Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií

APLIKÁCIE NAVIGAČNÝCH SATELITNÝCH SYSTÉMOV PRI MONITOROVANÍ ŽIVOTNÉHO PROSTREDIA

Rastislav TOMČÍK

2007

APLIKÁCIE NAVIGAČNÝCH SATELITNÝCH SYSTÉMOV PRI MONITOROVANÍ ŽIVOTNÉHO PROSTREDIA

DIPLOMOVÁ PRÁCA Rastislav TOMČÍK ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií Študijný odbor: TELEKOMUNIKÁCIE Vedúci diplomovej práce: Ing. Július KOTOČ Stupeň kvalifikácie: inžinier (Ing.) Dátum odovzdania diplomovej práce: 18. máj 2007

ŽILINA 2007

ABSTRAKT Práca opisuje globálne navigačné systémy a ich využitie v oblasti monitorovania životného prostredia. V úvodných častiach som sa zaoberal rozdelením globálnych navigačných systémov, určovaním polohy a systémom včasného varovania, v ďalších kapitolách komunikačným riešením pri monitorovaní pomocou globálnych navigačných systémov s využitím sieťových aplikácií. Taktiež poukazujem na technické aspekty monitorovania veľkorozmerných konštrukcií. Na záver je opísaný konkrétny prípad monitorovania pomocou globálneho navigačného systému a celkové zhodnotenie tohto systému.

Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta Univerzitná knižnica ANOTAČNÝ ZÁZNAM – DIPLOMOVÁ PRÁCA

Meno a priezvisko: Rastislav TOMČÍK

Školský rok: 2006/2007

Názov práce: Aplikácie navigačných satelitných systémov pri monitorovaní životného prostredia

Počet strán: 64

Počet obrázkov: 25

Počet tabuliek: 1

Počet grafov: -

Počet príloh: 2

Použ. lit.: 22

Anotácia v slovenskom jazyku: Diplomová práca sa zaoberá využitím globálnych navigačných systémov pri monitorovaní deformácií a ich lokalizácie. Taktiež sa zaoberá prenosom opravných korekcií z GPS prijímača do kontrolného centra pomocou internetu. Na záver je popísaný a zhodnotený systém sledovania pohybu zvierat pomocou GPS modulu.

Anotácia v anglickom jazyku: This diploma work deals with the exploitation of global navigation system for deformation monitoring and their localization. It also deals with the correction data transfer from GPS to control center using the internet. In the end, a monitoring system of wild using GPS module is described and evaluated.

Kľúčové slová: GNSS, GPS, referenčná stanica, RTCM, NTRIP, RTK, VRS, GPS modul

Vedúci diplomovej práce: Ing. Július KOTOČ Recenzent: Dátum odovzdania práce: 18. máj 2007

OBSAH

OBSAH ZOZNAM OBRÁZKOV A TABULIEK ............................................................................ V ZOZNAM SKRATIEK A SYMBOLOV.......................................................................... VI SLOVNÍK TERMÍNOV .................................................................................................VIII 1. ÚVOD ...............................................................................................................................1 2. GNSS.................................................................................................................................3 2.1 NAVSTAR GPS ..........................................................................................................3 2.1.1 Základné segmenty ..............................................................................................3 2.1.2 Signály vysielané družicami GPS ........................................................................6 2.1.3 GPS prijímač........................................................................................................8 2.1.3.1 Kalmanov filter a jeho matematický model ...............................................10 2.1.4 Faktory ovplyvňujúce presnosť GPS systému..................................................12 2.1.5 Opatrenia na dosiahnutie vysokej presnosti .....................................................15 2.2 Diferenčný GPS ........................................................................................................15 2.3 GLONASS.................................................................................................................16 2.3.1 Základné segmenty systému ..............................................................................16 2.4 Navigačný systém GALILEO...................................................................................17 2.4.1 Definícia systému ...............................................................................................18 2.4.2 Vývoj systému ....................................................................................................18 2.4.3 Rozmiestnenie a komerčná prevádzka..............................................................19 2.4.4 Architektúra systému ........................................................................................19 2.4.5 Globálny komponent..........................................................................................19 2.4.6 Lokálny komponent ...........................................................................................20 2.4.7 Družice Galilea...................................................................................................21 2.4.8 Služby systému ...................................................................................................21 3. MONITOROVANIE POMOCOU GNSS......................................................................23 3.1 Systémy včasného varovania ....................................................................................24 3.2 Určovanie priestorovej polohy .................................................................................26 3.2.1 Určovanie absolútnej polohy .............................................................................27 3.2.2 Určovanie diferenčnej (relatívnej) polohy ........................................................28 3.2.2.1 Postprocessing .............................................................................................28 3.2.2.2 RTK .............................................................................................................28 3.3 Základné princípy merania ......................................................................................30 3.3.1 Kódové meranie .................................................................................................30 3.3.2 Fázové meranie ..................................................................................................30 3.3.3 Dopplerovské meranie .......................................................................................31 3.4 Referenčné stanice ....................................................................................................31 3.4.1 Referenčná stanica Trimble R8.........................................................................32 3.5 Metóda VRS (virtuálne referenčné stanice).............................................................34 3.6 Sieť referenčných staníc DGPS................................................................................37 3.6.1 Európska sieť referenčných staníc EUREF......................................................39 3.6.2 SKPOS: Slovenská priestorová observačná služba využitia signálov GNSS...39 4. KOMUNIKAČNÉ RIEŠENIE GPS S VYUŽITÍM SIEŤOVÝCH APLIKÁCIÍ.........41 4.1 Protokoly využívané navigačnými systémami .........................................................41 4.1.1 Protokol RTCM .................................................................................................41 4.1.2 Protokol RINEX.................................................................................................42 4.1.3 Protokol NMEA .................................................................................................43 4.1.4 Internetový protokol NTRIP .............................................................................43 ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

III

OBSAH

4.1.4.1 Komunikácia NtripServer - NtripCaster ...................................................45 4.1.4.2 Komunikácia NtripCaster - NtripClient ....................................................45 4.1.4.3 Zdrojová tabuľka SOURCE-TABLE.........................................................46 4.2 Sieťový prenos protokolu RTCM cez Internet protokol NTRIP............................47 5. SYSTÉM SLEDOVANIA POHYBU ZVIERAT ..........................................................49 5.1 Popis sledovacieho systému ......................................................................................50 5.2 Popis zariadenia SLSYS ...........................................................................................51 5.2.1 GPS modul .........................................................................................................52 5.2.2 GSM modul ........................................................................................................53 5.2.3 Riadiaci mikrokontrolér ....................................................................................54 5.2.4 Snímač aktivity...................................................................................................54 5.2.5 Antény ................................................................................................................56 5.3 Zhodnotenie systému ................................................................................................56 6. MONITOROVANIE VEĽKOROZMERNÝCH KONŠTRUKCIÍ..............................57 6.1 GPS anténový systém na priehrade Xiaowan..........................................................57 6.1.1 Popis systému .....................................................................................................58 6.1.2 Realizácia ...........................................................................................................60 6.1.3 Zhodnotenie systému .........................................................................................61 7. ZÁVER ...........................................................................................................................62 8. ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY.........................................................................63

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

IV

ZOZNAM OBRÁZKOV A TABULIEK

ZOZNAM OBRÁZKOV A TABULIEK OBR. 2.1

Obežné dráhy satelitov

OBR. 2.2

Riadiaci segment GPS

OBR. 2.3

Schéma odvodzovania frekvencií jednotlivých signálov GPS

OBR. 2.4

Štruktúra navigačnej správy

OBR. 2.5

Štruktúra GPS prijímača

OBR. 2.6

Ukážka rezu objemu vymedzenými guľovými plochami pri dobrej a zlej geometrii usporiadania družíc

OBR. 3.1

Určovanie priestorovej polohy

OBR. 3.2

Štruktúra klasickej DGPS referenčnej stanice

OBR. 3.3

Integrovaná RTK/PP zostava značky Trimble, model R8

OBR. 3.4

Prenosná kontrolná jednotka (poľný počítač) ACU pre GPS RTK/PP

OBR. 3.5

Interná GSM SIM karta integrovaná v GPS RTK prijímači, model R8

OBR. 3.6

Koncept virtuálnej referenčnej stanice

OBR. 3.7

Sieťový náčrt VRS

OBR. 3.8

Prenos NMEA správy z VRS do sieťového servera

OBR. 3.9

Korekčný sieťový prenos RTCM správy do VRS

OBR. 3.10

Rozmiestnenie SKPOS referenčných staníc

OBR. 4.1

Schéma systému Ntrip

OBR. 4.2

Štruktúra správy NtripServer

OBR. 4.3

Štruktúra správy NtripClient

OBR. 4.4

Prenos RTCM korekcií cez Internet

OBR. 4.5

Profesionálny koncept Ntrip DGNSS služieb

OBR. 5.1

Sledovací systém

OBR. 5.2

Bloková schéma zariadenia

OBR. 5.3

Pohľad zdola na snímač aktivity a jeho orientácia meracieho rozsahu

OBR. 6.1

GPS anténový systém pri monitorovaní deformácií

TAB. 5.1

Presnosť lokalizácie

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

V

ZOZNAM SKRATIEK A SYMBOLOV

ZOZNAM SKRATIEK A SYMBOLOV Skratka

Anglický (ruský) význam

ACU CMR

Attachable Control Unit Compact Measurement Record

CPU CSD DGNSS DGPS DOP EDGE EGNOS ESA ETC ETRS 89 EUREF FMA GDOP GIS GMAS GLONASS GNSS GPRS GSM HDOP HTTP HLD IP MCU

Slovenský význam

Pripojiteľná kontrolná jednotka Kompaktný vymeriavací záznam Control & Display Unit Riadiaca a zobrazovacia jednotka Circuit Switched Data Prenos dát s prepojovaním okruhov Differential Global Navigation Diferenciálny globálny Satellite System navigačný satelitný systém Differential Global Positioning Diferenciálny globálny System polohový systém Dilution of Precision Faktor zníženia presnosti Enhanced Data Rates for GSM Zvýšené prenosové rýchlosti Evolution pre globálny (GSM) vývoj European Geostationary Európska geostacionárna Navigation Overlay Service rozšírená navigačná služba European Space Agency Európska vesmírna agentúra European Transport Council Dopravná európska rada European Terrestrial Reference Európsky terestriálny System 1989 referenčný systém 1989 European Reference Frame Európsky priestorový referenčný systém Failure Modes Analysis Poruchová módová analýza Geometric Dilution of Precision Faktor geometrického zníženia presnosti Geographic Information Geografické informačné Systems systémy GPS Multiple Antenna Switch GPS viacnásobný prepínač antén Globalnaja navigacionnaja Globálny navigačný satelitný satelitnaja sistema systém Global Navigation Satellite Globálny navigačný satelitný System systém General Packet Radio Service Všeobecná paketová rádiová služba Global System for Mobile Globálny systém mobilnej komunikácie Horizontal Dilution of Precision Faktor horizontálneho zníženia presnosti Hyper Text Transfer Protocol Protokol na výmenu hypertextových dokumentov High Level Mission Definition Úlohy vysokej priority Internet Protocol Internetový protokol Measurement Control Units Jednotky kontrolných meraní

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

VI

ZOZNAM SKRATIEK A SYMBOLOV

NAVSTAR NMEA

NTRIP OTF PDOP PP PPP PPS RF RINEX RPU RTCM RTK SIM SMS SPS SKPOS

S-JTSK TDOP TTFF TCP UMTS VDOP VHF VRS WGS-84 WAAS

Navigation Satellite Timing and Ranging National Marine Electronics Association

Oficiálny názov používaný vládou USA pre systém GPS Komunikačný protokol pre prenos dát z GPS do iného elektronického zariadenia Networked Transport of RTCM Sieťový transport protokolu via Internet Protocol RTCM cez Internet protokol On the Fly Spôsob inicializácie ambiguít počas pohybu Position Dilution of Precision Faktor polohového zníženia presnosti Postprocessing Následné spracovanie Point to Point Protocol Protokol pre komunikáciu typu z bodu do bodu Precise Positioning Service Presná polohová služba Radio Frequency Rádiový signál Receiver Independent Exchange Protokol výstupných údajov Format geografických prijímačov Receiver & Processor Unit Navigačný počítač Radio Technical Commission Rádio – technická komisia pre for Maritime Service námorné služby Real Time Kinematics Výpočet polohy v danom okamihu Subscriber Identity Module Karta slúžiaca na identifikáciu účastníka mobilnej siete Short Message Service Krátka textová správa Standard Positioning Service Štandardná polohová služba Slovenská priestorová observačná služba využitia signálov GNSS Štátna jednotná trigonomická katastrálna sieť Time Dilution of Precision Faktor časového zníženia presnosti Time-To-First-Fix Požiadavka na čas pre určenie prvého fixu Transmission Control Protocol Komunikačný protokol transportnej vrstvy Universal Mobile Telephone Univerzálny mobilný System telekomunikačný systém Vertical Dilution of Precision Faktor vertikálneho zníženia presnosti Very High Frequency Veľmi krátke vlny Virtual Reference Stations Virtuálne referenčné stanice World Geodetic System 1984 Svetová geodetická sústava 1984 Wide Area Augmentation Americký veľkoplošný System rozšírený systém

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

VII

SLOVNÍK TERMÍNOV

SLOVNÍK TERMÍNOV Ambiguita Neznámy počet celých vlnových dĺžok medzi družicou a prijímačom GNSS.

Azimut Horizontálny uhol, ktorý je možné definovať ako uhol medzi severnou vetvou miestneho poludníka a spojnice bod, kde stojím - zameraný bod. Azimut je meraný po smere hodinových ručičiek, nadobúda hodnoty od 0 do 360 stupňov.

Efemerida Vypočítaná poloha družice v danom čase, vysielaná užívateľovi v dátovej správe.

Internet Verejne dostupný celosvetový systém vzájomne prepojených počítačových sietí, ktoré prenášajú dáta pomocou prepínania paketov za použitia štandardizovaného Internet Protokolu (IP) a mnohých ďalších protokolov.

Modem Komunikačné zariadenie na prevod analógového signálu na digitálny a naopak. Názov vznikol spojením dvoch slov: modulátor a demodulátor.

Orbita Obežná dráha družice okolo Zeme.

Prijímač Zariadenie umožňujúce príjem rádiových signálov.

Protokol Súhrn postupov a pravidiel určujúcich činnosť výpočtového zariadenia alebo programového systému.

Referenčná stanica

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

VIII

SLOVNÍK TERMÍNOV

GPS prijímač umiestený v bode s presne známou polohou, ktorého programové vybavenie umožňuje sledovať všetky viditeľné družice a počítať pre ne korekčné údaje.

Rover Multikanálový a multifrekvenčný pohyblivý GNSS prijímač, anténa a rádiomodem integrovaný do jednej kompaktnej jednotky.

Satelit Umelá obežnica, družica.

Virtuálna referenčná stanica Ide o miesto, kde sa nemusí nachádzať žiadna skutočná referenčná stanica, ale o nezávisle zvolené miesto, napr. také, v ktorom sa aktuálne nachádza pohybujúci sa prijímač.

Zosilňovač Elektronická súčiastka, alebo sústava elektronických súčiastok, ktorých úlohou je zvýšiť amplitúdu premenlivého elektrického signálu.

