohrad, Ussuriysk.

Poznámky:

165

GLONASS

5.3.6

Monitorovací stanice

Jako monitorovací stanice fungují stanice Schelkovo, Jenisejsk, Komsomolsk na Amuru, Petrohrad, Murmansk, Vorkuta, Jakutsk, Ulan-Ude, Nurek, Zelenchuk.

5.4

Prostorový referenční rámec GLONASS

Polohová měření prováděná systémem GLONASS jsou v terstrickém referenčním rámci s označením PZ-90 (fon. z ruštiny Parametry Zemli). V efemeridách družic GLONASS je poloha fázového středu antén družic udávána právě v systému PZ-90.

!

Systém PZ-90 je geocentrickým systéme pevně spojeným se Zemí (ECEF). Orientace referenčního elipsoidu je vztažená k epoše 1990.0 BHI (Internation Time Bureau). Elipsoid má svůj střed v těžišti Země. Osy X, Y a Z souřadnicového systému jsou k sobě ortogonální. Systém je označován jako pravotočivý. Osa Z koresponduje IERS referenčním pólem (IRP). Osa X je prochází těžištěm země a v kladném směru prochází průsečíkem IERS referenčního poledníku (IRM) a roviny rovníku. Osa Y je orientovaná pravotočivě a je kolmá na osy X a Z (v rovině rovníku je umístěná v protisměru pohybu hodinových ručiček). Hmota referenčního elipsoidu odpovídá hmotě Země včetně oceánu a její atmosféry. Parametry referenčního elipsoidu systému PZ-90 viz Tabulka 5-2.

Poznámky:

166

GLONASS

a

= 6 378 136.0 m

1/f

= 298.257 84

GM

= 398 600 4418 ˟ 109 m3/s2

Ω

= 7 292 115 ˟ 10-11 rad/s

Tabulka 5-2

Základní parametry elipsoidu PZ-90. Zdroj (RIOSDE, 2008).

Realizace první verze elipsoiduPZ-90.00 byla prováděná na základě metod měření družicové geodezie družice GEOIK (1985-1989), GLONASS, ETALON a gravimetrických dat z družice GEOIK. IERS Referenční pól IERS Referenční poledník

ZPZ-90

[X, Y, Z] [λ, φ, h]

Těžiště Země

XPZ-90

YPZ-90

Obrázek 5-5 Referenční elipsoid PZ-90. Epocha realizace 1990.0 BHI.

a 6378137.0 m V roce 2005 byla sestavená realizace geocentrického systému, označována jako PZ-90.02. 1/f 298.257223563 Realizace vycházela z xkombinovaných měření geodetické družice GEOIK a měření s vysokou GM 3986004418 1014 m3/s2 Ω 7292115 x 10-11 rad/s

Poznámky:

167

GLONASS přesností s pomocí GLONASS/GPS zařízení. Realizace byla vztažena k epoše 2002.0 a dosahovala přesnosti 0.3 - 0,5 metrů v geocentrické poloze (Vdovin, 2012). Zdrojový

Cílový ECEF

ΔX [m]

ΔY [m]

ΔZ [m]

WGS 84 (G1150)

PZ-90.02

+1,1 ±0,2

+0,3 ±0,2

+0,9 ±0,3

0

0

+200 ±20

+0,12 ±0,06

ITRF 2000

PZ-90.02

0,36

-0,08

-0,18

0

0

0

0

±0,1

±0,1

±0,1

ECEF

Tabulka 5-3

ωX ωY ωZ [rad˟103] [rad˟103] [rad˟103]

m [˟106]

Tabulka transformačních parametrů mezi referenčními elipsoidy a jejich směrodatných odchylek. Zdroj (Vdovin, 2012).

Relativní přesnost PZ-90.02 je 0,02 - 0,03 metrů na základnu o délce 2 000 kilometrů. Poslední platná realizace s označením PZ-90.11 vešla v platnost v dubnu 2014. Pro realizaci bylo využito, mimo již dříve použitých prostředků, také 14 stanic IGS lokalizovaných na území Ruské federace a globální dopplerovská měření družice DORIS. Parametry realizace by měli odpovídat ITRF2008 (Vdovin, 2012).

!

V plánu je provádět zpřesňování a revize systému PZ-90.11 v pravidelném intervalu pěti let (Vdovin, 2012). Parametry transformace mezi geocentrickými souřadnicemi PZ-90.02 a WGS 84 (G1150) a ITRF2000 viz Tabulka 5-3. Polohu je možné v PZ-90 určovat buď v kartézských geocentrických souřadnicích (x, y, z), nebo geografických souřadnicích (λ, φ, h).

!

Poznámky:

168

GLONASS

5.5

Časový referenční rámec GLONASS

Systémový čas GLONASS Systémový čas GLONASS je generován na základě času centrální synchronizační jednotky GLONASS angl. Central Synchronizer (CS), jehož nestabilita není horší než 2˟10-15 sekund. GLONASS čas je navázán na UTC

SU

a je s ním průběžně udržován v souladu.

UTCSU je realizován Hlavním metrologickým centrem ruských časových a kmitočtových služeb.

! i

Čas CS a UTCSU jsou udržovány v souladu na celé sekundy prostřednictvím přestupných sekund. Rozdíl mezi oběma škálami není větší než 1 mikrosekunda. Uživatelé systému GLONASS jsou na plánovanou korekci GLONASS času upozorněni s tříměsíčním předstihem, prostřednictvím bulletinu. Systémový čas GLONASS udržovaný CS má konstantní posun +3 hodiny od UTCSU (RIOSDE, 2008).

!

Poznámky:

169

GLONASS

5.5.1

Družicový čas

Družice GLONASS jsou vybaveny atomovými hodinami se stabilitou ne horší než 5x10-13. Stabilita družice GLONASS-(M) není horší než 1x10-13. Vzájemná synchronizace všech družic GLONASS v konstelaci není horší než 20 nanosekund, pro družice GLONASS-M není synchronizace horší než 8 nanosekund. Čas družic je opakovaně porovnáván s CS. Korekce hodin družic, relativně vůči GLONASS času a UTCSU jsou dvakrát za den přepočítávány a nahrávány na družice. Družice GLONASS-M vysílají v navigační zprávě korekce GPS času vůči GLONASS času. Rozdíl mezi oběma časovými škálami není větší než 30 nanosekund.

5.6

! !

Navigační signály a jejich modernizace GLONASS

Družice GLONASS (GLONASS-M) vysílaly (vysílají) signály, které budou dále označovány jako původní signály. Na rozdíl od ostatních GNSS, družice GLONASS i GLONASS-M využívají FDMA schéma kódování signálů.

!

Poznámky:

170

GLONASS S příchodem nové generace družic GLONASS-K (přesněji K1 a K2) dojde, v rámci postupného zavádění interoperability a kompatibility signálů s ostatními GNSS, k zavedení CDMA dělení signálu viz Tabulka 5-4.

Družice

FDMA signály

CDMA signály

!

Status

L1

L2

L1

L2

L3

GLONASS

L1OF

L2OF L2SF

-

-

-

Družice už v konstelaci nejsou

GLONASS-M

L1OF

L2OF L2SF

-

-

-

Hotovo

L2OF L2SF

-

-

L3OC

L3 CDMA

L2OF L2SF

L1OCD

L2OCD

L3OCD

L1OCP

L2OCP

L3OCP

L1SCD

L2SCD

L1SCP

L2SCP

L1SF GLONASS-K1

L1OF L1SF

GLONASS-K2

L1OF L1SF

Tabulka 5-4

od 2011-04

Signály a jejich dostupnost s vývojem kosmického segmentu GLONASS. Zdroj (Revnivykh, 2012). O – otevřený signál; S - šifrovaný signál; F – FDMA; C – CDMA; D – datový signál; P – pilotní signál

Poznámky:

171

GLONASS

5.6.1

Původní signály

Družice GLONASS (první generace) vysílaly tři signály označované ve specifikaci (RIOSDE, 2008) jako signál ST (standardní přesnosti), signál W (přesného určení) a signál VT (vysoké přesnosti). Signály ST a W byly dostupné na frekvenci L1 a signály VT byly dostupné na frekvenci L2. Signál ST byl jediným otevřeným signálem. Podle specifikace jsou v současné době dostupné dva typy signálů na dvou frekvencích. Jedná se o signály ST a VT. Pro pojmenování signálů bude nadále používáno pojmenování, které se široce používá v publikacích věnovaných signálům GLONASS (Revnivykh, 2012), (Wikipedia, 2013), (Kaplan, a další, 2005). Otevřené signály VT budou dále označovány jako OF pro FDMA a OC pro CDMA dělení, signály „utajované“ VT jako SF pro FDMA a SC pro CDMA. Současné signály družic GLONASS-M jsou vysílány na dvou nosných frekvencích L1 a L2. Nosná frekvence L1 i L2 je modulována dvěma PRN kódy.

i i !

První PRN kód bývá označován jako C/A-kód (analogicky k GPS), dříve se označoval jako SP-kód (Rapant, 2002). Druhý PRN kód je označován jako P-kód (analogicky k GPS), dříve byl označován jako HP-kód (Rapant, 2002). Oba kódy modulují nosnou vlnu společně s navigační zprávou. Systém GLONASS používá dva typy navigačních zpráv.

Poznámky:

172

GLONASS BPSK Binární-fázové klíčování

L1

C/A-kód

P-kód

NAVC/A

NAVP

C/A-kód

P-kód

NAVC/A

NAVP

1602 MHz N ·562,5 kHz

L2 1246 MHz N · 437,5 kHz

N = {-7, -4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6}

Obrázek 5-6 Současné signály GLONASS (GLONASS-M)

Základní nosné frekvence L1 a L2 Všechny družice konstelace GLONASS vysílají signály odvozené ze dvou základních frekvencí. Dvojice družic, v protilehlých slotech orbitální roviny, má přidělenou unikátní frekvence nosných vln.

!

Ty jsou odvozované ze základní frekvence přičtením násobků multiplikátoru kanálů, který byl oběma družicím přidělen (FDMA). Použitelné kanály jsou nastaveny tak, aby signály GLONASS už neinterferovaly s jinými signály v chráněných radiofrekvenčních pásmech. Nosná vlna L1 má základní frekvenci f = 1 602 MHz s odstupem Δ 562,5 kHz a používanými multiplikátory kanálů {-7, -4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6}. Nosná vlna L2 má základní frekvenci f = 1 246 MHz s odstupem Δ 437,5 kHz a stejnými násobiči jednotlivých kanálů.

!

Poznámky:

173

GLONASS C/A-kód (dříve označovaný SP-kód) C/A-kód je dlouhý 511 bitů a při rychlosti 511 kb/s je celý odvysílaný za jednu milisekundu. Kód je možné charakterizovat jako „krátký kód“, který je pro potřeby určení pseudovzdálenosti nejednoznačný, stejně jako GPS C/A-kód.

!

C/A-kód pomalý kód / krátký kód

Charakter:

 Nalezení signálů družic  Dálkoměrná měření pro OC

Účel:

 Zpřístupnění navigační zprávy pro neautorizované uživatele

Délka:

511 b

Čas odvysílání:

1 ms

Rychlost:

511 Kb/s


587 m


1

Utajovaný

ne

Tabulka 5-5

Charakteristiky C/A-kódu GLONASS.

Poznámky:

174

GLONASS Protože C/A-kód, neslouží k identifikaci družice, je používaný pouze jeden, stejný PRN kód, pro všechny družice. C/A-kód je určený pro uživatele otevřené služby a je veřejně publikovaný v dokumentaci rozhraní mezi družicemi konstelace GLONASS a přijímačem GLONASS (RIOSDE, 2008).

!

Signály založena na tomto kódu jsou označované L1OF a L2OF. Dekretem prezidenta Ruské Federace č. 3189 z 18. října 2012 je garantovaná dostupnost služeb založených a SP-kódu po dobu následujících 15 let (až do roku 2027). P-kód (dříve označován jako HP-kód) P-kód je kód vysoké přesnosti, který byl původně určený pouze pro autorizované uživatelé. P-kód byl opakovaně označen Ruskem jako striktně vojenský kód a proto jsou jeho parametry utajované. Většina informací o P-kódu byla zjištěna s nezávislých analýz.

!

Signály založena na tomto kódu jsou označované L1SF a L2SF. Délka kódu je 33 544 432 bitů a při rychlosti 5,11 Mb/s se opakuje se jednou za 6,57 s. Pro účely navigace se, ale délka kódu zkracuje na 1 sekundu. Kód je možné považovat za dostatečně dlouhý pro jednoznačná měření pseudovzdálenosti mezi družici a přijímačem. Přepočítaná délka jednoho bitu P-kódu odpovídá vzdálenosti 58,7 metrů. Relativně krátká délka P-kódu umožňuje jeho přímé nabytí, bez nutnosti nejprve získat C/A-kód.

i

Poznámky:

175

GLONASS

P-kód dlouhý kód / rychlý kód

Charakter:

 Dálkoměrná měření pro SF  Zpřístupnění navigační zprávy pro autorizované uživatele

Účel:

 Umožňuje nalezení signálů družic Délka:

33 544 432 b (neoficiálně)

Čas odvysílání:

6,57 s zkráceno na 1 s (neoficiálně)

Rychlost:

5,11 Mbs


58,7 m


1

Utajovaný:

Ano

Tabulka 5-6

Charakteristiky C/A-kódu GLONASS.

Navigační zpráva NAVC/A Navigační zpráva pro signál s C/A-kódem je přimíchávána (modulo-2 součtem) do C/A-kódu, každé družice.

!

Navigační zpráva je vysílaná rychlosti 50 b/s. Její primární účel je předávat zprávy s informacemi o družici a systémová data GLONASS, která se nevztahují přímo k družici vysílající zprávu.

Poznámky:

176

GLONASS Data se vztahem k družici obsahuji: 

časovou značku družice,



hodnoty rozdílů mezi časovou škálou palubních hodin družic a systémovým časem GLONASS,



relativní rozdíl mezi frekvenci nosné vlny družice a nominální frekvenci a



efemeridy s doplňkovými informacemi (RIOSDE, 2008).

Systémová data GLONASS obsahují: 

status všech družic v konstelaci,



hrubé korekce času všech družic konstelace,



parametry orbit celé konstelace (almanach),



korekce GLONASS času na UTCSU a další informace (RIOSDE, 2008).

! !

Navigační zprávy družic GLONASS-M obsahují také data s hodnotou rozdílu GLONASS času a GPS času (RIOSDE, 2008).

Navigační zpráva je strukturovaná do opakujícího se super rámce, který se dělí na rámce. Rámce se dělí na řetězce. Hranice všech základních částí navigační zprávy jsou mezi všemi družicemi konstelace synchronní na 2 milisekundy.

!

Délka vysílání super rámce je 2,5 minuty.

Poznámky:

177

GLONASS

Významný datový obsah podrámce Číslo rámce

Rámec 1

Rámec 2

Rámec 5

Předávací slovo časová značka

Číslo řetězce 1 2 3 4 5 … 14 15 1 2 3 4 5 … 14 15 1 2 3 4 5 … 14 15

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Data k družici – část 1 Data k družici – část 2 Data k družici – část 3 Data k družici – část 4 Systémová data konstelace ........... Systémová data konstelace Systémová data konstelace Data k družici – část 1 Data k družici – část 2 Data k družici – část 3 Data k družici – část 4 Systémová data konstelace ........... Systémová data konstelace Systémová data konstelace Data k družici – část 1 Data k družici – část 2 Data k družici – část 3 Data k družici – část 4 Systémová data konstelace ........... Systémová data konstelace Systémová data konstelace

HC HC HC HC HC

TM TM TM TM TM

HC HC HC HC HC HC HC

TM TM TM TM TM TM TM

HC HC HC HC HC HC HC

TM TM TM TM TM TM TM

Obsah řetězců se mění v každém z 5 rámců

HC TM HC TM

Obrázek 5-7 Struktura navigační zprávy GLONASS pro C/A-kód (signály OF). Převzato a upraveno z (RIOSDE, 2008).

V každém super rámci je pět rámců, jejichž odvysílání trvá 30 sekund. Rámec obsahuje patnáct řetězců dlouhých 2 sekundy. Každý rámec obsahuje část řetězců, které se vztahují k družici (řetězce 1 až 4) a část dat, která jsou systémová (řetězce 6 až 15).

Poznámky:

178

GLONASS Časová značka družice je odvysílána vždy v posledních 0,3 sekundách řetězce. Efemeridy družice jsou získány za 30 sekund.

Navigační zpráva P-kódu Stejně jako je utajovaný P-kód, je utajovaná navigační zpráva P-kódu. Podle (Kaplan, a další, 2005) byla, na základě nezávislého zkoumání, odhadnuta délka trvání kompletní navigační zprávy na 12 minut.

! !

Celá zpráva se pak skládá ze 72 rámců. Každý rámec obsahuje pět řádků a jeho odvysílání trvá 10 sekund. Jeden řádek je dlouhý 100 bitů. Efemeridy jsou součásti prvních třech řádku a neustále se ve všech rámcích opakují. Získání efemerid družice trvá 10 sekund. Získání almanachu konstelace GLONASS trvá 12 sekund.

5.6.2

Modernizované signály

S příchodem družic GLONASS-M došlo k rozšíření druhého civilního signálu označovaného jako L2OF, vzhledem k tomu, že signály jsou již plně dostupné od roku 2006, byla tato modernizace zařazena již do předešlé kapitoly.

i

Poznámky:

179

GLONASS Signály L3OC L3OC je novým signálem, který má být součásti vysílání družic GLONASS-K1. První družice byla vypuštěna na oběžnou dráhu v roce 2011. Družice je stálé ve fázi letových testů.

!

Signál je třetím otevřeným signálem GLONASS a používá jako první signál GLONASS kódový multiplex CDMA. Základní charakteristiky L3OC signálu jsou: 

nosná frekvence f=12012.25 MH,



dálkoměrný kód signálů je dlouhý 10.23 Mb/s,



navigační zpráva L3OC bude dlouhá 12 000 bitů pro 24 družic, v budoucnu 15 000 bitů pro 30 družic,



její odvysílán bude trvat 2 minuty, v budoucnu 2,5 minuty.

CDMA kódovací schéma pro signály na frekvencích L1 a L2 S příchodem družice GLONASS-K2 bude do původních frekvencí přidaná čtveřice nových signálů jak pro uživatele OS, tak pro uživatele AS.

i !

Signály jsou označovány L1OC (L1OC Data a L1OC Pilot) a L1SC (L1SC Data a L1SC Pilot) a analogicky pro frekvenci L2 (L1OC Data a L1OC Pilot) a L2SC (L1SC Data a L1SC Pilot) (ESA, 2012), (Revnivykh, 2012). Start první družice GLONASS-K2 je plánován na rok 2015.

Poznámky:

180

GLONASS

5.7

Služby GLONASS

Ačkoliv není veřejně dostupná specifikace služby OS, která by byla podobná například SPS pro GPS a neexistuje ani specifikace služby AS, je možné rozdělit služby na:  

otevřenou službu angl. Open Service - odpovídající GPS SPS a autorizovanou služby – odpovídající PPS GPS.

Otevřená služba Podle dekretu ruského prezidenta z 18. října 2012 se Ruská federace zavázala poskytovat signály otevřené služby na frekvenci L1 a L2 ruským i mezinárodním civilním a komerčním uživatelům zdarma a to minimálně po dobu 15 let. Dále se Ruská federace zavázala udržovat výkonnostní standardy GLONASS v souladu se: „Standardy a doporučenými operačními postupy mezinárodní organizace pro civilní letectví“ (angl. Standards and Recommended Practices International Civil Aviation Organization (SARPs ICAO).

! !

Podle posledních informací publikovaných v prezentacích informačního Analytického centra federální kosmické agentury Ruské federace (GLONASS-IAC), je přesnost signály v prostoru (SIS) do 2,8 metrů (Revnivykh, 2012).

Poznámky:

181

GLONASS Otázka 5.1 Spojte odpovídající si pojmy v prvním a druhém sloupci. Správně přiřaďte významnou událost v historii systému GLONASS k datu. 1) 2) 3) 4)

1976 1996 2000 2012

a) b) c) d)

?

Dosažení FOC (GLONASS). Druhé FOC (GLONASS-M). Zahájení budovaní GLONASS. Úpadek kosmického segmentu.

Otázka 5.2 Doplň do tabulky. Doplňte základní parametry konstelace GLONASS?

?

Počet družic v konstelaci (konec 2013): Počet orbitálních rovin: Minimální počet družic na orbitu: Typ orbity: Oběžná doba: Minimální počet viditelných družic ze zemského povrchu:

Poznámky:

182

GLONASS Otázka 5.3 Uveďte a následně zkontrolujte s textem. Jak se jmenuje terestrický referenční rámec, který je v GLONASS používán?

Otázka 5.4 Spojte odpovídající si pojmy v prvním a druhém sloupci. Jaké je směřování os souřadnicového systému PZ-90? Vyberte správné dvojice. 1) Osa X 2) Osa Y 3) Osa Z

? ?

a) Prochází osou rotace Země (v pólech IERS) pro epochu 1990.0 BHI. b) Směřuje z těžiště Země do průsečíku referenčního poledníku s rovinou rovníku v epoše 1990.0 BHI. c) Směřuje v rovině rovníku kolmo na spojnici těžiště a průsečíku IERS referenčního poledníku v epoše 1990.0 BHI s rovníkem. Rotace je v protisměru hodinových ručiček (pravotočivě).

Poznámky:

183

GLONASS Otázka 5.5 Označte jednu správnou odpověď. Systémový čas GLONASS je jakého typu?

?

a) Čas TAI, pro který je na úrovní navigační zprávy uveden počet přestupných sekund vůči UTCSU času. b) Čas UTC, který je synchronizován s UTCSU. c) Průběžný atomový čas.

Otázka 5.6 Označte jednu správnou odpověď. Jak je řešena interoperabilita časových škál systému GPS a GLONASS?

?

a) Přepočet mezi časovými škálami řeší GNSS přístroj na základě dat z hlavní řídicí stanice (GPS) a systémového řídicího centra (GLONASS). b) Družice GPS vysílají v navigační zprávě korekce na systémový čas GLONASS. c) Družice GLONASS vysílají v navigační zprávě korekce na GPS čas. d) Družice GPS i GLONASS vysílají ve svých navigačních zprávách korekce na systémový čas GNSS.

Poznámky:

184

Galileo

6

Galileo

V této kapitole se seznámíte s kosmickým a řídicím segmentem evropského systému Galileo. Dozvíte se, jak bude kosmický segment koncipován, a jakou bude plnit roli. Seznámíte se také s řídicím segmentem. U řídicího segmentu budete obeznámení s jednotlivými typy stanic řídicího segmentu, jejich úlohami a rozmístěním po světě. Dále se v kapitole dozvíte informace o terestrickém referenčním rámci GTRF, který je základem pro určování polohy v systému Galileo, o systémovém času Galileo. Po přečtení posledních dvou částí této kapitoly budete vědět, jaké signály a služby budou uživatelům Galileo k dispozici, po dobudování sytému.

Odhadovaný čas

6.1

60 minut

Historie

Systém Galileo je budován jako Evropský globální družicový navigační systém. Potřebu vybudovat svůj vlastní GNSS veřejně formulovala Evropská Unie (EU) již v roce 1990. Z této potřeby pochází prvotní iniciativa vedoucí k vybudování prvního evropského GNSS s názvem EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) a označením GNSS-1. EGNOS byl prvním krokem k systému Galileo. Systém EGNOS byl zamýšlen, jako systém vylepšující (garantující) dostupnost navigačních signálů pro leteckou, námořní i pozemní dopravu. Systém začal fungovat již v roce 2005. V roce 2009 EGNOS zahájil oficiálně plný provoz, byl dokončen.

Poznámky:

185

Galileo Již od počátku bylo jasné, že systém EGNOS neumožní Evropě kontrolovat signály, ani nezajistí uživatelům nezávislý signál s garantovanou kvalitou a výkonem. To vedlo už v roce 2001 k rozhodnutí EU, vybudovat systém Galileo označovaného jako (GNSS-2). V době vývoje systému EGNOS EU vyjednávala o spolupráci na budování svého vlastního systému s oběma provozovateli, v té době fungujících, navigačních systému jak s USA (GPS), tak s Ruskou federaci (GLONASS). Jednání vedla k závěru, že nezávislost na jedné zemi a její vládě, je možné dosáhnout jen tím, že bude vybudovaný zcela nový systém, který bude postaven od základu na ideji nezávislosti a komerční otevřenosti, komukoliv. Přesto jednání s USA vedla k dohodě s USA o kompatibilitě systému GPS a Galileo na úrovni signálů. Jedním z politických dopadů budování systému Galileo, bylo vypnutí SA u družic GPS už v roce 2000. Období roku 2000 koresponduje s dobou, kdy Evropa směřovala k přijetí finálního rozhodnutí, zda začne budovat od základu vlastní GNSS, nebo bude spolupracovat na rozvoji systému GPS, který by ovšem nebyl zcela osvobozen od vlivu ministerstva obrany USA. V tomto světle, je zrušení SA interpretováno jako politické gesto, které mělo přimět Evropu, ke spolupráci s USA na rozvoji systému GPS. Systém GLONASS byl v té době v hlubokém úpadku. Podle (EU, ESA, 2002) systém Galileo bude: 

poskytovat vysoce přesné, garantované a globálně dostupné polohové služby pod civilní kontrolou a



bude interoperabilní s GPS a GLONASS.

i !

V roce 2004 byla uzavřená smlouva o spolupráci mezi programem Galileo a Čínským národním centrem pro dálkový průzkum Země angl. National Remote Sensing Centre of China (NRSCC).

Poznámky:

186

Galileo Postupně se k projektu Galileo připojily některé z dalších nečlenských zemí EU a ESA. V červenu 2004 Izrael, v červenu 2005 Ukrajina, následuje Maroko v listopadu 2005, Jižní Korea v lednu 2006. V dubnu 2009 se k projektu připojuje Norsko a v prosinci 2013 Švýcarsko. Vývoj a budování systému byl rozdělen do tří fází. Jedná se o:   

fázi ověřovací angl. In-Orbit Validation (IOV), fázi počáteční operační způsobilosti angl. Initial Operational Capability (IOC) a fázi plné operační způsobilosti angl. Full Operational Capability (FOC).

! !

Podle původních časových plánů z roku 2001, měl dosáhnout Galileo fáze FOC v roce 2010 (EU, ESA, 2002). S ohledem na fakt, že je Galileo budován mnohonárodnostní EU, se státy s vlastními politickým zájmy a s ohledem na ekonomickou krizi z roku 2008, došlo ke značnému zpoždění realizace celého projektu. V první fázi IOV bylo nutné vybudovat kosmický segment s dvojicí experimentálních družic a omezenou konstelaci čtyř navigačních družic. Dále bylo nutné vybudovat řídicí segment v rozsahu potřebném pro ověřovací testy. Některé části řídicího segmentu Galileo byly již vybudovány v době výstavby systému EGNOS.

! i

Poznámky:

187

Galileo Fáze IOV byla dosažena v roce říjnu 2012. Podle upraveného časového plánu by mělo být dosaženo IOC pro některé ze služeb Galileo v roce 2015. V té době by mělo být na orbitech umístěno 18 operujících navigačních družic, dále by měla být plně dobudována pozemní infrastruktura řídicího segmentu.

!

V roce 2015 by měla být spuštěna otevřená služba (OS). První z pěti plánovaných služeb systému Galileo. Nejpozději v roce 2020 by mělo být dosaženo FOC. Tou dobou by mělo být dosaženo plné konstelace 30 družic s kompletním řídicím segmentem (Thielmann, 2010).

6.2

Kosmický segment Galileo


27+3

Celkový počet družic na orbitech

30


3


9 (+1)

Tvar orbity

kruhová

Výška orbity

23 222 km


56°

Aktivní generace

GSAT

Oběžná doba

14 h 15 min

Tabulka 6-1

První dvě experimentální družice Galileo s označením GIOVE-A a GIOVE-B byly umístěny na oběžnou dráhu v říjnu 2011. V průběhu roku 2012 následovalo umístnění prvních čtyř navigačních družic s označením GSAT0101, GSAT0102, GSAT0103, GSAT0104. Družice od chvíle, kdy přešly do operačního režimu, vysílají k zemi signály E1 a E5.

Plánované parametry kosmického segmentu Galileo.

Poznámky:

188

Galileo Dne 12. března 2013 byla poprvé určena poloha pouze na základě navigačních signálů vysílaných čtyřmi družicemi systému Galileo (ESA, 2013).

i

Předpokládaná konstelace kosmického segmentu viz Tabulka 6-1. Podle návrhu by mělo být kdekoliv na zemském povrchu dostupných alespoň 6 družic. Dostupnost by měla být zajištěná i v hustě zastavěných oblastech. Konstelace má také, v porovnání s ostatními GNSS, vyšší úklon oběžných drah družic. To by mělo zajistit dobré pokrytí signály družic i v severních oblastech Evropy, například v Norsku (Ciavaglia, 2013).

6.3

!

Pozemní segment Galileo

Řídicí segment Galileo se skládá z:      

dvou (redundantních) řídicích center, sítě monitorovacích stanic, stanic pro komunikaci s družicemi (ULS), stanic pro telemetrii, sledování a řízení družic (TT&C), senzorových stanice (GSS) a globální komunikační sítě.

Poznámky:

189

Galileo

6.3.1

Řídicí stanice

Redundantní řídicí centra jsou umístěny v Fucinu (Itálie) a v Oberpfaffenhofen (Německo).

