Kudy kráčí GPS a DGPS

Člověk od pradávna potřebuje určovat svou polohu a navigovat, tj. být schopen pohybovat se po stanovené trati. Navigaci...


Člověk od pradávna potřebuje určovat svou polohu a navigovat, tj. být schopen
pohybovat se po stanovené trati. Navigaci potřebovali beduíni při svém
nekonečném putování pouští stejně jako dávní mořeplavci. Metody navigace byly
odvozené z pozorování přírody, typickým příkladem je navigace podle hvězd. Ve
20. století se pro navigaci začaly využívat i další prostředky, kromě jiných
také rádiové vlny.
Rádiová navigace se rozvíjela a rozvíjí současně s letectvím a námořní plavbou.
Velkým impulzem v jejím rozvoji byla zejména 2. světová válka. Vypuštění první
umělé družice Země zahájilo éru družicové navigace, při níž odpadá nutnost
stavby pozemských radiomajáků. Družice jsou navíc svým signálem schopny pokrýt
mnohem větší část zemského povrchu, soustava družic pak i celou planetu.
GPS
Vývoj dospěl k několika životaschopným družicovým navigačním systémům, z nichž
dnes jediným plně funkčním systémem, jehož funkce je zaručena i právně, je
systém NAVSTAR-GPS. Jedná se o globální (celosvětový) družicový navigační
systém provozovaný Ministerstvy obrany a dopravy USA. Je tvořen třemi segmenty:
kosmickým, řídicím a uživatelským.
Základem kosmického segmentu je 24 (dnes již však 27 a v blízké budoucnosti
celkem 30) družic obíhajících Zemi v šesti oběžných rovinách, ve výšce
přibližně 20 200 km nad Zemí. Dráhy jsou voleny tak, aby bylo zaručeno pokrytí
celého zemského povrchu signálem. Družice nejsou geostacionární, proto v
průběhu dne při pohledu ze Země vycházejí a zapadají. Řídicí segment monitoruje
signály družic, sleduje jejich dráhu a předává jim data o jejich poloze, která
družice dále vysílají uživatelům.
Přijímače
Uživatelský segment pak tvoří GPS přijímače jednotlivých uživatelů. Základní
princip činnos-ti je již obsažen v akronymu NAVSTAR NAVigation System using
Time And Range, tedy navigační systém s měřením času a vzdálenosti. Jedná se o
pasivní (tj. uživatel nic nevysílá, pouze přijímá signály) dálkoměrný systém.
Poloha uživatele se v jeho GPS přijímači počítá na základě znalosti polohy
družic v prostoru a vzdáleností k nim.
Vzdálenost se určí změřením času průchodu signálu od družice k uživateli při
znalosti rychlosti šíření rádiového signálu. Informace o své poloze v prostoru
vysílají neustále samy družice GPS. Pro trojrozměrné určení polohy je nutno
přijímat signál alespoň 4 družic a pro správnou činnost GPS přijímače je tedy
nutné, aby jeho anténa měla nezakrytý výhled na co možná největší část oblohy.
Systém GPS se neustále vyvíjí, a to jak z hlediska družic, jejich možností a
kvality jejich signálů, tak i z hlediska přístupu k údaji o poloze. Systém
původně vznikl jako vojenský, ale jeho část poskytující službu zvanou SPS
(Standard Positioning Service) je dnes otevřena všem uživatelům na celém světě,
a to zdarma. Přesnost této služby je provozovatelem omezena pomocí manipulace
se signálem, který družice vysílají, tzv. SA (Selective Availability).
Výkonnostní parametry GPS jsou definovány ve specifikacích signálu GPS.
Horizontální přesnost určení polohy pomocí GPS-SPS je 100 m s pravděpodobností
95 %, tj. v 95 % případů bude chyba určení polohy rovna nebo menší než 100 m.
Obdobně přesnost určení výšky činí 156 m.
Poznamenejme, že GPS nabízí autorizovaným uživatelům i službu PPS (Precise
Positioning Service), jejíž přesnost je asi 4x až 6x vyšší. Autorizovanými
uživately jsou však pouze armády některých členů NATO.
Systém GPS pracuje v souřadném systému WGS-84, ve kterém pracují i některé
digitální mapy dostupné na trhu.
Diferenční GPS (DGPS)
Ačkoliv je přesnost GPS pro řadu úkolů vyhovující (např. navigace na širém
moři, v terénu, atd.), pro některé aplikace je nedostatečná. Proto jsou
vyvíjeny metody umožňující její další zvýšení. Zřejmě nejvýznamnějšími jsou
tzv. diferenční metody měření pak hovoříme o diferenčním GPS neboli DGPS.