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

IX

1. ÚVOD

1. ÚVOD Súčasné lokalizačné (zväčša geodetické) technológie na báze globálnych navigačných satelitných systémov (GNSS), terestrických laserových metód a digitálnej fotogrametrie umožňujú s milimetrovou presnosťou určovať polohové zmeny bodov na povrchu Zeme. Opakované merania GNSS prinášajú základné informácie o súčasnej kinematike zemského povrchu globálneho

a regionálneho

charakteru a vytvárajú podklad

pre tvorbu

geodynamických hypotéz v kontinentálnom a vnútroplatňovom meradle. Detailným monitoringom pomocou GNSS, podporeným aplikáciou terestrických geodetických metód, sa získava podklad pre lokálny výskum geologických faktorov životného prostredia, pre tvorbu modelov pretvorenia horninového prostredia, dynamiky pohybov skalných zárezov, štúdium vplyvu zvetrávania hornín a zmien režimov hladín podzemných vôd [22]. Geografické informačné systémy (GIS) sú prostriedkom integrácie, analyzovania a zobrazovania rôznych typov geografických a priestorových údajov. Tradičné riadiace informačné systémy (databázy) nie sú schopné analyzovať zdroje nachádzajúce sa v rozľahlých geografických oblastiach. GIS poskytuje jednoduchý integrovaný mechanizmus archivovania, analyzovania a mapovania priestorových informácií, teda informácií životne dôležitých pre také priemyselné odvetvia ako je napr. naftový priemysel, plynárenský priemysel, baníctvo, lesné hospodárstvo, železnice, pôdohospodárstvo, ako i pre vlastníkov pôdy, vrátane miestnych a regionálnych orgánov štátnej správy. Charakteristiky prenosových geografických informačných systémov s GPS, v ktorých je možné v reálnom čase presne určiť polohu objektov na zemi, môžu byť integrované do súboru dát GIS pomocou satelitných senzorov, komunikácia s ktorými sa zabezpečuje cez ručný vreckový prístroj. Pretože táto technológia je čím ďalej bežnejšia, dôjde v najbližších rokoch k vzrastu v zbere informácií o geopriestore. Technológia GPS využívaná v reálnom čase na palube lietadla sa môže použiť na letecké prieskumné práce, napr. v národných parkoch na zhotovovanie leteckých snímok s veľkou rozlišovacou schopnosťou s presnými informáciami o určení polohy. Využívajú sa počítačové stereotechnológie so špeciálnymi zariadeniami, ktoré pomáhajú generovať ortografické obrazy (digitálne obrazy ortogonálne preskenované) pomocou stereografie. Vykonáva sa tiež trojrozmerné modelovanie povrchu a vizualizácia pre účely štúdií o nebezpečných odpadoch.

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

1

1. ÚVOD

GPS sa používa i na určovanie súradníc prenosných povrchových prívodov vody a hraníc vodných nádrží. S cieľom čo najefektívnejšie vydávať regulačné povolenia v rámci rôznych environmentálnych programov sa GPS používa na zber súradníc zariadení a objektov, ktoré majú príslušné povolenie. Ide napríklad o podniky vypúšťajúce odpad do povrchových vôd, podzemných vôd, do ovzdušia, skladujúce nebezpečný odpad na mieste alebo v podzemných skladovacích cisternách. V budúcnosti by sa malo úsilie zamerať na získavanie informácií o polohe miest s aktuálnym vypúšťaním, ktoré môže nepriaznivo ovplyvniť štátne prírodné zdroje. Environmentálne monitorovacie programy využívajú GPS na získavanie súradníc pre monitorovacie stanice po celej krajine. Programy monitorovania stavu vody poskytujú súradnice vzorkových staníc v rámci jestvujúcej siete monitorovania kvality vody a z nich bude vytvorená nová sieť v hydrologickom prostredí. Programy ochrany proti žiareniu vykonávajú zber súradníc pre vzorkové stanice a monitorujú úroveň radiácie v rôznych vzdialenostiach od dvoch jadrových elektrární nachádzajúcich sa v krajine. Program prírodných zdrojov má zámer využívať GPS aj v lesnom hospodárstve, vrátane mapovania oblasti výskytu určitých druhov stromov. Programy ochrany ohrozených druhov budú vykonávať zber údajov o miestach výskytu ohrozených druhov, ako aj mapovanie oblastí s rozhodujúcim výskytom rastlín a zveri [1].

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

2

2. GNSS

2. GNSS GNSS (Global Navigation Satellite System) je organizačný koncept, ktorý by mal zaistiť spoluprácu GPS s ďalšími družicovými a pozemskými segmentami podporujúcimi všetky formy navigácie. V súčasnej dobe existujú dva družicové systémy, ktoré sú všeobecne a prakticky bez obmedzenia použiteľné vo väčšine odborov ľudskej činnosti: americký systém GPS a ruský systém GLONASS. Tretí systém - európsky Galileo - je vo fáze prípravy. Systém GPS je bezplatne prístupný každému, kto vlastní GPS prijímač [22].

2.1 NAVSTAR GPS Prvý existujúci systém na určovanie polohy a presného času NAVSTAR GPS bol vyvíjaný armádou USA od roku 1973. Prvá družica tohto systému bola vypustená v roku 1978 a spolu s ďalšími desiatimi slúžila na testovanie a prípravu systému. V roku 1995 bola dokončená operačná fáza systému, pozostávajúca z 24 družíc. Od tej doby sa udržiava v činnosti minimálne 24 družíc, obvykle však viacej. Podmienka je, aby v ktoromkoľvek čase a akomkoľvek mieste bolo možné prijímanie signálu z minimálne štyroch družíc. GPS bol pôvodne vyvíjaný armádou USA ako vojenský systém, avšak v roku 1981 bol sprístupnený v obmedzenej miere pre verejnosť. V roku 1983 bol použitý na riešenie prvých geodetických úloh. Od roku 1987 bola do koncepcie rozvoja systému zabudovaná požiadavka na vývoj nevojenských aplikácií. Obmedzenie pre civilný sektor spočívalo v tom, že bola úmyselne znížená presnosť určenia polohy, tzv. Selective Availability. Táto funkcia však bola zrušená 2. mája 2005, a odvtedy je možné plnohodnotne využívať signál GPS. GPS sa člení na tri základné segmenty: • vesmírny segment, • riadiaci segment, • užívateľský segment.

2.1.1 Základné segmenty Vesmírny segment

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

3

2. GNSS

Vesmírny segment tvoria družice, ktoré sú rozmiestnené nad povrchom Zeme vo výške približne 20 230 km. Nachádzajú sa v šiestich dráhových rovinách so sklonom i=55°. V každej dráhe sa nachádzajú štyri družice, v niektorých dráhach sa nachádza aj piata, tá slúži ako

aktívna záloha,

prípadne na

testovacie účely. Sklon dráh ku rovníku je 55°. Obežná doba družice je 12h hviezdneho času, to znamená, že rovnaká konfigurácia nastane po 11h58m slnečného dňa. Dráhy Obr. 2.1 Obežné dráhy satelitov [2]

družíc sú takmer kruhové, excentricita je rádu 0,01. Presnú časovú základňu vytvárajú rubídiové a céziové atómové normály, ktoré sú umiestnené na družiciach. Základná frekvencia je 10,23 MHz, a z nej sa odvádzajú dve nosné frekvencie L1 a L2 v L-pásme rádiových vĺn, na ktorých sú vysielané pseudonáhodné kódy C/A, P a navigačná správa. Väčšina civilných prijímačov dokáže spracovať iba C/A kód. Signály vysielané na frekvencii L1 sa označujú ako signály tzv. štandardnej polohovej služby (Standard Positioning Service - SPS), frekvencia L2 je využívaná na tzv. presnú polohovú službu (Precise Positioning Service - PPS). Pri SPS je definovaná požadovaná presnosť pre pravdepodobnosť 95% horizontálne do 100 m, vertikálne do 156 m, presnosť určenia času do 167 ns. Pri PPS sú tieto hodnoty takéto: horizontálna presnosť do 17,8 m, vertikálna presnosť do 27,7 m a presnosť určenia času do 100 ns. Doteraz boli vypúšťané 3 typy družíc: • družice Bloku I - vývojové typy, • družice Blokov II a IIA - družice pre prvú operačnú fázu, • družice Bloku IIR - družice pre doplnenie systému. Vývoj nových družíc sa nezastavil, plánuje sa typ Blok III, ktorého družice by mali mať dlhšiu životnosť a poskytovať vyššiu presnosť merania pseudovzdialenosti a času.

Riadiaci segment Riadiaci segment pozostáva z pozemných monitorovacích a vysielacích centier, ktoré sú rozmiestnené rovnomerne po povrchu Zeme a majú za úlohu: • nepretržite monitorovať a riadiť činnosť družicového systému, • určovať systémový čas GPS, ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

4

2. GNSS

• predpovedať dráhy družíc a chod hodín na družiciach, • pravidelne obnovovať navigačnú správu pre každú družicu. Dnes, po modernizácii, pozostáva riadiaci segment z 12 pozemných sledovacích a vysielacích staníc, pričom hlavné riadiace a výpočtové centrum sa nachádza v Colorado Springs v USA. Toto hlavné centrum spracúva údaje zo všetkých monitorovacích centier a z nich získava dráhové elementy družíc, korekcie atómových hodín a tvorí navigačnú správu. Navigačná správa sa spätne vysiela do družíc. Poloha družíc sa určuje v systéme WGS-84 [8].

Obr. 2.2 Riadiaci segment GPS [3]

Užívateľský segment Pod pojmom užívateľský segment dnes rozumieme všetky typy zariadení, ktoré sú konštruované na príjem a spracovanie GPS signálu. Toto je veľmi rozsiahla skupina zariadení, ktorú môžeme rozdeliť na nasledujúce tri základné časti: • prijímače na navigáciu - vojenskú a civilnú, • prijímače na geodéziu a geografické informačné systémy, • prijímače na časovú synchronizáciu. Vývoj na trhu s týmito zariadeniami ide neustále dopredu, hlavným trendom nových zariadení je miniaturizácia a multifunkčnosť. Pri geodetických prístrojoch sa dodáva k hardvéru aj špeciálny softvér na spracovanie meraní. Systém GPS sa neustále vyvíja, či už ide o modernizáciu pozemných centier, či vývoj nových družíc a v neposlednom rade vývoj užívateľských zariadení a aplikácií. So systémom GPS sa počíta najmenej do roku 2030 [8].

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

5

2. GNSS

2.1.2 Signály vysielané družicami GPS Každá družica kozmického segmentu GPS nesie na svojej palube veľmi presné atómové hodiny, ktoré slúžia ako generátor základnej frekvencie f0 = 10,23 MHz pre signály vysielané družicami. Vysielané signály majú odvodenú frekvenciu od tejto základnej. Bolo pamätané aj na to, aby sa eliminovali relativistické efekty na šírenie signálu. Vysielacie frekvencie sú zatiaľ dve, s označením L1 a L2, ale v nastupujúcej generácii družíc bude zabudovaná ešte tretia frekvencia L3. Ďalej sú tieto základné frekvencie modulované diaľkomernými kódmi. Týmto kódom sa hovorí PRN (PRN – angl. Pseudo Random Noise). Prehľad vysielacích frekvencií a ich modulácií vyzerá takto:

Obr. 2.3 Schéma odvodzovania frekvencií jednotlivých signálov GPS – prerušovane sú vyznačené civilné signály pripravované v rámci modernizácie [8]

• Frekvencia L1 (1 575,45 MHz, vlnová dĺžka 19 cm) modulovaná dvoma PRN kódmi. P-kód (P-code; angl. Precision), ktorý je vojenský a môže byť zašifrovaný (potom sa označuje Ykód) a hrubý/dostupný alebo tiež C/A kód (angl. Coarse/Acquisition alebo C/A code). Ďalej je tu binárny kód navigačnej správy, kódovaný na základe fázových posunov nosných vĺn. • Frekvencia L2 (1 227,60 MHz, vlnová dĺžka 24 cm) modulovaná iba P-kódom (resp. Ykódom), avšak výhľadovo je počítané s C/A kódom. Ďalej sa tu prenáša navigačná správa.

C/A kód ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

6

2. GNSS

Tento kód je vysielaný každou družicou systému GPS a pre každú družicu je vždy unikátny. Tieto kódy sú označované ako PRN kódy alebo tiež pseudonáhodné. Kód je binárny, jeho dĺžka je určená tak, aby perióda opakovaného vysielania kódu bola presne 1 ms, vlnová dĺžka kódu s touto periódou je približne 293 m.

P-kód Ide opäť o binárny kód, avšak oveľa dlhší ako C/A kód. Je vysielaný s frekvenciou f0 = 10,23 MHz a jeho dĺžka meria 38,058 týždňa. Existuje ale iba jeden, a preto je rozdelený do sedemdenných sekvencií a každá z družíc vysiela v jednom týždni inú sekvenciu kódu ako ostatné, aby došlo k odlíšeniu družíc na základe prijímaných signálov. P-kód umožňuje presnejšie meranie ako C/A kód vďaka svojej vyššej frekvencii a dĺžke a tiež vďaka tomu, že je vysielaný na oboch frekvenciách L1 a L2, čo zmenšuje ionosférické vplyvy (chyby).

Y-kód Tento kód je zašifrovaný P-kód. Ide opäť o PRN kód, ktorý môžeme použiť namiesto P-kódu. Rovnice na dekódovanie Y-kódu sú utajené a výhradne pre vojenské potreby USA. Faktom je, že v súčasnej dobe systém GPS vysiela Y-kód takmer nepretržite. V rámci modernizácie systému GPS sa počíta s tým, že bude zavedená nová nosná frekvencia L5 s frekvenciou 1 176,45 MHz a na nej namodulovaný F-kód, čo by mal byť kód veľmi podobný P-kódu, ale prístupný verejnosti.

Navigačná správa Pre vyriešenie úlohy určenia polohy prijímača pri meraní treba poznať čo najpresnejšie polohy družíc (efemeridy) použitých pre meranie, aby bolo možné trilateráciou určiť polohu prijímača. Tiež treba zaistiť užívateľovi informácie o stave systému. Preto je na nosnej frekvencii modulovaná i navigačná správa. Jedna navigačná správa platí po dobu štyroch hodín a obsahuje tieto časti: • čas vysielania začiatku správy; • keplerovské efemeridy družice - určujú polohu družice na obežnej dráhe Zeme s presnosťou cca 3,5 m; • údaje umožňujúce presne korigovať čas vysielania družice - napomáhajú pri opravách chýb hodín družice a upresňujú čas odvysielania PRN kódu;

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

7

2. GNSS

• almanach - obsahuje menej presné údaje o ostatných družiciach systému GPS, ich polohe, stave a pod. Tieto údaje potom pomáhajú pri plánovaní merania (aby bolo v danom teréne nad horizontom dostatočné množstvo družíc), rýchlejšej inicializácii prístroja alebo pri jednoduchšom vyhľadávaní dostupných družíc počas meraní; • koeficienty ionosférického modelu - ide o preddefinovaný matematický model ionosféry, ktorý môžeme využiť pre výpočet opráv. Nepodáva však tak dobré výsledky ako meranie na dvoch frekvenciách; • stav družice (angl. health) a ďalšie systémové údaje. Štruktúra navigačnej správy je znázornená na obr. 2.4

Obr. 2.4 Štruktúra navigačnej správy

2.1.3 GPS prijímač Prijímače GPS sú súčasťou užívateľského segmentu GPS. Ich hlavnou úlohou je spracovávať signály vysielané družicami tak, aby na výstupe poskytovali užitočnú informáciu. Základnou podmienkou je presná poloha prijímača a presný čas merania. Z týchto dvoch údajov môžeme odvodiť veľa ďalších veličín, ako je rýchlosť pohybu, trajektória atď. Prijímač GPS tvoria tri základné bloky: • anténa, • navigačný prijímač, • navigačný počítač.

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

8

2. GNSS

Anténa je zásadná pre čo najpresnejšie určenie nameraných veličín. Vzhľadom k tomu, že družice vysielajú pomerne slabé signály, patrí medzi jej dôležité parametre citlivosť, odolnosť voči rušeniu a odfiltrovanie odrazených signálov. U geodetických antén, kde zároveň požadujeme vysokú presnosť merania, sa sledujú i parametre polohy a stability fázového centra antény. V neposlednom rade ide tiež o cenu antény. Navigačný prijímač slúži na spracovanie signálov prijatých anténou. Na základe týchto spracovaní sa určujú pseudovzdialenosti a obsah navigačnej správy. Tu nastáva niekoľko problémov a jednotlivé prijímače sa od seba líšia práve tým, ako tieto problémy riešia. Pre správne určenie polohy treba merať na viac družíc, a preto je vhodné, aby prijímač mal viac vstupných kanálov. Podľa tohto kritéria sú prijímače rozdelené na: • jednokanálové - u týchto prijímačov nemôžeme prijímať signály z viac družíc, preto treba rýchlo medzi nimi prepínať. Prijímač vždy identifikuje pomocou PRN kódu družicu, uskutoční merania a začne vyhľadávať ďalšie. Tento spôsob nie je príliš efektívny a neprináša dobré výsledky; • viackanálové - majú dostatočný počet prijímacích kanálov (u dnešných geodetických prijímačov bežne okolo osem až dvanásť, v súčasnosti už aj 72), a tak môžu prijímať signál z viac družíc naraz. Meranie je vďaka tomu omnoho rýchlejšie, spoľahlivejšie a presnejšie, pretože je možné určovať nadbytočné údaje. Tieto prijímače umožňujú meranie i za sťažených podmienok; • hybridné - sú síce vybavené iba niekoľkými vstupnými kanálmi, ale ich počet nie je dostatočný. Preto je využívané opäť prepínanie medzi jednotlivými družicami na jednom kanáli. Tento spôsob predstavuje akúsi strednú cestu medzi predchádzajúcimi dvoma spôsobmi [8].