!

Řídicí centra mají dvě základní skupiny funkcí. První skupina funkcí je zaměřená na udržování konstelace družic a údržbu jednotlivých družic angl. Galileo Control System (GCS). Druhá skupina funkcí je zaměřená na zajištění mise (poslání) navigačního systému angl. Galileo Mission System (GMS) (ESA, 2013). Galileo Control System GCS je odpovědný za řízení a správu konstelace družic jako celku a jednotlivých družic v konstelaci.

!

Řídicí systém má na starost telemetrii družic a zajišťuje povelové i řídicí funkce družic. Základem GSC je pět globálně rozmístěných TT&C stanic, dvacet devět GSS stanic a globální komunikační síť. S těmito prostředky jsou realizovány plánovaná spojení, dlouhodobější testy a nouzová spojení s družicemi, při řízení kosmického segmentu Galileo.

Poznámky:

190

Galileo

Galileo Control System 

Provádí on-line monitorování a řízení družic jak v rutinním provozu, tak v krizových situacích.

Zařízení pro plánování kosmických prostředků a konstelace



Plánování spojení s družicemi konstelace (1 x za oběh družice) pro podporu rutinních operací.

SCPF



Plánování speciálního rozšířeného spojení pro kritické operace.

Zařízení letové dynamiky



Určování orbit.

FDF



Plánování manévru kosmických prostředků.

Zařízení přípravy operací



Příprava a řízení všech operačních databází a procedur, včetně procedur určených k automatickému vykonávání.

Zařízení pro centrální monitorování & řízení CMCF



Podpora monitorování a řízení všech GCS zařízení, včetně TT&C stanic, GCC zařízení a sítí.

Zařízení pro správu šifrovacích klíčů



Zajištění bezpečnostních aspektů a ochrany dat (generování šifrovacích klíčů, zajištění šifrovacích a dešifrovacích procesů).

Simulátor konstelace



Ověřování operačních postupů.

CSIM



Výcvik.



Zkoumání anomálií.

Zařízení pro řízení kosmických prostředků a konstelace SCCF

OPF

GSC KMF

Tabulka 6-2

Základní komponenty patřící pod systém řízení Galileo (GCS). Převzato a přeloženo z (ESA, 2013).

Poznámky:

191

Galileo

Galileo Mission System - čast 1 Zařízení pro určení orbit a synchronizaci

 Výpočet efemerid.

OSPF

 Určení SISA (Signal-in-Space accuracy).

Zařízení pro správu integrity

 Určování příznaku integrity pro každou z družic v reálném čase.

IPF

 Predikce času.

 Pravidelné vysílání tabulek integrity. Zařízení pro generování obsahu navigačních zpráv

 Generování obsahu navigačních zpráv z dat získaných a vypočtených řídicím segmentem.

MGF

 Generování obsahu navigačních zpráv z dat externích subjektů.

Zařízení pro přesný čas

 Generování Galileo systémového času.

PTF Zařízení pro monitorování pozemní částí

 Monitorování a kontrola všech částí GMS v reálním čase.

GACF Zařízení pro řízení nahrávání klíčových dat na družice

 Monitorovaní on-line a off-line provozní komunikace.  Plánování provozu a nahrávání dat.

MUCF Tabulka 6-3

Základní komponenty patřící pod systém zajištění mise Galileo (GMS). Převzato a přeloženo z (39).

Poznámky:

192

Galileo

Galileo Mission System Systém pro zajištění mise Galileo je odpovědný za sestavování obsahu navigačních zpráv družici a nahrávání navigačních dat s daty o integritě signálů na družice.

!

K tomu GMS využívá síť dvaceti devíti GSS stanic. GMS komunikuje prostřednictvím pěti stanic ULS s družicemi Galileo.

Galileo Mission System - čast 2 MSF

 Off-line podpora pro konfiguraci a kalibraci dat pro prvky pracující v reálném čase.

Zařízení údržby a výcviku

 Výcviková zařízení a zařízení údržby.

MTPF

 Tréninkové vybavení a vybavení údržby.

Zařízení pro správu šifrovacích klíčů

 Zajištění bezpečnostních aspektů a ochrany dat (generování šifrovacích klíčů, zajištění šifrovacích a dešifrovacích procesů).

Zařízení pro podporu mise

GMS KMF Zařízení pro předávání produktů SPF Tabulka 6-4

 Implementace výměnné brány mezi řídicím segmentem a vnějším světem.

Základní komponenty patřící pod systém zajištění mise Galileo (GMS). Převzato a přeloženo z (39).

Poznámky:

193

Galileo

Obrázek 6-1 Rozmístění stanic pozemního segmentu Galileo (duben 2014).

Poznámky:

194

Galileo

6.3.2

Galileo Sensor Station

Senzorové stanice Galileo jsou vybavené referenčními přijímači neustále monitorujícími signály všech družic konstelace, které se aktuálně nacházejí nad horizontem. Výsledek monitoringu bude nahrán na družice tak, aby uživatel získal vždy dvě zprávy o integritě navigačních signálů. 

První zpráva obsahuje informace o aktuálním stavu integrity. Čas jejího vystavení od selhání systému a do vystavení poplachu na straně uživatele nesmí být delší než 6 sekund.



Druhá práva obsahuje historii vývoje integrity signálů družice v tabulce integrity.

GSS mají dva role. První role spočívá v určení dlouhodobých předvídatelných změn v orbitech a čase družic. Druhý role GSS spočívá v monitorování krátkodobých nečekaných selhání signálů nebo změn.

! ! !

Z dlouhodobého pohledu GSS slouží k získání dat potřebných pro určení parametrů orbit a časové synchronizaci. Tyto parametry, získané ze všech pozorování GSS, jsou zpracovávány každých 10 minut a jsou podkladem pro určení orbit s platnosti na následující hodinu. Výpočet zahrnuje i odhad přesnosti SISA (ekvivalent výkonnostního parametru GPS Přesnosti pro signál v prostoru SPS viz kapitola 4.7.1).

Poznámky:

195

Galileo Zpracována navigační data jsou nahrávána na družice podle plánu spojení, každých 100 minut.

!

Z krátkodobé perspektivy GSS slouží k monitorování integrity signálů každé družice.

6.4

Prostorový referenční rámec Galileo

Galileo Terestrial Referential Frame (GTRF) je geocentrickým systémem pevně spojeným se zemí ECEF. Za realizaci systému GTRF odpovídá ESA.

!

Vývojem a realizaci systému GTRF provádělo konsorcium Galileo Geodetic Service Provider (GGSP) (Gendt, a další, 2011). První prototypová realizace GTRF byla pojmenována GTRF07v01 a byla odvozena od ITRF2005.

a

= 6 378 137.0 m

1/f

= 298.257 222 100 882 771 243

GM

= 398 600.5 ˟ 109 m3/s2

Ω

= 7 292 115 ˟ 10-11 rad/s

Tabulka 6-5

Vybrané parametry z definičních parametrů GRS80. Zdroj (IERS Standard (1989) WG, 1989).

Poznámky:

196

Galileo

Parametry referenčního elipsoidu systému GTRF, odpovídají realizaci ITRF2005, která může být například odvozená z předchozích realizací ITRF89 prostřednictvím sedmi prvkové Helmertovy transformace (Boucher , a další, 2011) viz Tabulka 6-6.

i

Parametry transformace jsou odvozené ze zaměřených souborů souřadnic a jejich časových změn. Referenčním tělesem pro ITRF89 je Geodetic Reference System 1980 (GRS80) viz Tabulka 6-5.

Zdrojový ECEF

Cílový ECEF

ΔX [m]

ΔY [m]

ΔZ [m]

ωX ωY ωZ m [rad˟103] [rad˟103] [rad˟103] [˟106]

ITRS89

ITRS2005

+0,3

+0,39

-0,97

0

Tabulka 6-6

Sada transformačních parametrů sedmi prvkové transformace mezi ITRF89 a ITRF2005. Zdroj (Boucher , a další, 2011).

0,06

+200

+6,3

Orientace GTRF je vztažená k epoše 2005.0 BHI (Internation Time Bureau). Systém GTRF byl je nezávislou realizaci ITRF2005. Přesnost realizace nesmí podle požadavků projektu Galileo překročit odchylku 3 cm (2σ) od ITRF2005. GTRF byl realizován na základě dat měření v sítě 133 stanic, které zahrnovaly 13 prototypových senzorových stanic Galileo (GSS) a vybrané stanice IGS (Gendt, a další, 2011).

!

Při realizaci GRTF byla použita laserové měření (ILRS), data mezinárodní služby pro rotaci země (BHI), data IERS, GPS měření a dopplerovská měření systémem DORIS (Gendt, a další, 2011).

Poznámky:

197

Galileo Vzhledem k centimetrovým odchylkám mezi GTRF a WGS-84 je možné oba systémy, pro měření běžných uživatelů, považovat za totožné. Rozdíly mezi oběma systémy jsou v rozsahu 2cm.

Určování polohy v GTRF je možné provádět buď v kartézských geocentrických souřadnicích (x, y, z), nebo geografických souřadnicích (λ, φ, h).

6.5

i !

Časový referenční rámec Galileo

Galileo systémový čas angl. Galileo System Time (GST) je kontinuálním atomovým časem, jehož epocha 0000 je vztažená k UTC 00:00 v noci z 21. na 22. září 1990. Poskytovatelem referenčního času UTC je Galileo Time Service Provider (GTSP).

!

GST je udržován zařízením pro přesný čas angl. Precise Time Facility, které spadá pod systém zajištění mise Galileo. Čas GST je mechanizmem přestupných sekund udržován v souladu s UTC na celé sekundy. Rozdíl obou časů je menší než 50 nanosekund po 95 % času v jakémkoliv okamžiku v průběhu roku.

Poznámky:

198

Galileo Součásti navigačních zpráv družic Galileo jsou korekce družicového času na GST. Korekce zahrnují také opravy relativistických efektů. Korekce jsou vysílané v navigačních zprávách typu F/NAV a I/NAV více viz 6.6.4.

6.6

!

Navigační signály Galileo

Systém Galileo bude mít pět neomezených signálů, vysílaných ve čtyřech frekvenčních pásmech označovaných E5 (E5a, E5b), E6 a E1 (EU, 2010) a dva signály omezené, pouze pro vyhrazené uživatele.

E1 1574,42 MHz

E1-B kód I/NAV

E5a 1176,450 MHz

E5 1191,795 MHz

E5b 1207,140 MHz

E6 1278,75 MHz

E6-B C/NAV

E1-C kód

E1-A G/NAV

E5a-I kód F/NAV

E5b-Q kód

E5b-I kód I/NAV

E5a-Q kód

E6-C

E6-A G/NAV

Obrázek 6-2 Signály Galileo

Poznámky:

199

Galileo

6.6.1

Signál E1

Signál E1 bude sestávat z multiplexu třech komponent:   

datového signálů E1-B, pilotního signálu E1-C a signálu E1A.

E1-B signál obsahuje navigační zprávu typu I/NAV společně s primárním a sekundárním PRN kódem. Druhá pilotní komponenta signálů s názvem E1-C se skládá pouze z jednoho PRN kódu a slouží pro přesné dálkoměrné měření. Komponenta E1A se skládá z navigační zprávy typu G/NAV, dálkoměrného kódu a pomocné nosné vlny. Navigační zpráva i dálkoměrný kód E1P komponenty jsou šifrované nekomerčním kryptografickým klíčem, který mohou uživatelům přidělovat příslušné orgány státní moci pod dohledem jednotlivých vlád členských zemí projektu Galileo. Signály E1 jsou určené uživatelům OS, CS a SoL služeb. Obě komponenty E1 je možné zpracovávat na straně GNSS přijímače nezávisle (odděleně) od komponenty E1P.

!

Komponenta signálu E1P je vyhrazená pro uživatele PRS služby.

6.6.2

Signál E5

Signál E5 (E5a a E5b) jsou tvořené multiplexem čtyř komponent.  

Signál E5a se skládá ze dvou komponent E5a-I a E5a-Q. Signál E5b se skládá ze dvou komponent E5b-I a E5b-Q.

Poznámky:

200

Galileo Komponenta E5a-I je datová a skládá se z navigační zprávy typu F/NAV a primárního a sekundárního PRN kódu. Komponenta E5a-Q je pilotní a obsahuje pouze jeden PRN. Signály E5a jsou nešifrované a přístupné pro všechny uživatele. Signály jsou základem OS.

!

Datová komponenta signálů obsahuje navigační zprávu typu I/NAV a primární a sekundární PRN kód. Pilotní komponenta E5b-Q obsahuje pouze dálkoměrný kód E5b-Q. Signály E5b jsou opět volně přístupné všem uživatelům. Navigační zpráva signálu obsahuje data o integritě a umožňuje přenos komerčních dat. Signál E5b je určen pro uživatele OS, CS a SoL služeb.

6.6.3

!

Signál E6

Signál E6 je tvořen třemi komponentami:   

E6-B data kanálem, E6-C pilot kanálem a E6-A kanálem.

Datový kanál E6-B obsahuje navigační zprávu typu C/NAV a šifrovaný dálkoměrný kód E6B.

Poznámky:

201

Galileo Pilotní kanál E6-C obsahuje pouze PRN kód. Signály E6-B jsou vyhrazené pro komerční účely a jejich dálkoměrné kódy a navigační data jsou šifrovány komerčními kryptografickými klíči. Zvýšená datová propustnost 500 b/s umožní, společně s navigačními daty, přenášet také data přidané hodnoty.

!

Signály E6-B jsou vyhrazené pro uživatele CS služeb. Signál s omezeným přístupem E6-A se skládá navigačních dat typu G/NAV, PRN kódu a pomocné nosné vlny. Signál E6-A je šifrovaný a je určen uživatelům PRS služeb.

6.6.4

!

Navigační zprávy

Signály systému Galileo mohou obsahovat čtyři typy navigačních zpráv, které jsou označovány jako F/NAV, I/NAV, C/NAV a G/NAV.

!

Každý typ navigační zprávy je určen pro specifický typ uživatelů a služeb. Všechny navigační zprávy obsahují základní data potřebná pro úspěšné vyřešení navigační úlohy, jako jsou například efemeridy, korekce hodin družic, almanach (Ciavaglia, 2013). Navigační zpráva typu G/NAV (angl. Governmental Navigation Message) bude neveřejná.

!

Poznámky:

202

Galileo

F/NAV F/NAV (angl. Freely Navigation Message) je určená pro uživatelé OS a obsahuje navigační data pro základní polohové, navigační a časové služby.

!

Délka odvysílání kompletní navigační zprávy je 10 minut. Zpráva je tvořena super rámcem, ten se dělí na rámce (50 sekund), podrámce (10 sekund) a stránky (2 sekundy). Stránka je dlouhá 256 bitů (Ciavaglia, 2013).

I/NAV I/NAV (angl. Integrity Navigation Message) je určená pro uživatele služeb SoL kde je vyžadováno monitorování integrity signálů družic v konstelaci. Kromě základních navigačních dat, obsahuje navigační zpráva data o integritě signálu (Ciavaglia, 2013).

!

Super rámec navigační zprávy dělí se na rámce s délkou 720 sekund. Každý rámec se dělí do 24 podrámců s délkou 30 sekund. Jeden podrámec má patnáct stránek s délkou 2 sekundy. Celkový počet rámců v jednom super rámci není fixně daný. Zpráva se vysílá z rychlostí 125 b/s (Ciavaglia, 2013). C/NAV C/NAV (angl. Commercial Navigation Message) je určená pro uživatele CS služeb.

!

Specifikace struktury C/NAV ještě nebyla publikována. Data C/NAV budou vysílaná s rychlosti 500 bps tak, aby bylo možné přenášet v navigačních datech i komerční data s přidanou hodnotou (Ciavaglia, 2013).

Poznámky:

203

Galileo

Navigační zpráva Galileo služby

F/NAV

I/NAV

C/NAV

G/NAV

OS

OS/CS/SoL

CS

PRS

E6-B

E1-A E6-A

500 b/s

50 b/s

Kanály

E5a-I

Rychlost přenosu

25 b/s

Poloha / čas Integrita

Ano

E1-B

E5b-1

125 b/s Ano

Ano

Ano

Ano

Ano

Ano

Doplňková data

Ano

Veřejně regulovaná SaR Tabulka 6-7

Ano Ano

Obsah navigačních zpráv Galileo (Ciavaglia, 2013).

Poznámky:

204

Galileo

6.7

Služby Galileo

Galileo bude jako první GNSS systém poskytovat pět základních služeb, které budou určené různým typům uživatelů a pro různé typy aplikaci. Podle (ESA, 2013) se bude jednat o otevřené služby angl. Open Service (OS), služby vyžadující vysokou bezpečnost angl. Safety-of-Life Service (SoL), komerční služby angl. Commercial Service (CS), veřejné regulované služby angl. Public Regulated Service (PRS) a služby pro záchranné operace angl. Search and Rescue Service (SAR).

6.7.1

Open Service

Otevřená služba je zaměřená pro trh běžných navigačních zařízení, mobilních telefonu, LBS. Služba je v současnosti (prosinec 2013) již dostupná, ale pro běžnou navigaci nepoužitelná.

!

Galileo Open Service (polohové a časové služby) Jedno frekvenční Pokrytí:

Globální

Polohová přesnost:

Horizontální: 15 m

Horizontální: 4 m

Vertikální: 35 m

Vertikální: 8 m

Dostupnost: Přesnost času (UTC/TAI): Korekce ionosféry: Integrita: Tabulka 6-8

Dvou frekvenční

99, 8% -

30 ns

Model

Z dvou frekvenčních měření Ne

Parametry otevřené služby Galileo (OS). Převzato z (ESA, 2013).

Poznámky:

205

Galileo Služba bude založená na signálech E1-B, E1-C, E5a a E5b viz Tabulka 6 8. Služba nebude poskytovat monitorování integrity signálů.

!

Podle předpokladů její IOC nadejde během roku 2014 – 2015. FOC bude dosaženo s dokončením celé konstelace Galileo (ESA, 2013).

6.7.2

Commercial Service

Komerční služba bude poskytovat služby s přidanou hodnotou, za kterou se bude platit. CS bude kombinovat další signály Galileo se signály OS.

!

Signály budou používat komerční šifrování, které umožní řídit provozovateli služby a operátorům systému Galileo přístup koncových uživatelů služby. Služba bude vyžadovat autentizaci na úrovní přijímače. CS nebude poskytovat informace o integritě signálů.

!

Přidanou hodnotou bude vyšší přesnost a další kapacita pro datové přenosy komerčního charakteru. Služba umožní distribuovat přidaná (komerční) data s rychlosti 500 b/s. Dva signály služby (E6) budou na frekvencích oddělených od signálů OS. Jako typický příklad služeb s přidanou hodnotou je uváděno; garantované přesné časové služby, zprostředkování modelu ionosférického zpoždění, signál s lokálními korekcemi pro extrémně přesnou lokalizaci.

I

Poznámky:

206

Galileo Službu budou provozovat komerční poskytovatelé (vývojáři služeb), kteří si zaplatí práva používat CS.

6.7.3

Public Regulated Service

Veřejně regulovaná služba je vyhrazena pro vládami autorizované uživatelé. U PRS služby je, kromě přesnosti, vyžadovaná také integrita a především kontinuita signálů. Všechny zmíněné výkonnostní parametry musí být u PRS udržovány na vysoké úrovni i v době krizí, jako jsou například živelné pohromy.

Služba je šifrovaná a využívá dva nezávislé signály E1-A a E6-A s velkou šířkou frekvenčního pásma. To by mělo garantovat odolnost proti záměrnému a náhodnému rušení signálů služby.

! !

Přístup k PRS bude přidělován na úrovni jednotlivým členským státům programu Galileo prostřednictvím distribuce šifrovacích klíčů. V roce 2014-2015 by mělo dojít k IOC služby PRS. FOC bude dosaženo s dokončení konstelace Galileo 2019-2020 .

Mezi typické cílové skupiny uživatelů PRS patří; pořádkové síly, výzvědné služby, bezpečnosti služby a záchranné služby, daňová, celní a finanční správa.

! i

Poznámky:

207

Galileo

Galileo Public Regulated Services (PRS) Dvou frekvenční Pokrytí:

Globální

Polohová přesnost: Dostupnost:

Horizontální: 6,5 m Vertikální: 12 m 99, 5 %

Kontinuita (riziko ztráty):

0,00005 / 15 s

Přesnost času (UTC/TAI):

100 ns

Korekce ionosféry: Výpočet: Integrita

Tabulka 6-9

6.7.4

Mezní hodnota poplachu:

Z dvou frekvenčních měření Ano Horizontálně: 20 m Vertikálně: 35 m

Time-To-Alarm:

10 s

Riziko integrity.

3,5˟10e-7 / 150 s

Parametry veřejné regulované služby Galileo (PRA). Převzato z (16).

Integrity Monitoring Service

Tato služba dříve uváděná jako služba Safety-of-Life. Služba byla navržena tak, aby jako vylepšení OS poskytovala uživateli včasné varování, pokud by přesnost a integrita signálů OS nedosahovala stanovených limitních hodnot s definovanou tolerancí.

!

Poznámky:

208

Galileo Služba SoL byla od roku 2011 zajištěna pro Evropu systémem EGNOS. Ten garantuje splněny standardu ICAO na integritu dat.

!

V současnosti se zvažuje jiná globální implementace SoL, která by se uplatnila v systému Galileo s názvem Integrity Monitoring Service. O způsobu realizace zatím nebylo rozhodnuto, jednou z navrhovaných a zvažovaných variant řešení je technologie ARAIM (Advanced RAIM). Technologie RAIM je nezávislé monitorování integrity signálů družic, které je řešené na straně GNSS přístroje. Ten využívá k detekci selhání signálů, signály z většího počtu družic viditelných družic, minimálně z pěti.

6.7.5

i

Search and Rescue Service

Družice konstelace Galileo budou schopné zachytit nouzový signál nouzových bójí a majáků, kompatibilních se specifikací COSPAR-SARSAT.

!

Konstelace družic Galileo garantuje, pro kterékoliv místo na zemi, v jakémkoliv čase, viditelnost alespoň jedné družice Galileo. Díky tomu SAR/Galileo umožní;   

příjem tísňových signálů v téměř reálném čase, z kteréhokoliv místa na Zemi, přesnou lokalizaci tísňového volání,

Poznámky:

209

Galileo  

možnost zachytit tísňový signál více družicemi i při špatných podmínkách viditelnosti družic vlivem blokování tísňového signálu okolním terénem, zvýšení dostupnosti družic SAR.

Současná průměrná doba čekání na odeslání a příjem tísňového signálu je jedna hodina. Přesnost lokalizace tísňového signálů je v současnosti kolem 5 km. Současnou konstelaci družic SAR tvoří jen tři geostacionární družice, které budou časem rozšířené o 27 MEO družic systému Galileo. Začlenění SAR/Galileo, také umožní zpětné spojení operátora SAR přes družice Galileo s nouzovým majákem. To umožní ověřit, zda vyslané tísňové volání není falešným poplachem.

i !

Každá družice může zpracovat nouzový signál až ze 150 aktivovaných tísňových majáků. Detekční doba s určením polohy nouzového majáku je menší než 10 minut. Dostupnost služby SAR je více než 99,8 %. První úspěšný test SAR/Galileo proběhl 17. ledna 2013. V roce 2014-2015 by mělo dojít k IOC služby SAR. FOC bude dosaženo s dokončení konstelace Galileo v letech 2019-2020.

Poznámky:

210

COMPASS

7

COMPASS

V této kapitole se seznámíte s kosmickým segmentem čínského systému COMPASS a s bližšími informacemi o celé konstelaci navigačních družic COMPASS. Dále se v kapitole dozvíte informace o prostorovém referenčním rámci CGS2000, který je základem pro určování polohy v systému COMPASS a o systémovém času COMPASS a jeho realizaci.

Odhadovaný čas

7.1

20 minut

Historie

Systém označovaný názvem COMPASS a známý pod názvem BeiDou-2 je druhou generací navigačního systému Čínské lidově demokratické republiky. Předchůdce s názvem BeiDou-1 byl vybudován se záměrem vytvořit lokální navigační systém, který by umožňoval trojrozměrnou navigaci na území Číny a v jejím okolí. První systém BeiDou byl plným jménem nazýván BeiDou Satellite Navigation Experimental System. Název vystihuje jeho experimentální povahu. První myšlenka na výstavbu tohoto systému se v Číně objevila v roce 1980. Jméno BeiDou je odvozeno od čínského názvu pro souhvězdí Velký vůz.

i

Poznámky:

211

COMPASS V roce 1997 bylo rozhodnuto, že systém bude rozšířen tak, aby z něj vznikl GNSS, který byl oficiálně pojmenovaný BeiDou Satellite Navigation System (BND). Systém je však známější pod jménem Beidou-2 nebo COMPASS. Podle plánu China National Space Administration (CNSA) (Wikipedia, 2013) mělo budování systému probíhat ve třech krocích: 

2000 – 2003 vybudování experimentálního systému BeiDou-1,



do roku 2012 pokrýt území Číny a jejího okolí službami systému BeiDou,



do roku 2020 dosažení FOC systému COMPASS.

!

V první fázi BeiDou-1 sestával ze tří geostacionárních (GEO) družic a poskytoval omezené pokrytí navigačními službami, především pro čínské uživatele. Do provozu byl uveden v roce 2000 vypuštěním první družice, ze tří plánovaných družic. Dokončení první experimentální fáze skončilo v roce 2003 vynesením třetí experimentální družice (Wikipedia, 2013). V roce listopadu 2006 oznámila Čína, že od roku 2008 bude BeiDou poskytovat otevřenou navigační službu. V souladu s přijatým plánem se stal systém COMPASS operačně způsobily, ztím jen pro Čínské uživatele, v prosinci 2011. V prosinci 2012 došlo k rozšíření pokrytí službami COMPASS i na uživatele asijsko-pacifického regionu (GlobaSecurity.org, 2013). V roce 2003 ještě nebylo jasné, zda bude nový systém COMPASS ryze vojenský nebo, zda bude otevřený i civilním uživatelům. Čína po jednání s EU a přislíbila investovat v následujících letech 230 milionu Euro do programu Galileo a v roce 2004 podepsala smlouvu o spolupráci

! i

Poznámky:

212

COMPASS programu Galileo a NRSCC. Agreement on the Cooperation in the Galileo Program between the "Galileo Joint Undertaking" (GJU) and „the National Remote Sensing Centre of China" (NRSCC). Přínos spolupráce byl ale sporný. V roce 2008 Čína prohlásila, že bude na asijském trhu soutěžit se systémem Galileo.

7.2

Kosmický segment COMPASS

První experimentální družice kosmického segmentu BeiDou-1 s označením BeiDou-1A byla vypuštěna v říjnu 2000, následovaná byla další družicí během prosince stejného roku. Poslední experimentální družice s označením BeiDou-1C byla uvedena do provozu v květnu 2003. Start a operační nasazení třetí družice znamenalo uvedení systému BeiDou-1 do provozu. V únoru 2007 byly na oběžnou dráhu vynesená poslední čtvrtá GEO družice BeiDou-1D, která slouží jako záloha. V dubnu 2007 byla ustavena na orbitu první družce budoucího systému BeiDou2 s označením Compass-M1. Postupně byly vypouštěny v roce 2009 a 2010 další navigační družice s označením Compass-

Označení konstelace Celkový počet družic na orbitech

27 (MEO) 3 (HEO) 5 (GEO) 3 (MEO)


3 (HEO) 1 (GEO)


9 (MEO)

Tvar orbity

Kruhové

5 (GEO) 21 528 km (MEO)

Výška orbity Inklinace oběžných drah Aktivní generace Oběžná doba

Tabulka 7-1

Poznámky:

35

35 786 km (HEO) 35 786 km (GEO) 55° (MEO/HEO) 14 h

Plánovaná konstelace COMPASS pro FOC v roce 2020.

213

COMPASS G2 a Compass-G1, které byly následovány dalšími 11 družicemi. V roce 2012 bylo vypuštěno dalších pět geosynchronních družic s ukloněnou oběžnou dráhou (IGSO). Konstelace kosmického COMPASS je s ohledem na ostatní GNSS netypická, protože obsahuje mix družic na třech typech oběžných drah. V současnosti (prosinec 2013) má osm družic systému za úkol zajistit regionální pokrytí asijsko-pacifického regionu signály. Jejich dosah jen pouze regionální.

!

Tři družice jsou GEO (Geostationary Orbit) a pět družic je na geosynchronních oběžných drahách HEO (High Elliptic Orbit). Úplná konstelace bude mít, podle specifikace, celkem třicet pět družic, z toho bude dvacet sedm MEO družic, tři HEO družice a pět GEO družic viz Tabulka 3-1.

7.3

!

Další informace o systému COMPASS

Na rozdíl od zbývajících GNSS systémů je množství relevantních publikací, které popisují ostatní segmenty COMPASS, jeho signály, služby, souřadnicový systém a další významné aspekty budovaného systému, nízké. Proto bude dále uveden pouze souhrn vybraných ověřených informací.

i

Poznámky:

214

COMPASS

7.3.1

Řídicí segment COMPASS

Řídicí segment COMPASS se skládá z jedné hlavní řídicí stanice, dvou stanic pro komunikaci s družicemi a třiceti monitorovacích stanic (Chong, 2009).

7.3.2

!