Diferenční metody jsou založeny na tom, že chyby dvou nepříliš vzdálených GPS
přijímačů jsou podobné. Nabízí se tedy možnost, vzít jeden kvalitní GPS
přijímač, tzv. referenční stanici, umístit jej na místo se známou polohou a
nechat jej měřit chyby obsažené v signálu družic GPS. Změřené chyby, tzv.
korekce, pak je nutno nějakou cestou předat do GPS přijímačů uživatelů. Ti po
zahrnutí těchto korekčních dat do výpočtu polohy získají údaj o své poloze s
podstatně vyšší přesností než v autonomním (nediferenčním) režimu. Pokud se to
děje okamžitě, může uživatel určovat svou přesnou polohu a provádět přitom
navigaci.
Druhou metodou je tzv. postprocessing, kdy se zpracování naměřených dat a
korekcí provádí až dodatečně, po ukončení měření. Tato metoda je vhodná pro
geodetická měření a s její pomocí lze dosáhnout až milimetrové přesnosti.
Protože však postprocessing vzhledem k zaměření tohoto článku není zajímavý,
nebudeme se jím zde dále zabývat.
Jak již bylo řečeno, je pro diferenční GPS v reálném čase nutno předávat měřená
data (korekce) z referenční stanice do GPS přijímačů uživatelů. Pak je však
nutné vybudovat mezi referenční stanicí DGPS a GPS přijímačem uživatele
komunikační kanál (v naprosté většině případů rádiový) splňující určité požadav-
ky, jako jsou přenosová rychlost, zpoždění dat v kanále, atd. Pro formát
korekčních dat DGPS na vstupu GPS přijímače uživatele je definován standard
označovaný RTCM-SC 104. Zavedení dat v tomto formátu umožňuje prakticky každý
novější GPS přijímač.
Dosažitelná přesnost při diferenčním měření závisí na řadě různých faktorů,
jejichž detailní popis je mimo rozsah tohoto článku. Podotkněme jen, že se zde
začnou uplatňovat jevy, které jsou v autonomním (tj. nediferenčním) režimu
zcela překryty chybami způsobenými úmyslným "znepřesněním" SA, ev. ohybem
signálu v ionosféře. Také se zde začnou výrazněji projevovat rozdíly mezi
levnějšími a dražšími GPS přijímači způsobené jiným konstrukčním řešením
vnitřních obvodů.
Za optimálních podmínek však lze i s levnějšími přijímači určenými původně pro
volný čas při použití korekcí DGPS dosáhnout překvapivých přesností.
DGPS v České republice
V současné době je na území České republiky v provozu několik referenčních
stanic DGPS. Většinou se jedná o lokální referenční stanice, které pro šíření
korekcí používají VKV nebo UKV radiostanice, ev. systémy mobilních telefonů
NMT, resp. GSM (pro malý počet uživatelů). Na několika lokalitách (mj. v Praze
a okolí) se pro šíření DGPS korekcí využívá též část kapacity kanálu RDS na VKV
vysílačích.
Rádiovou navigací se již tradičně zabývá i katedra radioelektroniky FEL ČVUT.
Práce na systému GPS zde začaly před 15 lety. Pracovníci katedry se podíleli i
na návrhu a výrobě několika GPS přijímačů. Hledání metod dalšího zpřesňování
určení polohy je vedlo k tomu, že se před několika lety začali zabývat návrhem
systému, který by umožnil pokrytí celého území ČR DGPS korekcemi jediné
kvalitní referenční stanice DGPS. Pro přenos dat bylo navrženo použít stávající
dlouhovlnné vysílače. Systém byl realizován a je již více než rok úspěšně
provozován. Jedná se o jediný systém schopný okamžitého nasazení, který
umožňuje pokrytí celého území ČR korekcemi diferenčního GPS.
Referenční stanice FEL ČVUT
Referenční stanice diferenčního GPS katedry radioelektroniky FEL ČVUT se skládá
z kvalitního GPS přijímače Leica MX9400R, záložních GPS přijímačů, dvou
počítačů PC, monitorovacího DV přijímače a dalšího podpůrného vybavení, včetně
záložního zdroje UPS, který v případě výpadku napájení umožňuje až
několikahodinový autonomní provoz stanice. Součástí referenční stanice je i
horká záloha (včetně samostatné GPS antény), která je v případě poruchy schopna
během několika sekund převzít funkci hlavní referenční stanice.
Chod systému je trvale monitorován a obsluha je během normálního provozu v
pravidelných intervalech informována o jeho stavu. V případě poruchy je vyvolán
poplach a obsluha je okamžitě (na místě, po Internetu nebo přes mobilní
telefon) informována o pravděpodobné příčině.