Obr. 2.5 Štruktúra GPS prijímača

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

9

2. GNSS

Navigačný počítač spracováva namerané dáta a určuje na ich základe aktuálnu polohu prijímača, čas GPS a ďalšie veličiny. Všeobecné dáta, ktoré môžeme získať z GPS prijímača: zemepisnú šírku (X polohu), dĺžku (Y polohu), výšku (Z polohu), rýchlosť, dátum a čas.

2.1.3.1 Kalmanov filter a jeho matematický model Účelom Kalmanovho filtra je odhadnúť stav systému z meraní, ktoré obsahujú náhodné chyby. Spracovaním signálov v GPS prijímači pri použití Kalmanovho filtra sa dosahuje vyššia spoľahlivosť a väčšia presnosť merania. Pre vyhladenie cesty a odstránenie šumu musíme použiť nejaký matematický model. Kalmanov filter je určitým zobecnením metódy najmenších štvorcov a s výhodami ho môžeme použiť pri štúdiu dynamických procesov, kedy výsledky spracovania meraní môžeme získať v reálnom čase. Pre výpočet treba použiť rekurentný spôsob riešenia, ktorý pracuje s modelom: x(n) = Φ.(n − 1) + Γ.w(n) kde:

x(n) je stavový vektor (výslednej hodnoty) v n-tej epoche, Φ je transformácia medzi časovými úsekmi, x(n–1) je stavový vektor v predchádzajúcej epoche, Γ vyjadruje časový interval medzi časovými úsekmi, w(n) je šum (neistota) systému predstavujúca vplyv náhodných chýb merania,

pre ktorý platí, že stredná hodnota šumu E(w(n))=0 a kovariančná matica šumu Qs=Ε(wwT) je diagonálna. Vektor merania v epoche n môžeme napísať ako

l(n)=A⋅x(n)+v(n) kde:

A je matica plánu (matica derivácií stavového vektora), v je šum (náhodné chyby) merania.

Kovariančná matica šumu vektorov merania Ql = W (vvT) je taktiež diagonálna, z čoho vyplýva, že jednotlivé merania sú navzájom nezávislé. Pre strednú hodnotu najpravdepodobnejšej hodnoty stavového vektora

xˆ (n) platí E ( x (n) − xˆ (n))2 → min . Vlastný výpočet prebieha v dvoch krokoch: 1) predikcia – na základe stavového vektora z predchádzajúcej etapy sa odhadne jeho podoba v etape nasledujúcej

xˆ − (n) = Φ.x (n − 1) , ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

10

2. GNSS a to isté i pre jeho kovariančnú maticu.

Q − (n) = Φ.Q(n − 1).ΦT + Γ.Qs .ΓT . Ak nepredpokladáme zmenu stavového vektora medzi časovými úsekmi (napríklad pohyb), je matica

Φ = Ε, čo platí i pre maticu Γ, pokiaľ je časový interval medzi všetkými časovými úsekmi konštantný. 2) update – na predikciu sa aplikujú uskutočnené merania a určia sa správne hodnoty stavového vektora a jeho kovariančné matice:

[

xˆ (n) = xˆ − (n) + K (n). l (n) − A.xˆ − (n) Q (n) = Q − (n) − K (n). A.Q − (n)

[

K (n) = Q − (n). AT . A.Q − (n). AT + Ql

kde:

]

]

−1

l(n) sú skutočné merania, Ql je kovariančná matica uskutočneného merania.

Pre maticu K(n) platí, že čím je meranie presnejšie, tým sú prvky matice K(n) väčšie a majú tak väčší vplyv na nasledujúcu predikciu. Vyššie uvedené vzťahy platia iba vtedy, ak je medzi meraním a stavovým vektorom lineárny vzťah. Pokiaľ tak nie je, neobsahuje vektor l priamo meranie, ale iba ich hodnoty redukované o predom odhadnutú hodnotu merania l0 (redukcia je pre celý výpočet rovnaká). Vďaka tomu bude i stavový vektor x obsahovať iba prírastky a nie celé hodnoty. Praktický výpočet bude potom urobený takto: Zvolíme hodnoty x0, Qo (kovariančné matice stavového vektora), Qs (kovariančné matice šumu) a Ql (kovariančné matice merania) [20]. 1. časový úsek predikcia

dx − (1) = dx0 = 0 Q − (1) = Φ.Q0 .ΦT + Γ.Qs .ΓT = Q0 + Qs Φ, Γ = Ε update

[

dx(1) = dx − (1) + K (1). l (1) − A.dx − (1) −

Q (1) = Q (1) − K (1). A.Q (1)

[

K (1) = Q − (1).AT . A.Q − (1).AT + Ql A=

]

−

]

−1

∂l ∂x

2. časový úsek

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

11

2. GNSS predikcia

dx − (2) = dx − (1) Q − 2 = Q (1) + Qs update

[

dx(2) = dx − (2) + K (2). l (2) − A.dx − (2) ...

]

V Matlabe som vytvoril program, ktorý testuje vplyv veľkosti použitých charakteristík presnosti na vlastnostiach Kalmanovho filtra (príloha 1). Výsledky sú uvedené v grafickej podobe. Program testuje rôzne vopred dané presnosti vopred danej polohy prijímača (nereálne malé hodnoty stredných chýb vs. hodnoty odpovedajúce skutočnej presnosti) a rôzne hodnoty šumu.

2.1.4 Faktory ovplyvňujúce presnosť GPS systému Okrem presnosti, ktorá je dosiahnutá z princípu merania pomocou GPS, sú tu ešte iné faktory, ktoré v konečnom výsledku ovplyvňujú meranie. Ide prevažne o tieto faktory: • riadenie prístupu k signálom z družíc (Selective Availability) - možnosť Ministerstva obrany USA zaviesť systematickú chybu GPS. V súčasnej dobe je toto opatrenie mimo prevádzky; • stav družíc - v družiciach je zabudovaný systém automatickej kontroly technického stavu. V prípade, že niektoré zo zariadení dôležitých pre správny chod systému GPS neplní dobre svoju funkciu, je družica označená ako nezdravá a prijímače ju vyradia z merania. Tiež je takto označovaná družica, ktorá nie je presne na svojej stanovenej obežnej dráhe, napríklad v dôsledku umiestňovania novej družice, v prípade manévrovania s družicou, v prípade zavádzania nových korekcií hodín atď.; • pomer signál/šum - signály vysielané družicami GPS sú pomerne slabé. Preto sú veľmi citlivé na rušivé vplyvy, ktoré vnášajú šum do užitočného signálu. Zdroje šumu sú napríklad vegetácia, terénne prekážky, zdroje elektromagnetického vlnenia, nadzemné rozvody elektrickej energie atď.; • viaccestné šírenie signálu - signál šírený družicami nemusí doraziť k prijímaču vždy priamou cestou. Môže sa po ceste odraziť od objektov v okolí prijímača. Potom dochádza k interferencii medzi týmto priamym signálom a odrazeným a k následnej chybe merania. Záleží na schopnostiach antény, ako dokáže tento vplyv eliminovať;

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

12

2. GNSS

• počet viditeľných družíc - pre meranie je dôležité prijímať signál aspoň zo štyroch družíc, pokiaľ je možné ich sledovať, viac nie je meranie ohrozené stratou signálu niektorej z nich. Ak ide o fázové meranie, je väčší počet nameraných signálov z rôznych družíc vhodný pre určovanie diferencií, a tým k spresňovaniu merania; • geometrické usporiadanie viditeľných družíc - meranie pomocou GPS poskytuje výrazne horšie výsledky, pokiaľ sú použiteľné družice relatívne príliš blízko pri sebe alebo v zlej geometrickej konfigurácii vzhľadom k prijímaču. Vplyvom chyby synchronizácie hodín nie sú vzdialenosti namerané k jednotlivým družiciam presné, ale zaťažené chybou, ktorá spôsobí, že prijímač vzhľadom k družici neleží na sfére, ale v priestore rozdielov dvoch gulí. Takto je to u každej z použitých družíc. Ak urobíme prienik všetkých týchto priestorov, zistíme, že meraný bod neleží v jednoznačnom prieniku. Potom už záleží na tom, ako je priestor tohto prieniku veľký, aby sme určili, akou chybou ovplyvní naše meranie. Toto môžeme matematicky vyhodnotiť. Z tohto dôvodu bol zavedený parameter zníženia presnosti DOP (angl. Dilution of Precision). DOP je definovaný ako pomer strednej chyby v súradnici, v polohe, v čase apod. ku strednej chybe σ0 merania sprostredkujúcej veličiny. Je zavedených niekoľko druhov týchto parametrov. Všeobecne platí, že čím menšia hodnota parametrov DOP, tým presnejšie je meranie. Parametrov DOP je niekoľko, každá meraná veličina má iný parameter: GDOP = (σx2 + σy2 + σz2 + c2. σT2)1/2 / σ0

geometrický

PDOP = (σx2 + σy2 + σz2)1/2 / σ0

polohový

2

2 1/2

HDOP = (σx + σy )

/ σ0

horizontálny

VDOP = σz / σ0

vertikálny

TDOP = c.σT / σ0

časový

kde σi sú stredné chyby súradníc. Súradnicové osi sú v tomto prípade definované tak, že osi x a y sú umiestnené do vodorovnej roviny, os z do zvislice voči prijímaču; • typ prijímača - podľa účelu, na aký využívame prijímač GPS, je i odvodená chyba, s ktorou je možno s týmto prijímačom merať. Geodetické prístroje vyžadujú centimetrové presnosti, preto musia byť schopné používať fázové merania, mať väčší počet vstupných kanálov, kvalitnú anténu atď. Navigačné prístroje majú naopak presnosť omnoho horšiu, preto môžeme niektoré veci obmedziť a používať iba kódové meranie a pod. U geodetických prístrojov je dôležitá kvalitná anténa so stabilným fázovým centrom, dobrou schopnosťou prijímať slabé signály z družíc a schopnosťou potlačiť rušivé vplyvy;

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

13

2. GNSS

• plánovanie merania - GPS merania sú citlivé na geometrické usporiadanie družíc a na tienenie signálu (napríklad objektom, vegetáciou alebo terénom). Preto je na niektorých miestach možnosť merať iba v určitú dennú dobu. Existujú špecializované programy, ktoré sú schopné približne určiť polohu družíc na danom mieste v danú dobu, a tým zlepšiť meranie. Ďalším faktorom sú i atmosferické podmienky pri meraní. Napríklad za búrky sú presné merania GPS prakticky nemožné; • platnosť efemeríd - pre správne určenie polohy prijímača je nutné vo výpočte používať čo najpresnejšie a najaktuálnejšie dostupné efemeridy družíc. Tie môžeme získať rôznymi spôsobmi z navigačnej správy družice alebo z internetových stránok prevádzkovateľa GPS. Môžeme získať i efemeridy z almanachu v navigačnej správe alebo pomocou rôznych softvérov na ich výpočet. U týchto efemeríd nemôžeme zaručiť ich platnosť, pretože by mohlo dôjsť ku zmenám v kozmickom segmente GPS, ktoré v nich nie sú podchytené; • presnosť efemeríd - efemeridy družíc systému GPS sú priebežne určované riadiacim segmentom. Tieto efemeridy sú potom nahrávané na družice a nimi sú vysielané užívateľom. Také efemeridy majú rádovo decimetrovú presnosť. Môžeme získať i efemeridy presnejšie, a to na zvláštnu žiadosť u prevádzkovateľa systému. V celom systéme avšak neexistuje kontrolný mechanizmus, ktorý by detekoval prípadné chyby v efemeridách vysielaných družicami (napríklad vplyvom zlyhania družice alebo výpočtom v riadiacom centre atď.), a preto je nutné toto overiť inak, napríklad dvojitým zameraním bodov; • presnosť hodín na družiciach - družice síce majú na palube atómové hodiny, ale ich presnosť nie je dostatočná. Naviac sú opravované riadiacim centrom, preto opäť hrozí zlyhanie ako v prípade efemeríd; • vplyv iónosféry a troposféry - tieto chyby sa označujú ako iónosférická a troposférická refrakcia. Vplyv ionosférickej refrakcie môžeme vylúčiť použitím merania na dvoch frekvenciách, pretože je priechod signálu ionosférou frekvenčne závislý. Tiež pri meraní dvoma prijímačmi môžeme tento vplyv eliminovať použitím diferencií. Troposférickú refrakciu môžeme veľmi presne modelovať a existujú na to špecializované softvéry; • chyba hodín prijímača - táto chyba je riešená ako neznáma pri určovaní polohy; • spôsob merania a vyhodnocovania - pri použití špeciálnych techník merania a vyhodnocovania môžeme výrazne zlepšiť presnosť merania. Ide o relatívne spôsoby merania, diferenciálnu metódu merania alebo DGPS, metódu RTK, metódu virtuálnych referenčných staníc VRS alebo použitím pseudodružíc. Ďalším parametrom vyhodnotenia GPS merania je použitá výpočtová metóda. Dnes sú už tieto metódy implementované pomocou špecializovaných softvérov. Je ale nutné používať kvalitný a preverený softvér. ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

14

2. GNSS

Ďalší vplyv na presnosť má i transformácia meraných veličín do národných referenčných systémov; • hrubé chyby - akékoľvek chyby obsluhy prijímača, či chyby v samotnom prístroji alebo použití softvéru [8].

Obr. 2.6 Ukážka rezu objemu vymedzenými guľovými plochami pri dobrej a zlej geometrii usporiadania družíc [8]

2.1.5 Opatrenia na dosiahnutie vysokej presnosti Výsledná efektívna hodnota chyby určenia polohy je daná súčinom: • smerodajnej odchýlky chyby merania vzdialenosti družice – užívateľ, • člena, ktorý reprezentuje konfiguráciu družíc, tzv. PDOP (Positional Dilution of Precision). Z hľadiska presnosti je žiadúce merať vzdialenosti ku všetkým družiciam v jedinom okamžiku. Taký príjem je možný, pokiaľ signál od rôznych družíc spracovávame paralelne v rôznych kanáloch viackanálového prijímača. Ďalšie zlepšenie presnosti určenia polohy je možné použitím ďalších nezávislých snímačov polohy, ich výstupné údaje sú zavedené do Kalmanovho filtra. Takýmito snímačmi môžu byť napr. dopplerovský merač traťovej rýchlosti alebo inerciálny navigačný senzor. Môžeme použiť i ďalšie navigačné prostriedky, napr. i výškomery a presné atómové hodiny.

2.2 Diferenčný GPS Významné zvýšenie presnosti určovania polohy v reálnom čase sa dosahuje použitím diferenčných metód merania. Diferencia údajov odmeraných dvoma blízkymi prijímacími stanicami je zaťažená podstatne menšími chybami ako samostatne odmerané údaje. Pri týchto meraniach je potrebné satelitný systém doplniť o pozemné majáky (referenčné stanice), ktorých presné zemepisné súradnice sú známe. Do určitej vzdialenosti je potom možné určovať opravy k polohe používateľa (automobil, lietadlo, loď). Pomocou satelitného systému ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

15

2. GNSS

sa určí poloha lietadla ako aj poloha majáka. Keďže poloha majáka je presne známa, vieme stanoviť opravy, ktoré sa vyšlú do palubného počítača v lietadle a spresnia jeho polohu určenú satelitným systémom. Termínom diferenčný GPS alebo skrátene DGPS sa spravidla označujú systémy, ktoré využívajú predovšetkým meranie oneskorenia kódu. Tieto systémy dosahujú presnosť okolo 1 metra a sú určené hlavne na navigáciu. Na rozdiel od väčšiny geodetických metód umožňujú určovať polohu v reálnom čase a ak dôjde v dôsledku straty signálu k prerušeniu merania, potom okamžite po obnovení príjmu sú schopné obnoviť meranie s plnou presnosťou. V geodetických aplikáciách sa touto metódou dosahujú milimetrové presnosti.

2.3 GLONASS Obdobne ako americký GPS sa aj GLONASS člení na vesmírny, riadiaci a užívateľský segment. Vyvíjal sa od konca sedemdesiatych rokov v bývalom Sovietskom zväze ako reakcia na vývoj GPS. Dnes vo vývoji pokračuje Ruská federácia.