Prostorový referenční rámec a časový referenční rámec COMPASS

Geodetickým základem pro systém COMPASS je systém CGS2000 (angl. China Geodetic System 2000) (Chong, 2009).

Systémový čas COMPASS/BeiDou je pojmenován jako BDT angl. BeiDou Time. Jedná se o atomový čas, který je odvozený od času UTC a je s ním průběžně synchronizován s přesností na 100 nanosekund. Epocha 000.0 BDT času je vztažena UTC 2006.0 (CSNO, 2013).

a

6 378 137.0 m

1/f

298.257 222101

GM

398 600 4418 ˟ 109 m3/s2

Ω

7 292 115 ˟ 10-11 rad/s

Tabulka 7-2

! !

Parametry elipsoidu CGS2000. Zdroj (CSNO, 2013).

Poznámky:

215

COMPASS

Při návrhu BDT byla vzata v úvahu jeho kompatibilita vůči GPS času i vůči systémovému času Galileo. Časový rozdíl mezi BDT, GPS časem a BDT, systémovým časem Galileo bude měřen a bude součásti navigačních zpráv družic systému COMPASS.

7.3.3

i

Služby COMPASS

Systém COMPAS bude zajišťovat dva typy globálních služeb. Prvním typem služeb je tzv. otevřená služba, které bude volně dostupná všem uživatelům. Deklarované parametry otevřené služby by měly umožnit: 

určení polohy s přesností 10 m,



měření času s přesností 20 ns a



určení rychlosti by mělo být s přesností do 0,2 m/s.

!

Parametry druhé služby označované jako autorizovaná služba nejsou známy (Chong, 2009). Systém podporuje dva typy regionálních služeb. První službou jsou Wide Area Differential Service s polohovou chybou do 1 m. Druhou službou je zasílání krátkých textových zpráv.

!

Poznámky:

216

Formáty a komunikační protokoly GNSS

8


V této kapitole se seznámíte se základními protokoly a formáty pro předávání a výměnu dat mezi GNSS zařízeními a aplikacemi pro zpracování dat GNSS měření. V úvodu se obeznámíte s obsahem, charakteristikou a historii protokolu NMEA 0183. Následně si přečtete o čtyřech nejpoužívanější (GNSS) větách protokolu NMEA a o tom jaký nesou informační obsah. Dále se seznámíte s historií a verzemi protokolu RTCM-CS104. P přečtení byste měli být schopní rozlišit možnosti využití jednotlivých verzí protokolu RTCM, s ohledem na typ GNSS a metodu měření. Standardy RTCM budou uzavřeny protokolem Ntrip. Po přečtení byste měli být schopni popsat jednotlivé programové komponenty. Zjistíte jaká je architektura Ntrip, jak nalézt Ntrip zdroj a jak identifikovat obsah Ntrip zdroje. V další části kapitoly se seznámíte podrobně se standardem RINEX a jeho historií. Obeznámíte se s částmi, ze kterých se RINEX skládá, jaká data jsou v něm uložená a k čemu slouží. V závěru kapitoly se seznámíte s tzv. přesnými efemeridami. Po přečtení byste měli vědět, k čemu se přesné efemeridy používají a kde je možné tento produkt získat. Jako poslední budou probrány almanachy, které mají své uplatnění při fázi plánování a přípravy na měření.

Odhadovaný čas

70 minut

Poznámky:

217


8.1

Úvod

Komunikační protokoly a výměnné formáty jsou nezbytným pojítkem mezi GNSS přístrojem a technickým zařízením s programovými aplikacemi, které s daty naměřenými GNSS přístrojem dále pracují. A to bez ohledu na to zda jsou polohová a časová data archivována, dále zpracovávána nebo jsou přímo zobrazována. Na poli GNSS existuje několika základních protokolů a formátů, které fungují jako standard pro komunikaci a předávání dat, nezávislý na výrobci GNSS přístroje a na nativních komunikačních protokolech GNSS přístrojů. Naprostým základem pro většinu GNSS zařízení je protokol NMEA 0183. GNSS přístroje střední a vyšší třídy by pak měly zvládat přenosy různých typů korekcí v prostřednictvím protokolu RTCM SC-104, CMR/CMR+.

! !

Dále by dnešní GNSS přístroje střední a vyšší třídy měly zvládat komunikaci přes transportní protokol NTRIP, který je určen pro šíření dat korekcí prostřednictvím Internetu. Komunikační protokoly a formáty jsou také důležité pro aplikace, ve kterých jsou naměřená data dále zpracovány. Zástupcem těchto formátů jsou výměnné formáty RINEX. GNSS přístroje střední a vyšší třídy nejsou určeny pro volnočasové aktivity. Jedná se o přístroje určené pro přesná měření. Množství podporovaných formátů a protokolů u GPS přístroje závisí na účelu, pro který byl zkonstruován. Stejně jako se říká u lidí: „řekni mi, co čteš, já ti řeknu, jaký člověk jsi“, tak u GPS přístrojů platí přeneseně: „řekni mi, jaké protokoly znáš, já ti řeknu, co dokážeš“.

i

Poznámky:

218

Formáty a komunikační protokoly GNSS Mnoho GNSS přístrojů, přesněji řečeno jejich čipové sady, jsou schopné komunikovat v proprietárním komunikačním protokolu výrobce přístroje. Příklad proprietárních protokolů viz Tabulka 8-1. Výrobce

Protokol (formát)

Ashtech

MBEN/PBEN, DBEN

DeLorme®

Earthmate™

GARMIN

GARMIN (GPX)

Leica Geosystems

LB2

Rockwell

PLGR

SiRF

SiRF

Topcon, Inc.

TPS

Trimble

RT17, TSIP, CMR/CMR+

u-blox

MBX

Tabulka 8-1

Vybrané nativní protokoly a formáty GNSS zařízení.

Protože jsou proprietárních protokoly velmi často uzavřené a jejich podpora bývá většinou omezená, pouze na GNSS zařízení a aplikace výrobce přístroje, nebudeme se proprietárními protokoly nadále zabývat.

Formáty a protokoly lze rozdělit do dvou skupin. Podle klasifikace (Yan, 2006) se jedná o protokoly pro přenos dat v reálném čase (angl. Real-time Transmission Protocols) a formáty pro výměnu a archivaci dat.

i !

Poznámky:

219


8.2

Protokoly pro přenos dat v reálném čase

NMEA 0183 Za specifikací protokolu NMEA 0183 stoji The National Marine Electronics Association. Protokol NMEA 0183 (dále jen NMEA) byl navržen za účelem standardizace sériové komunikace námořních elektronických zařízení. Asynchronní komunikace probíhá pomocí textových vět, které mají podle protokolu pevně danou strukturu. Každá z vět začíná sérii znaků, které identifikují, jaké zařízení větu NMEA posílá a jaký je její následující obsah.

! !

Komunikace se účastní vždy dvě zařízení. Jedno, které vysílá data (ve standardu angl. Talker) a druhé které data poslouchá (ve standardu angl. Listener). V roce 2013 byla k dispozici verze NMEA 0183 4.10. Z pohledu GNSS verze 4.10 zahrnuje podporu systému GPS, GLONASS a Galileo. Standard NMEA rozlišuje tři základní typy vět:   

Talker sentences (věty vysílače), Query Senteces (věty pro definici dotazu) a Proprietary sentences (proprietární věty).

Talker sentences

Talker ID

GNSS

GP

GPS Navstar

GL

GLONASS

GA

Galileo

Tabulka 8-2

Identifikátory vysílajícího zařízení. NMEA 0183.

Jedná se o věty, které vysílající zařízení (například GNSS přístroj) předává dále do dalšího technického zařízení (dále jen přijímač). Každé zařízení v kategorii vysílač je identifikováno Poznámky:

220

Formáty a komunikační protokoly GNSS svým kódem. Identifikační kódy GNSS viz Tabulka 8-2. Každý typ vysílajícího zařízení, má přidělené sadu vět, které slouží pro předání dat naměřených případně vypočtených zařízením. K podporovaným zařízením v NMEA patří například palubní radary, sonary, kontrola motorů, kontrolní senzory integrity lodního trupu a mnoho dalších. (Dale, 2006).

i

Query Senteces Věty slouží poslouchajícímu zařízení, ke konfiguraci obsahu, který mu bude z vysílače zasílán. Tyto věty slouží nejen k nastavení vlastního obsahu komunikace, ale i k nastavení parametrů spojení, například nastavení portů, komunikační rychlosti apod.

NMEA 0183 Baud rate

4800

Data bits

8

Stop bits

1 nebo 2

Parity

none

Tabulka 8-3

Výchozí parametry nastavení sériového

Ačkoliv je možné podle potřeb rozhraní pro komunikaci přes NMEA 0183. konfigurovat rychlost a další parametry přenosu dat, ve standardu je specifikováno výchozí nastavení komunikace přes sériové rozhraní viz Tabulka 8-3. Frekvence toku jednotlivých vět je v rámci NMEA konfigurovatelná a zpravidla nebývá vyšší než opakování věty po jedné sekundě. Standard NMEA 0183 je podporován GNSS přístroji jako komunikační minimum. Z desítek vět určených pro GNSS zařízení jsou často používané čtyři věty, viz Tabulka 8-4. Z vět GGA, GLL, RMC a GSV získá zobrazovací zařízení z GNSS přístroje vypočtenou polohu, čas, parametry aktuální konstelace družic a vybrané kvalitativní parametry měření.

!

Poznámky:

221

Formáty a komunikační protokoly GNSS Data předávaná přes NMEA jsou výsledkem výpočtu v navigačním počítači GNSS přístroje a neobsahují surová data, která přístroj naměřil (např. polohy družic, pseudovzdálenosti apod.). Z tohoto důvodu, není možné data posílána protokolem NMEA použít pro následnou aplikaci korekcí.

!

Pokud jsou však do počítače GNSS přístroje, přes externí vstup, posílány korekce, například ve formátu RTCM SC-104, budou výsledkem navigačního výpočtu v GNSS opravené polohy, které GNSS přístroj zašle na sériové rozhraní přes NMEA. Věta GGA pak ponese příslušný příznak, který indikuje, že poloha není výsledkem autonomního měření, ale že jsou data korigována.

i

Kód věty

Význam zkratky

Četnost posílání věty

GGA

Global Positioning System Fix Data

1 za sekundu

GLL

Geographic Position - Latitude/Longitude

1 za sekundu

RMC

Recommended Minimum Navigation Information

1 za sekundu

GSV

Satellites in view

1 za 5 sekund

Tabulka 8-4

Vybrané věty protokolu NMEA 0183 a jejich frekvence odesílání na komunikační rozhraní.

Věta GGA (angl. Global Positioning System Fix Data) Tato věta slouží k předávání polohových dat s indikací kvality určení polohy (Dale, 2006). Věta se používá také v případě měření se síťovým řešení RTK korekci a metodou korekcí typu VRS (angl. Virtual Reference Station).

!

Poznámky:

222

Formáty a komunikační protokoly GNSS Při připojování do sítě permanentních referenčních stanic (dále do sítě), může uživatel využívat několik různých metod výpočtů a distribuce korekcí. Pokud jsou vyžadovány RTK korekce typu VRS, musí operační centrum sítě vygenerovat pro uživatele virtuální referenční stanici. Pro tu pak z dat celé sítě sestaví operační centrum unikátní sadu korekcí. Poloha VRS je zpravidla stanovena do vzdálenosti prvních kilometrů od aktuální polohy uživatele.

i

Aby operační centrum mohlo sestavit správnou sadu korekcí pro VRS musí získat přibližnou polohu uživatele. Požadovaná poloha je získaná z GNSS zařízeni při připojení přístroje k operačnímu centru. V té chvíli GNSS přístroj zašle operačnímu centru jednu GGA větu.

$GPGGA,123519,4807.038,N,01131.000,E,1,08,0.9,545.4,M,46.9,M,,*47

Where: GGA Global Positioning System Fix Data 123519 Fix taken at 12:35:19 UTC 4807.038,N Latitude 48 deg 07.038' N 01131.000,E Longitude 11 deg 31.000' E 1 Fix quality: 0 = invalid 1 = GPS fix (SPS) 2 = DGPS fix 3 = PPS fix 4 = Real Time Kinematic 5 = Float RTK 6 = estimated (dead reckoning) (2.3 feature) 7 = Manual input mode 8 = Simulation mode 08 Number of satellites being tracked 0.9 Horizontal dilution of position 545.4,M Altitude, Meters, above mean sea level 46.9,M Height of geoid (mean sea level) above WGS84 ellipsoid (empty field) time in seconds since last DGPS update (empty field) DGPS station ID number *47 the checksum data, always begins with *

Obrázek 8-1 Struktura GGA věty NMEA 0183. Zdroj (Dale, 2006).

Poznámky:

223

Formáty a komunikační protokoly GNSS Věta GLL (angl. Geographic Position - Latitude/Longitude) Věta GLL umožňuje předávat polohová data s časovou značkou (bez data) bez indikace kvality určení polohy informace. Věta byla původně zavedena pro účel získávání dat ze systému LORAN-C. V současnosti je věta ponechána ve standardu z důvodu zpětné kompatibility. Obsah věty je redundantní k větě GGA.

Věta RMC (angl. Recommended Minimum Navigation Information) Věta obsahuje minimální polohová data s úplným časem včetně datumu. Ve větě není indikována kvalita určené polohy.

Věta GSV (angl. Satellites in View) Věta není nutná k určení polohy, proto nemusí být přenášená každou sekundu, jako je tomu v případě ostatních uváděných NMEA vět. Věta GSV má význam při zobrazování systémových informací GNSS se vztahem k aktuálně určované poloze.

! ! !

V aplikacích je obsah GSV vět transformován do stavových informací, které zobrazují aktuální konstelaci družic používaných pro měření. Například indikaci polohy azimutem a elevačním úhlem družice nad horizontem, kvalitou navigačních signálů družice, vyjádřenou hodnotou odstupu užitečného signálu od šumu SNR (angl. Signal Nois Ratio).

Poznámky:

224


8.2.1

Protokoly RTCM-SC104

Standard RTCM-SC104 je publikován The Radio Technical Commission for Marine Services (RTCM) Special Committee (SC) 104 (RTCM, 2014). Protokol byl původně určen pouze pro šíření dat real-time DGPS korekcí. Časem se spektrum typů korekcí i podporovaných GNSS systému rozrostlo. S příchodem nových GNSS (GLONASS, Galileo), nových SBAS (angl. Satellite Based Augumentation Systém) a nových metod sestavování a aplikací korekcí (RTK, VRS, MAC, FPK) se změnila i filozofie standardu RTCM-SC104 (dále jen RTCM). Rodina standardů RTCM byla rozšířená.

!

V současnosti je pod RTCM publikováno celkem devět standardů. Sedm standardů je věnováno rozšíření původního standardu RTCM z roku 1990. Tato rodina standardů se zabývá přenosem korekčních dat a dále bude označována jako RTCM. Dva standardy jsou věnovány transportnímu protokolu Ntrip, který vznikl v reakci na novou potřebu, přenášet data korekcí původního standardu RTCM přes paketové sítě. V historii byly pro komunikaci mezi GPS přístrojem a referenční stanici (druhý GPS přístroj sloužící jako zdroj korekcí) používány rádio modemy. To se ale změnilo s rozšířením mobilních datových sítí, mobilních operátorů a s rozšířením Internetu a komunikačního protokolu TCP/IP. Více se protokolu Ntrip kapitola 8.2.2.

i

Standardy Ntrip nejsou výhradním dílem RTCM. Na vývoji jejich posledních verzí se podílela Rádio technická komise pro námořní služby, proto je má také uvedené na svých stránkách (RTCM, 2014).

Poznámky:

225

Formáty a komunikační protokoly GNSS RTCM je binárním protokolem, z důvodu požadavku ne efektivitu přenosu dat. Je členěn do binárních vět.

!

Obsah vět, množství a struktura je závislá na verzi RTCM. Standardy RTCM v2.X vznikaly v době, kdy jedinými relevantními GNSS systémy byly systémy GPS a GLONASS. Standard postupně rozšiřoval počet vět a jejich obsah tak, aby bylo možno provádět RTK měření jak s GPS, tak s GLONASS a samozřejmě, aby bylo možné provádět kombinovaná měření GPS/GLONASS. S plány na vybudování nových GNSS systému a novými požadavky na obecnou rozšiřitelnost obsahu dat přenášených v RTCM, byl vytvořen zcela nový standard RTCM v3.X. Primárním cílem RTCM v3.X bylo: 

zvýšení efektivity v přenosech dat,



podpora nových typů síťových korekcí (VRS, FKP, MAC)



a podpora nových GNSS systémů.

! ! i

Poslední vývoj ve specifikacích RTCM směřuje k rozšíření standardu RTCM o nový datový obsah. Tím by měly být věty vyhrazené pro přenos surových dat referenční stanice. Mělo by se jednat o data ekvivalentní obsahu, který je dnes ukládán ve výměnném formátu RINEX. Na přípravě poslední verze standardu RTCM v 3.2 se podílela Rádio technická komise pro námořní služby, AIUB (Astronomical Institute of the University of Bern) a IGS (International GNSS Service). Poznámky:

226

Formáty a komunikační protokoly GNSS Pro účely šíření Real-time DGNSS korekcí se nejčastěji ze standardu RTCM (v 2.2) vysílají věty 1, 2, 3 a 9 pro GPS a 31, 32 a 34 pro GLONASS. Pro účely RTK GNSS korekcí se ze

1990

RTCM v 2.0





Standard podporuje pouze Real-time DGPS. Neobsahuje žádné informace fázových měření, proto není použitelný pro RTK aplikace. Dosažitelná přesnost v určení polohy je kolem jednoho metru.

1994

RTCM v2.1



1998

RTCM v2.2

 

2001

RTCM v2.3



Přidává k obsahu verze 2.2 také věty s informacemi o parametrech antény referenčního přístroje.

2003

RTCM v3



Změna ve struktuře a obsahu přenášených vět. Standard rozšiřuje podporu na GPS, GLONASS a Galileo.

2011

RTCM v3.1



RTCM v3.2



Přináší k verzi 3 podporu síťových řešení pro plošné korekce (FKP, MAC). Zprávy pro přenos efemerid a přidání podpory navigačních signálů GPS L2C a L5. Rozšíření obsahu věty RTCM o věty pro přenos surových dat měření (obsah který je ukládán běžně v RINEX). V plánu podpora systému COMPASS (BeiDou).



Standard umožňuje oproti verzi 2.0 šířit i korekce z fázových měření. Umožňuje tedy tzv. RTK aplikace. Avšak RTK měření jsou omezeny pouze na systém GPS. Dosažitelná přesnost v určení polohy je kolem desítky centimetrů. Standard zahrnuje už šíření korekcí systému GLONASS, ale není zpětně plně kompatibilní s verzí 2.1. Neobsahuje některé věty verze 2.1.

Obrázek 8-2 Historie vývoje standardu RTCM SC-104.

standardu RTCM (2.3) vysílají věty 3, 18, 19 a 22 viz Obrázek 8-3. Pokud jsou RTK korekce šířené prostřednictvím RTCM v3 postačují pro šíření korekcí věty 1004, 1006, 1008 a 1012. To platí pro korekce typu Single-Base nebo korekce typu VRS. Více v kapitole 10.9.2.

Poznámky:

227


RTCM SC-104 v 3.0 RTCM SC-104 v 2.3 1 - DGPS Correction 1003 - GPS Basic RTK L1 & L2 2 - Delta DGPS Corretions 1004 - GPS Extended RTK L1 & L2 3 - Reference Station Parameters 1005 - (X,Y,Z) coordinates of the antenna reference point 4 - Reference Station Datum 1006 - (X,Y,Z) coordinates of the antenna reference point + height of antenna 5 - GPS Centellation Health reference point above marker 6 - GPS Null Name 1007 - Antenna and radome type definition 7 - DGPS Beacon Alamanach 1008 - Antenna and radome type definition + Antenna serial number 8 - Pseudolite Almanach 1011 - GLONASS code and carrier phase observations 9 - GPS Partial Correction Set 1012 - GLONASS code and carrier phase observations + code noise ratio 10 - P-code Differentila Correction 11 - C/A Code, L1, L2 Delta Correction 12 - Pseudolite Station Parameters 13 - Ground Transmiter Parameters 14 - GPS Time of Week 15 - Ionospheric Delay Message 16 - GPS Special Message 17 - GPS Ephemeris 18 - (v 2.1) RTK Uncorrected Carrier Phase 19 - (v 2.1) RTK Uncorrected Pseudorange 20 - (v 2.1) RTK Carrier Phase Correction 21 - (v 2.1) RTK Pseudorange Correction 22 - Extended Reference Station Parameters 23 - (v 2.3) Antena Type Definiton 24 - (v 2.3) Reference Station: Antena Reference Point Parameters 25,26 - Undefined 27 - Extended DGPS Radiobeacon Almanach 28..30 - Undefined 31 - (v 2.2) Differential GLONASS Correction 32 - (v 2.2) Differential GLONASS Reference Station 33 - (v 2.2) GLONASS Constellation Health 34 - (v 2.2) GLONASS Partial Differential Correction Set 35 - (v 2.2) GLONASS Radiobeacon Almanach 36 - (v 2.2) GLONASS Special Message 37 - GNSS Systém Time Offset 38..58 - Undefined 59 - Proprietary Message 60..63 - Multipurpose Message

Obrázek 8-3 Popis obsahu vět RTCM SC-104 v2.3 a v3.0. Převzato a upraveno z (Kaplan, a další, 2005).

Poznámky:

228


8.2.2

Transportní protokol Ntrip

Networked Transport of RTCM via Internet Protocol (Ntrip), za kterým stojí Německá federální agentura pro kartografii a geodézii (BKG) a Oddělení počítačových věd Dortmundské univerzity je aplikační bezstavový protokol, který vznikl za účelem šíření datových toků globálních navigačních družicových systémů (GNSS) pomocí Internetu.

!

Ntrip je založený na protokolu HTTP/1.1., přičemž HTTP objekty jsou vloženy do datového toku. Od roku 2009 je protokol ve verzi 2. Obě verze protokolu Ntrip jsou oficiálně publikovány pod hlavičkou RTCM-SC104 a je oficiálně označován jako RTCM Standard 10410.1. Ntrip je navržen pro šíření dat diferenčních korekcí nebo jiných typů datových toků GNSS směrem k uživatelům pomocí Internetu tak, aby bylo umožněno současné připojení více klientů ke zdroji korekcí.

!

Protokol Ntrip není omezen pouze na klasické sítě, ale umožňuje bezdrátový internetový přístup pomocí mobilních IP sítí, jako je například GSM, GPRS, EDGE nebo UMTS (BKG, 2014). Ntrip se skládá ze tří programových částí. Části jsou pojmenovány: 

NtripServer,



NtripCaster a



NtripClient.

!

Poznámky:

229


NtripServer (HTTP klient) NtripServer přenáší datové toky od zdroje (označovaný také jako NtripSource) k NtripCasteru. NtripServer je připojen k NtripCasteru. Data korekcí (v RTCM formátu) převádí do datového toku, dle specifikací Ntrip, a odesílá je na NtripCaster. Každému NtripServeru (NtripSource) je přiřazen identifikátor přípojného místa angl. mount point name a přístupové jméno a heslo. O přidělení identifikátoru a přístupového účtu se stará provozovatel NtripCasteru.

!

Jako NtripSource je chápan nepřetržitý datový tok obsahující například RTK nebo DGNSS korekce. NtripSource představuje GNSS data vztažena k definovanému místu v prostoru. Definice a popis dostupných zdrojů je uvedená v tabulce zdrojů (angl. Source Table). Informace ze source table je možné získat zadáním URL adresy a portu NtripCasteru ve webovém prohlížeči.

!

NtripCaster (HTTP server) je řídicí část systému. Jedná se o http server, který podporuje podmnožinu zpráv typu dotaz/odpověď. Je odpovědný za sběr datových toků od jednotlivých NtripServerů a jejich distribuci na NtripClienty. NtripClieti i NtripCastery se připojují ke NtripCasteru přes stejnou IP adresu a komunikační port.

!

NtripClient (HTTP klient) je schopen se připojit na datový tok vysílaný z požadovaného NtripServeru prostřednictvím NtripCasteru.

!

Poznámky:

230

Formáty a komunikační protokoly GNSS Aby se mohl NtripClient připojit ke zdrojovému datovému toku, musí znát: 

IP adresu nebo název NtripCasteru,



číslo portu NtripCasteru,



mount point name NtripSource (NtripServeru)



a přístupové jméno a heslo k NtripSource (NtripServeru).

!

SOURCETABLE 200 OK Date: Thu Apr 24 12:57:50 CEST 2014 Server: JNtripCaster 1.0.3;author=<[email protected]>/1.0 Content-Type: text/plain; charset=utf-8 Content-Length: 1439 CAS;ntrip.vsb.cz;2101;VSB-TUO;VSB;0;CZE;49.84;18.16;0.0.0.0;0;http://gis.vsb.cz/ntrip CAS;ntrip.pecny.cz;80;VESOG;GOP;0;CZE;49.91;14.79;0.0.0.0;0;http://www.pecny.cz/ CAS;ntrip.pecny.cz;2101;VESOG;GOP;0;CZE;49.91;14.79;0.0.0.0;0;http://www.pecny.cz/ CAS;topnet.geodis.cz;8006;TopNET;TOP;0;CZE;49.02;16.63;0.0.0.0;0;http://topnet.geodis.cz CAS;rtcm-ntrip.org;2101;NtripInfoCaster;BKG;0;DEU;50.12;8.69;0.0.0.0;0;no_data_streams,only_NtripCaster_Information STR;VSBO-RTK;Ostrava;RTCM 2.3; 3(10),18(1),19(1),22(10);2;GPS+GLONASS;;CZE;49.84;18.16;0;0;Topcon NET-G3;none;B;N;5000;VSB-TUO STR;VSBO-DGNSS;Ostrava;RTCM 2.3;1(1),2(1),3(10),9(1),31(1),32(1),34(1);0;GPS+GLONASS;;CZE;49.84;18.16;0;0;Topcon NET-G3;none;N;N;5000;VSB-TUO STR;VSBO-TOP;Ostrava;RTCM 3;1004(1),1006(10),1008(10),1012(1);2;GPS+GLONASS;;CZE;49.84;18.16;0;0;Topcon NET-G3;none;B;N;5000;VSB-TUO STR;LYSH-RTK;Lysa hora;RTCM 2.3;3(10),18(1),19(1),22(10);2;GPS+GLONASS;;CZE;49.55;18.45;0;0;Topcon GB-1000;none;B;N;5000;VSB-TUO STR;LYSH-DGNSS;Lysa hora;RTCM 2.3;1(1),2(1),3(10),9(1),31(1),32(1),34(1);0;GPS+GLONASS;;CZE;49.55;18.45;0;0;Topcon GB-1000;none;N;N;5000;VSB-TUO STR;LYSH-TOP;Lysa hora;RTCM 2.3;3(10),18(1),19(1),22(10);2;GPS+GLONASS;;CZE;49.55;18.45;0;0;Topcon GB-1000;none;B;N;5000;VSB-TUO ENDSOURCETABLE

Fázová měření

Identifikace sítě

Vyžadovaná NMEA

Šifrování

Bitrate

STR;VSBO-DGNSS;Ostrava;RTCM 2.3;1(1),2(1),3(5),31(1);0;GPS+GLONASS;;CZE;49.84;18.16;0;0;Topcon NET-G3;none;B;N;5000;VSB-TUO Místo Mount Point

Detaily formátu Formát

Kód země GNSS systémy

Síťová řešení Poloha zdroje

Poplatky Přístroj

Autentizace

Obrázek 8-4 Zdrojová tabulka (SourceTable) NtripCasteru http://ntrip.vsb.cz:2010 s popisem struktury řetězce zdroj VSBO-DGNSS.

Poznámky:

231


Base 1 VSBO

Base 2 LYSH

GNSS přístroj ID stanice NtripSource

RTCM 2.2

RTCM 2.3

Server 1

Server 2

Server 3

VSBO-RTK

VSBO-DGPS

LYSH-RTK

NtripServer

HTTP

RTCM 2.3

http://ntrip.vsb.cz:2101

• Mount Point Name • Uživatelské jméno • Heslo

NtripCaster

HTTP

SourceTable

URL: http://ntrip.vsb.cz Port: 2101

LYSH-RTK Uživatel1 123456

Klient 1 Rover 1

URL: http://ntrip.vsb.cz Port: 2101

VSBO-DGPS Uživatel2 789101

Klient 2

NtripClient

Rover 2

GNSS přístroj

Obrázek 8-5 Programové komponenty Ntrip a jejich vzájemné vazby a vztah ke GNSS přístrojům.

Poznámky:

232


8.3

8.3.1

Formáty pro výměnu a archivaci dat

RINEX

Jak už z plného názvu formátu Reciever Independent Exchange Format (RINEX) vyplývá, jedná se o nezávislý formát, který umožňuje výměnu naměřených data mezi GNSS přístroji různých značek a typů. Standard vznikl z potřeby vyhodnotit měření z různých GPS přístrojů, které byly používány v roce 1989 v kampani EUREF 89. Na kampani se podílelo několik institucí, které využívaly přes 60 GPS přístrojů od 4 různých značek. RINEX má význam především pro měřičské a výzkumné aplikace (IGS, RINEX WGP, RTCMSC104, 2013). Standard RINEX vzniknul v Astronomickém institutu Bernské univerzity angl. Astronomical Institute of the University of Bern (AUIB). Jeho první verze byla přijata v roce 1989.