Způsob přenosu korekcí DGPS
Klíčovou částí každého systému DGPS je datový kanál pro přenos generovaných
korekcí do GPS přijímačů jednotlivých uživatelů.
DGPS korekce generované popsanou referenční stanicí jsou přenášeny na vysílač
Praha-město v Mahlerových sadech na Žižkově a odtud jsou vysílány v toku dat
RDS rozhlasové stanice Regina Praha 92,6 MHz. Ta svým signálem pokrývá pouze
území Prahy, v současné době se však uvažuje o celoplošném pokrytí území ČR.
DGPS korekce jsou dále přenášeny datovou linkou na dlouhovlnný vysílač v
Poděbradech, který svým signálem pokrývá území celé střední Evropy.
Od zahájení vysílání na DV byla provedena řada ověřovacích měření. Ověřováno
bylo signálové krytí i přesnost určení polohy při použití vysílaných dat. Bylo
zjištěno, že signálem je při plném vysílacím výkonu spolehlivě pokryto celé
území ČR. Rozhodujícím faktorem omezujícím dosah přitom není síla signálu, ale
poměr signál/rušení. V příznivých podmínkách (příroda, otevřený terén) lze
vysílaná data přijímat i ve značných vzdálenostech od vysílače. Příjem signálu
byl ověřen ve Frankfurtu nad Mohanem, Bydhošti, Varšavě, na území Slovenska, na
Jadranu, v Bosně a v Holandsku. Přesnost určení polohy ve větších vzdálenostech
od referenční stanice zvolna klesá, avšak v celé oblasti pokryté signálem s
korekcemi lze s kvalitním přijímačem určit polohu s přesností lepší než 5 m
(horizontálně na 95 %).
Přijímače korekcí DGPS
Pro příjem korekcí DGPS vysílaných na DV byl vyvinut speciální přijímač. Dále
je vyvinut i přijímač obsahující v jedné skříňce dlouhovlnný přijímač korekcí
DGPS i vlastní přijímač GPS. Tento kombinovaný přijímač s okolím komunikuje
sériovou linkou RS-232. Lze k němu připojit notebook s elektronickou mapou
(tedy např. s mapami popisovanými v další části tohoto článku), modem pro
spojení s dispečerem (při aplikacích, ve kterých jsou sledována vozidla apod.)
nebo počítač pro sběr polohových dat (PC, Psion, Husky). Současně může být
připojen i malý palubní displej pro základní orientaci uživatele.
Také pro příjem dat šířených na VKV v toku dat RDS byl vyvinut speciální
přijímač, který se z hlediska uživatele chová podobně jako dlouhovlnný přijímač
a i tento přijímač může být součástí kombinovaného přijímače. Všechny přijímače
jsou navrženy se zřetelem k primárnímu použití, kde se předpokládá využití ve
vozidlech, ev. při pracích v terénu. Cena přijímačů korekcí i kombinovaného
přijímače DV/ /GPS je v porovnání s jinými systémy velice příznivá.
Budoucnost systému šíření korekcí DGPS v ČR
Popisovaný systém šíření korekcí DGPS pomocí DV vysílačů byl vybudován z
prostředků FEL ČVUT, prostředků poskytnutých Grantovou agenturou ČR, Armádou ČR
a několika soukromými firmami. Systém byl provozován v rámci pilotního projektu
ve spolupráci s Českými Radiokomunikacemi, a. s.
Struktura uživatelů podle oborů činnosti je velice pestrá, ale obecně lze říci,
že se DGPS používá tam, kde je to nezbytně nutné a na ceně příliš nezáleží
(měření parametrů buňkových komunikačních sítí v terénu), v péči o životní
prostředí a tam, kde se GPS a DGPS jako nová technologie teprve testuje a
zaváděna bude později. Ze zajímavých a neobvyklých aplikací, kde by na první
pohled družicovou navigaci nikdo nehledal, jmenujme zaměřování polohy stromů,
při němž se sleduje opakovaně po několika letech vývoj jejich plodnosti
(počítají se např. šišky smrků), zaměřování míst, na kterých se vyskytují
lišejníky, drobní vodní živočichové v kalužích nebo vzácné rostliny. Již i u
nás proběhly testy s tzv. přesným zemědělstvím, kdy se pole hnojí s přesností
jednotek metrů přesně podle úrody a rozborů půdy z daného místa.
Domníváme se, že po téměř roce provozu byla životaschopnost celoplošného
systému DGPS v ČR prokázána. Věříme, že se nám podaří s podporou státu dostat
do cílového stavu, kterým je 24hodinový provoz a dostupnost přijímačů pro
všechny zájemce.
8 2743 / pen









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.