2.3.1 Základné segmenty systému Vesmírny segment Projekt plne obsadenej konštelácie družíc pozostáva z 24 družíc rozmiestnených v troch dráhových rovinách, so sklonom 64,8° ku rovníku, ktoré sú od seba posunuté o 120°. Dráhy sú takmer kruhové, s výškou 19 100 km a dobou obehu 11h25min. Rovnaká konštelácia družíc sa zopakuje po 8-mych hviezdnych dňoch, t.j. 17-tich obletoch družíc. Prvá družica bola vypustená v roku 1982, odvtedy bolo postupne vypustených 85 družíc. Ich nevýhodou je relatívne krátka životnosť, asi 2 – 5 rokov. V roku 2001 bolo aktívnych asi 8 družíc. Plná konfigurácia bola aktívna v roku 1996, odvtedy systém postupne degraduje. Základná frekvencia pre GLONASS je 5,0 MHz a z nej sa odvádzajú nosné frekvencie v pásme L1 a L2. Každá družica má pridelenú svoju vlastnú frekvenciu, na základe ktorej ju možno jednoznačne identifikovať. Pseudonáhodné modulačné kódy sú pre všetky družice rovnaké. Navigačná správa sa generuje každých 30 minút.

Riadiaci segment Riadiaci segment sa kompletne nachádza na území Ruska. Hlavné kontrolné centrum sa nachádza v blízkosti Moskvy, ostatné sú rozložené na území Ruska. Tieto centrá monitorujú všetky viditeľné družice a určujú ich polohu a korekcie hodín k UTC(SU).

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

16

2. GNSS

Obnova navigačných údajov sa vykonáva dvakrát za deň. Súradnice sa vzťahujú k referenčnému systému PZ-90. Nakoľko sú monitorovacie centrá rozmiestnené len na území Ruska, tak je každá družica asi 16 hodín denne mimo dosah akéhokoľvek centra. Táto nevýhoda sa prejavuje znížením presnosti určovania efemeríd.

Užívateľský segment Užívateľský segment tvoria prijímače, užívatelia a postupy merania. Pretože je budúcnosť systému GLONASS nejasná, počet typov prijímačov je veľmi obmedzený. Prijímače vyrábané v Rusku sú robustnej konštrukcie, určené hlavne pre vojenské použitie. Novšia generácia prijímačov je postavená na technológii integrovaných obvodov a má možnosť spracovávať aj GPS signál. Umožňujú kódové aj fázové merania.

2.4 Navigačný systém GALILEO Začiatkom deväťdesiatych rokov zvažovala Európska únia svoj postoj k vytvoreniu vlastného polohového systému. Bola vypracovaná analýza existujúcich navigačných systémov a možnosti ich využitia pre Európu. Na jej základe bolo uvažovaných viacero variantov. Prvý variant, ktorý je označovaný ako EGNOS, alebo GNSS-1, spočíval v orientácii na existujúce systémy GPS a GLONASS, v ich dobudovaní a spoločnom využívaní. Systém EGNOS sa začal budovať, ale pretože sa začal klásť veľký význam na to, aby to bol systém nezávislý od akéhokoľvek štátu a armády, pristúpilo sa k druhému variantu, GNSS-2. V tomto období sa ešte nehovorilo konkrétne o systéme Galileo, ale cieľ bol vybudovať vlastný civilný navigačný systém. Dňa 17. júna 1999 vydala Európska dopravná rada ETC (kolektívny orgán európskych ministrov dopravy), na odporúčanie Európskej únie (EU) a Európskej vesmírnej agentúry (ESA) rozhodnutie, na základe ktorého sa začalo s prípravnou fázou projektu Galileo. Do vývoja bolo zapojených veľa spoločností a vedeckých inštitúcií s cieľom definovať základné časti tohto projektu. Táto prípravná fáza pozostávala z viacerých projektov: • GALA – definuje celkovú štruktúru a architektúru, • GEMINUS – vznikla na podporu služieb definovaných Galileom, • INTEG – na integrovanie systému EGNOS do Galilea, • SAGA – na podporu štandardizácie systému Galileo, • GalileoSat – na definíciu vesmírneho segmentu systému, • GUST – na špecifikáciu a certifikáciu prijímačov pre systém Galileo,

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

17

2. GNSS

• SARGAL – možnosť využitia záchranného systému SAR pomocou družíc Galileo. Ako nutné požiadavky pre projekt boli vyšpecifikované požiadavky na presnosť v určení polohy s polomerom pod 10 m v 95% času, každú sekundu. Požiadavka na čas pre určenie prvého fixu TTFF (Time to-first-fix) menej ako 15 sekúnd. Garancia presnosti času 33 nanosekúnd s 95% istotou. Celosvetová dostupnosť systému má byť nepretržitá v 99,7% času. Vybudovanie kompletného systému Galileo a spustenie do komerčnej prevádzky sa plánuje v roku 2010 - 2011, a celý projekt bude pozostávať z troch fáz: • definícia systému (2003 - 2006), • vývoj systému (2006 - 2008), • rozmiestnenie a komerčná prevádzka (2009 - 2010, resp. 2011).

2.4.1 Definícia systému Na základe projektov, ktoré vznikli v prípravnej fáze, za účasti členských štátov EU a súkromných investorov, vznikol obraz budúceho systému. Dve hlavné úlohy, ktoré bolo treba zosúladiť, boli: � pod vedením ESA bolo treba preveriť a zistiť systémové požiadavky a koncepciu systému a bolo treba vykonať predbežné zhodnotenie návrhu systému, � definovať služby a užívateľský prístup k systému, z časti verejne financovaným sektorom a z časti ESA. Sem patria: • architektúra lokálnych komponentov a prispôsobenie systému potrebám užívateľa, • spolupráca Galilea a iných systémov (GNSS, GSM/UMTS …), • koordinácia a ochrana frekvencií používaných Galileom, • štandardizácia a certifikácia, • definícia právneho a regulačného rámca.

2.4.2 Vývoj systému Fáza vývoja a overovania teoretických predpokladov obsahuje podrobný popis a následnú výrobu a stavbu viacerých prvkov sústavy: družice, pozemné stanice, užívateľské prijímače. Toto bude vyžadovať vypustenie prototypov družíc a vybudovanie časti pozemských monitorovacích centier a infraštruktúry. Zároveň bude možný vývoj prijímačov a testovanie pridelených frekvencií, ktoré boli pridelené Medzinárodným telekomunikačným úradom. Táto fáza je riadená spoločnosťou Galileo Joint Undertaking, resp. GNSS Supervisory Authority (GSA). Financovanie bude realizované z verejných zdrojov.

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

18

2. GNSS

2.4.3 Rozmiestnenie a komerčná prevádzka Fáza rozmiestnenia družíc na orbity bude závislá na predchádzajúcom overovaní a testovaní, ale predpokladá sa postupné vypúšťanie družíc na obežné dráhy plynule od roku 2007 a posledná družica má byť vypustená a systém sprístupnený pre verejné používanie v roku 2009 – 2010, resp. 2011. Financovanie tejto časti projektu bude realizované z verejných aj súkromných zdrojov. Po spustení projektu majú byť náklady hradené iba z príjmov za poskytované služby.

2.4.4 Architektúra systému Z architektúry vyplýva, že systém Galileo sa bude skladať zo štyroch hlavných súčastí, tzv. komponentov: • globálny komponent – zahrňuje kozmický a pozemný riadiaci segment; • regionálny komponent – bude poskytovať nezávislé informácie o integrite signálov Galilea. Tieto informácie budú prístupné regionálnemu poskytovateľovi tejto služby a budú šírené prostredníctvom špeciálnych autorizovaných kanálov. Týchto kanálov je v systéme Galileo definovaných 8, to znamená že na svete môže byť definovaných až 8 nezávislých regiónov s vlastným monitorovaním integrity; • lokálny komponent – má za úlohu ďalej skvalitňovať služby poskytované regionálnymi komponentmi; • užívateľský komponent - hlavný dôraz je kladený na to, aby mali prijímače konkurencieschopný výkon a náklady porovnateľné s ostatnými systémami. Ďalej je to potreba prispôsobenia sa k novým potrebám užívateľov a možnosť multimodálneho využitia (to znamená možnosť spracovávať viacero rôznych signálov spolu).

2.4.5 Globálny komponent Globálny komponent zahrňuje vesmírny a pozemný segment. Vesmírny segment systému Galileo bude pozostávať z 30 družíc v troch pravidelných obežných dráhach. V každej dráhe bude 10 družíc, z toho jedna bude aktívna záloha. Sklon dráh družíc voči rovníku bude 56°, čo zabezpečí dobrý príjem signálu aj v severských častiach Európy. Družice sa budú pohybovať vo výške približne 23 616 km nad povrchom Zeme. Jedna perióda bude trvať 14h 4min a konfigurácia sa zopakuje raz za 10 dní. Táto konfigurácia je nazvaná Walkerova, a je špeciálne optimalizovaná pre Európu.

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

19

2. GNSS

Pozemný riadiaci segment pozostáva z nasledujúcich súčastí: • 5 TT&C staníc (Tracking, Telemetry & Command), ktoré budú mať za úlohu komunikáciu s družicami, • 9 ULS staníc (Up-link Stations) - tieto vysielacie stanice budú vysielať do družíc navigačné správy, • približne 30 staníc GSS (Galileo Sensor Stations), ktoré budú preberať signály z družíc pre kontrolu integrity a časovej synchronizácie, budú rovnomerne rozmiestnené po povrchu Zeme, • 2 pozemných monitorovacích centier GCC (Ground Control Centres), • ďalších lokálnych segmentov pre miestne rozšírenie integrity, presnosti, dostupnosti a kontinuity signálu, závislé od vyžadovaných podmienok.

2.4.6 Lokálny komponent Bude poskytovať, kde to bude potrebné, zvýšený výkon systému a možnosť kombinácie Galilea s inými systémami GNSS, pozemnými polohovými systémami a komunikačnými systémami na miestnom základe. Na šírenie informácií budú využívané predovšetkým existujúce pozemné komunikačné systémy. Toto umožní ďalšie zvýšenie presnosti a integrity v okolí letísk, prístavov, veľkých vodných nádrží a v husto zastavaných oblastiach. Vzhľadom na štyri kategórie služieb Galilea budú vytvorené tieto miestne prvky: • presné navigačné prvky (Local Precision Navigation Elements); budú poskytovať signály miestnych diferenčných korekcií (napr. vysielaním dát prostredníctvom rádia, alebo GSM), • navigačné prvky s vysokou presnosťou (Local High-Precision Navigation Elements); budú zabezpečovať signály miestnych diferenčných dát; • navigačné prvky s miestnou podporou (Locally Assisted Navigation Elements); môžu byť použité na jedno-, alebo dvojcestnú komunikáciu (napr. pomocou GSM alebo UMTS) ako pomoc pre používateľov prijímačov pri určovaní polohy v ťažkých prírodných podmienkach; • miestne rozšírenie navigačných prvkov (Local Augmented-Availability Navigation Elements). Miestne stanice vysielajúce podobný signál ako satelity Galilea, tzv. pseudolity sa použijú tam, kde bude potrebné zvýšiť dostupnosť ľubovoľnej služby Galilea v definovanom priestore. Zvýšenie presnosti nastane zlepšením geometrie spôsobeným vhodným umiestnením pseudolitu.

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

20

2. GNSS

2.4.7 Družice Galilea Družice Galileo patria do skupiny minisatelitov, s rozmermi cca 2,7m x 1,2m x 1,1m dosiahnu hmotnosť približne 625 kg. Plánovaná životnosť družíc je 12 rokov. Na obežnú dráhu budú vynášané raketami Ariane5 (každý jeden let dopraví na obežnú dráhu 8 družíc) a Sojuz (vynesie 2 družice za jeden let). Rakety umiestnia družice priamo na strednú obežnú dráhu.

2.4.8 Služby systému Návrh štruktúry a typov základných služieb bol základnou úlohou projektu. Tento proces trval niekoľko rokov a prvá technická dokumentácia bola hotová na začiatku roku 2001. Bola nazvaná High Level Mission Definition, v preklade Definícia úloh vysokej priority (HLD). V nej bol aj zoznam a rozsah pridružených služieb. Tento dokument bol voľne rozšírený, prejednávaný a pripomienkovaný všetkými zúčastnenými stranami a členskými štátmi. Druhá verzia tohto dokumentu bola pripravená v apríli 2001 na základe pripomienok k prvej verzii. Nasledujúce uznesenie Rady Európskej komisie z 26. marca 2002, na základe najnovších vývojových trendov a pripomienok vývojárov a odbornej verejnosti, vydalo poslednú zjednotenú verziu tohto dokumentu. V ňom je zadefinovaný: • zoznam služieb, ktoré bude Galileo poskytovať, • kvalitatívne charakteristiky služieb, • technické charakteristiky služieb. Galileo bude poskytovať služby vo viacerých úrovniach zabezpečenia, od voľne prístupných až po služby štátnych záujmov s najvyšším zabezpečením. • Open Service – OS - (verejná služba) – voľná, základná služba pozostáva z kombinácií voľných frekvencií, ktoré budú bez poplatkov. Umožní určovanie polohy a času aj pomocou iných GNSS systémov. Hlavné využitie sa predpokladá v mobilných telefónoch a v prenosných osobných počítačoch, to znamená služba pre širokú verejnosť. Je porovnateľná s GPS, ale s vyššou presnosťou a spoľahlivosťou; • Safety of Life Service – SoL - (služba „bezpečného života“) – dopĺňa základnú službu, bude poskytovaná s vyššou presnosťou. Jej využitie bude najmä pre aplikácie, ktoré musia mať zabezpečený kvalitný signál, ako sú letecká a námorná doprava. Poskytuje informáciu účastníkovi, keď zlyhá integrita signálu, do 6 sekúnd kdekoľvek na svete. Bude mať zabezpečenú certifikáciu a garanciu;

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

21

2. GNSS

• Commercial Service – CS – (komerčná služba) – poskytuje lepší výkon, vyššiu presnosť a väčšie množstvo informácií ako základná služba. Je využiteľná pre komerčné a profesionálne účely, na vývoj profesionálnych aplikácií. Bude spoplatnená, umožní prístup k dvom signálom s vysokou prenosovou rýchlosťou; • Public Regulated Service – PRS - (služba obmedzená pre verejnosť) – poskytuje najvyššiu presnosť, hlavne pre národné a nadnárodné záujmy, predovšetkým v oblasti bezpečnosti (civilná ochrana, ochrana štátnej bezpečnosti, polícia, záchranný systém, neverejné telekomunikačné siete). Bude prístupná iba pre autorizovaných užívateľov, signály budú kódované, odolné voči rušeniu; • Search and Rescue Service – SaR - (pátracia a záchranná služba) – bude slúžiť pre záchranné systémy, bude v nej možné vysielať a prijímať núdzové signály, a na zlepšenie medzinárodného záchranného systému COSPAS – SARSAT (systém, ktorý využíva satelity a pozemské centrá na záchranné a pátracie operácie). Služby sú navrhnuté tak, aby zabezpečili požiadavky väčšiny užívateľov, či už pôjde o lepšie pokrytie mestských štvrtí, čo umožní kvalitnejšiu osobnú a automobilovú navigáciu v mestách, alebo satelitnú navigáciu v budovách, tuneloch (v kombinácii s lokálnymi komponentmi systému), alebo služby spojené s mobilnými telefónmi, založené na identifikácii pozície volajúceho účastníka. Garancia špecifických parametrov systému (dosiahnuteľnosť, presnosť) umožní napr. sledovať ukradnuté automobily, monitorovanie prepravy tovaru, atď. [1].

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

22

3. MONITOROVANIE POMOCOU GNSS

3. MONITOROVANIE POMOCOU GNSS Pri monitorovaní deformácií systém pozostáva z dvoch druhov pozemných staníc. Je to hlavná (riadiaca) stanica a sieť monitorovacích staníc. Monitorovacie stanice, ktorých súradnice sú určované pomocou GPS, vysielajú tieto súradnice telemetricky do riadiacej stanice. Tá spracováva prijaté informácie, vyhodnocuje ich a môže ich aj graficky vizualizovať. Vzdialenosť každej monitorovacej stanice od riadiacej je zobrazená v reálnom čase – akonáhle dôjde k prekročeniu dovolených zmien, vedie to k zaznamenaniu výstrahy. Počet monitorovacích staníc závisí od veľkosti sledovaného územia, stavby, resp. konštrukcie. Dosahovaná presnosť je v subcentimetrovej oblasti. Možné aplikácie: hrádze, priehrady, sopečné masívy s predpokladanými erupciami, skládky odpadu, svahy ohrozené zosuvmi pôdy, mosty a pod.