! i

S rozvojem standardu RINEX se na jeho přípravě, přesněji nejnovějších verzí (od verze 3.0), podílely také další subjekty. Na přípravě verzí 3.0 a 3.01 se kromě AUIB podílelo také konsorcium UNAVCO. Poslední verze standardu RINEX 3.02 pak vznikla ve spolupráci International GNSS Service (IGS) a RINEX Working Group a Radio Technical Commission for Maritime Services Special Committee 104 (RTCM-SC104).

Poznámky:

233

Formáty a komunikační protokoly GNSS RINEX je dnes podporován v produktech všech výrobců měřičských GNSS přístrojů a v aplikacích, určených pro vyhodnocení dat GNSS měření.

Podle požadavků standardu, musí být v souborech RINEX obsažená všechna surová data, která přístroj získal z družic během celé doby svého měření. Surová data jsou získána: 

z navigačních zpráv družic,



naměřená ve formě pseudovzdáleností,



fázových vzdáleností,



dopplerovských posuvů,



pro všechny dostupné frekvence a signály.

Při běžném měření, jsou naměřená surová data zpracovávaná v navigační počítači GNSS přístroje do výsledné polohy a času. Takto zpracovaná výsledná poloha a čas jsou však nevhodné pro metody následného zpracování a oprav měření. Proto jsou do RINEX ukládána právě surová data, přičemž surová data nesmí být před exportem jakýmkoliv způsobem upravována!

! !

i

Poslední verzi formátu RINEX je verze 3.02 (duben 2014). Verze 3.2 je určena:   

pro všechny GNSS, pro systémy SBAS a asijský Quasi Zenith Satellite System (QZSS).

Poznámky:

234

Formáty a komunikační protokoly GNSS Úplný popis historie a filozofie formátu RINEX je popsán v úvodu standardu (IGS, RINEX WGP, RTCM-SC104, 2013). RINEX se používá nejen jako výměnný formát dat GNSS měření, ale také jako formát pro archivaci provedených měření.

Formát se skládá z několika ASCII souborů, které společně obsahují všechny relevantní naměřená data z GPS měření. Soubory se skládají z hlavičky a těla (datového obsahu).

! !

Některé z parametrů hlavičky jsou povinné a jsou nezbytné pro správné dekódování datového obsahu nebo pro základní identifikaci zdroje dat (popis GNSS přístroje, parametrů antény, původce dat ve smyslu instituce nebo organizace). RINEX obsahuje soubory: 

observačních dat,



navigačních dat



a meteorologických dat.

Observation Data File Soubor obsahuje všechna observační data, dříve byl označován příponou OBS. Observace jsou vymezeny časy a hodnotami měřených veličin (pseudovzdálenosti, fázové vzdálenosti v jednotkách celých cyklů, dopplerovské posuny).

! !

Observace jsou prováděný pro všechny frekvence a signály se kterými GNSS

Poznámky:

235

Formáty a komunikační protokoly GNSS přístroj (zdroj dat) uměl pracovat v souladu s tím, jak byl pro dané měření nastavený.

ssssdddf.yyt | | | | | | | | | +-- t: | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | +--- yy: | | | | | +----f: | | | | | | | | | | | +------- ddd: | +----------- ssss:

file type: O: Observation file N: GPS Navigation file M: Meteorological data file G: GLONASS Navigation file L: Future Galileo Navigation file H: Geostationary GPS payload nav mess file B: Geo SBAS broadcast data file (separate documentation) C: Clock file (separate documentation) S: Summary file (used e.g., by IGS, not a standard!) two-digit year file sequence number/character within day daily file: f = 0 hourly files: f = a: 1st hour 00h-01h; f = b: 2nd hour 01h-02h; ... f = x: 24th hour 23h-24h day of the year of first record 4-character station name designator

Obrázek 8-6 Konvence tvorby názvů souborů RINEX v2.X. Zdroj (IGS, RINEX WGP, RTCM-SC104, 2013).

Navigation Message File Soubor obsahuje navigační zprávy družic, které byly pozorované během měření (efemeridy, parametry pro korekci hodin a ionosféry a další parametry z navigační zprávy družice). Dříve byl označován příponou NAV.

!

Protože se obsah navigačních zpráv družice jednotlivých GNSS liší, tak jsou analogicky rozlišovány i typy navigačních souborů. V RINEX jsou definovány

Poznámky:

236

Formáty a komunikační protokoly GNSS navigační soubory pro systémy GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou, SBAS a QZSS. Metorological Dat File Soubor slouží k záznamu meteorologických podmínek měření. Používá se v případě, že jsou společně s měřením aparaturou GNSS, snímány také meteorologické podmínky. Meteorologická data jsou často měřená u stanic patřících do výzkumných sítí permanentních referenčních stanic.

!

Dříve byl soubor označován příponou MET. Součásti standardu RINEX je i doporučení jak vytvářet názvy souborů. To usnadňuje práci při archivaci dat a jejich zpětném dohledávání. Původní konvence vycházela z omezení v délce názvů souborů (označované jako 8.3), které bylo historický dáno omezením v názvech souboru operačního systému MS-DOS, viz Obrázek 8-6. Konvence pojmenování souborů se s příchodem RINEX 3.0 změnila. Názvy souborů jsou popisné a mají celkovou délku, včetně přípony souboru, až 46 znaků. Viz Obrázek 8-7. Compact RINEX – Hatamaka komprese Formát RINEX v ASCII formátů je neúsporný na paměťovou kapacitu disku. Proto byl vytvořen tzv. Compact RINEX (*.CRX), který často používá při výměně dat v IGS.

!

Komprese byla pojmenována podle autora Yuki Hatanaka (SOPAC, 2013) a využívá několik postupů, jak zmenšit původní nekomprimovaný RINEX a neztratit přitom původní data.

Poznámky:

237

Formáty a komunikační protokoly GNSS Základní metody komprese v Hatanaka kompresi lze rozdělit do dvou kroků: 1. Provádí se rozdílová komprese měřených veličin, pro každou veličinu zvlášť.

!

2. Provádí se odstranění prázdných znaků na koncích souboru, transformace desetinných čísel na čísla celá s notací za tečkou a provádí se redukce vícenásobných prázdných mezer v řádcích s observačními daty na jednu prázdnou mezeru. Po kompresi je možné původní data zredukovat až na 25-30%.

Například pro uložení jednoho dne observací GPS a GLONASS data na stanici VSBO s intervalem 1 sekunda je průměrně potřeba 201 MB paměťového prostoru, který zkonzumuje 72 souborů (observační data a navigační data GPS a GLONASS). Observační data zabírají cca 99.95% spotřebovaného objemu dat.

i

Poznámky:

238


xxxxmrccc_s_yyyydddhhmm_ddu_ddu_cc_fff_ccc.rnx | | | | | | | | | | | | | | | +-- ccc: | | | | | | +------ fff: | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | +--------- cc: | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | +------------- ddu: | | | | | | | | | | | +----------------- ddu: | | | | | | | | +----------------- yyyydddhhmm: | | | | | | | | | +-----------------------s: | | | +-----------------------------xxxx: m: r: ccc:

compression method file format rnx: RINEX crx: Hatanaka compressed RINEX content type GO: GPS Obs. RO: GLONASS Obs. EO: Galileo Obs. JO: QZSS Obs. CO: BDS Obs. SO: SBAS Obs. MO: Mixed Obs. GN: Nav. GPS RN: Glonass Nav. EN: Galileo Nav. JN: QZSS Nav. CN: BDS Nav. SN: SBAS Nav. MN: Nav. All GNSS MM: Meteorological Obs. observation frequency dd: file period u: units of file period intended (nominal) file period dd: file period u: units of file period start time: yyyy: year ddd: day of year hh: hour 24 hours format mm: minutes data source: R: from reciever S: from stream U: unknown existing IGS station name monument or marker number reciever number OSO country code

Obrázek 8-7 Konvence tvorby názvů souborů RINEX v3.X. Zdroj (IGS, RINEX WGP, RTCM-SC104, 2013).

Poznámky:

239


8.3.2

Přesné efemeridy

Pro některé typy GNSS aplikací a pro některé metody vyhodnocování naměřených dat, jsou vyžadovány efemeridy s vyšší přesností v určení polohy a času družic, než kterou lze dosáhnout výpočtem z palubních efemerid družic. V těchto případech používají tzv. přesné efemeridy. Přesné efemeridy jsou produktem, který je sestavován na základě měření prováděných v síti stanic IGS, kterou k prosinci 2013 tvořilo 368 stanic. Přesnost přesných efemerid je o řád vyšší než přesnost palubních efemerid vysílaných navigačními družicemi.

i

Přesné efemeridy jsou sestavovány se zpětnou platnosti. V závislosti na požadované přesnosti produktu je možné získat přesné efemeridy (Ultra-Rapid) v téměř reálném čase nebo jako finální produkt se zpožděním 12-18 dní pro GPS i pro GLONASS (IGS, 2013). Pro předávání přesných efemerid se používá formát SP3 (Standard Product # 3). Formát SP3 je obecným formátem, který vyvinula organizace National Geodetic Survey (NGS) za účelem popisu orbit umělých družic Země. SP3 tedy nejsou svázán jen se systémy GNSS (Hilla, 2010).

!

IGS formát SP3 je ASCII formátem s definovanou hlavičkou a datovým tělem. V hlavičce souboru jsou uvedeny klíčová metadata k obsahu. V rámci těla souboru je pak zapsána poloha družic konstelace GNSS, který je specifikován v hlavičce souboru, s periodou záznamu patnáct minut.

!

Poznámky:

240


8.3.3

Almanachy.

Almanach je soubor parametrů (Keplerových dráhových elementů), které umožňují stanovit přibližnou polohu všech družic GNSS systému.

i

Almanach je důležitý v okamžiku, kdy je GNSS přístroj uveden do provozu a probíhá jeho studený nebo vlažný start. Přístroj po stažení úplného almanachu z první družice v dosahu přestává provádět hledání ostatních družic naslepo a přechází do hledání družic na základě jejích přibližných poloh, zjištěných z almanachu. To umožňuje uživateli po zadání přibližné polohy a času měření zkrátit dobu studeného staru. Výrobci některých GNSS přístrojů umožňují stáhnout aktuální almanach v nativním formátu přístroje ze svých webových stránek. Následně může být aktuální almanach nahrán do navigačního počítače GNSS přístroje. Almanach hraje také významnou roli při plánování a přípravě měřičské kampaně. Zde se uplatní almanach v některém z otevřených ASCII formátů, viz Tabulka 8 5, nebo se opět užívají almanachy v nativním formátu GNSS přístrojů daného výrobce.

! !

Poznámky:

241


Typ almanachu

Zdroj

GNSS systémy

SEM

U.S. Coast Guard Navigation Center

GPS

(NAVCEN, 2011) YUMA

U.S. Coast Guard Navigation Center

GPS

(NAVCEN, 2011a) TLE

Tabulka 8-5

NORAD Two-Line Element Sets (CelesTrak , 2014)

Všechny

Dostupné ASCII formáty almanachů konstelací GNSS systému.

Poznámky:

242

Formáty a komunikační protokoly GNSS Otázka 8.1 Spojte odpovídající si pojmy v prvním a druhém sloupci. Jednomu pojmu v prvním sloupci může být přiřazeno několik pojmů z druhého sloupce.

?

Které protokoly, formáty a tvrzení z druhého sloupce jsou spojené s pojmem ve sloupci prvním? 1) Protokol pro přenosy GNSS dat v reálném čase 2) Formát pro výměnu a archivaci GNSS dat

a) NMEA 0183 b) Šíření korekcí v reálném čase mezi GNSS přístroji. c) RINEX d) Následné zpracování dat (post-processing) e) Ntrip f) RTCM-SC104

Otázka 8.2 Označte všechny správné odpovědi. Které výroky se hodí pro popis protokolu NMEA 0183?

?

Korekce v reálném čas Textové věty s danou strukturou a obsahem. Proprietární a uzavřený protokol. Binární věty s danou strukturou a obsahem. Široce podporovaný standart komunikace mezi námořními elektronickými zařízeními (GNSS přístroje jsou jedním z podporovaných zařízení). f) Ukládání surových dat. a) b) c) d) e)

Poznámky:

243

Formáty a komunikační protokoly GNSS Otázka 8.3 Spojte odpovídající si pojmy v prvním a druhém sloupci. Které názvy vět nejlépe korespondují s uvedeným popisem? 1) 2) 3) 4)

GGA GLL RMC GSV

?

a) Polohová data s časovou značkou a základní indikací kvality měření. b) Věta obsahuje stavová data družic viditelných nad horizontem (PRN, elevace, azimut, síla signálu). c) Polohová data s časovou značkou měření. d) Polohová data se základní indikací kvality měření.

Otázka 8.4 Označte všechny správné odpovědí. Které pojmy se hodí pro popis protokolu RTCM-SC104?

?

Korekce v reálném čas Textové věty s danou strukturou a obsahem. Proprietární a uzavřený protokol. Binární věty s danou strukturou a obsahem. Formát vyhrazený pro přístroje značky Trimble a Topcon. Široce podporovaný standart pro GNSS. Široce podporovaný standart komunikace mezi námořními elektronickými zařízeními (GNSS přístroje jsou jedním z podporovaných zařízení). h) Ukládání surových dat. a) b) c) d) e) f) g)

Poznámky:

244

Formáty a komunikační protokoly GNSS Otázka 8.5 Spojte odpovídající si pojmy v prvním a druhém sloupci. Jaké je směřování os souřadnicového systému WGS 84? Vyberte správné dvojice. 1) 2) 3) 4)

RTMC 2.1 RTCM 2.3 RTCM 3 RTCM 3.1

a) b) c) d)

?

Síťové korekce VRS, MAC, FKP Podpora RTK GPS, GLONASS Podpora RTK (jen GPS) Optimalizace struktury vět pro přenos korekci GPS, GLONASS a Galileo.

Otázka 8.6 Označte všechny správné odpovědí. Které výroky se hodí pro popis protokolu Ntrip?

?

Textové věty s danou strukturou a obsahem. Transportní protokol pro jakékoliv datové toky šíření přes HTTP. Široce podporovaný standard pro GNSS. Široce podporovaný standard komunikace mezi námořními elektronickými zařízeními (GNSS přístroje jsou jedním z podporovaných zařízení). e) Ukládání surových dat. a) b) c) d)

Poznámky:

245

Formáty a komunikační protokoly GNSS Otázka 8.7 Seřaďte jednotlivé pojmy podle definovaného pořadí. Seřaďte jednotlivé pojmy spojené se standardem Ntrip. Seřazení proveďte podle směru od zdroje korekcí ke konzumentovi korekcí a) b) c) d) e) f) g)

?

Rover GNSS Internet Ntrip Caster Ntrip Server Base GNSS Ntrip Client Internet

Otázka 8.8 Označte všechny správné odpovědí. Co potřebujete znát pro připojení ke zdroji korekcí přes protokol Ntrip?

?

a) b) c) d) e) f) g)

Adresu a port Ntrip Clienta. Název Mount Point. Popis připojovaného datového toku ze Source Table. Adresu a port Ntrip Serveru. Adresu a kontakt na provozovatele serveru s korekcemi. Adresu a port Ntrip Casteru. Přístupové jméno a heslo v případě, že je datový tok publikován jen pro autorizované uživatele. h) Digitální mapu se zdroji korekcí a jejích přesnou polohou.

Poznámky:

246

Formáty a komunikační protokoly GNSS Otázka 8.9 Označte všechny správné odpovědí. Které výroky se hodí pro popis formátu RINEX? a) b) c) d) e) f)

?

ASCII formát. Proprietární a uzavřený protokol. Slouží k ukládání surových dat pro korekce následným zpracováním. Transportní protokol pro jakékoliv datové toky šířené přes HTTP. Široce podporovaný standart pro GNSS. Ukládání surových dat pro archivaci.

Otázka 8.10 Spojte odpovídající si pojmy v prvním a druhém sloupci. Jednomu pojmu v prvním sloupci může být přiřazeno několik výroků z druhého sloupce. Pojmy z druhého sloupce mohou být použité opakovaně.

?

Vyberte správné dvojice typu souboru RINEX a jeho obsahu. 1) Navigační soubor 2) Observační soubor 3) Meteorologický soubor

a) Změřené surové kódové pseudovzdálenosti. b) Stažený obsah navigačních zpráv GNSS družic. c) Změřené surové fázové pseudovzdálenosti. d) Hodnoty dopplerovských měření e) Data meteorologických čidel. f) Hlavička souboru s metadaty souboru.

Poznámky:

247

Formáty a komunikační protokoly GNSS Otázka 8.11 Označte všechny správné odpovědí. Co je formát Compact RINEX?

?

a) Slouží ke kompresi RINEX souboru do binárních souborů prostřednictvím ZIP kompresního programu. b) Slouží ke kompresi RINEX souboru vypuštěním opakujících se bílých mezer a transformací desetinných čísel. Výsledný soubor je stále ASCII souborem. c) Slouží ke kompresi RINEX souboru prováděním rozdílové komprese měřených veličin. Výsledný soubor je stále ASCII souborem. d) Je to nový výměnný proprietární binární formát, který zavedla firma Leica a který se následně rozšířil i k ostatním výrobců. Jeho výhodou je, že po kompresi jsou data typicky zmenšená na 25-30% své původní velikosti. e) Je to GIS formát a do GNSS nepatří.

Poznámky:

248

Faktory ovlivňující přesnost určení polohy metodou GNSS

9


V této kapitole se seznámíte s faktory, které ovlivňují přesnost GNSS měření. První skupina faktorů, se kterou se seznámíte, ovlivňuje měření pseudovzdáleností na straně kosmického a řídicího segmentu. Po přečtení budete umět vysvětlit co je to platnost a přesnost efemerid a hodin družic a jak se podílí na chybě výpočtu pseudovzdáleností. Podíváte se na řízení přístupů k signálům a obeznámíte se s metodami řízení přístupu k signálům v GNSS. Dozvíte se základní informace o tzv. „zdravotním“ stavu družic. Dále budou v kapitole představené faktory ovlivňující signál v prostoru, při průchodu signálů vrstvami ionosféry a troposféry. Po přečtení této části budete umět identifikovat příčinu vzniku troposférického a ionosférického zpoždění. Předposlední skupinou faktorů, se kterou se seznámíte, jsou faktory působícími na straně uživatelského segmentu, jako jsou vícecestné šíření signálu a stínění, šum a rozlišovací schopnost přijímače a chyba hodin přijímače. Posledním faktorem klíčových faktorem, který si v rámci této kapitoly popíšeme je vliv geometrie na celkovou polohovou a časovou chybu měření, který se vyjadřuje koeficientem DOP. V kapitole se seznámíte nejen s jednotlivými faktory, ale také s metodami, kterými je možné vyjmenované faktory potlačit nebo eliminovat, je-li to možné.

Odhadovaný čas

120 minut

Poznámky:

249


9.1

Úvod

Přesnost určení polohy a času je ovlivněna jak kvalitou měření kódových pseudovzdálenosti, případně fázových pseudovzdáleností, tak kvalitou navigačních dat, která družice vysílají a geometrii měření. Míra přesnosti v měření pseudovzdálenosti je ovlivněná sadou nezávislých faktorů, které se skládají a ovlivňují měření provedené ke každé družici s určitou mírou variability (v závislosti na čase i prostoru). Chyby způsobené těmito faktory mají svůj původ jak na straně: 

kosmického segmentu,



na straně řídicího segmentu a



na straně uživatelského segmentu.

! !

Výsledná chyba měření pseudovzdálenosti je reprezentována tzv. UserEqivalent-Range-Erorr (UERE). Výsledná přesnost měření, jak uvádí (Kaplan, a další, 2005), je daná nejen chybou měřením pseudovzdálenosti k družicím, ale také geometrickou složku měření, které závisí na aktuální konstelaci družic, při které je určování polohy a času prováděno.

!

Poznámky:

250

Faktory ovlivňující přesnost určení polohy metodou GNSS V následující kapitole budou obecně představené jednotlivé faktory. Pro každý faktor bude uveden ilustrační příklad, jak se projevuje v systému GPS, případně v dalších GNSS. Při popisu faktoru bude uvedeno také jakými postupy a metodami je možné nepříznivý vlivy uvedeného faktoru snížit nebo zcela eliminovat.

9.2

i

Rozdělení faktorů chyby pseudovzdáleností podle zdroje

Podíváme-li se na zdroje chyb měření jednotlivých faktorů, zjistíme, že chyby, ať již záměrné, nebo chyby způsobené technickým omezeními architektury GNSS, vznikají buď přímo na straně řídicího a kosmického segmentu, nebo při cestě signálů mezi anténou družice a anténou přijímače nebo na straně přijímače (uživatelského segmentu). Chyby na straně řídicího segmentu a kosmického segmentu jsou spojeny s: 

přesnosti a platnosti korekci hodin jednotlivých družic,



přesnosti a platnosti efemerid jednotlivých družic,



s použitými metodami řízení přístupů k signálům družic (použité typy služeb),



a se zdravotním stavem družic.

!

Kombinace uvedených faktorů ovlivní chybu měření pseudovzdálenosti ke každé družici v GNSS konstelaci různou měrou. Faktory působící na straně řídicího a kosmického segmentu se projevují v měřeních všech uživatelů, v daném čase, stejně nebo velmi podobně (efemeridy).

!

Poznámky:

251


Například aby měl uživatel GPS přehled o tom, jak moc je jeho měření pseudovzdálenosti přesné, tak družice systému vysílají v navigační zprávě statistický indikátor chyby pseduovzdálenosti způsobené řídicím a kosmickým segmentem vyjádřenou tzv. User-Range-Accurancy (URA) indexem. Obdobou URA indexu je v systému GLONASS index In (RIOSDE, 2008).

Při cestě signálů prostorem mezi družici a GNSS přístrojem, v GPS označováno jako Signal-in-Space (SIS dále také označováno jako signál v prostoru), dochází k jeho ovlivnění ve dvou částech Zemské atmosféry. Nejprve je signál ovlivněn při průchodu: 

ionosférou tzv. ionosférickým zpožděním, které je způsobené scintilací (refrakce a difrakce) ionosféry,



následně je signál ovlivněn, při průchodu troposférou tzv. troposférickým zpožděním (refrakcí).

Chyby způsobené na straně kosmického a řídicího segmentu a SIS bývají souhrnně popisovány hodnotou indexu User-Range-Error (URE).

i i ! i

Poznámky:

252

Faktory ovlivňující přesnost určení polohy metodou GNSS Řada nepříznivých faktorů působí také na straně GNSS přijímače. K těmto faktorům patří: 

šum přijímače a



rozlišovací schopnost přijímače,



vícecestné šíření signálů a efekt zastínění a



chyba hodin přijímače.

!

Tato sada faktorů je zcela závislé na konkrétním typu (kuse) GNSS přístroje a na bezprostředních podmínkách měření. Podmínkami měření je myšlen charakter krajiny a blízkého okolí, ve kterém měření probíhá. Chyba v měření pseudovzdálenosti způsobená nepříznivými faktory působícími na straně GNSS přijímače, bývá popisována hodnotou indexu User-Equipment-Error (UEE).

Souhrnný index User-Equivalent-Range-Error (UERE) je pak souhrnem dílčích indexů URA, URE a UEE (DoD, 2008).

i !

Poznámky:

253


UERE příspěvek (95%) v metrech Segment

Zdroj chyby

Kosmický

Řídicí

Nula ADO

Max ADO normální operace

14,5 dní

Stabilita hodin

0,0

8,9

257

Stabilita skupinového zpoždění

3,1

3,1

3,1

Nejistoty zrychlení družice

0,0

2,0

204

Ostatní chyby kosmického segmentu

1,0

1,0

1,0

Odhad hodin a efemerid

2,0

2,0

2,0

Predikce hodin a efemerid

0,0

6,7

206

Odvození hodnot hodin a efemerid

0,8

0,8

1,2

9,8 - 19,6

9,8 - 19,6

9,8 - 19,6

Korekce času skupinového zpoždění

4,5

4,5

4,5

Ostatní chyby řídicího segmentu

1,0

1,0

1,0

Kompenzace ionosférického zpoždění

N/A

N/A

N/A

Kompenzace troposférického zpoždění

3,9

3,9

3,9

Rozlišovací schopnost přístroje a šum

2,9

2,9

2,9

Vícecestné šíření signálů

2,4

2,4

2,4

Ostatní chyby uživatelského segmentu

1,0

1,0

1,0

12,7 – 21,2

17,0 – 24,1

388

Model ionosférického zpoždění

Uživatelský segment (pro SPS GPS)

95% Systémové UERE (pro SPS GPS) Tabulka 9-1

ADO

Vyjádření faktorů ovlivňujících chybu v určení pseudovzdáleností pro jedno frekvenční měření neautorizovaných uživatelů SPS služby GPS. Převzato a upraveno z (DoD, 2008).

Poznámky:

254

Faktory ovlivňující přesnost určení polohy metodou GNSS Hodnoty URA, URE, UEE a UERE jsou přebírány z dokumentace GPS (DoD, 2008), ale přesto jsou postavené na obecně platných základech. Proto budou používány, pro popis faktorů ovlivňujících přesnost určení polohy a času ve všech GNSS. Hodnoty chyb jednotlivých faktorů se liší u každého GNSS, bohužel ale nejsou, díky absenci specifikací tak dobře kvantifikovány jako u GPS.

i

K rozdílům ve faktorech může docházet i v rámci různých služeb jednoho GNSS.

9.3

9.3.1

Faktory na straně kosmického a řídicího segmentu

Platnost a přesnost modelu hodin družic

Přestože jsou družice všech GNSS systému vybaveny několika atomovými hodinami, je nutné pravidelně sestavovat matematický model (model) družicového času a modelovat jeho stabilitu a korekce vzhledem k systémovému času daného GNSS. Model korekcí chyb hodin družic je sestavován v hlavní řídicí stanici (nebo jejím ekvivalent, dále bude používaný jen pojem hlavní řídící stanice). Sestavení modelu je prováděno z pozorování a měření uskutečněných sítí monitorovacích stanic řídicího segmentu a na podle časového standardu (systémového času) vybraného GNSS. Při modelování korekci hodin družic je nutné započíst, relativistické efekty, odchylky družicového času k času systémovému, vlastní chybu hodin a rychlosti s jakou se chyba hodin mění, respektive bude měnit.

! !

Poznámky:

255

Faktory ovlivňující přesnost určení polohy metodou GNSS Parametry modelu chyby (korekcí) hodin družic jsou, součásti navigační zprávy družice.

!

V navigační zprávě družice jsou parametry korekčních členů pro hodiny družic vysílány se stejnou frekvencí, jako efemeridy družice, protože mají stejně klíčový význam, pro správné určení polohy a času družice a výsledného navigačního výpočtu. Korekce hodin družic jsou modelem pro předpověď chyby hodin, který má omezenou platnost a jeho přesnost se s časem výrazně snižuje. Proto jsou součásti navigačních zpráv družic data o stáří obsahu navigační zprávy.

GPS a stáří dat ADO Systém GPS používá pro popis stáří navigačních dat parametr označovaný angl. Age of Data (AOD).

! !

V systému GPS se korekce hodin družic sestavuje na interval dvou hodin. Po uplynutí tohoto času, se za normálních podmínek nahraje nová sada navigačních dat s aktualizovaným modelem korekcí hodin družic. Sada modelu je nahrávána na družici za normálních podmínek jednou denně, vyžaduje-li to situace, bývá to až třikrát denně.

Poznámky:

256

Faktory ovlivňující přesnost určení polohy metodou GNSS Model hodin družic je nejpřesnější v čase Nula ADO (angl. Zero ADO) a s nárůstem času se přesnost modelu snižuje.

Systém GPS rozlišuje tři typy ADO, s ohledem na stáří navigačních dat a provedené poslední nahrání navigačních dat na družici. Rozlišuje: 

tzv. Normal Operation (alespoň jedno nahrání za den),



Short-term extended operation (1 den až 14 dní stará dat) a



long-term extended operation (14 dní až 180 dní stará data od posledního nahrání na družice) (DoD, 2008).

Stabilita změny rychlosti chyby hodin družic, byla v minulosti předmětem záměrného znepřesňování polohových a časových měření SPS GPS. Záměrné zavádění chyb je označováno jako selektivní dostupnost angl. Selective Availability (SA).

! i !

V současnosti je tento mechanizmus řízení přístupu uživatelů k signálům vypnut.

Odstranění dopadů modelu chyby hodin družic Dopady nepřesnosti modelu chyb (korekce) hodin družic lze zmírnit nebo odstranit dvěma způsoby.

!

Poznámky:

257

Faktory ovlivňující přesnost určení polohy metodou GNSS První způsobem je použít některou z metod diferenčních měření viz kapitola 10.

V důsledku toho, že se chyba hodin družice jeví všem pozorovatelům družice na Zemi stejně, je možné s použitím alespoň dvou přístrojů, zjisti jaká je residuální chyba hodin družice a z prováděných měření chybu odstranit, například metodou jednoduchých diferencí více v 10.8.1. Druhou možností, ne tak přesnou, je použít přesnějšího modelu hodin družice publikovaného službou IGS.

IGS publikuje řádově přesnější model chování hodin družic, než modely obsažený v palubních efemeridách družic GNSS. IGS díky mnohem větší síti pozorovacích stanic a až následným zpracováním dat, umí výrazně přesněji modelovat korekce na chybu hodin družic, viz Tabulka 9-2.