Využitie v poľnohospodárstve: V poľnohospodárstve sa používajú prijímače GPS inštalované napríklad na žacích strojoch, resp. obilných kombajnoch. Zariadenie zaznamenáva polohu a výnos obilia v danom mieste. Záznam sa môže po spracovaní vložiť do iného zariadenia, ktorého súčasťou je opäť prijímač GPS a ktoré ovláda práškovacie vozidlo. Zariadenie riadi hnojenie pozemku tak, aby sa zlepšil výnos. Pri poľnohospodárskych aplikáciách sa vyžaduje vysoká presnosť, preto je potrebné použiť DGPS. Údaje o polohe získavané v priebehu pracovného procesu umožňujú kombináciu rôznych požiadaviek na použitie hnojív a ochranných látok rastlín menej nákladným spôsobom. Pri použití GPS je východiskovým bodom odhad výnosov z polí, ktorý umožňuje vypracovanie mapy výnosov, ako aj vypracovanie analýzy jednotlivých plôch poľa s rovnakým potenciálom výnosov. Príbuznou aplikáciou je presná navigácia a on-line kontrola, prípadne je možné použitie vozidiel bez vodičov. V nadväznosti na informácie o odoberaní živín, údaje o počasí, analýzy pôdnych živín a údaje z pôdnych máp sú tieto informácie základom pre prognózu potrebného množstva osiva a hnojiva presne podľa miestnych špecifík.

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

23

3. MONITOROVANIE POMOCOU GNSS

Využitie DGPS je dôležité teda pri stanovovaní výnosov, mapovaní, monitorovaní počasia a pôdy a riadení distribúcie organického a minerálneho hnojiva.

Sledovanie zveri Prijímač GNSS vybavený zdrojom energie a zvyčajne telemetrickým zariadením sa upevňuje na telo zvieraťa za účelom získavania údajov o mieste výskytu zvierat. Vďaka použitiu ďalšieho doplnkového zariadenia môžu byť vysielané i iné relevantné údaje (zdravotný stav zveri a pod.). V závislosti od aplikácie a veľkosti zvieraťa môže byť informácia vysielaná telemetrickým zariadením do centrálnej databázy v reálnom čase alebo periodicky, aby sa redukovala spotreba energie. Všetky informácie je možné archivovať na vhodnom zariadení a spracovávať údaje následne, po opätovnom zajatí zveri. Vysielané údaje o mieste výskytu zveri v kombinácii s elektronickou mapou alebo geografickým informačným systémom môžu byť teda využité na odhad smerovania zveri, preferenčného miesta výskytu, prekonaných vzdialeností a pod. Týmto spôsobom je vlastne možné získať informácie o správaní sa a zvykoch zveri.

Využitie v geodézii a pri mapovaní Satelitné polohové systémy priniesli úplne novú kvalitu aj do tejto oblasti. Aplikácie v oblasti geodézie a mapovania sa líšia predovšetkým v nárokoch na presnosť určovania polohy [1].

3.1 Systémy včasného varovania K zlepšeniu

záchranného

systému prispeli nové technológie pre vysielacie

a komunikačné systémy. Tieto nové technológie sú navrhované na to, aby oznamovali nebezpečenstvo pomocou mnohých druhov prenosových prostriedkov. Poskytovanie efektívnej záchrannej signalizácie pre všetky oblasti regiónu bude požadovať komplexný systém vytvorený z viacerých subsystémov. Toto bude nutné kvôli širokej škále rizík, senzorových zariadení, informovaniu administratívy, dostupných doručovacích prostriedkov, úmyslu príjemcu, požadovanej akcie, skorej požiadavky. Vo veľa prípadoch sú rôzne požiadavky pre prípad signalizácie v nepredvídanej udalosti. Následkom toho žiadny systém nebude plniť všetky potreby.

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

24

3. MONITOROVANIE POMOCOU GNSS

Efektívny záchranný výstražný systém sa skladá z viacerých súčastí. Jednou z najdôležitejších je prenosová cesta, t.j. spôsob doručenia správy. Možno použiť viacero komunikačných alternatív, vrátane: • vysielania rádia a TV, • káblovej televízie, • internetu, • telefónov bunkovej a digitálnej osobnej komunikačnej služby (PCS), • vysielania družíc, • pagerov, • štandardného telefónu, • NOAA poveternostného rádia (NWR), • mobilnej satelitnej služby (MSS) a pod.

Bezdrôtové alternatívy varovného doručenia sú nevyhnutné pre prípad núdze z viacerých dôvodov, najdôležitejším je možnosť doručovať výstražné správy ľuďom vo všetkých typoch situácií. Bezdrôtové prostriedky sú výhodné pre prípad kritického ohrozenia signalizácie. Zatiaľ čo vysielané bezdrôtové prostriedky majú veľa výhod pre prípad núdzovej signalizácie, majú tiež svoje nevýhody. Jednou z nich je nedostatok perfektného RF pokrytia žiadaného systému. Preto sa pokrytie a spoľahlivosť systému zväčšujú využitím väčšieho množstva komunikačných prostriedkov. Záchranné výstražné systémy požadujú, aby boli zlučiteľné s novými technológiami a neboli príliš závislé na starých technológiách. V súlade s touto myšlienkou je dôležité pre nový systém použiť digitálne formáty správy. Naviac musia byť nové systémy flexibilné a rozšíriteľné. Schopnosť presne varovať špecifické oblasti je základom pre predchádzanie problémom pri varovaní verejnosti. S GPS technológiou a schopnosťou, aby posielala výstražné správy, ktoré obsahujú precízne zemepisné súradnice ohrozenej oblasti je tento zámer uskutočniteľný. Varovné správy môžu byť vysielané všetkým prijímačom v oblasti pokrytia rôznych vysielačov. Prijímače by filtrovali správy na základe informácií o umiestení prijímača. Iba tie vo vnútri ohrozeného regiónu by takto alarmovali užívateľa o hroziacom nebezpečenstve. Týmto spôsobom môžu byť ľudia selektívne informovaní o aktuálnom nebezpečenstve. Táto technika by zlepšila efektivitu systémov niekoľkými spôsobmi. Správy

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

25

3. MONITOROVANIE POMOCOU GNSS

môžu vysielať nielen kde je nebezpečie, ale tiež predísť zablokovaným cestám s ľuďmi, ktorí potrebujú opustiť oblasť ohrozenia. Varovný systém založený na umelých regiónoch môže vykazovať niekoľko problémov. Hranice týchto regiónov sa môžu meniť. Toto môže mať za následok významné konfiguračné kontrolné problémy a nakoniec môže spôsobiť nežiadúci zmätok. Veľa ľudí pri varovaní nemusí vedieť, v ktorom regióne sa práve nachádzajú. To je zvlášť významné napríklad pre turistov. Tieto regióny nemusia mať správnu veľkosť a tvar pre danú špecifickú hrozbu. Záchranná signalizácia by preto mala uvažovať s GPS prijímačmi na určenie zemepisnej polohy. Významné administratívne a zákonné prekážky a nástrahy súvisia s naliehavým prípadom signalizácie. Niektoré z týchto signalizácií môžu byť minimalizované rozvíjaním systému, ktorý poskytuje správu výstrahy nasmerovanú z monitorovacej oblasti ("senzorová oblasť"), snímajúcej dáta o blížiacej sa nežiadúcej (nebezpečnej) zmene prostredia. Signalizácia by mohla byť použitá pri zemetraseniach, ohňoch, pri tsunami, tornádach, pri situáciách s nebezpečnými nákladmi (HAZMAT), terorizme, biologickej vojne, záplavách, ľadovej búrke, hurikáne, prepuknutiu ochorenia, vulkánoch, silných vetroch, dopravných nešťastiach väčšieho rozsahu a iných nepredvídateľných udalostiach [19].

3.2 Určovanie priestorovej polohy Pri použití špeciálnych techník merania a vyhodnocovania môžeme výrazne zlepšiť presnosť merania. Ide o relatívne spôsoby merania, diferenciálnu metódu merania, metódu virtuálnych referenčných staníc VRS alebo použitím pseudodružíc. Ďalším dôležitým momentom pri vyhodnocovaní GPS merania je použitá výpočtová metóda. Dnes sú už tieto metódy implementované pomocou špecializovaných softvérov. Je ale nutné používať kvalitný a preverený softvér. Nezanedbateľný vplyv na presnosť má i transformácia meraných veličín do národných referenčných systémov. Dôležitou výhodou GPS je presnosť. Prirodzená presnosť GPS prijímača môže byť využitá alebo naopak degradovaná. Zvýšená môže byť dôkladným spracovaním, degradovaná môže byť akceptovaním významných zdrojov chýb. Nasledujúci zoznam obsahuje tri kritické techniky ako dôkaz centimetrovej alebo dokonca milimetrovej presnosti v určení polohy: 1 Práce s dvoma či viacerými prijímačmi. Základná idea diferenciálneho GPS (DGPS) je určiť rozdiely v polohe miesto určenia absolútnej polohy. Chyby spôsobené prijímačmi sa vylúčia, pokiaľ použijeme diferenčnú metódu.

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

26

3. MONITOROVANIE POMOCOU GNSS

2 Opakovať meranie. Postupnosť meraní má významne menší rozptyl ako jednotlivé meranie. Ak sa prijímač pohybuje, Kalmanov filter môže vysvetliť zmeny stavov rovnako ako nové meranie. 3

Odhad všetkých zdrojov chýb v uskutočnených meraniach.

Obr. 3.1 Určovanie priestorovej polohy [4]

3.2.1 Určovanie absolútnej polohy Pomocou kódových alebo fázových meraní môžeme určovať vzdialenosti na družice. Absolútna poloha prijímača je potom odvoditeľná z týchto nameraných dĺžok. Ide nám o polohu v 3-D priestore, preto potrebujeme tri namerané dĺžky, pretnutím ktorých získame polohu v priestore. Tieto dĺžky sú zaťažené rôznymi druhmi chýb. Pri absolútnom určovaní polohy môžeme eliminovať chybu synchronizácie hodín. Opravu hodín na družiciach zaisťuje riadiaci segment, preto zostáva otázkou iba oprava hodín prijímača ∆T voči systémovému času. Tento časový posun spôsobí chybné určenie vzdialenosti na družici (určíme iba pseudovzdialenosti). Chyba dĺžok je rovná c.∆T. Preto sa dĺžky nepretnú v jednom bode, ale iba určia v priestore oblasť, kde sa bude daný bod vyskytovať. Je preto nutné ∆T určiť a vykonať opravu. Máme tak štyri neznáme X, Y, Z a ∆T. Treba zaviesť ďalšiu rovnicu do sústavy a tak určiť štvrtú pseudovzdialenosť k ďalšej družici. Výsledná sústava potom vyzerá takto: r1 = ( X − x1 ) 2 + (Y − y1 ) 2 + ( Z − z1 )2 − c.∆T r2 = ( X − x2 ) 2 + (Y − y2 )2 + (Z − z 2 ) 2 − c.∆T r3 = ( X − x3 )2 + (Y − y3 ) 2 + ( Z − z3 ) 2 − c.∆T r4 = ( X − x4 ) 2 + (Y − y4 )2 + (Z − z 4 ) 2 − c.∆T

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

27

3. MONITOROVANIE POMOCOU GNSS

Premenné ri znamenajú namerané pseudovzdialenosti. X,Y,Z sú súradnice prijímača, xi, yi, zi sú súradnice družíc, ∆T je chyba v synchronizácii hodín a c je rýchlosť svetla. Neznáme, ktoré určujeme, sú súradnice prijímača a ∆T. Takto získame súradnice v systéme WGS-84. Prevod týchto súradníc do iných, väčšinou národných systémov, sa musí realizovať až následne. Presnosť absolútneho určenia polohy nie je príliš vysoká a je silne ovplyvnená atmosférou i ďalšími poruchami. Jej hodnota je udávaná rádovo v metroch.

3.2.2 Určovanie diferenčnej (relatívnej) polohy Princíp relatívneho určovania polohy sa používa pri geodetických úlohách. Tu však ide o určovanie polohy na základe sledovania diaľkomerných kódov. Pri tomto spôsobe určovania polohy nie sú merané absolútne polohové súradnice, ale určujeme polohu vzhľadom k pevnému známemu bodu, na ktorom je umiestnená ďalšia GPS aparatúra. Tá je nazývaná referenčná. Referenčná aparatúra tiež určuje svoju pozíciu absolútne, a tým že pozná svoje správne súradnice, môže určiť opravné korekcie súradníc získaných z absolútneho merania. Tieto korekcie sú buď v reálnom čase odovzdávané do prijímača používaného na meranie, alebo sú použité až pri následnom spracovaní merania na pracovisku (angl. postprocessing). Táto metóda predpokladá, že podmienky merania sú pri oboch používaných prístrojoch rovnaké a merania sú potom zaťažené rovnakými chybami, ktoré sa formou korekcií opravia. Touto metódou môžeme dosiahnuť presnosť až niekoľko decimetrov pri kódových meraniach a milimetrovú presnosť pri fázových meraniach.

3.2.2.1 Postprocessing Pri sieti referenčných staníc nie je nevyhnutné, aby tieto stanice vysielali korekčné údaje v reálnom čase (ak nie sú určené na navigáciu). V tom prípade stačí, aby bola každá referenčná stanica pripojená k počítaču PC a telefónu, vybavenému službou nazývanou BBS (prenos dát po telefóne), prípadne je možné využiť internet. Potom sa každý užívateľ môže ľahko spojiť s touto službou a preniesť si korekčné údaje pre časový úsek, kedy uskutočňoval meranie. Potom už len stačí spoločne spracovať dáta namerané v teréne a dáta z referenčnej stanice a získať tak potrebné výsledky [11].

3.2.2.2 RTK

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

28

3. MONITOROVANIE POMOCOU GNSS

Osobitnou formou relatívnych kinematických meraní je kinematická metóda v reálnom čase - RTK (Real Time Kinematics). Prístrojové vybavenie pozostáva z jedného referenčného, nepohybujúceho sa prijímača a druhého pohybujúceho sa prijímača. Oba prijímače uskutočňujú simultánne fázové merania. Podstatné je, že medzi prijímačmi je trvalé rádiové spojenie prostredníctvom modemov. Vzhľadom na množstvo údajov určených na prenos musí mať modem vysokú prenosovú rýchlosť (min. 19 200 baudov). Princíp RTK spočíva v okamžitom prenose odmeraných údajov z referenčného prijímača prostredníctvom rádiového spojenia do pohybujúceho sa prijímača. Tento má v sebe zabudovaný softvér na spracovanie fázových meraní, takže hneď po inicializácii sa z meraní prijatých z referenčného prijímača a z vlastných meraní môžu tvoriť diferencie a uskutočniť celkové spracovanie relatívneho určovania polohy s využitím vysielaných efemeríd. Oneskorenie spracovania je len niekoľko sekúnd po meraní, takže ide prakticky o prácu v reálnom čase. Inicializácia sa uskutočňuje výlučne metódou OTF, pričom stačí meranie počas 30 sekúnd. Po inicializácii meranie môže pokračovať buď spojite na stále sa pohybujúcom prijímači, alebo sa prijímač na krátky okamih zastaví na meranom bode. Ak sa príjem signálu preruší, treba znova určiť ambiguity metódou OTF. Spoľahlivosť RTK závisí najmä od výkonu rádiového modemu zabezpečujúceho spojenie referenčného a pohybujúceho sa prijímača. Alternatívnou možnosťou je spojenie prijímačov prostredníctvom siete GSM. Merania metódou RTK možno uskutočniť dvoma metódami: • statické meranie v reálnom čase: najlepšie výsledky sa dosiahnu, ak meranie na bode trvá niekoľko minút. Výsledné súradnice sú priemerom meraní z intervalu, počas ktorého bol prijímač na určovanom bode. Polohová presnosť sa udáva podľa vzťahu: 5mm + 2ppm.b, kde b je vzdialenosť medzi referenčným a pohybujúcim sa prijímačom; • kinematické meranie v reálnom čase: pohybujúci sa prijímač plynule mení svoju polohu, registrujú sa okamžité súradnice. Záznam súradníc môže byť v intervale 0,1 s až niekoľko desiatok sekúnd. Polohová presnosť sa udáva podľa vzťahu 10 mm + 2 ppm.b. Softvéry pre metódu RTK poskytujú okrem možnosti práce v geocentrickom systéme (súradnice X, Y, Z alebo B, L, H na elipsoide WGS-84) aj prácu v rovinnom systéme s tým, že majú možnosť voľby kartografického zobrazenia. Okrem toho majú aj zabudovanú možnosť určenia transformačných parametrov na základe merania identických bodov. Súčasťou výsledku merania, ktorý sa indikuje na displeji pohybujúceho sa prijímača, sú okrem rovinných súradníc vo zvolenom súradnicovom systéme aj výšky (elipsoidické, alebo v ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

29

3. MONITOROVANIE POMOCOU GNSS

prípade znalosti priebehu geoidu aj nadmorské), ako aj charakteristiky presnosti určenia okamžitej polohy.