! i ! i

K prosinci 2013 zahrnoval síť IGS 300 stanic (IGS, 2013).

Chyba hodin družic

GPS Tabulka 9-2

Navigační zpráva

IGS Rychlý produkt

IGS Finální produkt

RMS ~5 ns 1σ ~2.5 ns

RMS ~3 ns

RMS ~75 ps

1σ ~1.5 ns

1σ ~20 ps

Srovnání chyb hodin družice GPS. Převzato a upraveno z (IGS, 2013).

Poznámky:

258


9.3.2

Platnost a přesnost efemerid

Efemeridy družic jsou stejně jako korekce chyby hodin družic předmětem matematického modelování. Pro jednotlivé družice konstelací GNSS sestavují efemeridy hlavní řídicí stanice nebo jejich ekvivalenty. Efemeridy mají obdobně, jako model korekcí chyby hodin družic, omezenou časovou platnost. A platí zcela stejně, že efemerid roste s tím, jak efemeridy stárnou. Efemeridy každé družice, jsou vysílány v její navigační zprávě.

Efemeridy jsou, společně s korekcemi chyby hodin družic, vysílány v navigační zprávě s vysokou frekvencí. Jak v případě navigačních zpráv GPS (SPS NAV), tak GLONASS (NAVC/A), jsou efemeridy vysílané každý 30 sekund. Chyba efemerid v radiálním směru do středu Země bývá obvyklé menší, než chyba ve směru oběhu nebo než v příčném směru ke směru oběhu. Vzhledem ke vzdálenosti družic od Země již v současnosti tato chyba příliš neovlivňuje měření uživatele. Její modelování má význam jen ve velmi přesných aplikacích.

! ! ! i i

Poznámky:

259

Faktory ovlivňující přesnost určení polohy metodou GNSS Možností jak výrazně zvýšit přesnost efemerid, je použití tzv. přesných efemerid IGS. Ty jsou dnes publikované v různých produktech, které se liší v čase zpracování (s jak velkým časovým zpožděním jsou publikované). Přesné efemeridy jsou dodávány od tzv. ultra rychlých efemerid s nejnižší přesností, až po finální efemeridy s velmi vysokou přesností určení polohy družic.

!

Produkt finálních efemerid, je zpracováván zpětně až s odstupem jedenáctí dní, ode dne, kdy byla data GNSS pořízená, dosahují až centimetrových přesnosti. Pro předávání přesných efemerid se používá formát SP3. V současnosti jsou do standardu RTCM-SC104 implementovaný věty, které mají sloužit pro přenos přesných efemerid a přesnějších korekcí chyb hodin družic publikovaných z službou IGS.

i

Chyba efemerid družic Systém GNSS

Navigační zprávě

IGS Ultra rychlý produkt

IGS Finální produkt

GPS

~100 cm

~5 cm

~2.5 cm

GLONASS

~100 cm

Tabulka 9-3

~3 cm

Srovnání chyb efemerid družic GPS a GLONASS. Převzato a upraveno z (IGS, 2013).

Přesné efemeridy jsou také základem speciální metody fázových měření nazývané Precise Point Positioning (PPP).

Poznámky:

260


Řízení přístupu k signálům družic

9.3.3

Tento faktor patří ke klíčovým z hlediska provozovatele GNSS systému. Řízení přístupu k signálům provozovateli GNSS umožňuje odlišovat jednotlivé typy uživatelů navigačních polohových a časových služeb a poskytnou každému uživateli služby, která jím náleží. V současnosti jsou používané dvě techniky. 

První technikou je šifrování či utajováním signálů nebo jejich částí a



druhou je selektivní dostupnost (SA).

Šifrování a utajování signálů K tomu, aby uživatel mohl spolehlivě a přesně určit svou pseudovzdálenost potřebuje vhodný dálkoměrný kód a data navigační zprávy. Družice GNSS systému vysílají, vždy několik signálů s minimálně dvěma různými dálkoměrnými kódy na minimálně dvou různých frekvencích.

! !

Pro rozčlenění uživatelů, jsou některé dálkoměrné kódy a části navigačních zpráv šifrované nebo utajované. Prostředky pro dešifrování na úrovní GNSS přístroje nebo práci s utajovaným signálem, jsou dostupné jen vyhrazeným (autorizovaným) uživatelům. Příklady: 

GPS - služba PPS nebo signály L1M a L2M,



GLONASS – služba AS,



Galileo - PRS a CS.

i

Poznámky:

261


Všechny GNSS systémy mají nebo budou mít šifrované (utajované) a nešifrované signály. Dešifrování signálů se provádí na úrovni přijímače, který musí být vybaven dešifrovacím zařízením.

GPS šifrování a Anti-spoofing V rámci GPS se šifrování používá u P(Y)-kódu. Průběžné šifrování veřejného P-kódu na Y-kód pomocí tajného W-kódu se nazývá Anti-Spoofing. Šifrování je uplatňováno prakticky nepřerušovaně 31. 1. 1994, kdy bylo aktivované.

! !

M-kód, není šifrovaný, jeho specifikace je utajovaná. Signál L1M ani L2M nevzniká průběžným šifrováním žádného veřejně známého PRN kódu, proto není utajování M-kódu označované jako Anti-Spoofing. Angl. Spoofing znamená našeptávat k něčemu nekalému. Anti-spoofing je doslova ochranou proti spoofing.

A-S sleduje několik cílů. 

Prvním cíle je zamezit záměrnému podvrhnutí falešných signálů nepřítelem, který k tomu může použít zařízení označované angl. spoofer.



Dalším úkolem A-S je odlišit autorizovaného uživatele PPS od neautorizovaného uživatele SPS.

i !

Poznámky:

262

Faktory ovlivňující přesnost určení polohy metodou GNSS Jsou popisovány dva typy spooferu: 

tzv. Smart spoofer a



Repeat-back spoofer (Kaplan, a další, 2005).

Smart spoofer sleduje cílový GNSS přijímač a jeho polohu. Generuje signál, který vypadá jako jeden ze signálů vybrané družice, který je právě napadeným přijímačem zpracováván. Generovaný signál vysíla směrem na anténu napadeného přijímače. Dělá to tak dlouho, dokud napadený GNSS přijímač signál nezachytí a nezačne sledovat, místo původního správného a slabšího signálů družice, podvržený a silnější signál spooferu. Chytrost spočívá v duplikování PRN kódu. Repeat-back spoofer sleduje pomocí směrové antény všechny dostupné družice. Na napadený přijímač pak odvysílá zesílenou verzi přijatých signálů. Ve výsledku napadený GNSS přijímač spočte svou polohu, jako polohu spooferu s časovým opožděním. Dopad A-S na neautorizované uživatele GPS (SPS) není jen v omezení přístupu k nepřesnému pseudonáhodnému C/A kódu. Další citelným omezením je skutečnost, že v současnosti mají uživatelé SPS k dispozici pouze jeden signál s L1C/A na jediné frekvenci.

i i i !

Z toho vyplývá, že všechna měření neautorizovaných uživatelů, jsou zatížena ionosférickým zpožděním, na rozdíl od autorizovaných uživatelů PPS, kteří mohou provádět dálkoměrná měření na dvou frekvencích pomocí signálů L1P a L2P (respektive L1M a L2M) a tím eliminovat vliv ionosféry na jejich měření.

Poznámky:

263

Faktory ovlivňující přesnost určení polohy metodou GNSS GLONASS – šifrování (utajování) Systém GLONASS používán utajování signálů s P-kódem a využívá také utajovaný obsah navigační zprávy NAVP.

!

Výhodou systému GLONASS je fakt, že neautorizovaní uživatelé otevřené služby nejsou penalizování dvakrát. Na rozdíl od uživatelů GPS mají k dispozici, dva signály L1OF a L2OF se stejným dálkoměrným kódem a navigační zprávou na dvou různých frekvencích.

!

Galileo – šifrování (utajování) Systém Galileo bude užívat několik navigačních signálů. Jen signály OS a SAR nebudou používat šifrování nebo utajení dálkoměrného kódu a navigační zprávy.

!

Signály CS služby budou zakódované komerčním šifrou, kterou budou distribuovat poskytovatele komerčních služeb. Signály služby PRS budou šifrované vládní šifrou, kterou budou distribuovat členské státy projektu Galileo. Navigační zpráva GNAV bude utajovaná.

Eliminace šifrování (utajování) Šifrování a jeho nepříznivý dopad na neautorizované uživatele nelze eliminovat. V přeneseném slova smyslu mohou být dopady šifrování signálů omezeny změnou metody měření. Například v GPS volbou metod měření, ale metoda samotná nezmění fakt, že uživatel nepoužívá šifrované (přesnější) dálkoměrné kódy a

!

Poznámky:

264

Faktory ovlivňující přesnost určení polohy metodou GNSS nedostane se k šifrovanému nebo utajenému obsahu navigačních zpráv.

GPS selektivní dostupnost Selektivní dostupnost (SA) je technika řízení přístupu k signálům, která byla používána pouze v systému GPS. Technika byla založena na záměrném zanášení chyb do signálů (obsahu navigační zprávy) družic, za účelem snížení přesnosti určení polohy a času neautorizovaných uživatelů. Selektivní dostupnost používána v GPS byla založena na „roztřesení“ časové základny družic definovaném rozmezí. Přístroje autorizovaných uživatelů uměly toto roztřesení časové základny družic, na základě utajovaného obsahu navigační zprávy, eliminovat. Zatímco přijímače všech neautorizovaných uživatelů byly, zavedenou chybou v časové základně družic, negativně ovlivněny. Po aktivování selektivní dostupnosti v roce 1990, byla horizontální přesnost GPS měření 100 metrů, vertikální přesnost 156 metrů a časová přesnost 430 nanosekund s pravděpodobností 95% (DoD, 1995). Po deaktivování SA byla, podle SPS z roku 2001, definována horizontální přesnost měření v globálním průměru 13 metrů, a 22 metrů vertikální. V časové doméně byla přesnost 40 nanosekund.

! ! i

Pro případ nejhoršího scénáře měření, byla horizontální přesnost 36 m a vertikální přesnost 77 metrů (DoD, 2001).

Poznámky:

265


Obrázek 9-1 Polohová chyba SPS bezprostředně před a po vypnutí selektivní dostupnosti. Zdroj (DoD, 2001).

Aby mohla být SA implementována, musí být podporovaná družicemi kosmického segmentu. GPS družice bloku II, II/A, IIR, a IIR-M technologické prvky, potřebné pro aktivaci SA, měly (mají). Od družic bloku IIF již technologické prvky pro aktivaci SA nejsou implementovány. S příchodem družic bloku III a bude SA nahrazena technologii NAVWAR.

i

Poznámky:

266


Eliminace vlivu SA Protože SA zavádí „jen další“ chybu hodin družic, bylo možné vliv SA zcela eliminovat s použitím technik DGPS měření.

9.3.4

!

Stav družic

Družice GNSS vysílají v rámci svých navigačních zpráv indikátor „zdravotního“ stavu. Tento indikátor slouží k označení, zda jsou navigační signály družice v pořádku (healthy) nebo, zda jsou navigační signály družice anomální (unhealthy). Indikátor stavu družice je průběžně vyhodnocován GNSS přijímačem. Signály družice, která je označená jako nezdravá, standardní navigační přijímač sice sleduje, ale nezahrnuje je do výpočtu polohy a času.

Stav družic může být nastaven jako nezdravý ze dvou důvodů. Prvním je dlouhodobě plánovaná operace s družicí, například údržba družice. V takovém případě, je uživatel dopředu informován o plánovaném označení družice jako nezdravé správcem GNSS a může tomu uzpůsobit své měření.

! ! !

Druhý případem je nečekané selhání signálu družice nebo jeho části. Selhání signálu družice nebo jeho části nelze dopředu předpovědět a je problematické z hlediska bezpečnosti používání GNSS přístroje v aplikacích jako je například lodní doprava, letectví, automobilová doprava.

Poznámky:

267

Faktory ovlivňující přesnost určení polohy metodou GNSS Z hlediska dopadů na měření je klíčový čas mezi selhání navigačního signálu družice a okamžikem, kdy je o tomto selhání informován uživatel systému v navigační zprávě družice angl. Time-to-Alert. Z hlediska GNSS se jedná o integritu navigačních signálů, kterou se musí provozovatelé snažit udržet na vysoké úrovni, pokud mají uživatelé důvěřovat navigačního systému. Všechny současné GNSS řeší problém s identifikací anomálních signálů nebo s jejich selháním, dvoustupňově. Na prvním stupni detekují některé anomální stavy signálů samy družice. Pokud je anomální stav zjištěn, pak družice zajisti, že její signály nebudou uživatelskému segmentu dostupné nebo jím nebudou používány.

! !

Druhou úroveň detekce anomálního chování družice nebo jejího selhání zajišťují monitorovací stanice řídicího segmentu GNSS, které neustále monitorují navigační signály družic a v případě objevení problémů spouští proces, který povede k označení družice jako nezdravé. Aby bylo možné minimalizovat riziko, že přijímač pracuje s anomálním signálem družic, bylo vyvinuto několik technologií, které se používají nezávislé na kosmických segmentech jednotlivých GNSS systému. Tyto technologie umožňují zkrátit Time-to-Alert.

!

Poznámky:

268

Faktory ovlivňující přesnost určení polohy metodou GNSS Některé technologie jsou implementované přímo na straně GNSS přijímače. K této skupině patří technologie angl. Receiver Autonomous Integrity Monitoring / Advanced Receiver Autonomous Integrity Monitoring (RAIM / ARAIM), která umožňuje skrze sledování signálů pěti a více družic, nezávislou indikaci špatné družice v aktuálně používané sadě družic. Jiné technologie jsou postavené na bázi tzv. vylepšujících systémů angl. Augmentation Systems, které jsou úzce navázané na GNSS a mají kontinentální SBAS angl. Satellite Based Augmentation System (EGNOS, WASS, SMAS), regionální nebo lokální pokrytí - GBAS angl. Ground Based Augmentation System (LAAS).

Minimalizace dopadu vlivu stavu družic na měření na úrovni GNSS S přihlédnutím na rozšiřování aplikací GNSS v civilní dopravě, je problematika integrity signálů (včasná indikace anomálního stavu družice nebo selhání družice) tématem dneška.

! ! !

Proto je monitorování integrity dnes přikládána velká váha a je na ni myšleno i při modernizaci kosmických segmentů GNSS systémů. Systémy GPS, GLONASS i Galileo přichází se signály označovanými Safety-ofLife (SoL), které jsou primárně zaměřeny na zvýšení integrity signálů (rychlejší a lepší detekci anomálního stavu družic) tak, aby byly splňovány bezpečnostní standardy v civilním letectví a lodní dopravě.

!

Poznámky:

269


9.3.5

User Range Accuracy

Indikátor User Range Accuracy není faktorem, ale statistickým indikátorem (index) odhadované přesnosti měření pseudovzdálenosti, měřené uživatelem ke konkrétní družici, s prahem významnosti 39.4%. Zahrnuje všechny chyby v měření pseudovzdálenosti na straně kosmického a řídicího segmentu.

!

Indikátor URA je v různých podobách vysílán v navigačních zprávách systému GPS i GLONASS.

9.4

9.4.1

Faktory při šíření signálů prostorem

Ionosférické zpoždění

Ionosféra je část atmosféry, která se rozprostírá ve výšce 70 až 1000 kilometrů. Ionosféra je charakteristická vysokým počtem ionizovaných části, které nepříznivě ovlivňuji průchozí radiové signály. Míra vlivu ionosféry na signál je dána hustotou ionosféry, která je popisovaná veličinou TEC (angl. Total Electrons Content). TEC popisuje množství ionizovaných částic na jednotku objemu ionosféry.

!

Poznámky:

270


Ionosférické zpoždění (přepočet na chybu pseudovzdálenosti) V zenitu

Nad horizontem

Den

50 ns (15 m)

150 ns (45 m)

Noc

10 ns (3 m)

30 ns (30 m)

Tabulka 9-4

Velikost ionosférického zpoždění. Zdroj (Kaplan, a další, 2005).

TEC je možné chápat jako hustotu ionosféry. Čím vyšší hustota ionosféry, tím větší vliv ionosféry na procházející radiový signál.

i

Velikost TEC a chemické složení ionizovaných částic je v různých výškách ionosféry různé, což vede k členění ionosféry do několika vrstev (regionu), které mají charakteristický vliv na radiový signál. Pro jednotlivé vrstvy platí, že obsah TEC vykazuje různý stupeň variability v čase v závislosti na množství vzdáleného ultrafialového záření, které vyzařuje naše slunce. Aktivita ionosféry, tedy i její vliv na signály GNSS mění. Je možné identifikovat několik příčin ovlivňující množství TEC: 

jedná se o krátký cyklus denní / noční doby,



delší časový cyklus ročních období a



dlouhý jedenáctiletý solární cyklus,



dále aktivita magnetického pole Země,



velikost ionizačního toku,

!

Poznámky:

271

Faktory ovlivňující přesnost určení polohy metodou GNSS 

poloha uživatele,



výška družice nad horizontem.

V krátkém denním cyklu je nejrizikovějších časné odpoledne. Ve středním cyklu jsou rizikové obzvláště období rovnodennosti. U dlouhodobého jedenáctiletého cyklu se jedná o období maxima, které nastává jednou za 22 let.

1 000

O+ H+

Výška (km)

600

Nmax Hmax F2 oblast

F oblast O+ F1 oblast 150

E oblast

O2+NO+

90

D oblast 104 105 Hustota (elektrony / m3)

106

Obrázek 9-2 Profil ionosféry. Převzato a přeloženo z (Kaplan, a další, 2005).

Poznámky:

272

Faktory ovlivňující přesnost určení polohy metodou GNSS Poslední maximum jedenáctiletého cyklu bylo začátkem léta roku 2013. Aktivita ionosféry v D oblasti je dána množstvím slunečního světla. V noci se D oblast zcela deionizuje. E oblast ionosféry je během dne ionizována ultrafialovým a rentgenovým zářením. F oblast ionosféry je postupně vybuzována od 10 hodiny lokálního času a svého maxima dosahuje kolem 14 hodin lokálního času (Hofmann-Wellenhof, a další, 2008).

Dopady na šíření signálů je možné rozdělit na 

refrakci a



difrakci signálů.

i !

Souhrnně se oba jevy nazývají scintilační efekt. První skupina nežádoucích vlivů ionosféry refrakce zahrnuje; 

zhoršení přesnosti dálkoměrného měření,



zpomalení dálkoměrného kódu a navigační zprávy,



zrychlení nosné vlny a neočekávané fázové posuny nosných vln.

Druhým nežádoucím a mnohem komplikovanějším efektem je difrakce signálů. K difrakci dochází v částech ionosféry, ve kterých se formuji útvary o velikosti přibližně 400 metrů, které rozptylují signál.

! !

V důsledku rozptýlení a dochází k více cestnému šíření signálu už v ionosféře. To způsobuje fluktuaci v a amplitudě a fázi signálů a vážně narušuje fázová měření. Difrakce může, na rozdíl od refrakce, vést až k rozpadu fázových GNSS měření.

Poznámky:

273


Vliv scintilačního efektu (refrakce i difrakce dohromady) je také závislý na geografické poloze. Nejvíce náchylné na scintilační efekt jsou dvě oblastí v pásech tropů a subtropů v okolí magnetického rovníku. Vliv ionosféry na celkové zpoždění signálů nezávisí jen na samotném stavu ionosféry v době měření, ale také na zenitovém úhlu družice. S tím, jak se zvětšuje zenitový úhel družice, s tím narůstá vzdálenost, kterou musí rádiový signál z družice cestovat skrze ionosféru, tím se v důsledku zvyšuje vliv ionosféry na chybu v měření pseudovzdálenosti.

Z pohledu skladby signálů GNSS je důležité, že míra ionosférického zpoždění je závislá na frekvenci rádiového signálu. Pokud jsou z družice vyslány signály na dvou nebo více známých frekvencích, je možné určit velikost ionosférického zpoždění signálů na každé z frekvencí.

Eliminace vlivu ionosféry dvoufrekvenčním měřením Základním postupem, jak odstranit vliv ionosféry z dálkoměrných měření, je provedení dvoufrekvenčních měření.

! ! ! !

Poznámky:

274

Faktory ovlivňující přesnost určení polohy metodou GNSS Všech GNSS vysílají signály na minimálně dvou frekvencích.

Systém GPS v současnosti umožňuje dvoufrekvenční kódová měření jen uživatelům PPS. Nové družice konstelace GPS, ale umožňuji uživatelům SPS přístup k novému signálů L2C s dálkoměrným kódem i na frekvenci L2. Systém GLONASS již v současnosti umožňuje provádět dvoufrekvenční měření jak uživatelům OS, tak autorizovaným uživatelům AS služby (ekvivalent PPS GPS).

i i

Systém Galileo bude, už na úrovní OS, umožňovat neautorizovaným uživatelů volný přístup k navigačním signálům na dvou frekvencích.

GPS eliminace vlivu ionosféry - modelováním Součásti navigačních zpráv družic GPS je i tzv. Klobucharův ionosférický model, který sestavuje hlavní řídicí stanice řídícího segmentu.

!

Model ionosféry vysílaný v navigační zprávě družic GPS, umožňuje z 50% odstranit vliv ionosféry při jednofrekvenčních měřeních uživatelů SPS i PPS. Model ionosféry sestavuje také IGS. Výsledný model je ve formátu IONEX publikován na stránkách IGS (IGS, 2013). Model IGS je určený pro vyhodnocení měření následným zpracováním. Eliminace vlivu ionosféry - metodou DGNSS Vliv ionosféry je možné eliminovat použitím DGNSS metody. Pro ionosféru platí, že při měření pseudovzdálenosti k jedné družici, ze dvou přijímačů, které mají krátkou základnu a měří ve stejném čase, budou měření obou přijímačů postižená

!

Poznámky:

275

Faktory ovlivňující přesnost určení polohy metodou GNSS podobnou chybou ionosférické refrakce. Pro měření na dlouhých základnách se používají metody následného zpracování dat, které umožňují eliminovat ionosféru nezávisle pro každý z přijímačů zahrnuty v měření. Základna je vzdálenost mezi dvěma GNSS přijímači, které provádějí diferenční měření. U fázových měření, která se používají pro polohová měření s vysokou přesností (řady prvních centimetrů až desítky centimetrů) je doporučovaná velikost základny do 20-30 km. Toto omezení je dáno vlivem ionosférického zpoždění, jehož hodnota rychle dekoreluje s narůstající velikosti základny více viz kapitola 10.5.4.

9.4.2

i

Troposférické zpoždění

Troposféra je nejnižší část naší atmosféry. Rozprostírá se do výšky 14 km nad polárními oblastmi, až do 18 km nad rovníkovými oblastmi. Je to ta část atmosféry, kde se utváří planetární počasí, které je v čase velmi dynamické. Charakteristické pro troposféru je velké množství vodních par. Voda velmi výrazně ovlivňuje průchod rádiových signálů, proto troposféra způsobuje tzv. troposférické zpoždění. Troposféra stejnou měrou zpožďuje jak skupinovou rychlost dálkoměrného kódu a navigační zprávy, tak zpomaluje nosnou vlnu.

!

Poznámky:

276

Faktory ovlivňující přesnost určení polohy metodou GNSS Zpoždění v troposféře je dáno refrakčním indexem, který závisí na lokální teplotě, tlaku a relativní vlhkosti. Projevy vlivu troposféry nezávisí jen na refrakčním indexu, ale také na vzdálenosti, kterou musí navigační signál družice troposférou urazit. Typická míra troposférického zpoždění, viz Tabulka 9-5. Vzdálenost, kterou signál musí troposférou urazit, je dána elevačním úhlem pozorované družice v době měření. Čím nižší je hodnota elevačního úhlu, tím více troposféra ovlivňuje měření. Vliv troposféry je také výrazně dán výškou ve které stanice (přístroj) měří.

! !

Troposférické zpoždění (přepočet na chybu pseudovzdálenosti) V zenitu

5° nad horizontem

8 ns (2,4 m)

83,3 ns (25 m)

Tabulka 9-5

Velikost troposférického zpoždění. Zdroj (Kaplan, a další, 2005).

Refraktivita troposféry je modelována s použitím model suché (hydrostatické) složky která sahá až do výšky 40 km a mokré (nehydrostatické) složky, která sahá do výšky 10 km. Suchá složka troposférické refrakce způsobuje až 90% troposférického zpoždění a je ji možné velmi dobře předpovědět.

!

Mokrá složka troposférické refrakce se modeluje výrazně hůře, protože závisí na vodních párách obsažených v troposféře. Jejich obsah je značně variabilní a

Poznámky:

277

Faktory ovlivňující přesnost určení polohy metodou GNSS jeho predikce je zatížena nejistotami. Z toho důvodu se nesestavuje model troposféry pro snížení vlivu troposférického zpoždění na dálkoměrná GNSS měření. Na rozdíl od ionosféry, neexistuje závislost mezi frekvenci rádiového signálu a mírou troposférického zpoždění, proto nelze uplatnit techniku dvou frekvenčních dálkoměrných měření pro odstranění vlivu troposférického zpoždění. Následné zpracování GNSS navigačních signálů se používá pro modelování mokré složky troposféry, která je zajímavá z hlediska meteorologie a vývoje počasí. Mokrá složka troposféry umožňuje určit množství srážek (vody) v troposféře.

Eliminace troposférického zpoždění metodou DGNSS

i

Metoda DGNSS je v současnosti jediným standardně používaným postupem pro eliminaci nežádoucího troposférického zpoždění.

!

Jak bylo uvedeno, je mokrá složka troposféry značně dynamická a silně závislá na množství vodních par v troposféře. Z toho důvodu se dá předpokládat (obdobně jako u ionosférického zpoždění), že podobným troposférickým zpožděním budou postižena měření jen na krátkých základnách.

!

Dekorelace troposférického zpoždění rychle narůstá s délkou základny, viz kapitola 10.5.3. Dekorelace je větší hlavně, při velkém výškovém rozdílů obou GNSS přístrojů, které tvoří základnu pro DGNSS měření.

Poznámky:

278


9.4.3

User Range Error (GPS)

Index User Range Error (URE) je statistický indikátor, který popisuje chybu pseudovzdálenost měřené k družici. Chyba zahrnuje vlivy na straně kosmického segmentu, řídicího segmentu (URA) a signálů v prostoru. Index URE je udávána v metrech s hladinou pravděpodobnosti 95%. URE je významné z pohledu SPS (DoD, 2008) a PPS (DoD, 2007) při odhadu přesnosti v určení PVT (Position, Velocity, Time). Na rozdíl od URA je index URE zmiňováno pouze ve spojení se systémem GPS.

9.5

9.5.1

! i

Faktory na straně uživatelského segmentu

Vícecestné šíření signálua zastínění

Vícecestné šíření signálu (angl. Multipath) a zastínění je jedním z dominantních faktorů, které mohou významně zhoršit měření pseudovzdálenosti, bez ohledu na to, zda je měření prováděno kódovým nebo fázovým měřením. Vícecestné šíření signál a zastínění je závislý pouze na lokálních podmínkách měření. I dva GNSS přístroje měřící na velmi krátké základně (řády metrů), mohou být postižené oběma uvedenými jevy velmi rozdílně. Z hlediska zpracování signálu přijímače, způsobuje vícecestné šíření signálu chyby, které jsou pro každou pozorovanou družici a místo měření jiné.

!

Poznámky:

279

Faktory ovlivňující přesnost určení polohy metodou GNSS Vícecestné šíření signálu vzniká ve chvíli, kdy GNSS přístroj obdrží odraženou nebo lomem postiženou repliku požadovaného rádiového signálu. Protože je cesta (zpoždění) odražené repliky signálu vždy delší než cesta (zpoždění) přímého signálů, je pseudovzdálenost odražené repliky signálu vždy delší než přímá trasa signálu. Pokud je zpoždění signálu, vlivem je vícecestného šíření, velké, přijímač muže vícecestné šíření detekovat poměrně snadno a jednoznačně. Problém nastává v případě, že je zpoždění odraženého signálu malé, řádově desítky až stovky nanosekund od přímého signálu.

! !

Pak může dojít k rušení korelační funkce mezi přijatým přímým signálem, replikovaným odraženým signálem a referenčním signálem generovaným v přijímači.

Zastínění K zastínění dochází ve chvíli, kdy je přímý signál utlumen, například při průchodu vegetačním pokryvem nebo budovou a přijímač obdrží jen odraženou repliku požadovaného signálu.

!

Přijímač může začít sledovat pouze odraženou repliku signálu a tím zavede do měření pseudovzdálenosti k dané družici hrubou chybu.

Poznámky:

280

Faktory ovlivňující přesnost určení polohy metodou GNSS Dopad vícecestného šíření signál a zastínění má dva dopady. 

Prvním dopadem je zkreslení měřených pseudovzdáleností.



Druhým dopadem je ztížení získání signálu družice a následné demodulace dat ze signálu.

Na vícecestné šíření signálu a zastínění má velký vliv variabilita prostředí, kde měření probíhá. Typickým prostředím s vysokým výskytem obou uvedených jevů je: 

městská zástavba,



zalesněná krajina,



příliš členitá krajina s vysokým relativním převýšením v malé ploše.

! !

Vedle charakteru prostředí významně působí na vícecestné šíření signálu: 

výška družice nad horizontem a



dynamika měření.

Důsledky vícecestného signálů je méně postižen přijímač, který je statický vůči svému okolí, než přijímač, který svou polohu v členitém prostředí dynamicky mění. Speciálním druh problémů způsobuje signál z družic nacházejících se téměř na horizontu. Replika odražených signálů od objektu na horizontu způsobuje, zpravidla velmi malou chybu pseudovzdálenosti, jeho zpoždění je zanedbatelné, ale způsobuje velký pokles síly přijatého signálů.

i

Poznámky:

281

Faktory ovlivňující přesnost určení polohy metodou GNSS Vzhledem ke komplexnosti problému bylo vyvinuto několik základních technik, které umožňují za určitých podmínek zmírnit dopady vícecestného šíření signálů a stínění. Eliminace vícecestného šíření signálu a zastínění K základním postupům k potlačení stínění a vícecestného šíření signálů patří redukování potenciálních odražených signálů.

!

Speciálně konstruovaná anténa s různými stínícími prvky, umožní odstínit nebo utlumit signály přicházející s nízkých a záporných elevačních úhlů. Vhodná poloha antény s ohledem na prostředí, ve kterém je měření prováděno může také pomoci. V prostředí s volným výhledem na horizont je výhodné umístit anténu co nejblíže k zemi. Naopak v prostředí s překážkami na horizontu je vhodné situovat anténu výše (Kaplan, a další, 2005). Další techniky jsou aplikovány na straně zpracování přijatých signálů v GNSS přijímači. První typ technik je zaměřen na vývoj postupů zpracování signálů, které jsou méně citlivé na chyby způsobené vícecestnými signálem a nazývají se jako neparametrické techniky.

!

Druhý typ technik se nazývá parametrickými technikami. Ty se snaží najít parametry, které souvisí s vícecestnými signály a korigovat je tak, aby vícecestné signály potlačili (Kaplan, a další, 2005).

Poznámky:

282


9.5.2

Šum přijímače a jeho rozlišovací schopnost

Šum přijímače a jeho rozlišovací schopnost je faktor závislé na uživatelově zařízení. Typický se zanedbává, vzhledem k jeho malému příspěvku v celkové chybě pseudovzdálenosti.

!

Chyby způsobené zpracováním signálů a šumem, v soudobých přijímačích, se pohybují kolem prvních decimetrů a jsou v porovnání s chybou pseudovzdálenosti způsobenou troposférickým zpožděním nebo vícecestným signálem zanedbatelné.

9.5.3

Chyba hodin přijímače

Na rozdíl od družic jsou standardní přijímače vybavené nestabilní časovou škálou, odvozenou od referenčního oscilátoru přístroje. Protože není možné nastavit a udržovat přesný systémový čas GNSS na straně přijímače. Je nutné chybu přístroje pro dané měření vypočítat.

!

Proto je nutné pro navigační výpočet měřit pseudovzdálenosti a získat navigační data čtyřech družic. Pro stanovení GNSS času (nalezení chyby hodin přijímače) postačuje jediná čtveřice dálkoměrných měření viz 2.6.3.

Poznámky:

283


9.5.4

User Equipment Error (GPS)

Statistický indikátor User Equipment Error (UEE) popisuje chyby v určení pseudovzdálenosti, způsobené faktory na straně uživatelského segmentu. UEE je uváděn v metrech s hladinou významnosti 95%. Zahrnuje všechny druhy chyb na straně přijímače a jeho skutečná hodnota závisí na konkrétním typu přístroje.

! !

Tradiční GPS L1 specifikace

Vylepšení GPS L1 specifikace

Moderní L1 přístroj

L1 a L2 GPS přístroj

Kompenzace ionosférického zpoždění

N/A

N/A

N/A

0,8

Kompenzace troposférického zpoždění

3,9

2,0

3,9

1,0

Šum a rozlišovací schopnost přijímače

2,9

2,0

2,0

0,4

Vícecestné šíření signálů

2,4

0,5

0,2

0,2

Ostatní chyby uživatelského segmentu

1,0

1,0

1,0

0,8

UEE (m), 95%

5,5

4,6

4,5

1,6

Zdroj chyb

Tabulka 9-6 Vyjádření faktorů ovlivňujících chybu v určení pseudovzdáleností na straně uživatele pro jedno frekvenční měření neautorizovaných uživatelů SPS služby GPS. Převzato a upraveno z (23).

Poznámky:

284

Faktory ovlivňující přesnost určení polohy metodou GNSS Parametr UEE není běžně výrobci GNSS přístrojů užíván. Stejně jako URE je UEE uváděný pouze ve spojení se systémem GPS a specifikacemi SPS (DoD, 2008) a PPS (DoD, 2007).

9.6

i

User Equivalent Range Error (GPS)

Indikátor UERE vyjadřuje celkovou chybu určení pseudovzdálenosti, která zahrnuje všechny běžně zvažované vlivy působící na měření vzdálenosti mezi navigační družici a přístrojem. Dá se říci, že UERE je individuální pro každou dvojici: družice - přijímač. Přesto se UERE používá ve specifikacích SPS (DoD, 2008) a PPS (DoD, 2007) jako universální indikace kvality měření pseudovzdálenosti „nezávislá“ na konkrétní družici. Ve specifikacích SPS a PPS je UERE jedním ze dvou základních parametrů, které umožňují statistický odhad výsledné chyby ve výpočtu polohy, rychlosti a času UERE PVT (angl. Position, Velocity, Time). Velikost UERE je ve skutečnosti variabilní v čase, protože všechny vlivy, ze kterých se jeho hodnota stanoví, je v čase proměnná. Současně také závisí na specifikaci přístroje, zda se jedná o klasický přístroj, modernizovaný nebo vylepšený. Zda jsou měření prováděná jako jedno frekvenční nebo dvou frekvenční (DoD, 2007).

! i

UERE se používá jen pro vyjádření standardních kódových měření, a nezapočítává se do něj pozitivní vliv korekcí, které lze na prováděná měření aplikovat.

Poznámky:

285


9.7

Geometrický faktor působící na přesnost určení polohy, rychlosti a času - DOP

Geometrický faktor měření je dán vzájemným uspořádáním mezi družicemi a přijímačem. Vhodnost geometrického uspořádání měření je hodně závislá na počtu viditelných družic v čase měření. Vliv geometrického uspořádání přijímače a družic se vyjadřuje koeficientem tzv. zhoršení přesnosti měření.

DOP Zhoršení přesnosti měření angl. Dilution of Precision (DOP) vyjadřuje vliv jednotkové chyby pseudovzdálenosti na celkovou chybu v určení PVT s ohledem na geometrické uspořádání měření (DoD, 2007). Hodnota DOP kvantifikuje bezrozměrným číslem, jak se zesílí jednotková chyba v měření pseudovzdáleností (času šíření signálů) ke čtyřem družicím, s ohledem na to jak jsou družice rozmístěny vůči GNSS přístroji. Předpokládejme, že GNSS přístroj měří ke třem družicím, které jsou v čase měření ve stejné vzdálenosti od přístroje. Všechna měření pseudovzdálenosti jsou v popisovaném případě zatížena stejnou (jednotkovou) chybou pseudovzdálenosti. Ačkoliv v obou případech, viz Obrázek 9-3, je trojice měření pseudovzdálenosti zatížená stejnou chybou pseudovzdáleností, oblast vymezená v důsledku jednotkové chyby, má v každém z dvou případů jiný tvar.

! ! ! i

Pokud jsou družice vůči přístroji rozmístěné optimálně (družice tvoří rovnostranný Poznámky:

286

Faktory ovlivňující přesnost určení polohy metodou GNSS trojúhelník), pak je oblast, ve které se může nacházet hledaná poloha, malá a kompaktní. Pokud družice nejsou optimálně rozmístěny, pak není oblast, kde se může nacházet hledaná poloha, kompaktní a ačkoliv, v jednom rozměru je potenciální chyba v určení polohy menší než při optimálním uspořádání měření, ve druhém směru, je rozsah možné polohové chyby mnohem větší, než při optimálním uspořádání měření.

Pseudovzdálenost = chyba vzdálenosti + vzdálenost

SV3 SV3

SV1

SV1

SV2 SV2

Obrázek 9-3 Vliv geometrického uspořádání družic na snížení polohové přesnosti měření DOP.

Poznámky:

287

Faktory ovlivňující přesnost určení polohy metodou GNSS Hodnota DOP vyjadřuje bezrozměrnou hodnotou, v rozsahu 1 až 50, vhodnost geometrického uspořádání měření. Čím menší je hodnota DOP tím, více je geometrické uspořádání měření blíže ideálnímu stavu. Význam hodnot viz Tabulka 9-7. Přestože je parametr DOP označován jako objektivním indikátorem kvality měření, je dobré si uvědomit, že pro aktuální konstelaci družic nezohledňuje vliv vícecestných signálů, negativní vlivy ionosféry a další vlivy. Proto může být DOP nízký i při velmi špatných podmínkách měření způsobujících velkou chybu měřených pseudovzdáleností.

DOP hodnota

Geometrické uspořádání

1

Ideální

Nejvyšší možná přesnost měření.

(1,2>

Excelentní

Přesnost měření je dostatečná pro aplikace citlivé na přesnost.

(2,5>

Dobrá

! i

Popis

Přesnost dostatečná pro navigaci během cesty. Přesnost dostatečná pro obchodní rozhodování.

(5,10>

Střední

Přesnost dostatečná pro výpočty, které umožní zpřesnění polohy.

(10,20>

Horší

Nízká úroveň důvěry v měření. Měření by měla sloužit jen jako orientační.

(20,50>

Špatný

Nepřesnost měření je příliš velká, výsledky měření by neměly být používány.

Tabulka 9-7

Tabulka hodnot DOP koeficientu. Zdroj (DoD, 2007).

Poznámky:

288

Faktory ovlivňující přesnost určení polohy metodou GNSS Vliv DOP na výsledné měření je vyjadřován nejčastěji v pěti základních typech koeficientů HDOP, VDOP, PDOP, TDOP a GDOP viz Tabulka 9-8. Parametr Význam anglicky DOP (Význam česky) HDOP

Horizontal Dilution of Precision (Snížení horizontální přesnosti)

VDOP

Vertical Dilution of Precision (Snížení vertikální přesnosti)

PDOP

Positional Dilution of Precision (Snížení polohové přesnosti)

TDOP

Time Dilution of Precision (Snížení přesnosti časových měření)

GDOP

Geometric Dilution of Precision (Snížení geometrické přesnosti)

Tabulka 9-8

Vztahy mezi DOP parametry

√

√

Koeficienty DOP a jejích význam. Zdroj (DoD, 2007).

Poznámky:

289

Faktory ovlivňující přesnost určení polohy metodou GNSS Otázka 9.1 Spojte odpovídající si pojmy v prvním a druhém sloupci. Jednomu pojmu v prvním sloupci může být přiřazeno několik pojmu z druhého sloupce.

?

Přiřaďte faktory, způsobující chyby měření pseudovzdálenosti ke zdroji vzniku v segmentech. 1) Kosmický a řídicí segment 2) Uživatelský segment 3) Signál v prostoru 4) Uživatelský a kosmický segment

a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) k)

Geometrický aspekt měření Chyba (korekce) času družic Troposférické zpoždění Vícecestné signály Chyba efemerid Stáří korekcí času družic Stáří efemerid Řízení přístupu k signálům Šum a rozlišovací schopnost přijímače Zdravotní stav družice Chyba hodin přijímače

Otázka 9.2 Označte všechny správné odpovědí. Platí pro chybu (korekce) hodin družic a stářím modelu korekcí hodin družic následující výroky? a) b) c) d)

?

Selektivní dostupnost nesouvisela s chybou hodin družic. Chybu hodin družic je možné eliminovat metodou DGNSS. Chybu hodin družic si modelují a predikují uživatelé v přijímači. Model chyby hodin družic a její predikce je součásti navigační zprávy družic.

Poznámky:

290


Otázka 9.3 Označte všechny správné odpovědí. Platí pro přesnost efemerid a platnost efemerid následující výroky?

?

a) Selektivní dostupnost GPS souvisela s přesností efemerid. b) Chybu efemerid je možné snížit produkty IGS. c) Efemeridy jsou modelovány a predikovány řídicím segmentem na základě monitorování družic. d) Efemeridy jsou součásti navigační zprávy.

Otázka 9.4 Spojte odpovídající si pojmy v prvním a druhém sloupci. Jednomu pojmu v prvním sloupci může být přiřazeno několik pojmu z druhého sloupce.

?

Jaké metody řízení přístup k signálům se používají v uvedených GNSS systémech? 1) GPS 2) GLONASS 3) Galileo

a) b) c) d) e)

Anti-Spoofing Komerční zašifrování signálů Nekomerční šifrování signálů Selektivní dostupnost Utajování PRN-kódu / navigační zprávy

Poznámky:

291

Faktory ovlivňující přesnost určení polohy metodou GNSS Otázka 9.5 Označte jednu správnou odpověď. Co je to selektivní dostupnost a kdo ji využíval?

?

a) Je to záměrné snižování přesností polohových a časových měření, zaváděním záměrných chyb do pseudonáhodných kódů družic. Používal ho systém GLONASS. b) Je to záměrné snižování přesností polohových a časových měření, zaváděním záměrných chyb do času družic, nebo do efemerid družic. Používal ho systém GPS. c) Je to metoda filtrování signálů, která omezí přístup uživatelů, jen k jednomu signálu na jedné frekvenci a tím uživateli znemožní korekci vlivu ionosféry na signál v prostoru. Metodu se používala jak v GPS, tak v GLONASS. d) Metoda selektivně vypíná neautorizovaným uživatelů signál družic. Tím neautorizovaným uživatelům snižuje, v oblasti měřeni, dostupnost náhodně vybraných družic z celé konstelace a nutí tak uživatele, měřit i za nepříznivých geometrických podmínek. Metoda byla do roku 2000 používána v systému GPS.

Poznámky:

292

Faktory ovlivňující přesnost určení polohy metodou GNSS Otázka 9.6 Označte jednu správnou odpověď. Co je to Time-to-Alert?

?

a) Je to čas, který potřebuje řídicí (pozemní) segment k tomu, aby zjistil, že došlo u družice k selhání nebo anomálii v signálu nebo že došlo anomálii v chování družice. b) Je to čas, mezi okamžikem selháním signálu družice, anomálii v signálu družice a okamžikem, kdy je o tomto stavu informován uživatelský segment v navigační zprávě družice. c) Je to čas, který potřebuje přijímač GNSS, k tomu, aby informoval uživatele o skutečnosti, že počet viditelných družic poklesl na hodnotu čtyři, což znamená, že při výpadku signálu ještě jedné družice nebude moci uživatel určovat svou polohu.

Otázka 9.7 Označte jednu správnou odpověď. Který typ služeb je specializován na to, aby uživatele informoval o integritě družice v konstelaci GNSS? U vybrané služby doplňte význam zkratky. a) OS d) CS e) PRS f) SoL g) SAR

?

Poznámky:

293

Faktory ovlivňující přesnost určení polohy metodou GNSS Otázka 9.8 Označte všechny správné odpovědí. Která tvrzení o ionosférickém zpoždění jsou pravdivá?

?

a) Je závislé na obsahu TEC v ionosféře, ten se mění velmi pomalu a předvídatelně. Ionosféra je velmi stabilní. b) Dá se jeho vliv eliminovat při dvou frekvenčních měřeních. c) Nedá se eliminovat pomocí metody DGNSS. d) Závisí na vzájemné poloze přijímače a družice (elevace). e) Závisí na denní / noční době. f) Závidí na ročním období. g) Závisí na zeměpisné šířce. h) Závisí na teplotě, tlaku a vlhkosti. i) Ovlivňuje jen fázová měření, kódových měření se netýká.

Otázka 9.9 Označte všechny správné odpovědí. Která tvrzení o troposférickém zpoždění jsou pravdivá?

?

a) Je závislé na obsahu TEC v troposféře a ten se mění velmi rychle a nepředvídatelně. Troposféra je velmi nestabilní. b) Jeho vliv je možné eliminovat při dvou frekvenčních měřeních. c) Jeho vliv je možné eliminovat pomocí metody DGNSS. d) Družice s větším elevačním úhlem je zastižená vlivem troposféry méně, než družice nízko nad horizontem. e) Závisí na teplotě, tlaku a vlhkosti.

Poznámky:

294

Faktory ovlivňující přesnost určení polohy metodou GNSS Otázka 9.10 Označte všechny správné odpovědí. Které výroky o vícecestném šíření signálů jsou pravdivé?

?

a) Vícecestné šíření se dá dobře předvídat a modelovat. b) Pro potlačení vícecestného šíření signálů se používá speciální konstrukce antény GNSS přijímače. c) S použitím vhodné metody korekcí DGNSS je možné vliv vícecestného šíření signálu potlačit. d) Chyba způsobená vícecestným šíření signálů je pro každé GNSS zařízení unikátní a muže se velmi lišit i u přijímačů, které jsou velmi blízko sebe. e) Chyba nezávisí na prostředí, ve kterém měření probíhá. f) K potlačení chyby může dobře posloužit statické měření s větším počtem observačních epoch. g) Kromě toho, že může dojít k nepřesnému změření pseudovzdálenosti, se nic jiného, při vícecestném šíření signálu, nemůže stát.

Otázka 9.11 Označte jednu správnou odpověď. Jak se řeší, chyba hodin přijímače?

?

a) Neřeší se, nemá na výslednou polohu přijímače moc velký vliv. b) Uživatel si musí vždy před měřením co nejpřesněji seřídit hodiny svého přijímače c) Při autonomních kódových měření je stanovení její velikosti součásti navigačního výpočtu.

Poznámky:

295

Faktory ovlivňující přesnost určení polohy metodou GNSS Otázka 9.12

?

Označte jednu správnou odpověď. Co vyjadřuje zkratka DOP? a) Hodnota DOP kvantifikuje, jak se zesílí jednotková chyba v měření pseudovzdáleností (času šíření signálů) do výsledné polohové a časové chyby s ohledem na to, jak jsou družice geometricky uspořádaný vůči GNSS přístroji. b) Hodnota DOP kvantifikuje, celkovou chybu měření polohy, kterou je vypočítaná řídicím segment a odeslaná GNSS přístroji. c) Hodnota DOP kvantifikuje, jak se promítá zprůměrovaná chyba měření pseudovzdáleností (času šíření signálů) od všech viditelných družic nad horizontem do výsledné polohy.

Otázka 9.13 Spojte odpovídající si pojmy v prvním a druhém sloupci. Přiřaďte slovní význam jednotlivých hodnotám DOP. 1) 2) 3) 4) 5) 6)

(20,50> (10,20> (2,5> 1 (5,10> (1,2>

a) b) c) d) e) f) g)

?

Horší Ideální Dobrá Střední Ideální Excelentní Špatný

Poznámky:

296

Faktory ovlivňující přesnost určení polohy metodou GNSS Otázka 9.14 Spojte odpovídající si pojmy v prvním a druhém sloupci. Spojte význam zkratky s výkladem zkratky. 1) 2) 3) 4) 5)

PDOP GDOP TDOP VDOP HDOP

a) b) c) d) e)

?

Snížení geometrické přesnosti Snížení přesnosti časových měření Snížení přesnosti vertikálních měření Snížení přesnosti horizontálních měření Snížení přesnosti polohových měření.

Otázka 9.15 Spojte odpovídající si pojmy v prvním a druhém sloupci. Jednomu pojmu v prvním sloupci může být přiřazeno několik pojmu z druhého sloupce.

?

Přiřaďte k faktoru, který způsobuje chyby měření GNSS, jednu nebo více metod opravy z druhého sloupce. 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8)

Geometrický aspekt měření Chyba hodin družic Troposférické zpoždění Ionosférické zpoždění Vícecestné šíření signálu Chyba efemerid Řízení přístupu k signálům Šum a rozlišovací schopnost přijímače

a) b) c) d) e) f)

Metoda DGNSS Navigační výpočet Neopravuje se Model v navigační zprávě Dvou frekvenční měření Použití produktů IGS

Poznámky:

297

Zpřesňování polohy a času určených metodou GNSS

10 Zpřesňování polohy a času určených metodou GNSS Po přečtení kapitoly budete schopni klasifikovat základní metody korekcí GNSS měření. V základní klasifikaci budete schopni identifikovat slabé a silné stránky jednotlivých metod a k čemu jsou určeny. V kapitole se blíže seznámíte s tím jak se nejvýznamnější chyby měření pseudovzdálenosti mění v prostoru a získáte povědomí jaká je míra prostorové dekorelace chyby mezi dvěma stanovišti osazenými GNSS přístroji. Seznámíte se s principy lokálních, regionálních a rozsáhle oblasti pokrývajících korekcí. Seznámíte se problematikou RTK sítí a produkty korekcí, které můžete z těchto sítí získat (VRS, FKP a MAC). V kapitole naleznete výklad principu jednoduchých a dvojitých diferencí. V poslední části kapitoly se seznámíte s metodou průměrování měření a jeho dopady na přesnost měření a s novou metodou „autonomních“ měření, označovanou zkratkou PPP.

Odhadovaný čas

90 minut

10.1 Úvod Cílem zpřesňování polohových a časových měření GNSS je zmírnit nepříznivý dopad faktorů, které snižují přesnost měření, viz kapitola 9.

Poznámky:

298

Zpřesňování polohy a času určených metodou GNSS Pro GPS se například celosvětově pohybuje přesnost polohových a časových měření pro jednofrekvenční měření C/A kódem do 9 m pro 95% změřených a do 40 ns po 95% času (DoD, 2008).

i

Za účelem zpřesnění polohových a časových měření byla vyvinuta celá řada metod, které se liší v přístupu, jak eliminují chyby měření. Metody korekcí se v prvé řadě dělí pro relativní nebo absolutní určování polohy, dále zda jsou určené pro kódové nebo fázové měření, dalším možným dělením je podle plošného dosahu korekcí. Jiný pohled na korekce rozlišuje, na které zdroje chyb jsou korekce zaměřeny a zda jsou chyby měření opravovány jako celek nebo zda jsou jednotlivé zdroje chyb modelovány a opravovány odděleně, další neméně významné rozdělení, pohlíží na korekce dle zdroje, zda je zdrojem korekci referenční GNSS přijímač nebo síť přijímačů nebo zda jsou aplikovány v tzv. autonomním režimu jediného GNSS přístroje s použitím dalších dodatečných dat například z mezinárodní GNSS služby (IGS). V neposlední řadě je nutné rozlišit, zda jsou korekce aplikovány v reálném čase (real-time) nebo až následným zpracováním (post-processing). Techniky korekcí jsou souhrnně označovány, diferenční metodu měření DGNSS (z angl. Differential GNSS).

Všechny DGNSS techniky jsou založené na následujících podmínkách: 

Minimálně dva přístroje provádí měření



ve stejném čase,



stejnou metodu (kódově nebo fázově)

! !

Poznámky:

299

Zpřesňování polohy a času určených metodou GNSS 

a ke stejným družicím.



Měření provádí oba přístroje ve vzájemné relativní blízkosti běžně od desítek do stovek kilometrů.



Poloha jednoho z přístrojů, tzv. referenční stanice nebo base, je známá s vysokou přesnosti.

Polohu druhého přístroje, jehož polohu dopředu neznáme tzv. rover, chceme dále pomocí korekcí, získaných z base, spřesnit. Vzdálenost mezi oběma přístroji je označovaná jako základna nebo angl. Baseline. Možná délka základny je dána použitou metodou sestavení a aplikací korekcí. Platí univerzální pravidlo, že s narůstající délkou základny, klesá přesnost korekcí. Pro delší základny musí být použity pokročilejší metody předzpracování dat, než je možné použít některou z metod relativního určování polohy z naměřených dat.

!

K předzpracování (očištění) dat se používají různé metody lineárních kombinací změřených signálů. Při DGNSS měřeních se využívá skutečnosti, že část z významných zdrojů chyb GNSS měření, je časoprostorově korelovaná. To znamená, že dvě měření, provedena dvěma přístroji, které jsou relativně blízko sebe, měří ve stejném čase, stejnou metodu měření, ke stejné sadě družic, jsou postihovaná stejnými nebo velmi podobnými chybami měření.

!

Poznámky:

300


10.2 Klasifikace metod podle způsobu určení polohy V GNSS se rozlišuje mezi absolutně určenou polohou nebo relativně určenou polohou. Zatímco absolutní polohy je dosaženo při autonomních metodách měření a metodách založených na přístupu modelování chyb v doméně pseudovzdálenosti, relativní metody určování polohy jsou spojené s metodami fázových diferenčních měření a měření s použitím přístupu k modelování chyb v stavovém prostoru (Kaplan, a další, 2005), (HofmannWellenhof, a další, 2008).

10.2.1

Absolutní určování polohy

Výsledkem metod absolutního určení polohy je autonomní poloha nebo opravená poloha vyjádřena v absolutních souřadnicích geocentrického prostorového referenčního systému buď souřadnicemi x, y, z nebo λ, φ, h. Pokud se jedná o určování polohy s korekcemi, jsou korekce aplikované na měřené pseudovzdálenosti, ať už jsou pseudovzdálenosti měřené metodou kódových nebo fázových měření. Opravené pseudovzdáleností jsou následně zpracovány standardním postupem pro určení polohy pro kódová nebo fázová měření. Rodina těchto metod je často označována jako metoda DGNSS a je převážně spojována s kódovým měřením, kde je její přínos na zvýšení přesnosti velmi výrazně vyšší než v případě fázových měření.

! ! !

Poznámky:

301


10.2.2

Relativní určování polohy

Výsledkem relativního určování polohy je vektor s daným směrem a velikostí určující relativní vzdálenost k referenční stanici. Metoda výpočtu polohy je v tomto případě založena na formování tzv. jednoduchých, dvojitých a trojitých diferencích surových měření pseudovzdálenosti.

!

Jedná se lineární kombinace observovaných veličin. Metoda se využívá především u fázových měření, které jsou prováděny mezi skupinami družic, které jsou ve stejném čase observovány alespoň dvěma GNSS přístroji více v kapitole 10.7.1. S relativním určováním polohy jsou spojována hlavně velmi přesná fázová měření, protože fázová měření dosahují výrazně vyšší přesnosti.

!

10.3 Klasifikace podle času aplikace korekcí Všechny metody korekcí je možné provádět buď v reálném čase, nebo metodou následného zpracování měření.

Poznámky:

302


10.3.1

Real-time korekce

Metody zpracování měření v reálném čase vyžadují nepřerušovaný on-line komunikační kanál mezi přístroji base a rover. Pro přenos korekcí se využívá nejčastěji protokol RTCM-SC104 a protokol Ntrip více v kapitole 8.2.1 a v kapitole 8.2.2. Přestože se v GNSS hovoří o real-time korekcích ve skutečnosti se nejedná o korekce v téměř reálném čase. Korekce dorazí z přístroje base na rover vždy se zpožděním. Zpoždění vzniká v důsledku; zpracování dat na straně base nebo může vzniknout zpoždění při zpracování dat v síti stanic do které base přístroj může patřit, latence v komunikační síti pro přenos dat mezi base a rover a při zpracování dat v rover.

Latence korekcí způsobuje, že přístroj rover nemusí mít v době měření korespondující korekce k dispozici a je nucen použit, některou z metod, jak nahradit zpožděná data korekcí. Používá se buď metoda; kdy 

buď rover čeká s vyhodnocením opravené polohy tak dlouho, dokud nedostane odpovídající data z base



nebo rover extrapoluje velikost korekcí na základě znalosti toho jak rychle se hodnota a korekcí a jak moc mění.

! i ! !

Poznámky:

303


10.3.2

Korekce post-processing

Při zpracování korekcí metodou post-processing jsou prováděná měření pseudovzdáleností na rover a base. Následně po ukončení měření jsou naměřená data zpracována. Zpracování zahrnuje výpočet korekcí na base a jejich aplikaci na korespondující data stanice rover. Jako výměnný formát, pro následné zpracování dat získaných GNSS měřením, se používá formát RINEX nebo některá z jeho mutací více v kapitole 8.3.1.

Protože post-processing korekce umožňují synchronizaci obou měření a případné další zpracování naměřených dat (vypuštění neodpovídajících si dat), bývá, při srovnatelné metodě sestavení korekcí a jejich aplikace, přesnější metoda postprocessing než metoda real-time korekcí.

! ! !

10.4 Reprezentace chyb pseudovzdálenosti v korekcích Při zjišťování chyby měření se využívají principiálně dva typy strategií, jak zpracovávat opravy jednotlivých zdrojů chyb, každého měření a jak následně vyjadřovat korekce.

Poznámky:

304


10.4.1

Reprezentace chyb v doméně měření pseudovzdálenosti (Observation Space Representation)

První a starší strategie se nazývá angl. Observation Space Representation (OSR). Strategie OSR vychází z předpokladu, že není nutné umět modelovat dílčí velikosti jednotlivých chyb měření, ale zcela postačuje znát pro každou z družic celkovou chybu měření pseudovzdálenosti (způsobenou součtem chyb hodin družic a palubních efemerid, chyby ionosféry a chyby troposféry a případně dalších chyb). Uvedený přístup je z hlediska nároků na výpočet jednodušší a je využíván u metod absolutního určování polohy. Na základě zjištěné chyby pseudovzdálenosti je sestavená korekce, kterou lze snadno aplikovat na straně uživatelského zařízení. Pro výpočet se používají již existující algoritmy pro výpočet polohy a času, které jsou implementované v každém GNSS přístroji.

! !