3.3 Základné princípy merania Dnes sú budované družicové polohové systémy pasívneho charakteru. Prijímač určuje svoju vzdialenosť z vysielania jednotlivých družíc kozmického segmentu. Svoju polohu určuje pretínaním. Merané vzdialenosti môžeme určovať na základe: • kódových meraní, • fázových meraní, • dopplerovských meraní (tento spôsob sa v GPS bežne nevyužíva).

3.3.1 Kódové meranie Kódové merania sa využívajú pri určovaní vzdialenosti medzi prijímačom a družicami pomocou diaľkomerných kódov vysielaných jednotlivými družicami. Tieto kódy slúžia ako presné časové značky umožňujúce určiť čas, kedy bola odvysielaná ktorákoľvek časť signálu. Prijímač príchodom signálu identifikuje diaľkomerný kód príslušnej družice, zistí čas odoslania a prijatia jednej sekvencie kódu. Z toho určí časový rozdiel ∆ti a vzdialenosť medzi prijímačom a družicou di podľa vzťahu: di = ∆ti .c kde c je rýchlosť šírenia rádiových vĺn. Hodiny (časová základňa) prijímača nie sú celkom synchrónne s časom systémovým, hodnota ∆ti je zaťažená chybou hodín prijímača. Tým je spôsobené to, že neurčíme výpočtom skutočnú vzdialenosť, ale tzv. zdanlivú vzdialenosť (angl. pseudorange). Pri odvodení reálnej dosiahnutej presnosti pre kódové meranie berieme do úvahy, že frekvencia diaľkomerných kódov je v úrovni jednotiek megahertzov pre frekvenciu L1 a desiatok megahertzov pre frekvenciu L2. Vlnové dĺžky odpovedajúce týmto frekvenciám sú 300 m, resp. 30 m. Reálne dosiahnuteľná presnosť merania sa udáva v rozsahu 1 - 2 % vlnovej dĺžky a tak vychádza reálne dosiahnuteľná presnosť v prvom prípade 3 až 6 m, v druhom prípade 0,3 až 0,6 m. Ide však o chybu spracovania diaľkomerného kódu, ďalšie chyby ako je prostredie, nepresnosti hodín a pod. tu nie sú započítané.

3.3.2 Fázové meranie

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

30

3. MONITOROVANIE POMOCOU GNSS

Zatiaľ čo pri kódových meraniach sa snažíme získať informáciu namodulovanú na nosnú vlnu vysielanú družicou, pri fázových meraniach spracovávame samotnú nosnú vlnu. Snažíme sa počítať počet vlnových dĺžok medzi prijímačom a družicou, ktorá vysiela signál. Zostáva tu ešte časť posledného kmitu vlny, tú sme schopní určiť s dostatočnou presnosťou priamo v prijímači. Problém sa nám tým zmenší ale iba na určovanie počtu celých vlnových dĺžok. Tento pojem sa nazýva celočíselná nejednoznačnosť (angl. ambiguity). Pre riešenie nejednoznačnosti (neznámeho počtu vlnových dĺžok medzi družicou a prijímačom) existuje celý rad metód a pracovných postupov. Konkrétne riešenie je závislé od druhu a kvality používaného vybavenia a jeho riadiaceho softvéru. Ak je však už určená nejednoznačnosť, je prijímač schopný sledovať zmeny vo fáze nosnej vlny, a tým i prípadnú zmenu svojej polohy a z toho odvoditeľné ďalšie veličiny, napr. rýchlosť, trajektóriu a iné. Pokiaľ sa preruší plynulé sledovanie nosnej vlny, dôjde k tzv. fázovému skoku a prijímač už nie je schopný ďalej sledovať a určiť svoju polohu. Musia sa opätovne určiť celočíselné nejednoznačnosti. Výpadok nastáva v dôsledku zatienenia signálu (terénnou prekážkou, vegetáciou, obsluhou) alebo v dôsledku iného priveľkého oslabenia signálu a jeho straty v šume. Presnosť fázového merania je závislá od vlnovej dĺžky spracovávanej nosnej vlny. Opäť sa dá predpokladať chyba spracovania signálu v prijímači cca 1 - 2% vlnovej dĺžky. Vlnová dĺžka je rovná rádovo niekoľko málo desiatok centimetrov. Na základe toho môžeme povedať, že presnosť určenia vzdialenosti medzi prijímačom a družicou bude rádovo milimetrová.

3.3.3 Dopplerovské meranie V dôsledku relatívneho pohybu družice voči prijímaču sa priebežne mení frekvencia prijímaného signálu (dopplerovský posun frekvencie je meraný na nosnej vlne). Tento frekvenčný posun je po určitú dobu meraný a potom je na základe získaných údajov vypočítaná zmena radiálnej vzdialenosti medzi družicou a prijímačom. Poloha prijímača potom môže byť vypočítaná z týchto rozdielov vzdialeností. Toto meranie môžeme síce využiť na určenie polohy, ale skôr sa využíva na určovanie rýchlosti, akou sa prijímač pohybuje [8].

3.4 Referenčné stanice Referenčná stanica je GPS prijímač umiestený v bode s presne známou polohou, ktorého programové vybavenie umožňuje sledovať všetky viditeľné družice a počítať pre ne

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

31

3. MONITOROVANIE POMOCOU GNSS

korekčné údaje. Situácia však nie je tak jednoduchá, pretože korekcie by mali byť určené na základe rovnakej konštelácie družíc s rovnakým DOP, ktorú používa pre meranie vzdialený prijímač, aby bola splnená podmienka rovnakých chýb. Referenčné stanice boli najskôr budované na báze presných prijímačov GPS, vybavených počítačom so špeciálnym programovým vybavením pre výpočet diferenčných korekcií v reálnom čase. Tieto korekcie potom boli publikované prostredníctvom vysielača alebo prostredníctvom služby BBS, v súčasnej dobe prostredníctvom internetu. Užívateľské prijímače musia mať k dispozícii korekcie pre všetky družice, ktorých signály môžu prijímať. Prijímač referenčnej stanice preto musí byť schopný prijímať signály všetkých viditeľných družíc. Z toho vyplýva, že tento prijímač by mal byť napr. pre systém GPS dvanásťkanálový (teoreticky viac ako 12 z plánovaného počtu 24 družíc nemôže byť súčasne nad horizontom). Postupom

času

sa

konštrukcia

referenčných

staníc

vyvinula

do

oveľa

komplikovanejšej podoby. Dnešné špičkové referenčné stanice sú konštruované ako redundantné, s externými hodinami [11].

Obr. 3.2 Štruktúra klasickej DGPS referenčnej stanice

3.4.1 Referenčná stanica Trimble R8

Obr. 3.3 Integrovaná RTK/PP zostava značky Trimble, model R8 [5]

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

32

3. MONITOROVANIE POMOCOU GNSS

V ľavej časti obr. 3.3 je ilustrovaná referenčná stanica pre merania v reálnom čase (RTK merania) umiestnená na statíve (s detailným záberom na GPS prijímač R8 v strede), ku ktorej už nie je nutné nič pripájať, obsahuje totiž všetko na to, aby fungovala ako samostatná referenčná stanica GPS na merania v reálnom čase a postprocessing (PP): dvojfrekvenčný GPS prijímač s internou pamäťou (schopný merania nového GPS signálu L2C) a GPS anténu, vysielací rádiomodem a internú batériu. V pravej časti obr. 3.3 je mobilný GPS prijímač (s rovnakými technickými parametrami ako referenčná stanica) s kontrolnou jednotkou (poľným počítačom), ktorá je schopná komunikovať s GPS prijímačom bezkáblovou technológiou BlueTooth. Súčasťou celého RTK/PP systému je aj prenosná a odnímateľná kontrolná jednotka (poľný počítač) ACU (Attachable Control Unit), obr. 3.4

Obr. 3.4 Prenosná kontrolná jednotka (poľný počítač) ACU pre GPS RTK/PP

ACU je v podstate od GPS prijímača nezávislý poľný počítač s operačným systémom Windows CE, s farebným dotykovým displejom, so 64 MB RAM pamäťou a 128 MB resp. 512 MB pevným diskom. Má zabudovanú komunikačnú technológiu BlueTooth. S nainštalovaným softvérom Survey Controller umožňuje kompletné ovládanie procesu RTK/PP meraní a komplexné geodetické výpočty. S kontrolnou jednotkou ACU a so softvérom Survey Controller je možné v rámci jedného projektu spoločne registrovať nielen merania GPS, ale aj terestrické observácie klasickými totálnymi stanicami a nivelačné merania, ktoré je potom možné komplexne spracovať. V priebehu merania je v prípade potreby možné registrovať aj popisné informácie

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

33

3. MONITOROVANIE POMOCOU GNSS

(atribúty) o meraných objektoch vo formátoch vhodných pre geografický informačný systém (GIS). Na tomto mieste je vhodné poznamenať, že GPS merania v reálnom čase (RTK) automaticky určujú priestorové trojrozmerné (3D) súradnice meraných objektov. Tretím parametrom je nadmorská výška, ktorú je možné určiť na úrovni presnosti technickej nivelácie vďaka zabudovaným modelom rôznych geoidov priamo v aplikačných softvéroch, ktoré sú štandardnou súčasťou RTK/PP zostáv. Žiaľ, veľmi kvalitný celoslovenský model geoidu svojou presnosťou spoľahlivo dosahujúci (v kombinácii s geodetickými GPS meraniami) úroveň presnosti technickej nivelácie (t.j. jeho použitie v kombinácii s geodetickými GPS meraniami by úplne eliminovalo potrebu technickej nivelácie), nie je slovenskej geodetickej komunite využívajúcej GPS technológiu komerčne dostupný (a veľmi pravdepodobne ani známy), čo je určite jedným z najväčších problémov slovenskej geodézie, nad ktorým by mali kompetentné inštitúcie pouvažovať. Avšak v prípade existencie funkčnej GPS infraštruktúry ponúka model R8 (RTK GPS prijímač) aj alternatívny spôsob komunikácie s riadiacim strediskom permanentných staníc GPS (okrem rádiomodemu) a tým je interný modul GSM s internou GSM SIM kartou (obr. 3.5), ktorý eliminuje potrebu pripojenia externého GSM telefónu k GPS prijímaču [5].

Obr. 3.5 Interná GSM SIM karta integrovaná v GPS RTK prijímači, model R8 [5]

3.5 Metóda VRS (virtuálne referenčné stanice) Určovanie polohy pomocou RTK s GPS je jedna z najviac používaných lokalizačných techník s vysokou presnosťou, hoci efekty z iónosféry a troposféry s vytvárajúcimi systematickými chybami v prvotných dátach čiastočne obmedzujú jej používanie. Prakticky to znamená, že vzdialenosť medzi roverom – prijímačom a jeho referenčnou stanicou má byť dosť malá, aby pracovali efektívne. V niektorých krajinách existuje GPS sieť referenčných staníc a poskytuje dáta individuálnym účastníkom. Pre RTK, kvôli potrebe malých vzdialeností medzi referenčnou

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

34

3. MONITOROVANIE POMOCOU GNSS

stanicou a roverom, potrebujú byť referenčné stanice siete veľmi husto rozmiestnené. Niektoré stanice štátnej siete nie sú husto rozmiestnené na poskytovanie kompletného pokrytia RTK. Situácia je horšia počas obdobia veľkej slnečnej aktivity. Použitie sietí referenčných staníc namiesto jednej referenčnej stanice dovolí poskytovateľovi možnosť redukcie chýb. To umožní užívateľovi nie veľmi zvýšiť vzdialenosť, ale zvyšuje to spoľahlivosť a znižuje RTK nastavovací čas. Opravy chyby v sieti môžu byť prenesené do rovera v dvoch možných režimoch: 1. pomocou

virtuálnej

referenčnej

stanice.

Tento

mód

vyžaduje

obojsmernú

komunikáciu. Základná výhoda tohto módu je to, že využíva existenciu RTCM a CMR štandardov implementovaných do všetkých hlavných geodetických roverov – prijímačov a tak je kompatibilný s existujúcim hardvérom; 2. pomocou vysielajúceho režimu, v ktorom opravy chýb spôsobené atmosférickými a orbitálnymi efektami sú prenášané v špeciálnom formáte, čo vyžaduje zmeniť hardvér rovera – prijímača alebo implementáciu ešte jedného hardvéru na zmenu neštandardného formátu na štandard RTCM pred jeho použitím.

Obr. 3.6 Koncept virtuálnej referenčnej stanice [6]

Návrh virtuálnej referenčnej stanice (VRS) je založený na sieti referenčných staníc trvalo spojených dátovými spojmi s kontrolným centrom. Počítač v kontrolnom centre neustále zhromažďuje informácie zo všetkých prijímačov a vytvára pevnú databázu regionálnej oblasti opravy. To sa využíva na vytvorenie VRS, umiestnenej iba niekoľko metrov od miesta, kde je situovaný nejaký rover spolu s nespracovanými dátami. Rover analyzuje a vyhodnocuje dáta ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

35

3. MONITOROVANIE POMOCOU GNSS

a používa ich, ako by pochádzali z reálnej referenčnej stanice. Výsledné zlepšenie výkonu RTK je dynamické. Realizácia VRS myšlienky do funkčného riešenia systému je v nasledujúcich prípadoch. Najprv potrebujeme najmenej tri referenčné stanice spojené so sieťovým serverom cez komunikačné linky.

Obr. 3.7 Sieťový náčrt VRS

GPS rover odosiela svoju približnú pozíciu do kontrolného centra, čo je riadené cez GPS sieť. Pritom sa používa komunikácia mobilného telefónu na posielanie štandardu NMEA. Tento prenosový reťazec sa nazýva GGA. NMEA formát bol vybraný, pretože je dostupný na väčšine prijímačov.

Obr. 3.8 Prenos NMEA správy z VRS do sieťového servera

Kontrolné centrum akceptuje pozíciu a odpovedá poslaním RTCM korekčných dát do rovera. Len čo sú prijaté, rover vypočíta vysokú kvalitu DGPS riešenia a akceptuje pozíciu. Rover potom vyšle svoju novú pozíciu do kontrolného centra.

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

36

3. MONITOROVANIE POMOCOU GNSS

Obr. 3.9 Korekčný sieťový prenos RTCM správy do VRS

Sieťový server hneď prepočíta nové RTCM korekcie tak, že sa objavia prichádzajúce zo stanice vedľa rovera. Rover posiela späť dáta cez sieť GSM. Pre DGPS riešenie je presnosť v tolerancii ± 1m. Pomocou konceptu VRS sa vysoko zlepšuje presnosť určovania polohy, podobne ako pri RTK [7].

3.6 Sieť referenčných staníc DGPS Táto metóda našla v praxi široké uplatnenie. Po celom svete sa budujú siete permanentných referenčných staníc, ktoré uľahčujú a spresňujú používanie systému GPS. Permanentná sieť je zložená z prijímačov GPS umiestnených trvale na známom bode a nahradzuje druhý pristroj, ktorý by inak užívateľ musel vlastniť a obsluhovať počas merania a tým vlastné meranie zefektívňujú a zlacňujú. Ďalšou funkciou permanentných staníc je kontrola integrity systému GPS. Pokiaľ niektoré družice vysielajú zlé údaje, sú stanice schopné tieto chyby identifikovať a upozorniť mobilný meriaci prístroj, aby danú družicu vylúčil z merania. Kameňom úrazu pri sieťach referenčných staníc býva ich hustota pokrytia daného priestoru. Referenčná stanica musí určovať korekcie v takom istom prostredí, v akom je mobilný prijímač, aby bolo možné splniť predpoklad korelácie medzi diferenciami. Tu je rozdiel medzi poskytovaním korekcií pre fázové a pre kódové meranie. Pre kódové merania sú použiteľné korekcie do vzdialenosti okolo 200 km, pre fázové meranie je táto vzdialenosť okolo 40 až 50 km. Siete referenčných staníc môžu byť vybudované rôznymi spôsobmi. Tie sú zhrnuté do troch modelov: ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

37

3. MONITOROVANIE POMOCOU GNSS

• Centralizovaný model - systém tvoria jednotlivé referenčné stanice, ktoré nie sú navzájom prepojené. Existuje iba centrálna (alebo tiež riadiaca) referenčná stanica, ku ktorej sú ostatné stanice pripojené. Dáta zbierané referenčnými stanicami sú na nich čiastočne archivované a odovzdávané ďalej do riadiacej stanice. Tá zaisťuje kompletnú správu dát a archiváciu zo všetkých pripojených staníc. Je schopná ich spracovať a napríklad predikovať presnejšie efemeridy. Nazbierané dáta je potreba distribuovať ďalej, a preto je hlavná stanica vybavená komunikačným rozhraním s užívateľmi systému, najčastejšie pomocou internetu. • Distribuovaný model - referenčné stanice v tomto systéme sú prepojované medzi sebou tak, aby si susedné stanice mohli vymieňať observačné dáta medzi sebou. Každá z referenčných staníc uskutočňuje vlastnú správu dát a zároveň má k dispozícii aj dáta z okolia, a je schopná na základe týchto informácií spresňovať poskytované korekcie. Dlhodobú archiváciu dát poskytuje regionálna riadiaca stanica. Tá je vďaka dátam z jej podriadených staníc schopná spresňovať pozorovanie napríklad výpočtom kvalitnejších efemeríd ako poskytuje sám systém GPS. Distribúcia korekcií užívateľom prebieha na báze regionálnych staníc. Tento systém je spoľahlivejší ako centralizovaný, pretože nekladie toľko úloh na jedinú stanicu. • Hybridný model - referenčné stanice sú spojené s regionálnou stanicou, kam iba odovzdávajú dáta. Ostatné potrebné funkcie ako komunikácia s užívateľom, spracovanie a archivácia dát sú riešené v regionálnej riadiacej stanici (rovnako ako pri distribuovanom modeli). Za optimálny je považovaný distribuovaný model. Metóda DGPS je pomocná a zlepšuje presnosť iných použitých metód. Jej hlavný prínos je v oblasti sprístupnenia a zefektívnenia GPS merania. Pokiaľ sieť referenčných staníc má pokryť súvislé územie, treba vhodne určiť maximálnu možnú vzdialenosť medzi referenčnými stanicami v tejto sieti. Vzdialenosť od referenčnej stanice je určená aj limitnými parametrami týchto metód. Napríklad pri rýchlej statickej metóde je to 30-40 km. Pri použití výkonných systémov RTK by vzdialenosť referenčných staníc mohla byť i väčšia. Záležalo by na tom, ako výkonnú máme RTK aparatúru. Pokiaľ by bola schopná merať vektory až do 30 km, mohla by byť vzdialenosť referenčných staníc 60 km. Pokiaľ by to bolo viac, nemuseli by byť zmieňované metódy pre meranie vôbec použiteľné, alebo by mohlo dôjsť k zhoršeniu presnosti, či k predĺženiu inicializačných časov metód. Systém takýchto permanentných GPS staníc je ovládaný riadiacim softvérom v riadiacom centre, ktorý na základe približnej polohy registrovaného užívateľa, ktorá je

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

38

3. MONITOROVANIE POMOCOU GNSS

odoslaná do riadiaceho centra napr. pomocou GSM telefónu z lokality merania, vypočíta virtuálnu referenčnú stanicu (reálne neexistujúcu) z najbližších reálnych referenčných staníc a vzhľadom na jej polohu (súradnice) mu generuje a posiela korekčné údaje [8].

3.6.1 Európska sieť referenčných staníc EUREF Podľa novej štruktúry IAG (Medzinárodná asociácia geodézie), prijatej na valnom zhromaždení IUGG (Medzinárodná únia geodézie a geofyziky) v roku 2003 v Sappore, je EUREF - európsky referenčný rámec súčasťou IAG Komisie 1- Referenčné systémy, v podrobnejšom členení Subkomisie 1.3 - Regionálne referenčné rámce. EUREF bol založený v roku 1987 na valnom zhromaždení IUGG vo Vancouveri. EUREF sa zaoberá definovaním, realizáciou a údržbou Európskeho referenčného rámca - jednotnej geodetickej infraštruktúry pre presné georeferencovanie v celej Európe (napr. určovanie 3D-polohy, geodynamika, presná navigácia, GIS, atď.) so zameraním sa na priestorovú aj výškovú zložku, v úzkej spolupráci s IAG a EuroGeographics (konzorcium národných mapovacích a katastrálnych organizácií). EUREF vyvíja celý rad aktivít vzťahujúcich sa k založeniu a údržbe Európskeho terestrického referenčného systému ETRS 89 a Európskeho vertikálneho referenčného systému EVRS. Od roku 1995 ako kľúčový nástroj na údržbu ETRS 89 slúži sieť permanentných staníc rozmiestnených po celej Európe EUREF - permanentná sieť EPN, kontinuálne prijímajúca signály z družicových systémov NAVSTAR GPS a GLONASS.

3.6.2 SKPOS: Slovenská priestorová observačná služba využitia signálov GNSS Permanentná

služba

globálnych

navigačných

satelitných

systémov

je

sieť

kooperujúcich staníc, ktorá spracúva a v reálnom čase poskytuje geocentrické súradnice na presnú lokalizáciu objektov a javov. SKPOS má dva základné druhy služieb: 1. pre reálny čas (RTK) sú to 2 typy služieb: SKPOS-dm, SKPOS-cm. 2. pre post-reálny čas, dodatočné spracovanie údajov (postprocessing): SKPOS-mm VS; údaje z virtuálnej referenčnej stanice,

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

39

3. MONITOROVANIE POMOCOU GNSS

SKPOS-mm RS; údaje z vybranej referenčnej stanice. Služby pre reálny čas sa poskytujú cez internet prostredníctvom štandardu NTRIP (Networked Transport of RTCM via Internet Protocol) vo formáte RTCM (Radio Technical Commission for Maritime) 2,3 resp. 3,0 alebo formáte CMR/CMR+ (Compact Measurement Record): pre postprocessing prostredníctvom štandardu využívajúceho Hypertext Transfer Protocol HTTP/1.1, resp. FTP vo formáte RINEX 2.11. Referenčné stanice odosielajú údaje do Národného servisného centra prostredníctvom funkčnej rezortnej virtuálnej privátnej siete VPS-WAN. V NSC sa v sekundových intervaloch počítajú plošné korekcie na spresňovanie priestorovej polohy v reálnom čase. Tieto sa prostredníctvom internetu (NTRIPcaster) poskytujú koncovým používateľom na využitie v reálnom čase [9].

Obr. 3.10 Rozmiestnenie SKPOS referenčných staníc [10]

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

40

4. KOMUNIKAČNÉ RIEŠENIE GPS S VYUŽITÍM SIEŤOVÝCH APLIKÁCIÍ

4. KOMUNIKAČNÉ RIEŠENIE GPS S VYUŽITÍM SIEŤOVÝCH APLIKÁCIÍ 4.1 Protokoly využívané navigačnými systémami Prijímače dnes predstavujú obrovský zdroj dát. Problémom sa môže stať, ako dostať namerané dáta z daného prijímača do programu pre vyhodnotenie merania. Prijímače často používajú svoje vlastné formáty. Jedinou cestou, ako situáciu vyriešiť, je vytvorenie štandardov pre dátovú komunikáciu s GPS prijímačom. Štandard RTCM vznikol v oblasti DGPS pre spojenie dvoch prijímačov pri meraní v diferenčnom móde. Druhý štandard vznikol pre oblasť výstupu dát z GPS prijímačov a nesie označenie RINEX. Tretí štandard definuje všeobecne rozhranie medzi jednotlivými elektronickými prístrojmi používanými v lodnej doprave a jedna jeho časť definuje aj rozhranie, ktoré musí spĺňať GPS prijímač, aby ho bolo možné bez problémov integrovať s inými elektronickými zariadeniami. Ide o štandard NMEA 0183.

4.1.1 Protokol RTCM V roku 1983 požiadal Inštitút pre navigáciu USA (angl. U.S. Institute of Navigation – ION) Rádiotechnickú komisiu pre námorné služby (angl. Radio Technical Commission for Marine Services – RTCM) o vypracovanie odporúčaní na prenos diferenčných korekcií pre užívateľov GPS. RTCM je neziskový orgán založený v roku 1947 s mandátom skúmať a hodnotiť technické problémy vzťahujúce sa k námornej telekomunikácii. Vedenie sídli vo Washingtone a členovia sú prakticky zo všetkých sektorov námorníctva, vrátane vládnych agentúr, lodiarskeho a rybolovného priemyslu, výrobcov a vzdelávacích a výskumných inštitúcií. ION v reakcii na túto žiadosť ustanovil RTCM komisiu č. 104 s názvom „Diferenčná GPS služba Navstar“ (angl. Special Committee No. 104, “Differential Navstar GPS Service“) s poverením vypracovať odporúčanie, ktoré uľahčí implementáciu prenosu diferenčných korekcií a bude zahrňovať definíciu dát, minimálne časy medzi prenosmi, veľkosť a protokoly dátového segmentu, dátové jednotky, rozsahy a rozlíšenia. Ďalej mala táto komisia pripraviť odporúčanie pre možnú implementáciu dátového komunikačného kanála. Pritom mala táto komisia mať na zreteli potreby nielen námorníctva, ale i ostatných užívateľov. Odporúčanie vyššie zmienenej komisie obsahovalo zatiaľ návrh usporiadania pseudodružice. Pseudodružica bola vnímaná ako špeciálna DPGS služba, zahrňujúca prenos ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

41

4. KOMUNIKAČNÉ RIEŠENIE GPS S VYUŽITÍM SIEŤOVÝCH APLIKÁCIÍ

diferenčných korekcií na frekvencii L1, prípadne v jej blízkosti. Užívateľom by sa pseudodružica javila ako ďalšia družica, ktorej signál by bol spracovávaný priamo prijímačom GPS. Tým by bola eliminovaná potreba špeciálneho dátového kanála pre prenos korekcií. Naviac k výhodám klasickej služby DGPS by toto usporiadanie zvyšovalo spoľahlivosť systému tým, že by poskytovalo ďalšiu možnosť merania zdanlivej vzdialenosti. Každopádne išlo o predbežný návrh, vyžadujúci dôkladne testovanie, aby nedošlo k ohrozeniu vlastnej funkcie systému GPS. Štandard RTCM SC-104 definuje pri odovzdávaní dát binárny formát. Základným stavebným blokom je správa alebo rámec, pozostávajúci z rôzneho počtu 30- bitových slov. Každé slovo obsahuje jeden alebo niekoľko parametrov s tým, že niektoré parametre môžu prekračovať rozhranie medzi slovami. Pre prenos dát sa využíva prvých 24 bitov, zvyšných 6 bitov je využitých pre zabezpečenie, umožňujúce detekovať a prípadne i opravovať chyby v dátach vzniknutých pri ich prenose. Ako použitá dĺžka slova, tak i algoritmy použité pre zabezpečenie Hammingovým kódom sú rovnaké ako v prípade navigačnej správy.

4.1.2 Protokol RINEX Tento štandard bol pôvodne vytvorený na Inštitúte astronómie Univerzity v Berne ako formát pre odovzdávanie dát medzi inštitúciami participujúcimi na projekte vytvorenia celoeurópskej presnej geodetickej referenčnej siete, realizovanom v máji 1989. Na Šiestom medzinárodnom geodetickom sympóziu o určovaní polohy pomocou družíc, konanom v Las Cruces v Novom Mexiku v apríli 1989 sa zišli autori tohto štandardu s autormi ďalších, vtedy používaných štandardov s cieľom dohodnúť sa na používaní iba jediného z nich. Podarilo sa im rýchlo dosiahnuť zhodu, takže ešte v rámci tohto sympózia oznámili, že RINEX bude jediným uznávaným štandardom a zahájili práce na jeho presnej špecifikácii. Posledné korektúry prebehli v apríli 1993. Od tej doby bol tento štandard akceptovaný všetkými hlavnými výrobcami GPS prijímačov. Títo výrobcovia dnes dodávajú ku svojim prijímačom programy pre prevod nameraných dát do tohto formátu. Rovnako výrobcovia programového vybavenia pre následné spracovanie zabudovali do svojich programov moduly umožňujúce načítať dáta v tomto formáte. Tento formát je textový, dĺžka riadku je max. 80 znakov, aby sa uľahčilo prehliadanie na obrazovke. Boli definované tri typy súborov: • súbor obsahujúci namerané dáta, • súbor obsahujúci navigačné správy,

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

42

4. KOMUNIKAČNÉ RIEŠENIE GPS S VYUŽITÍM SIEŤOVÝCH APLIKÁCIÍ

• súbor obsahujúci meteorologické dáta. Dnes je platný štandard RINEX verzia 3.01.

4.1.3 Protokol NMEA Štandard pre propojovanie námorných elektronických zariadení NMEA 0183 (angl. NMEA 0183 – Standard for Interfacing Marine Electronic Devices) bol vypracovaný americkou Národnou asociáciou pre námornú elektroniku (angl. National Marine Electronic Association – NMEA). Tá začiatkom 80. rokov pociťovala potrebu existencie obecného štandardu, definujúceho rozhranie pre prepojovanie námorných elektronických zariadení, ktorý by umožňoval jednoduchšie implementovateľnú a spoľahlivú dátovú komunikáciu medzi týmito zariadeniami a navigačnými a komunikačnými systémami. GPS prijímače boli do tohto štandardu rovno zaradené a výrobcovia na to reagovali tak, že začali svoje prijímače vybavovať komunikačným kanálom vyhovujúcim tomuto štandardu. Vzhľadom k tomu, že definícia rozhrania pre prijímače GPS bola dostatočne všeobecná, stala sa nakoniec široko užívanou i mimo oblasť námorných aplikácií. Štandard definuje jednosmernú sériovú asynchrónnu komunikáciu medzi prijímačom zdrojom dát a iným zariadením (napríklad počítačom) - príjemcom dát. Komunikácia prebieha iba v textovom móde. Dáta sú z prijímača odosielané v podobe textových viet, ktorých dĺžka môže byť až 82 znakov. Jednotlivé vety môžu obsahovať almanach GPS, údaje o stave družíc, určenú polohu, hodnoty DOP a zoznam viditeľných družíc, atď. [11].

4.1.4 Internetový protokol NTRIP Ntrip je navrhnutý na šírenie dát diferenčných korekcií, alebo iných typov dátových tokov GNSS, smerom k užívateľom pomocou internetu tak, aby bolo možné súčasné pripojenie viac klientov. Ntrip nie je obmedzený iba na klasické siete, ale umožňuje bezdrôtový internetový prístup pomocou mobilných IP sietí ako napríklad GSM, GPRS, EDGE alebo UMTS. Ntrip sa skladá z troch programových častí: NtripClient, NtripServer a NtripCaster. NtripCaster je v skutočnosti HTTP server, zatiaľ čo NtripClient a NtripServer vystupujú ako HTTP klienti. Schéma systému je na obrázku 4.1. NtripSource - generuje dátové toky; NtripServer - prenáša dátové toky zo zdroja do NtripCastera;

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

43

4. KOMUNIKAČNÉ RIEŠENIE GPS S VYUŽITÍM SIEŤOVÝCH APLIKÁCIÍ

NtripCaster - hlavná časť systému; NtripClient - prenáša dátové toky z požadovaného zdroja pomocou DataCastera;

Obr. 4.1 Schéma systému Ntrip

NtripSource NtripSource alebo dátový zdroj je, čo sa týka dát, vstupným bodom systému. Ide o zdroj GNSS dát, ktorý je spravidla tvorený GNSS prijímačom. Výstupom z GNSS prijímača môžu byť napríklad diferenčné korekcie RTCM-104 určené na spresnenie meraní. V systéme Ntrip môže byť (teoreticky) súčasne pripojených ľubovoľné množstvo dátových zdrojov. Každý zdroj je jednoznačne určený svojím identifikátorom (tzv. mountpoint), ktorý je tvorený postupnosťou znakov. Dĺžka identifikátora je obmedzená na 100 znakov, ale odporúča sa používať iba štyri znaky nasledované jednociferným číslom (napr. VSBO0).

NtripServer NtripServer je server, ktorý sprostredkováva klientom prenos GNSS dát z dátového zdroja do NtripCastera. Dáta získané napríklad zo sériového rozhrania GNSS prijímača sú pomocou TCP/IP spojenia a protokolu HTTP prenášané do NtripCastera. Každý NtripServer musí mať priradené heslo pre daný typ dátového zdroja, bez ktorého nie je možné dátový prenos uskutočňovať. Heslo pre príslušný identifikátor (mountpoint) priraďuje administrátor spravujúci NtripCaster.

NtripClient NtripClient je klientský program, ktorý je využívaný na strane užívateľov ku sprístupneniu GNSS dát niektorého z dátových zdrojov.