U OSR se velikost chyby měření stanice base vypočte z rozdílů její geometrické vzdálenosti k družici, určené z palubních efemerid družice a skutečné polohy base a rozdílu naměřené pseudovzdálenost mezi družicí a stanici base. Výsledné číslo udává zbytkovou chybu pseudovzdálenosti – korekci pseudovzdálenosti ze které nelze a ani není nutné rozlišit jednotlivé zdroje chyb. Korekce typu OSR jsou vhodné pro malé krátké základny, kdy nedochází k tak velké prostorové dekorelaci chyby pseudovzdálenosti.

!

Poznámky:

305

Zpřesňování polohy a času určených metodou GNSS Z důvodu rychlé časové dekorelace korekcí mezi přístrojem base a rover při realtime měřeních, obzvláště v době, kdy byla v systému GPS aktivována selektivní dostupnost (SA), je kromě vlastní opravy pseudovzdálenosti k pozorované družici vypočítávána také rychlost změny hodnoty korekce pseudovzdálenosti jako další korekční parametr.

i

Rychlost změny korekce pseudovzdálenosti umožňuje předvídat a kompenzovat uživateli změny v hodnotách korekcí, ke kterým vlivem SA docházelo. Na základě rychlosti změny je možné stanovit, jak často musí být data korekcí aktualizována a by byla zaručena požadovaná míra přesnosti korekcí.

10.4.2

Reprezentace chyb ve stavové doméně (State Space Representation)

Druhý přístup označovaný angl. State Space Representation (SSR) se zaměřuje na jednotlivé zdroje chyb měření pseudovzdálenosti a provádí modelování velikosti chyby každého zdroje zvlášť. Tento přístup v pohledu na chyby měření je novější. Metoda SSR se uplatňuje při větším počtu referenčních stanic spojených do sítě a zpracovatelské centra.

!

Metoda SSR se uplatňuje hlavně u korekcí velkoplošného rozsahu (WADGPS) a v sítích určených pro RTK měření (angl. Real-Time Kinematic). Metoda SSR se používá hlavně u dlouhých základen, kdy jsou jednotlivé chyby měření pseudovzdálenosti řešeny individuálně pro každou stanici.

!

Poznámky:

306

Zpřesňování polohy a času určených metodou GNSS Referenční stanice zasílají všechna naměřená data (kódové i fázové pseudovzdálenosti) do jednoho nebo více zpracovatelských center. Ve zpracovatelských centrech jsou modelovány jednotlivé chyb měření pro každou družici pozorovanou stanicemi v síti. Pro každou družici v čase je sestaven stavový vektor jednotlivých chyb v čase.

i

10.5 Povaha zdrojů chyb měření Některé ze zdrojů chyb GNSS měření, jak už bylo uvedeno, jsou časoprostorově korelované. Přesto je míra časoprostorové korelace různá v závislosti na konkrétním zdroji chyby. Dále se budeme v detailu zabývat, jak moc se od sebe liší chyby pseudovzdálenosti změřené na referenční stanici a na rover přístroji uživatele v případě observace jedné společné družici.

i

Podíváme se na chyby hodin družic, chyby efemerid, chyby troposféry, chyby způsobené ionosférou a chyby na straně přijímače. U přijímače se podíváme na chyby způsobené šumem přístroje a vícecestným šířením signálů.

10.5.1

Chyba hodin družic

Chyba hodin družic postihuje všechna kódová a fázová měření všech přijímačů stejně, bez ohledu na jejich polohu vůči pozorované družici nebo vzájemnou polohu přijímačů. Tato chyba je z části redukovaná korekčními daty v navigační zprávě družice.

!

Poznámky:

307

Zpřesňování polohy a času určených metodou GNSS Z pohledu obtížnosti sestavení korekce, se chyby hodin družice prostřednictvím DGNSS metody opravují nejsnadněji. V době kdy byla aktivovaná v systému GPS SA, byla chyba hodin družic prostředkem, který sloužil k její realizaci. V současnosti se chyba hodin družic přepočtena na změnu pseudovzdálenosti vyvíjí s rychlosti cca 1-2 mm/s. V době, kdy byla aktivovaná SA se zavázala vláda Spojených států, že přepočtena změna chyba hodin družic nepřekročí 2 m/s (Kaplan, a další, 2005).

i

Protože chyba hodin družic podléhá neustálým změnám, při výpočtu korekcí pseudovzdálenosti se počítá, také s první derivaci korekce pseudovzdálenosti. Její význam spočívá ve stanovení rychlosti změn chyby pseudovzdálenosti a tím i předpovídání jejího vývoje. Rychlost změn chyby v korekcích přímo určuje, jaká je nutná frekvence zasílání korekcí pseudovzdálenosti, s ohledem na zpoždění zasílaných korekcí tak, aby byla chyba pseudovzdálenosti držena na přijatelné úrovní (Kaplan, a další, 2005). Například při aktivované SA a požadavku na chybu pseudovzdálenosti menší než 1 metr musely být korekce pseudovzdálenosti zasílány co 10 s.

10.5.2

i

Chyba efemerid

Chyba určení polohy družice vede ve výsledku ke stejným chybám v určení polohy jak u kódových, tak fázových měření. Rozdíl v chybách pseudovzdáleností vlivem chyby efemerid mezi referenční stanicí a uživatelem přímo narůstá se vzájemnou vzdálenosti přijímačů, které

!

Poznámky:

308

Zpřesňování polohy a času určených metodou GNSS provádí svá měření ke společné družici. Pro představu, podle (Olynik, a další, 2002) pro referenční stanici a přístroj uživatele, které jsou od sebe vzdáleny 100 km a společnou pozorovanou družici s chybou efemerid 5 m činí rozdíl pseudovzdálenosti vlivem chyby efemerid mezi referenční stanici a uživatelem 2.5 cm. Uvedené platí pro družici s elevačním úhlem větším než 5°.

i

Přesnost určení polohy družic GNSS na základě tzv. palubních efemerid je dnes kolem prvního metru (Kaplan, a další, 2005), (Revnivykh, 2012). Podle (Olynik, a další, 2002) je typická rychlost změny chyby efemerid 2-6 cm/s a má přibližně lineární průběh po dobu 30 minut.

i

Poznámky:

309


10.5.3

Chyba troposféry

Chyba troposféry je způsobená změnou rychlosti elektromagnetického vlnění vlivem, teploty, tlaku a relativní vlhkosti více v kapitole 9.4.2. Variabilita chyby vyjádřené jako troposférické zpoždění je funkcí elevačního úhlu a ohybu na rozhraních v troposféře.

!

Existují teoretické modely troposférického zpoždění, které však nevystihuji velikost rozdílu troposférického zpoždění mezi dvěma GNSS přístroji dostatečně přesně, jak dokumentuje (Altshuler, a další, 1974) ve svých experimentech. Bylo zjištěno, že více než na vlastním elevačním úhlu družice závisí na vzdálenosti mezi referenční stanici a uživatelem a dále na rozhraních, která vznikají uvnitř troposféry. Například na rozhraních mezí pevninou a vodstvy nebo na frontálních rozhraních, která se nachází mezi referenční stanicí a přijímačem uživatelem. Při měřeních na základnách o délce 25 km byly naměřeny rozdíly v hodnotě troposférického zpoždění až 40 cm (4), což dalece překračuje hodnoty z modelu troposférického zpoždění jako funkce elevačního úhlu družice - referenční stanice a družice – uživatel (Altshuler, a další, 1974).

! i

Poznámky:

310

Zpřesňování polohy a času určených metodou GNSS Významný rozdíl v chybě troposférického zpoždění způsobuje velká vertikální vzdálenost mezi referenční stanici a uživatelovým přístrojem.

Rozdíl chyby troposféry může dosahovat rozdíl ve troposférickém zpoždění na 1 km převýšení mezi dvěma přijímači až 2 m.

Nezanedbatelnou roli také hraje rychlost změny troposférického zpoždění s ohledem na elevační úhel družice. U družic v zenitu je rychlost změny troposférického zpoždění zanedbatelná.

! i !

Naproti tomu šikmé troposférické zpoždění se mění u družic s elevačním úhlem 5° až rychlosti 2 m/min pro statický přijímač, pokud je přijímač dynamicky a mění rychle svou výšku, změna troposférického zpoždění bude mnohem rychlejší.

10.5.4

Chyba ionosféry

Ionosféra rozdíly v ionosférickém zpoždění mezi referenční stanicí a uživatelským přístrojem jsou dány frekvencí signálů, elevačním úhlem družice, bodem průniku signálů ionosférou (typicky ve výšce 300-400 km) a souhrnným obsahem elektronu v ionosféře (TEC) viz kapitola 9.4.1.

Poznámky:

311

Zpřesňování polohy a času určených metodou GNSS Obsah TEC v ionosféře je prostorově variabilní a v čase se cyklicky mění se svým maximem v brzkém odpoledni a minimem v noci.

Pokud je brán v potaz pouze vliv, elevačního úhlu, předpokládá se konstantní TEC, pak by rozdíl v ionosférickém zpoždění, pro dva přístroje, na 100 km dlouhé základně a TEC = 50x1016 elektronu/m2, činil 3 cm. Vzhledem k vysoké prostorové variabilitě TEC jsou celkové rozdíly v ionosférickém zpoždění mnohem vyšší. Typické hodnoty rozdílů pro ionosféru, která není vybuzená, u družice pozorované v zenitu na základně s délkou 100 km bývá 0,2 – 0,5 m. ale může být větší než 4 m pokud je ionosféra vybuzená (Ward, 1994-1995) a (Betz, a další, 2002).

Velký rozdíly ve zpoždění mohou být způsobeny různými fyzikálními fenomény v ionosféře jako je například tzv. angl. travelling ionospheric disturbance, které vede ke skokové změně v TEC na relativně krátké vzdálenosti v řádu desítky kilometrů. Rychlost změny iono. zpoždění je pomalá a závisí na cyklu den/noc a 11-letých slunečních cyklech. Ve středních zeměpisných šířkách bývá většinou pod 8-9 cm/min v ostatních oblastech pak do 65 cm/min. Některé ze studií prokázaly změny až v rozsahu 3 m/min.

! i i ! i

Poznámky:

312


10.5.5

Šum přístroje a vícecestné šíření signálů

Šum přístroje i vícecestné šíření signálů jsou nekorelované mezi jednotlivými přístroji, které provádí měření ve stejném čase a to i u velmi krátkých základen.

!

Šum přístroje způsobuje řádově nižší chyby při měření pseudovzdálenosti, než vícecestné šíření signálů, které je silně závislé na typu přístroje a prostředí ve kterém měření probíhá. Obě chyby jsou značně variabilní i v časové doméně. Velikost obou chyb se může v čase velmi rychle měnit. Z toho důvodu není možné tyto dva zdroje chyb opravit technikou DGNSS. Částečně se vliv šumu přístroje a vícecestného šíření signálu eliminuje metodou průměrováním měření.

!

10.6 Klasifikace metody DGNSS podle dosahu korekcí Z hlediska rozsahu pokrytí území korekcemi DGNSS se v současnosti hovoří o systémech korekcí lokálního dosahu Local-Area DGNSS (LADGNSS), o korekcích regionálního dosahu Regional-Area DGNSS (RADGNSS) a o korekcích velkoplošného rozsahu Wide-Area DGNSS (WADGNSS). V literatuře se z historických důvodů velmi často používá místo DGNSS označení DGPS.

i

Poznámky:

313


10.6.1

Korekce DGNSS lokálního dosahu (single base korekce)

Korekce lokálního dosahu (LADGNSS) jsou nejstarší typem korekcí. Pojmenování vyplývá z počtu jediné referenční stanice (base), ke které se rover při realizaci měření s korekcemi připojuje. Jeden přijímač rover se připojuje právě a jenom k jednomu přijímači base. K jedné base může být připojeno více rover.

Single Base stanice sestavuje korekce pro svou aktuální polohu a poskytuje je všem rover zařízením ve svém dosahu. Prostorový dosah single base korekcí, tak aby byly smysluplné s ohledem na požadovanou přesnost měření, se liší u kódových a u fázových měření. V případě DGNSS kódových měření se používají nejčastěji korekce typu OSR. Metodou je možné podle (Retscher, 2001) dosáhnout chyby <1 m při velikosti základy do 70 km. Při RTK měření single base a single base (VRS), je udáván dosah platnosti korekcí v prvních desítkách kilometrů. Například (Retscher, 2001) uvádí chybu <10 cm při velikosti základny do 20 km.

! ! i i

Poznámky:

314

Zpřesňování polohy a času určených metodou GNSS Za speciální aplikaci LADGPS jsou považovány angl. Ground Based Augmentation Systems (GBAS) do češtiny volně přeloženo jako pozemní vylepšující systémy. GBAS systémy jsou budovány v okolí letišť. Podle (CNES, a další, 2009) mají omezený dosah na 23 námořních mil. GBAS slouží primárně nejen pro zpřesňování polohy, ale současně také zajišťují monitorování integrity polohových služeb nezávisle na řídicím segmentu GNSS.

! i

Korekce společně s informacemi o integritě dat jsou předávány letadlům pomocí VHF (radiového vysílání) vysílání.

10.6.2

Korekce DGNSS regionálního dosahu

Korekce regionálního rozsahu RADGNSS, jak uvádí (Kaplan, a další, 2005) umožňují pokrytí zájmového území o velikosti regionu (státní útvar) menším množstvím referenčních stanic, než by bylo nutné v případě použití LADGPS, avšak při zachování úrovně přesnosti odpovídající LADGPS.

!

První podstatnou změnou je sdružení většího počtu permanentních referenčních stanic (PRS z angl. Permanent Reference station) označovaných také jako CORS (z angl. Continuously Operating Reference Station) do sítě se zpracovatelským centrem (CPF z angl. Central Processing Facility).

!

Zpracovatelské centrum zpracovává data ze všech stanic sítě do podoby korekcí. Druhou změnou je zapojení přístroje uživatele do procesu sestavení korekcí.

Poznámky:

315

Zpřesňování polohy a času určených metodou GNSS To přenáší část výpočetní zátěže z AC na zařízení uživatele. Například je-li určována poloha rover ze tří referenčních stanic, jsou v první řadě stanoveny tři polohy s aplikovanými korekcemi z každé base individuálně. Následně na základě vzdálenosti ke každé ze tří stanic je pak s použitím váženého průměru polohy vypočtených poloh vypočtená výsledná opravená poloha. Váha je daná vzdálenosti od referenční stanice, přičemž součet všech vah je roven jedné. Výpočet váženého průměru se realizuje na straně rover.

10.6.3

i

Korekce DGNSS velkoplošného rozsahu

Korekce velkoplošného rozsahu WADGNSS jsou určeny pro rozsáhlé oblasti o velikosti států a kontinentů. Zájmové území je pokryto menším množství referenčních stanic než v případě LADGNSS při zachování při zachování sub-metrové přesnosti kódových měření (Retscher, 2001). Korekce jsou opět sestavovány pro větší počet CORS sdružených v síti s jedním nebo více zpracovatelskými centry. Zpracovatelská centra předávají korekce uživatelům prostřednictvím různých online i off-line kanálů Nejčastěji se jedná o pozemní rádiové vysílače nebo datové sítě mobilních operátorů.

! !

Korekce jsou reprezentovány ve formě chyb měření pseudovzdálenosti nejen v doméně měřených pseudovzdáleností (OSR), ale také ve stavové doméně (SSR).

Poznámky:

316

Zpřesňování polohy a času určených metodou GNSS Přesnost korekci není limitovaná vzdálenosti uživatele k jedné vybrané referenční stanici.

Každá referenční stanice WADGNSS sítě provádí měření pseudovzdálenosti (kódově i fázově) jedním nebo více GNSS přístroji. Naměřená data pro všechny viditelné družice jsou předávána do zpracovatelského centra. Zpracovatelské centrum zpřesňuje odhad chyby palubních efemerid a hodin každé družice. Zpracovatelské centrum také sestavuje model ionosférické refrakce, který pokrývá celou zájmovou oblast a který umožní uživateli provádět nezávislou opravu vlivu ionosférické refrakce na každou družici pro aktuální polohu uživatele. Chyba způsobená troposférou je obvykle řešena na straně referenční stanice a uživatele. Nezávislé modelování vlivu ionosférické refrakce řeší vysokou časoprostorovou variabilitu ionosférické refrakce, která je hlavním důvodem omezeného dosahu platnosti korekcí v případě LADGNSS.

! ! ! i

Sítě regionálního rozsahu mohou být využívány nejen pro zvýšení přesnosti GNSS měření, ale také pro zvýšení integrity GNSS měření.

Poznámky:

317

Zpřesňování polohy a času určených metodou GNSS Vylepšením WADGNSS jsou systémy nazývané angl. Satellite Based Augmentation Systems (SBAS). Do češtiny by se daly přeložit jako družicové vylepšující systémy. Systémy SBAS kromě korekcí (kódových měření) poskytují i data o integritě signálů družic, která vysílají uživatelům prostřednictvím několik geostacionárních družic.

!

Známě jsou například severoamerický WAAS (Wide-Area Augmentation System), evropský EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service), ruský SDCM (System for Differential Corrections and Monitoring) a asijský MSAS (Multi-functional Satellite Augmentation System).

10.7 Sítě RTK Další vývojovým nástupcem WADGNSS jsou tzv. RTK sítě, které jsou zaměřeny především na poskytování korekcí pro fázové měření prováděná v reálném čase (RTK z angl. Real-time Kinematics). Současné RTK sítě jsou svou rozlohou schopné pokrýt jak státy, tak kontinenty.

!

Hustota rozmístění referenčních stanic v RTK sítích je větší než v případě WADGNSS.

!

Mimo jiné s ohledem na potřeby RTK sítí a nových přístupu k modelování chyb měření pseudovzdálenosti ve stavové doméně a jejich aplikaci na straně rover zařízení byl přebudován komunikační standard RTMC-SC104 verze 3.1 viz kapitola 8.2.1.

i

Poznámky:

318

Zpřesňování polohy a času určených metodou GNSS Nový standard umožňuje přenášet nové typy SSR korekcí jako jsou například plošné korekce FKP (z něm. Flaechen-Korrektur-Parameter) a MAC (z angl. Master Auxiliary Concept). Z experimentu a pozorování vyplynulo, že u takovéto RTK sítě mohou být stanice od sebe vzdálený 50 - 70 pro sub-decimetrové přesnosti a až 200 km pro decimetrové přesnosti (Rizos, a další, 2000). RTK síť může být koncipována jako centralizovaná, s jedním nebo více zpracovatelskými centry nebo jako decentralizovaná. Centralizované RTK sítě jsou data z jednotlivých CORS zpracovávána ve zpracovatelském centru (CPF) a pak prostřednictvím jednosměrného nebo obousměrného komunikačního kanálů předána uživateli ve formě různého typu korekcí.

Decentralizovaná alternativa umožňuje korekce předávat z CORS přímo uživateli, který je pak musí zpracovat prostřednictvím složitějších algoritmů na svém zařízení. Tento přístup má vyšší nároky na zařízení uživatele.

10.7.1

! !

Proces sestavení korekcí RTK

Vlastní zpracování dat referenčních stanic až po začlenění korekcí chyb ve stavové doméně do navigačního výpočtu rover přístroje probíhá ve třech fázích: 

Získání korekcí



Interpolace

!

Poznámky:

319

Zpřesňování polohy a času určených metodou GNSS 

Odvysílání korekcí

Stanovení velikosti korekcí vybraných zdrojů chyb pro každou družici a stanici. Korekce mohou být podle požadavky provedené jak pro fázová, tak pro kódová měření. Nejčastěji opravovanými zdroji chyb měření jsou chyba palubních efemerid, chyba hodin družic a vliv ionosférické refrakce.

!

Modelování se provádí nejčastěji ve zpracovatelském centru. Interpolace získaných korekcí pro každý zdroj chyby, tak aby bylo možné odvodit velikost potřebné korekce v celém zájmovém prostoru, přesněji pro uživatelovu aktuální polohu a družice, které ve svém měření uživatel využívá. Odvysílání korekci směrem k uživateli může probíhat jednosměrně nebo obousměrně. V závislosti na implementované metodě korekcí mohou být vyžadovány ze strany zpracovatelského centra, před sestavením korekcí pro rover, podrobnější informace o přibližné poloze rover (platí to pro techniku VRS). Při práci s korekcemi SSR mohou být kladené zvýšené nároky na výpočetní výkon na straně rover přístroje. Pro správné začlenění korekcí do navigačního výpočtu rover, je nutné zpracovávat data novými postupy, které nejsou postavené na standardních postupech pro výpočet polohy a času z kódových a fázových měření.

! ! i

Tyto nové postupy slouží pouze pro SSR korekční data.

Poznámky:

320

Zpřesňování polohy a času určených metodou GNSS Hlavní výhodou SSR je fakt, že každý se zdrojů chyb muže využívat svůj vlastní interval aktualizace, protože jsou jednotlivé chyby zpracovávaný nezávisle, to má hlavně praktický dopad na množství přenášených informací.

i

10.8 Diferenční metody pro relativní určování polohy Diferenční metody pro relativní určování polohy jsou založené na simultánním pozorování několika družic z dvou GNSS přijímačů. Poloha jednoho z přijímačů je apriori známa a přijímače své observace provádí ve stejných časových epochách. Výsledkem výpočtu polohy je vektor popisující vzdálenost a vzájemnou polohu obou přijímačů. Relativního určování polohy je spojeno především s fázovým měřením. Základem metody je formování nových lineárních kombinací mezi provedenými měřeními obou přijímačů k družicím. K těmto lineárním kombinacím patří tzv. jednoduché diference, dvojité diference a trojité diference. Ve skutečnosti je možné diference zformovat nejen z fázových měření ale i z kódových měření, Přesto že k jednoznačnému řešení vedou u kódových měření už dvojité diference, na rozdíl od jednoznačných trojitých diferencí fázový měření, kódové diference nedosahují požadované přesnosti s ohledem na relativně nepřesné pseudonáhodné kódy, které jsou základem kódovým měření.

! i

Formování diferencí kódových měření slouží jako první připlížení polohy, pro další řešení fázových diferencí v případě metody RTK.

Poznámky:

321


10.8.1

Jednoduché diference

Jednoduché diference jsou zformovány ze dvou fázových měření, provedených dvěma přijímači k jedné společné družici viz Obrázek 10-1. Výsledkem je soustava dvou rovnic (10.1) pro první a druhý přijímač.

Pi k   k   ki  ktropi  kionoi  c i  c k    Nik  Si P     k j

k

k j

k tropj



k ionoj

! (10.1)

 c j  c    N  S j k

k j

kde Pi k a Pjk vyjadřují změřenou pseudovzdálenost přijímače i a j ke družicí k-té družici. A kde  k představuje fázi nosné vlny ve chvíli, kdy signál opustil anténu družice a  ik respektive  kj představuje fázi nosné vlny (replikovaného signálu na straně přijímače) ve chvíli, kdy byla přijímačem zachycena část signálů odeslaná družici. ktropi a ktropj představují troposférické zpoždění přijímače i a j ke k-té družice. Obdobně kionoi a kionoj představují ionosférické zpoždění přijímače i a j ke k-té družici. Parametry c i a c j představují chyby hodin přijímače i a přijímače j. Parametr c k představuje chybu hodin družice. Člen  představuje vlnovou délku nosná vlny signálů a N ik a N kj pak nejednoznačnosti počtu vlnových délek přijímače i a přijímače j. S i a S j představují ostatní nekorelované chyby fázových měření pro oba přijímače i a j. Odečtením obou rovnic dojde k vyrušení chyby hodin družic (nejdůležitější) a dále chyby způsobené ionosférickou refrakcí a troposférickou refrakcí.

!

Poznámky:

322


SDij   k   ki   k   kj  c ij    Nijk  Sij

(10.2)

Vzniklá jednoduchá diference SDij obsahuje stále chybu hodin přijímače a ambiguity N pro každé z měření obou přijímačů rovnice (10.2).

10.8.2

Dvojité diference družice

družice

k

l

Pi k Pi l

Pjk Pjl j

i

přijímač

přijímač

Obrázek 10-1 Zformování dvou jednoduchých diferencí.

Pokud bude pro oba přijímače dostupná ještě jedna další společná družice, je možné sestavit druhou sadu jednoduchých diferencí (rozdíl). Z této sady bude opět vyrušený vliv chyby hodin družic.

!

Dvojité diference vzniknou zformováním rozdílu mezi dvěma jednoduchými diferencemi rovnice (10.2) a (10.3). To znamená mezi dvěma přijímači a dvěma

Poznámky:

323

Zpřesňování polohy a času určených metodou GNSS družicemi, které jsou observovány oběma přijímači v témže čase. Rozdíl dvou jednoduchých diferencí DDij vede k zformování dvojitých diferencí, které v důsledku vedou k eliminaci chyby hodin přijímačů. To je důvod, proč jsou většinou dvojité diference formovány (10.4).

SDij   l   li   l   lj  c ij    Nijl  Sij

(10.3)

Vzniklý produkt dvojitých diferencí obsahuje pouze ambiguity N pro všechna provedená fázová měření.

DDij   k   ik   k   kj   l  il   l   lj    N ijkl  Sij

Řešení dvojitých diferencí se liší u GNSS systémů, ve kterých všechny družice používají stejnou frekvenci nosné vlny například GPS a u GNSS systému GLONASS, kde má každá z družic přidělenou jinou frekvenci nosné vlny. Pro druhý uvedený případ se musí provádět kompenzace rozdílu frekvencí, aby bylo možné dvojité diference mezi přístroji měřícím ke dvěma družicím s dvěma různými frekvencemi zformovat.

(10.4)

!

Poznámky:

324


10.9 Typy korekcí sestavovaných v RTK sítích

10.9.1

MAC

MAC (angl. Master-Auxiliary Concept) byl představen v roce 2001 a vznikl s iniciativy RTCM SC104. Je nevržený tak, aby umožnil na GNSS přijímač rover odvysílat všechna relevantní data korekcí z celé sítě, nebo podsítě, stanic CORS. Data mají podobu observačních dat s vyřešenými ambiguitami a na úrovni fázových měření vypočtenými chybami způsobenými ionosférou (disperzivní chyby), chybami způsobenými troposférou a chybami v orbitech družic (ne disperzivní chyby). Korekce a ambiguity jsou ve zpracovatelském centu (SPF) vypočteny pro všechny páry; družice - stanice ze sítě CORS.

! !

Protože jsou v rámci celé sítě (podsítě) vyřešené společné ambiguity je možné modelovat zbývající chyby měření. Koncepce MAC Aby nebylo nutné na přístroj rover přenášet velké množství dat korekcí, jednalo by se prakticky o data ze všech stanic pracujících v síť CORS, je jedna stanice ze sítě (podsítě) vybraná jako master. Ostatní stanice vystupují v roli auxiliary stanic.

!

Poznámky:

325

Zpřesňování polohy a času určených metodou GNSS Kompletní sada korekcí a data o poloze stanice jsou posílaná jen ze stanice master. Z ostatních stanic jsou získávány pouze rozdíly vůči korekcím a poloze stanice master. Protože pro modelování chyb se používá rozdělní chyb na disperzivní a nedisperzivní, přesněji chyby jsou modelované ve stavové doméně po jednotlivých zdrojích chyb, je možné přesněji řídit objem předávaných korekcí. Zatímco například orbity družic a troposféra podléhají pomalejším změnám, mohou být jejich korekce odesílány jen jednou za 30 minut respektive 15 minut, tak korekce ionosféry, která je v čase mnohem více variabilní jsou vysílány za 1 minutu.

Požadavky MAC MAC vyžaduje pouze jednosměrnou komunikaci na rozdíl například od VRS. Komunikaci zajišťuje zpracovatelské centrum, ale vzhledem k povaze distribuovaných korekcí, je nutné na straně přijímače rover používat „nestandardní“ specializované postupy zpracování všech dat korekcí. Proto výpočet opravené polohy přenáší výpočetní zátěž na rover.

10.9.2

! i !

VRS

VRS (angl. Virtual Reference Station) patří k základním technikám sestavovaní a šíření korekcí RTK měření v soudobých sítích CORS.

Poznámky:

326


Koncepce VRS Přistroj rover, získá korekce z neexistující virtuální referenční stanice situované v poloze, kterou si určí sám uživatel. Korekce VRS pro uživatele sestavy zpracovatelské centrum (CPF) sítě CORS, které je sestaví podle požadavků uživatele. Z tohoto pohledu se jedná o centralizované zpracování dat. Vzdálenost stanic v sítí CORS může být 70-80 km. Výhodou VRS je, že je možné je šířit i prostřednictvím starší verze RTCM 2.3.

Požadavky VRS Při aplikacích VRS je nutné, aby přístroj rover na počátku měření předal zpracovatelskému centru informaci o své aktuální poloze tak, aby zpracovatelské centrum mohlo vygenerovat sadu korekcí pro virtuální stanici účelově vytvořenou v blízkosti rover.

! ! i !

Typický vzdálenou do pěti kilometrů od rover. Informace o poloze rover předává zpracovatelskému centru prostřednictvím věty GGA protokolu NMEA.

10.9.3

FKP

Zkratka FKP znamená parametry plošných korekcí a vzniklo z německého FlaechenKorrektur-Parameter.

Poznámky:

327


Koncepce FKP Technika umožňuje přenos lineárních parametrů plošného modelu, které popisují vliv ionosférické refrakce, troposférické refrakce a chyb efemerid, v oblasti pokryté CORS. V ose X a Y jsou uloženy zeměpisná délka a šířka. V ose Z pak velikost hodnoty opravy kódové nebo fázové pseudovzdáleností. Přístroj rover uživatele pracuje s hodnotami oprav té referenční stanice, která je mu nejblíže.

Požadavky FKP Komunikaci zajišťuje zpracovatelské centrum, ale vzhledem k povaze distribuovaných korekcí, je nutné na straně přijímače rover používat „nestandardní“ specializované postupy zpracování všech dat korekcí. Proto výpočet opravené polohy přenáší výpočetní zátěž na rover.

! ! !

Metody zpřesnění autonomních měření

10.9.4

Průměrování získaných poloh

Průměrování není metodou, které by přímo vedla eliminaci nežádoucích vlivů. Jejím účelem průměrování je však rozředit vliv odlehlých (chybových) měření od hledané polohy mezi mnoha naměřenými, která jsou bližší hledané poloze.

Poznámky:

328

Zpřesňování polohy a času určených metodou GNSS Průměrování se používá jak v autonomních měřeních, tak při měření s korekcemi.

Při průměrování měřených dat je vhodné používat delší epochu měření, která zajistí lepší výsledky průměrování při zachování n počtu počtů observací, než při krátké epoše observací se stejným počtem n provedených měření. Například 10 observací s epochou 15 sekund je z hlediska průměrování vhodnější, než 10 observací s epochou měření 1 sekunda.

! i

V případě autonomních měření slouží průměrování k „rozředění“ měření s vyšší hodnotou polohové chyby mezi měřeními s nižší hodnotou polohové chyby a je jediným prostředkem jak docílit „zpřesnění“ měření. Obecný význam průměrování Při použití průměrování měřených dat v některé z metod s použitím korekcí slouží průměrování jako statistický nástroj, který umožní zmenšit dopad nekorelovaných chyb, které nejsou z principu použité metody odstranitelné.

!

K typickým chybám, které průměrování může zmenšit, patří například vícecestné šíření signálů nebo šum přístroje.

10.9.5

Precise Point Positioning

Metoda Precise Point Positioning (PPP) slouží pro velmi přesnou lokalizaci s použitím jednoho GNSS přístroje (autonomní měření).

!

Poznámky:

329


Koncepce PPP Na rozdíl od ostatních metod oprav založených na kódových nebo fázových diferencích je založena na použití přesných efemerid, přesného družicového času a řadě dalších datových produktů, které umožňují eliminovat některé ze systematických chyb ovlivňujících všechna GNSS měření v globálním rozsahu. Pokud je metoda PPP používána s vhodným dvou-frekvenčním přístrojem, může se polohová přesnost PPP měření pohybovat v řádech centimetrů až decimetrů (Gao, 2006). Při použití tzv. statických observací dosahuje metoda vyšší přesnosti než například metoda RTK.

! !

Přesné efemeridy a přesný družicový čas, které jsou potřebné pro metodu PPP a jsou vysoce variabilní v čase, stejně jako další nezbytná data, které bývají modelována. Potřebná data je možné získávat z veřejných zdrojů jako je například International GNSS Service (IGS) nebo Jet Propulsion Laboratory (JPL). Ačkoliv je zde metoda PPP označená jako autonomní, využívá dodatečná data publikovaná například IGS. Z tohoto pohledu se jedná o metodu WADGNSS s vysokou přesností, vyhrazenou pro fázová měření. Data, která jsou publikovaná IGS službou vznikla zpracováním dat z celosvětové sítě, která čítá 437 stanic (únor 2014).

i

V dubnu 2013 spustila IGS první provoz služby pro publikování přesných GNSS efemerid a přesných korekcí GNSS času. Služba běží v reálném čase a je distribuovaná prostřednictvím Ntrip protokolu. V současnosti slouží k publikování přesných datových produktů pro systém GPS.

Poznámky:

330


Data pro PPP K nezbytným doplňkovým datům, mimo přesné efemeridy, přesné hodiny družic, která je nutné modelovat pro účely PPP, patří například: 

modelování troposférické refrakce,



poloha fázového středu antény a relativní orientace antény vůči zdroji signálů,



relativistické členy,



modely precese a nutace osy Zemské rotace,



pohyb tektonických desek,



model plasticity Zemského tělesa (slapové síly, zatížení oceány a další).

!

Více o metodě PPP uvádí (Rizos, a další, 2012).

Metoda PPP patří k metodám absolutního určování polohy. Výsledná lokalizace je prováděná v globálním prostorovém referenčním rámci daného GNSS a je použitelná globálně „nezávisle“ na jakémkoliv jiném referenčním přístroji.

!

Nevýhodou metody je dlouhá doba inicializace v řádech 20 minut a více (Gao, 2006). V případě požadavku decimetrových přesností, je dále nutné používat dvou frekvenční přístroje, které jsou schopné generovat z observovaných fázových dat L1 a L2 nové datové produkty pomocí lineárních kombinací observovaných veličin (například tzv. ionosferic-free lineární kombinaci fázových měření), která umožní odstranit vlivu ionosféry z provedených měření. Metoda je v současnosti stále ve vývoji a je předmětem výzkumu. Historicky přehled vývoje, její přednosti a slabiny dobře shrnuje (Rizos, a další, 2012).

Poznámky:

331

Zpřesňování polohy a času určených metodou GNSS Otázka 10.1 Označte všechny správné odpovědi. Který z následujících výroků, popisující základní podmínky DGNSS, je pravdivý? a) b) c) d) e) f)

?

Měření se provádí minimálně se dvěma GNSS přístroji. Měření probíhá na všech přístrojích ve stejných epochách. Měření se provádí minimálně se třemi GNSS přístroji. Vzdálenost mezi všemi přístroji není limitovaná. Měření všech přístrojů musí probíhat ke stejným družicím. Při měření musí být poloha jednoho z přístrojů známa s dostatečnou přesností.

Otázka 10.2 Označte jednu správnou odpověď. Co znamená relativní určování polohy v GNSS?

?

a) Přistroj, po provedení výpočtu své polohy, získá sadu souřadnic [λ, ϕ, h]. b) Přístroj, po provedení výpočtu své polohy, získá relativní polohu vyjádřenou vektorem vůči počátku prostorového referenčního systému. c) Přístroj, po provedení výpočtu své polohy, získá relativní polohu vyjádřenou vektorem vůči referenční stanici.

Poznámky:

332

Zpřesňování polohy a času určených metodou GNSS Otázka 10.3 Označte jednu správnou odpověď. Co znamená absolutní určování polohy v GNSS?

?

a) Přistroj, po provedení výpočtu své polohy, získá sadu souřadnic [λ, ϕ, h]. b) Přístroj, po provedení výpočtu své polohy, získá relativní polohu vyjádřenou vektorem vůči počátku prostorového referenčního systému. c) Přístroj, po provedení výpočtu své polohy, získá relativní polohu vyjádřenou vektorem vůči referenční stanici.

Otázka 10.4 Označte všechny správné odpovědi. V čem se liší korekce post-processingem a v reálném čase?

?

a) Korekce v reálném čase je možné používat jen mezi jedním přístrojem base a jedním přístrojem rover. Zatímco korekce post-processingem je možné používat mezi jedním přístrojem base a mnoha přístroji rover. b) Metoda post-procesign umožňuje aplikovat opravy měření až po dokončení měření v terénu. Zatímco real-time korekce jsou aplikovány přímo na měření v terénu. c) Pokud budeme porovnávat jednu metodu sběru dat, pak aplikace real-time korekcí dosahuje lepších výsledků (vyšší polohovou přesnost), než aplikace korekcí post-processingem. d) Pokud budeme porovnávat jednu metodu sběru dat, pak aplikace korekcí postprocessingem dosahuje lepších výsledků (vyšší polohovou přesnost) než aplikace real-time korekcí.

Poznámky:

333

Zpřesňování polohy a času určených metodou GNSS Otázka 10.5 Spojte odpovídající si pojmy v prvním a druhém sloupci. Jaké jsou základní charakteristiky OSR a SSR přístupů k modelování chyb měřené pseudovzdáleností? Vyber z nabízených možností. 1) OSR Observation Space Representation 2) SSR State Space Representation

a) Modeluje relevantní chyby měření pseudovzdálenosti odděleně. b) Nevyžaduje žádné speciální postupy pro aplikací korekcí na straně uživatelova přístroje (rover). c) Vyžaduje specializované přístup pro aplikací korekcí na straně uživatelova přístroje (rover). d) Modeluje celkovou chybu pseudozdálenosti a nerozlišuje její jednotlivé složky. e) Je spojená se sítěmi permanentních referenčních stanic. f) Přístup je vhodný pro krátké základny.

Otázka 10.6 Označte všechny správné odpovědi. Které výroky platí pro chybu hodin družic? a) b) c) d)

?

?

Postihuje kódová i fázová měření všech uživatelů stejně. Velmi špatně se modeluje. Lze ji eliminovat metodou DGNSS. Nelze ji eliminovat metodou DGNSS.

Poznámky:

334

Zpřesňování polohy a času určených metodou GNSS Otázka 10.7 Označte všechny správné odpovědi. Které výroky platí pro chybu efemerid při porovnání velikosti chyby mezi dvěma přijímači, které měří ke společné družici ve stejném čase?

?

a) Poloha (chyba polohy) družice se jeví přijímačům v absolutním vyjádření stejně. I přijímačům se jeví chyba v poloze družice stejně, bez ohledu na relativní polohu vůči družici. b) Poloha (chyba polohy) družice se jeví přijímačům v absolutním vyjádření stejně, ale přijímače jsou chybou v poloze družice postihnuty různě, v závislosti na relativní poloze vůči družici. c) Při velkých velikostech základny je chyba efemerid velmi vysoká a proto závažně snižuje přesnost DGNSS.

Otázka 10.8 Označte všechny správné odpovědi. Které výroky platí pro chybu troposféry při porovnání velikosti chyby mezi dvěma přijímači?

?

a) Na krátkých základnách může být dekorelace troposférického zpoždění vysoká. b) Dekorelace chyby mezi dvěma stanicemi je větší v horizontálním směru, než ve vertikálním směru. c) Dekorelace chyby mezi dvěma stanicemi je obvykle menší v horizontálním směru, než ve vertikálním směru. d) Frontální rozhraní a ani rozhraní mezi pevninou a oceány nezpůsobuje skokové změny v dekorelaci chyby mezi dvěma stanicemi.

Poznámky:

335


Otázka 10.9 Označte jenu správnou odpověď. Který výrok platí pro korelaci chyb šumu a vícecestného šíření signálu mezi dvěma přijímači?

?

a) Chyby jsou časoprostorově korelované. b) Chyby nejsou časoprostorově korelované. c) Šum přístroje je nekorelovaný mezi jednotlivými přijímači, ale vícecestné šíření signálů je silně korelované. d) Šum přístroje je slabě korelovaný mezi jednotlivými přijímači, ale vícecestné šíření signálů je silně nekorelované.

Poznámky:

336

Zpřesňování polohy a času určených metodou GNSS Otázka 10.10 Spojte odpovídající si pojmy v prvním a druhém sloupci. Přiřaďte výroky, které nejlépe popisují uvedené typy korekcí. 1) 2) 3) 4)

Single Base Wide Area DGNSS Síťové VRS Síťové MAC

?

a) Korekce jsou typu OSR i SSR. Jsou generované na základě sítě referenčních stanic s operačním centrem. Umožňují pokrývat velké oblasti o rozloze kontinentů korekcemi se sub-metrovou přesností určení polohy. Systémy SBAS jsou jejich odnoží, která vypočtené korekce posílá uživatelům prostřednictvím družic. b) Používají se v RTK sítích, kde se používá SSR přístup k modelování chyb. Jedna ze stanic sítě (hlavní) odvysílá plnou sadu korekčních parametrů včetně své polohy na rover. Ostatní stanice sítě vysílají jen rozdílové hodnoty k hodnotám hlavní stanice. To umožňuje uspořit objem přenášených dat. Přístup přenáší část výpočetní zátěže na rover. c) Korekce jsou nejčastěji typu OSR. Používají se pro relativní i absolutní určování polohy na krátkých základnách. Jsou historicky nejstarší a vyžaduji pouze dva GNSS přístroje (base, rover). d) Používají se v RTK sítích referenčních stanic s operačním centrem. Korekce jsou typu OSR a jsou pro fiktivní referenční stanici. Nepřenáší na přijímač rover, žádnou extra výpočetní zátěž.

Poznámky:

337

Klíč

Klíč Otázka 1.1 Otázka 1.2 Otázka 2.1 Otázka 2.2 Otázka 2.3 Otázka 2.4 Otázka 2.5 Otázka 2.6 Otázka 2.7 Otázka 2.8 Otázka 2.9 Otázka 2.10 Otázka 2.11 Otázka 2.12 4-b Otázka 3.1 Otázka 3.2 Otázka 3.3 Otázka 3.4 Otázka 3.5 Otázka 3.6 Otázka 3.7 Otázka 3.8 Otázka 3.9 Otázka 3.10 Otázka 3.11 Otázka 3.2 Otázka 4.1 Otázka 4.2

Otázka 4.3 Otázka 4.4 Otázka 4.5

a, c, d 1-d, 2-a, 3-b, 4-c c d 1-c, 2-b, 3-a 1-b, 2-a 1-b, 2-c, 3-a, 4-d viz strana 35 c a, b, d, e, f b, c, e, g viz strana 40 viz strana 50 1-b, 2-d, 3-a, a, b, c, e, f, g c, e, g c 1-d, 2-c, 3-b, 4-a c b 2-a, 3-b a, d a a a, c, e, f a 1-c, 2-a, 3-b, 4-d 32 , 6, 4, MEO, 1h 58 minut, 6, 13 b b, c a-2-B(C), b-3-A, c-1-C(B)

Otázka 4.6 Otázka 4.7 Otázka 4.8 Otázka 4.9 Otázka 4.10 Otázka 4.11 Otázka 4.12 Otázka 4.13 4-b, 5-d Otázka 4.14 Otázka 5.1 Otázka 5.2

Otázka 5.3 Otázka 5.4 Otázka 5.5 Otázka 5.6 Otázka 8.1 Otázka 8.2 Otázka 8.3 Otázka 8.4 Otázka 8.5 Otázka 8.6 Otázka 8.7 Otázka 8.8 Otázka 8.9 Otázka 8.10

Otázka 8.11 Otázka 9.1

e viz strana 106 1-c, 2-b, 3-a a b 1-b, 2-a 1-f, 2-e, 3-a, c 1-c, 2-a, 3-d, 4-b 29, 3, 7, 11h 15 min, GEO,6 viz strana 156 1-b, 2,-c, 3-a c c 1-a, b, e, f, 2- c, d b, e 1-a, 2-d, 3-c, 4-b a, d, f 1-c, 2-b, 3-d, 4-a d, e e, d, b (g), c, g (b),f, a b, c, f a, c, e, f 1- b, f 2-a, c, d, f 3-e, f b, c 1-b, d, e, f, g, h, j 2-i, d 3-c 4-a



Otázka 9.8 Otázka 9.9 Otázka 9.10 Otázka 9.11 Otázka 9.12 Otázka 9.13

Otázka 9.14 Otázka 9.15

Otázka 10.1 Otázka 10.2 Otázka 10.3 Otázka 10.4 Otázka 10.5 Otázka 10.6 Otázka 10.7 Otázka 10.8 Otázka 10.9 Otázka 10.10

b, d c, d 1-a, c, d 2-c 3-b, c b b d (Safety of Life) b, d, e, f, g, c, d, e b, d, e, f c a 1-g, 2-a, 3- c, 4-e, 5-d, 6-f 1-e, 2-a, 3-b, 4-c, 5-d 1-c, 2-a, d, f, 3-a, 4-a, e, f, 5-c, 6-f, 7-a, f, 8-c a, b, e, f c a b, d 1-b, d, f 2- a, c, e a, c b a, c b 1-c, 2-a 3-d, 4-b

338

Seznam literatury

Seznam literatury Altshuler Edward. E. a Kalaghan Paul M. Corrections for Tropospheric Range Error for the Navstar GPS [Referát] = AD-786 928 / Air Force Cambridge Research Laboratories. [místo neznámé] : National Technical Information Service U. S. DEPARTMENT OF COMMERCE, 1974. Betz John W. a Goldstein David B. Candidate Designs for an Additional Civil Signal in GPS Spectral Bands [Kniha]. - San Diego, CA : MITRE Corporation, 2002. BKG About NTRIP [Online] // GNSS Data Center. - The Federal Agency for Cartography and Geodesy (BKG), 2014. - 23. 4 2014. - http://igs.bkg.bund.de/ntrip/about. Boucher C. a Atamimi Z. Memo: Specification for reference frame fixing in the analysis of EUREF GPS campaign. [Online]. - 2011. - http://etrs89.ensg.ign.fr/memo-V8.pdf. CelesTrak NORAD Two-Line Element Sets Current Data [Online] // CelesTrak . - CelesTrak , 14. 4 2014. - 24. 4 2014. - http://celestrak.com/NORAD/elements/. CENDI Practical Navigation Principles [Online] // Private Pilot Ground School. - 2006. - 1. 4 2014. - http://www.free-online-private-pilot-ground-school.com/navigation-principles.html. Ciavaglia Luca GALILEO [Kniha]. - 2013. - str. 26. CNES, ESA a European Commission User Guide for EGNOS Application Developer. 2009. CSNO BeiDou Navigation Satellite System Signal In Space Interface Control Document Open Service Signal (Version 2.0) [Kniha]. - [místo neznámé] : China Satellite Navigation Office, 2013. Dale DePriest NMEA data [Online] // Index of Dale DePriest's Navigation and GPS Articles. - 2006. - 12. 12 2013. - http://www.gpsinformation.org/dale/nmea.htm. Danchik Robert J. An Overview of Transit Development [Článek] // JOHNS HOPKINS APL TECHNICAL DIGEST. - 1998. - 1 : Sv. 19. - stránky 18-26. DMA Chapter VI SATELLITE GEODESY [Online] // GEODESY FOR THE LAYMAN. 16. 3 1984. 1. 4 2014. https://www.ngs.noaa.gov/PUBS_LIB/Geodesy4Layman/TR80003D.HTM. DoD Coverage of Atlantic Ocean LORAN-C chains as in 2006 [obrázek]. - [místo neznámé] : DoD General Planning, 6. 6 2006. DoD Global Positioning System - Standard Positioning Service Signal Specification [Kniha]. - [místo neznámé] : DoD, 1995. - 2 : str. 51. DoD Global Positioning System - Standard Positioning Service Signal Specification [Kniha]. - 2001.

339

Seznam literatury DoD Global Positioning System Standard Positionin Service Performance Standard [Online] // GPS.gov. - September 2008. - 2. 7 2013. - http://www.gps.gov/technical/ps/2008SPS-performance-standard.pdf. DoD Global Postitioning System - Precise Positioning Service Performance Standard [Kniha]. - Washington : DoD, 2007. ESA Galileo Fixes Europe's Position in History [Online] // ESA navigation. - ESA, 12. 3 2013. 25. 4 2014. http://www.esa.int/Our_Activities/Navigation/Galileo_fixes_Europe_s_position_in_history. ESA GALILEO Ground Segment [Online] // Navipedia. - ESA, 7. 12 2013. - 29. 12 2013. http://www.navipedia.net/index.php/GALILEO_Ground_Segment. ESA Galileo Services [Online] // Navipedia. - ESA, 17. 12 2013. - 3. 4 2014. http://www.navipedia.net/index.php/Galileo_Services. ESA GLONASS Services [Online] // Navipedia. - ESA, 23. 2 2012. - 3. 4 2014. http://www.navipedia.net/index.php/GLONASS_Services. ESA GPS Services [Online] // Navipedia. - ESA, 7. 12 2013. - 3. 4 2014. http://www.navipedia.net/index.php/GPS_Services. ESA GPS Signal Plan [Online] // Navipedia. - ESA, 10. 1 2014. - 1. 4 2014. http://www.navipedia.net/index.php/GPS_Signal_Plan. ESA Integrity [Online] // Navpedia. - ESA, http://www.navipedia.net/index.php/Integrity.

16.

12

2013. -

3.

4

2014. -

ESA Reference Systems and Frames [Online] // Navipedia. - ESA, 10. 1 2014. - 3. 4 2014. http://www.navipedia.net/index.php/Reference_Systems_and_Frames. EU European GNSS (Galileo) Open Service - Signal In Space Interface Control Document [Kniha]. - [místo neznámé] : EU, 2010. EU, ESA Galileo Mission High Level Definition [Kniha]. - [místo neznámé] : EU, 2002. Gao Yang GNSS Solutions: Precise Point Positioning and Its Challenges [Článek] // InsideGNSS. - November/December 2006. - stránky 16-18. Gendt G. [a další] GGSP: Realisation and maintenance of the Galileo Terrestrial Reference Frame [Konference] // Advances in Space Research. - [místo neznámé] : Elsevier Ltd., 2011. Sv. 47. - stránky 174-185. GlobalSecurity.org GPS III / GPS Block III GlobalSecurity.org, 2014. 1. http://www.globalsecurity.org/space/systems/gps_3.htm.

[Online] //

GlobalSecurity.org. 4 2014. -

GlobaSecurity.org Beidou (Big Dipper / COMPASS) [Online] // GlobaSecurity.org. GlobaSecurity.org, 18. 12 2013. 1. 1 2014. http://www.globalsecurity.org/space/world/china/beidou.htm.

340

Seznam literatury GPS.gov Control Segment [Online] // GPS.gov. - National Coordination Office for SpaceBased Positioning, Navigation, and Timing., 31. 1 2014. - 8. 4 2014. http://www.gps.gov/systems/gps/control/. Gruber Bernie GPS Modernization and Program Update [Referát]. - Munich : Munich Satellite Navigation Summit, 2011. Guier William a Weiffenbach George C. Genesis of Satellite Navigation [Článek] // JOHNS HOPKINS APL TECHNICAL DIGEST. - 1998. - 1 : Sv. 19. - stránky 14-17. Hilla Steve The Extended Standard Product 3 Orbit Format (SP3-c). - Silver Spring : NOAA, 2010. Hofmann-Wellenhof Bernhard, Lichtenegger Herbert a Wasle Elmar GNSS – Global Navigation Satellite Systems GPS, GLONASS, Galileo, and more [Kniha]. - Wien : SpringerVerlag Wien, 2008. - str. 546. - ISBN 9783211730126. Chong Cao Status of COMPASS/BeiDou Development [Referát]. - Stanford : China Technical Application Association for GPS, 2009. IERS Standard (1989) WG IERS Technical Note 3 [Konference]. - Paris : Central Bureau of IERS, 1989. Ifland Peter The History of the Sextant [Online]. - 3. October 2000. - 30. 12 2013. http://www.mat.uc.pt/~helios/Mestre/Novemb00/H61iflan.htm. IGS IGS Products [Online] // IGS. http://igs.org/components/prods.html.

IGS,

9.

4

2013. -

16.

12

2013. -

IGS, RINEX WGP, RTCM-SC104 RINEX The Receiver Independent Exchange Format Version 3.02. - [místo neznámé] : IGS, RINEX WGP, RTCM-SC104 ; IGS and RTCM, 2013. JPO INTERFACE SPECIFICATION Navstar GPS Space Segment/Navigation User Interfaces [Kniha]. - California : ARINC Engineering Services, 2004. - str. 207. Kaplan D. Elliot a Christopher J. Hegarty Understanding GPS: principles and applications. [Kniha]. - Boston | London : Arctech House, Inc, 2005. - 2dn : str. 726. - ISBN: 1-58053-8940. NAVCEN DEFINITION OF A SEM ALMANAC [Online] // U.S. Coast Guard Navigation Center - NAVCEN. - U.S. Coast Guard Navigation Center - NAVCEN, 17. 3 2011. - 24. 4 2014. - http://www.navcen.uscg.gov/?pageName=gpsSem. NAVCEN DEFINITION OF A YUMA ALMANAC [Online] // U.S. Coast Guard Navigation Center - NAVCEN. - U.S. Coast Guard Navigation Center - NAVCEN, 26. 7 2011a. - 24. 4 2014. - http://www.navcen.uscg.gov/?pageName=gpsSem. NAVCEN Missionn and Vision Statement [Online] // Navigation Center - The Navigation Center of Excelence. - U.S. Coast Guard Navigation Center, 2014. - 7. 4 2014. http://www.navcen.uscg.gov/?pageName=missionStatement. NIMA National Imagery and Mapping Agency Technical Report 8350.2. [Kniha]. - St. Louis MO : NIMA, 2000. - str. 175.

341

Seznam literatury Olynik M. [a další] Temporal Variability of GPS Error Sources and Their Effect on Relative Positioning Accuracy [Referát] / Department of Geomatics Engineering ; University of Calgary. - San Diego, CA : [autor neznámý], 2002. - str. 12. Pace Scott [a další] The Global Positioning System Assessing National Policies [Kniha]. Santa Monica : RAND Critical Technologies Institute, 1995. - str. 395. - 0-8330-2349-7. Peck Douglas T. The History of Early Dead Reckoning and Celestial Navigation: Empirical Reality Versus Theory [Referát]. - 2003. - str. 18. Rapant Petr Družicové polohové systémy [Kniha]. - Ostrava : VŠB-TU Ostrava, 2002. - str. 202. - ISBN 80-248-0124-8. Retscher Günther Analysis of the System Performance of LADGPS and WADGPS Services in Europe [Článek] // Journal of Geospatial Engineering. - [místo neznámé] : Journal of Geospatial Engineering, 2001. - Sv. 3. Revnivykh Sergey GLONASS Status and Modernization [Referát]. - Beijing : International GNSS Committee IGC-7, 2012. RIANOVOSTI Russia to lift Glonass restrictions for accurate civilian use [Online] // RIANOVOSTI. RIA Novosti, 13. 11 2006. 16. 4 2014. http://en.ria.ru/russia/20061113/55588641.html. RIOSDE Global Navigation Sattelite System Glonass - Interface Control Document Navigational radiosignal [Kniha]. - Moscow : Russian Institute of Space Device Engineering, 2008. Rizos Chris [a další] Precise Point Positioning: Is the Era of Differential GNSS Positioning Drawing to an End? [Referát]. - Rome : [autor neznámý], 2012. - str. 17. Rizos Chris a Han Shaowei Reference Station Network Based RTK Systems - Concepts and Progress [Referát]. - 2000. Rosetti Calin GPS Timeline [Online] // Virtual Archive of Wild Heerbrugg. - Wild Heerbrugg AG, 2014. - 5. 4 2014. - http://www.wild-heerbrugg.com/gps_timeline.htm. RTCM The Radio Technical Commission for Maritime Services [Online] // The Radio Technical Commission for Maritime Services. - The Radio Technical Commission for Maritime Services, 2014. - 23. 4 2014. - http://www.rtcm.org/. SOPAC Hatanaka and RINEX Format Information [Online] // SOPAC. - SOPAC, 2013. - 24. 4 2014. - http://sopac.ucsd.edu/dataArchive/hatanaka.html. Thielmann Edgar The European GNSS Programmes EGNOS and Galileo [Referát]. - Turin : Directorate-Genral for Enterprise and Industry, 2010. UNACO BINEX [Online] // UNAVCO. - UNAVCO, 16. 2 2011. - 24. 4 2014. http://binex.unavco.org/binex.html. Vdovin Vladimir Global Navigation Satellite System - GLOBAL GEOCENTRIC COORDINATE SYSTEM of the RUSSIAN FEDERATION [Referát]. - Beijing : International Committee on Global Navigation Satellite Systems, 2012.

342

Seznam literatury Veřtát Ivo Rádiové určení polohy. - Plzeň : [autor neznámý], 2009. Ward P. W. GPS Reciever RF Interfrence Monitoring, Mitigation, and Analysis Techniques [Článek] // NAVIGATIO: Journal of The Institute of Navigation. - 1994-1995. - 4 : Sv. 41. stránky 367-391. Wikipedia Beidou Navigation Satellite System [Online] // Wikipedia. - Wikipedia, 2. 12 2013. - 1. 1 2014. - http://en.wikipedia.org/wiki/Beidou_Navigation_Satellite_System. Wikipedia History of GLONASS [Online] // Wikipedia. - Wikipedia, 31. 10 2013. - 12. 3 2014. - http://en.wikipedia.org/wiki/History_of_GLONASS. Wikipedia LORAN [Online] // Wikipedia. - Wikipedia, 1. 12 2013. - 1. 4 2014. http://en.wikipedia.org/wiki/LORAN. Wikipedia Transit (satellite) [Online] // Wikipedia. - Wikipedia, 1. 30 2014. - 1. 4 2014. http://en.wikipedia.org/wiki/Transit_%28satellite%29. Worth Helen E. a Warren Mame TRANSIT Tomorrow [Kniha]. - Whitney : JHU/APL, 2009. - ISBN 0-978-0-615-33024-2. Yan Thomas GNSS Data Protocols: Choice and Implementation [Referát]. - Australia : IGNSS, 2006.

343

Autor

Ing David Vojtek, Ph,D.

Název

Globální navigační a polohové systémy

Vydavatel

VŠB-TU Ostrava

Rozsah

357 stran

Rok

2014

Copyright

© David Vojtek, 2014

Zdroj financování

Financováno z projektu CZ.1.07/2.2.00/28.0308 Inovace bakalářských a magisterských studijních oborů na Hornicko-geologické fakultě VŠB-TUO, spolufinancovaného Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava Hornicko-geologická fakulta GLOBÁLNÍ NAVIGAČNÍ A POLOHOVÉ SYSTÉMY. David VOJTEK

Recommend Documents