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

44

4. KOMUNIKAČNÉ RIEŠENIE GPS S VYUŽITÍM SIEŤOVÝCH APLIKÁCIÍ

NtripCaster NtripCaster je základný HTTP server, ktorý čaká na požiadavky od klientov (t.j. NtripClient a NtripServer) na určitej adrese a porte. Na základe HTTP správ rozoznáva, či ide o NtripServer, alebo NtripClient a zahajuje prijímanie, resp. odosielanie dát.

4.1.4.1 Komunikácia NtripServer - NtripCaster Komunikácia NtripCaster - NtripServer je realizovaná pomocou TCP/IP a HTTP protokolov, ktoré sú rozšírené o správu typu "SOURCE" a stavový kód "ERROR – Bad Password". NtripServer vytvorí spojenie na príslušnú IP adresu a port a zašle správu typu "SOURCE", v ktorej uvedie svoj identifikátor a heslo, ktoré mu bolo pridelené administrátorom. Po prijatí správy (SOURCE) NtripCaster overí heslo, pokiaľ je správne, NtripCaster odošle správu ICY 200 OK a zaháji príjem dátového toku. Pokiaľ je heslo neplatné, odpovie správou ERROR - Bad Password a automaticky ukončí spojenie. Správa je voliteľná a používa sa na určenie toho, že sú do NtripCastera zasielané parametre zdrojovej tabuľky.

Obr. 4.2 Štruktúra správy NtripServer

4.1.4.2 Komunikácia NtripCaster - NtripClient

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

45

4. KOMUNIKAČNÉ RIEŠENIE GPS S VYUŽITÍM SIEŤOVÝCH APLIKÁCIÍ

V prípade NtripClienta odpovedajú požiadavky HTTP správam, bez rozšírenia. Klient zaháji komunikáciu tak, že zašle požiadavky GET s uvedením identifikátora príslušného dátového zdroja. NtripCaster na požiadavku klienta odpovie v závislosti od existencie požadovaného zdroja dát. Pokiaľ daný identifikátor existuje, NtripCaster vráti správu ICY 200 OK a zaháji prenos GNSS dát. V opačnom prípade (pokiaľ identifikátor v zdrojovej tabuľke neexistuje), vráti správu SOURCETABLE 200 OK nasledovanú vlastnou zdrojovou tabuľkou. Užívateľovi potom stačí poznať adresu a port príslušného DataCastera. Na základe požiadavky na neexistujúci dátový zdroj dostane zdrojovú tabuľku, ktorú si môže uložiť pre ďalšie využitie. Na základe informácií zo zdrojovej tabuľky spravovanej NtripCasterom sú NtripClienti schopní zistiť požadované informácie o všetkých dostupných zdrojoch dát. NtripClient môže novú získanú tabuľku uložiť do pamäti (na disk) a pri ďalšom dopyte ju použiť, alebo sa môže pri každom pripojení dožiadať aktuálnej tabuľky, z ktorej získa potrebné údaje. Pri zaslaní požiadavky, v ktorom je uvedený neplatný identifikátor (napr. získaný zo starej zdrojovej tabuľky), alebo je identifikátor vynechaný, dôjde automaticky zo strany NtripCastera k zaslaniu aktuálnej zdrojovej tabuľky.

Obr. 4.3 Štruktúra správy NtripClient

4.1.4.3 Zdrojová tabuľka SOURCE-TABLE V rámci NtripCastera je spravovaná zdrojová tabuľka (source-table), ktorá obsahuje informácie o dostupných dátových zdrojoch (NtripSource), sieťach a NtripCasteroch, ktoré sa na požiadanie zasielajú NtripClientom. ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

46

4. KOMUNIKAČNÉ RIEŠENIE GPS S VYUŽITÍM SIEŤOVÝCH APLIKÁCIÍ

V zdrojovej tabuľke môžu byť záznamy popisujúce tri typy informácií: STR – dátové toky; CAS – NtripCastery; NET – siete dátových tokov. Ich štruktúra je rozšíriteľná na prípadné nové vzniknuté typy správ. Nové správy môžu byť staršími NtripClientami ignorované. Všetci NtripClienti musia byť schopní dekódovať správy typu STR. Dekódovanie správ typu CAS a NET je voliteľnou súčasťou klientov. Záznamy tabuľky sú poskytované vo forme textu, pričom jeden záznam odpovedá jednému riadku. Jednotlivé polia tabuľky sú oddelené znakom ";". V prípade, že sa bodkočiarka objaví ako súčasť dát, musí byť uzavretá do úvodzoviek. Počet dátových polí nie je obmedzený. Posledné dátové pole je typu , t.j. rôzne [12].

4.2 Sieťový prenos protokolu RTCM cez Internet protokol NTRIP Protokol NTRIP umožňuje šírenie korekcií z referenčnej stanice pre rôznych klientov cez definovanú komunikačnú techniku. Mobilní užívatelia používajú túto techniku na mapovanie GIS aplikácií. Musia však používať príslušný hardvér s GPRS telefónom na pripojenie cez internet. Aktuálne sú dve možnosti posielania korekcie chýb. Môže to byť ovládané priamo z jednej samostatnej referenčnej stanice alebo pomocou všetkých pozorovacích referenčných staníc použitých v sieti. Ich dáta môžu byť šírené ďalej do centrálnej jednotky (server) na ďalšie spracovanie pred vysielaním. V oboch prípadoch NTRIP protokol poskytuje ideálny prostriedok na transport dát.

Obr. 4.4 Prenos RTCM korekcií cez Internet

Obrázok 4.4 ukazuje klasický prípad mobilného používania v teréne. Užívateľ je pripojený k internetu cez GPRS modem (mobilný telefón) pomocou príslušného softvéru.

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

47

4. KOMUNIKAČNÉ RIEŠENIE GPS S VYUŽITÍM SIEŤOVÝCH APLIKÁCIÍ

DGPS dátové korekcie sú posielané z PC servera cez pevné internetové spojenie do rovera mobilnou rádiovou cestou [13].

NTRIP služobný koncept Dôležitá aplikácia Ntrip je profesionálne prepojenie DGNSS siete alebo RTK služby. Poskytujú korekcie v reálnom čase k tomu, aby redukovali korekcie chyby menej ako 1 m alebo dokonca 1 cm v prípade RTK služieb.

Obr. 4.5 Profesionálny koncept Ntrip DGNSS služieb

Prípad Ntrip konceptu pre profesionálne služby je ukázaný na obrázku 4.5. Komunikácia medzi účastníckymi prvkami systému prechádza cez Internet. Autonómne referenčné stanice vysielajú cez NtripServery a DSL spojenia ku NtripCasterom. RTCM generátor znovu získa tieto dáta na to, aby odvádzal korekcie. Tieto korekcie sú potom prenesené späť do NtripCastera. NtripClienti žiadosť RTCM výsledkov z NtripCastera odovzdávajú do rovera prijímača. Pre profesionálne služby je nevyhnutné nepretržité monitorovanie všetkých prvkov sústavy. Dostupnosť internetu, celkovej hardvérovej platformy a softvérového elementu musí byť preverovaná pravidelne. Monitorovanie môže byť uskutočňované pozorovaním všetkých dátových tokov distribuovaných NtripCasterom. V prípade poruchy sú dátoví dodávatelia spolu s užívateľmi informovaní ihneď prostredníctvom emailu alebo SMS správy. Monitorovanie môže byť zabezpečené externým softvérovým nástrojom v internete, nezávisle na iných prvkoch sústavy [14].

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

48

5. SYSTÉM SLEDOVANIA POHYBU ZVIERAT

5. SYSTÉM SLEDOVANIA POHYBU ZVIERAT V päťdesiatych rokoch minulého storočia sa začínajú prvé pokusy s využitím telemetrie na účely monitorovania správania sa voľne žijúcich zvierat. V priebehu nasledujúcich desaťročí sa telemetrické VHF systémy vyvinuli natoľko, že ich bolo možné využívať na sledovanie pohybu a správania sa veľkých zvierat priamo vo voľnej prírode. Koncom sedemdesiatych rokov vzniká monitorovací systém ARGOS, ktorý umožnil sledovať pohyb zvierat bez obmedzenia dosahu vysielačov. Táto skutočnosť umožnila sledovať pohyb zvierat na ich migračných cestách. Presnosť sledovania polohy je v satelitnom systéme Argos rozdelená do šiestich tried podľa tab.5.1.

Tab.5.1 Presnosť lokalizácie Trieda Presnosť [m]

3

2

1

0

≤150

150-350

350-1000

>1000

A presnosť neurčená

B presnosť neurčená

Z lokalizácia neplatná

V deväťdesiatych rokoch v súvislosti s vývojom energeticky úsporných a citlivých GPS prijímačov sa značne zvýšila presnosť monitorovania polohy sledovaného jedinca. Údaje o polohe sa uchovávali priamo v zariadení (tzv. archival tag) a neskôr sa vyčítavali, alebo na ich prenos do sledovacieho strediska sa využívali RF komunikačné prostriedky, napríklad satelitný systém Argos (tzv. satellite tag). S rozšírením GSM technológií, zvýšením pokrytia signálom, zmenšením rozmerov GSM modulov, znížením spotreby a zavedením nových služieb, napr. GPRS sa stretávame s novou generáciou sledovacích zariadení, ktoré umožňujú ekonomické riešenia sledovania a správania sa voľne žijúcich zvierat. Dnes sa stretávame s najrôznejšími variantmi sledovacích zariadení od rôznych výrobcov. Ich riešenie vždy závisí od konkrétnych podmienok použitia, ktoré determinujú vlastné technické riešenie [15]. V súčasnosti najznámejší výrobca zariadení na sledovanie zvierat, fa Wildlife Computers, USA, sa napríklad orientuje najmä na monitorovanie morských živočíchov (tulene, mrože, veľryby, žraloky, morské korytnačky), vyvíja však aj miniatúrne prívesky (tags) i na monitorovanie pohybu vtákov (divých husí a pod.). Okrem základného problému čo možno najnižšej spotreby energie vystupuje tu do popredia i ďalšia závažná úloha: ako spoľahlivo umiestniť zariadenie na tele zvieraťa. Podmienky ovplyvňujúce technické riešenie sledovacích systémov sú teda predovšetkým tieto: minimálna hmotnosť sledovaného objektu, predpokladaná oblasť pohybu

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

49

5. SYSTÉM SLEDOVANIA POHYBU ZVIERAT

zvieraťa a jej pokrytie signálom, požadovaná doba nepretržitého monitorovania, frekvencia merania, požadovaná presnosť polohovania, maximálna prevádzková spoľahlivosť a mnohé ďalšie.

5.1 Popis sledovacieho systému Sledovací systém navrhnutý na Fakulte riadenia a informatiky Žilinskej univerzity je určený

na

sledovanie

pohybu

objektov

s

možnosťou

informovania

(vysielanie

prostredníctvom SMS správ na zvolené telefónne číslo, prípadne využitie služby GPRS) stacionárnej stanice o aktuálnej polohe monitorovaného objektu. Úpravou programového vybavenia je možné zvoliť rôzne režimy činnosti: - periodické oznamovanie polohy po uplynutí zvoleného časového intervalu, - oznamovanie po definovanej zmene polohy sledovaného objektu, - periodické oznamovanie polohy len pri zaznamenanej pohybovej aktivite objektu, - prípadne ľubovolná kombinácia predchádzajúcich možností. Zostava sledovacieho systému odpovedá všeobecne prijatej koncepcii (navigačný modul, komunikačný modul a riadiaci mikrokontrolér) a je uvedená na obr. 5.1. Sledovací systém pozostáva z týchto základných častí: - mobilné zariadenie SLSYS s autonómnym zdrojom energie, - zariadenie SLSYS s výstupom na PC prostredníctvom sériovej linky, - personálny počítač s príslušným programovým vybavením.

Obr. 5.1 Sledovací systém

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

50

5. SYSTÉM SLEDOVANIA POHYBU ZVIERAT

5.2 Popis zariadenia SLSYS Zariadenie SLSYS sa skladá z piatich základných komponentov: • GPS prijímač ORCAM GPS20SBC-TR100, • GSM modul F3004CF-G20, • riadiaci mikrokontrolér ATmega128L, • akcelerometer ADXL202, • ďalšie podporné obvody.

Obr. 5.2 znázorňuje blokovú štruktúru a komunikačné väzby medzi jednotlivými komponentmi zariadenia SLSYS. Z uvedenej štruktúry je zrejmé, že OEM moduly GPS a GSM komunikujú s riadiacim mikrokontrolérom (MCU) prostredníctvom sériovej linky s prenosovou rýchlosťou 9600b/s. Doplnkové riadiace signály dovoľujú oba moduly v ľubovoľnom čase prepnúť do vhodných režimov so zníženým príkonom a opätovne ich aktivovať. Táto skutočnosť umožňuje užívateľovi voliť rôzne stratégie prevádzky zariadenia tak, aby celková spotreba bola minimálna. Modul GSM je doplnený o držiak SIM karty. USART1 MCU je alternatívne využívaný na pripojenie zariadenia k personálnemu počítaču prostredníctvom sériovej linky (SL PC) - konektor K5. Na uvedené prepojenie je potrebné použiť špeciálny prepojovací kábel s konverziou úrovní TTL3V/RS232. Poznamenajme, že pri prepojení zariadenia SLSYS s PC bude sériová komunikácia s modulom GPS nefunkčná. Táto skutočnosť v zásade neovplyvní oblasti použitia, pretože ak zariadenie pracuje autonómne, komunikačný kanál je modifikovaný pre prenos dát GPS-MCU. Ak zariadenie pracuje ako periféria PC (prijíma/vysiela informácie z/do mobilných zariadení), potom je otvorený komunikačný kanál MCU-PC. Modul GSM je s výnimkou programovania riadiaceho mikrokontroléra vždy pripojený na MCU.

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

51

5. SYSTÉM SLEDOVANIA POHYBU ZVIERAT

Obr. 5.2 Bloková schéma zariadenia

Programovanie

MCU,

pamäte

FLASH,

prípadne

EEPROM

sa

realizuje

prostredníctvom konektora PGM (K1). Zariadenie je doplnené o snímač aktivity sledovaného objektu. Snímač aktivity je realizovaný pomocou dvojosového akcelerometra ADXL202, ktorý sa vypína/zapína prostredníctvom užívateľského programu. Podobne aj snímač teploty je možné vypnúť/zapnúť pomocou programových prostriedkov. Pre prípadné ďalšie rozšírenie (napr. ovládanie zámku obojku) je zariadenie doplnené o výkonový spínač, ktorý dovoľuje spínať záťaž 30V/5A.

5.2.1 GPS modul Na sledovanie aktuálnej pozície monitorovaného objektu sa využíva OEM modul GPS ORCAM GPS20SBC. Prijímač je vyvinutý na báze čipovej sady SiRFStarII/LP. Podporuje štandardne funkcie WAAS, EGNOS a DPGS. Základná charakteristika modulu: • nízka spotreba, • 12-kanálový GPS prijímač, • podporuje štandardy WAAS, EGNOS a D-GPS, • využíva CPU ARM7TDMI, • 4 Mbit pamäte FLASH, ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

52

5. SYSTÉM SLEDOVANIA POHYBU ZVIERAT

• 1 Mbit pamäte RAM, • 2 sériové rozhrania, • podporuje NMEA a SiRF protokol, • podporuje signál 1PPS.

Technická špecifikácia GPS modulu: • Frekvencia

L1: 1 575,42 MHz

• Počet kanálov

12

• Presnosť pozície

5m, 95%

• Dátum

WGS-84

• Studený štart

45 s (typická hodnota)

• Teplý štart

38 s

• Rýchly štart

2-8 s

• Reakcia

0,1 s

• Napájacie napätie

3,15-5,5 V DC

• Napájací prúd

65 mA (maximálny)

• Anténa aktívna

3V

• Sériové linky

2, TTL úrovne

• Protokol

NMEA-0183 a SiRF binárny

• DGPS protokol

RTCM SC-104

• Časové impulzy

1PPS, CMOS

• Teplotný rozsah

-40 + 85 °C

5.2.2 GSM modul Na zabezpečenie komunikácie medzi dispečerským pracoviskom a mobilnými sledovacími zariadeniami sa využíva GSM modul. Na základe posúdenia vlastností dostupných OEM modulov bol vybraný GSM modem fy. MOTOROLA, G20 F30004CF. Systém:

EGSM: 900/1800 MHz GSM: 850/1900 MHz

Rozmery:

45,2 x 24,4 x 6,7 mm

Váha:

11,9 g

Prevádzková teplota: -20 až +70°C Pracovné napätie:

3,0 až 4,2 V

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

53

5. SYSTÉM SLEDOVANIA POHYBU ZVIERAT

Spotreba: