Globálne systému určovania polohy
GPS - globálny systém na určenie polohy je družicový navigačný systém vybudovaný na určovanie polohy a času kedykoľvek a kdekoľvek na Zemi, nezávisle od aktuálnych meteorologických podmienok.
Určenie polohy meraného bodu sa dá vysvetliť tak, že sa nachádza v priesečníku guľových plôch, ktorých polomer je daný meranými vzdialenosťami medzi družicou a určovaným bodom. Z geometrického hľadiska je nutné poznať polohu minimálne troch družíc na určenie polohy určovaného bodu. Pretože určenie vzdialenosti medzi družicou a
určovaným bodom spočíva vo využití presných časových informáciách, je nutné pre výpočet poznať polohu štyroch družíc. Na dosiahnutie vysokej presnosti určenia polohy je dôležité, aby sme využívali čo najväčší možný počet viditeľných družíc, ktoré musia byť vhodne rozložené na sfére.
Aplikácie založené na technológii GPS sú skoro neobmedzené. Môžu sa uplatniť vo všetkých oblastiach ľudskej činnosti. Rozsah využitia GPS sa neustále zväčšuje: piloti môžu využívať GPS k vyhľadávaniu letísk, námorníci prístavov, turisti sa môžu orientovať v neznámej krajine, rybári si môžu zistiť vhodnú dobu na lov a geodeti môžu určiť polohu bodu s milimetrovou presnosťou. Jediným obmedzením je nutnosť priamej viditeľnosti na oblohu.
V súčasnosti existujú rôzne systémy na určovanie polohy a času:
1. Systém NAVSTAR - súčasnosti najlepšie prepracovaným a jediným úplne funkčným družicovým systémom.
2. Systém GLONASS- ruská alternatíva NAVSTAR.
3. Systém Galileo - nový navigačný systém, ktorého vznik podporuje Európska únia. Mal by byť civilný a úplne nezávislý od iných systémov GPS.
1. Segmenty NAVSTAR:
Kozmický segment
Kozmický segment tvorí 21 - 28 družíc, obiehajú vo výške približne 20200 km, doba obehu je približne 12 hodín. Takéto usporiadanie umožňuje zachytiť užívateľom signál z min. 4 družíc. Každá družica má rubídiové a céziové atómové hodiny, vysielače rádiových vĺn, počítač a batérie dobíjané zo slnečných panelov. Prijímajú a spracovávajú informácie z riadiaceho centra a podľa nich vysielajú signály pre užívateľov.
Riadiaci segment
Hlavná riadiaca stanica sa nachádza v USA, v Colorado Springs. Pozemné pozorovacie stanice prijímajú signály zo všetkých viditeľných družíc a údaje posielajú do hlavnej riadiacej stanice. Tu sa z nich určujú dráhové elementy družíc (tzv. efemeridy),korekcie atómových hodín a zostavuje sa navigačná správa. Tá je prostredníctvom pozemných vysielacích antén vyslaná na jednotlivé družice, ktoré potom vysielajú svoje efemeridy a presný čas užívateľom na Zemi a jej blízkom okolí. Vysielacie antény sú rozložené tak, aby bolo možné spojenie s každou družicou minimálne tri krát za 24 hodín. Polohy družíc sú v efemeridách udávané v globálnom súradnicovom systéme WGS-84 a je totožný s Medzinárodným terestrickým referenčným systémom ITRS. K systému WGS-84 je priradený geocentrický ekvipotenciálny elipsoid.
Používateľský segment
Pôvodne bol celý systém určený len na vojenské využitie a jediným používateľom mala byť len armáda USA, prípadne jej spojenci. Neskôr bolo umožnenévyužívanie systému GPS aj civilným zložkám. Na príjem signálu z družíc sa využívajú rôzne prijímače prijímače navigačné: na pozemnú, námornú, leteckú a inú navigáciu,-prijímače geodetické: jedno frekvenčné a dvoj frekvenčné prístroje, prijímače na časovú synchronizáciu: pre potreby astronomických meraní a telekomunikačných zariadení.
2. Signály vysielané GPS
Pre systém NAVSTAR GPS boli zvolené vysielacie frekvencie tak, aby bol signál čo najmenej ovplyvňovaný atmosférou. Aby sa čo v najväčšej miere vylúčil vplyv ionosféry, družice vysielajú informácie na dvoch nosných frekvenciách L1 a L2.
Nosné frekvencie sú modulované binárnymi kódmi. Tie slúžia na prenos informácií (navigačná správa) a na meranie času. Vzdialenosť medzi družicou a prijímačom sa určí z merania časového intervalu potrebného na jej prekonanie. Používajú sa na to dva špeciálne kódy. Menej presný C/A kód a presnejší a zložitejší P kód. Na moduláciu binárneho kódu je použitá metóda fázovej modulácie. Pod pojmom pseudonáhodný kód sa rozumie taká postupnosť hodnôt 1 a 0, že sa javí ako náhodná. Náhodnosť je zabezpečená po určitý čas, potom sa kód začne opakovať. C/A a P kód je generovaný v každej družici a v každom prijímači. Porovnaním prijatého kódu a kódu v prijímači sa urči čas potrebný na prekonanie vzdialenosti od družice k prijímaču.
Pseudonáhodný C/A kód sa vysiela na nosnej frekvencii L1. Opakuje sa každých 0,001s. Aby sa dalo rozoznať ktorá družica ho vysiela, existuje 32 variantov C/A kódu a každá družica vysiela svoj kód. Využitie C/A kódu je hlavne pre navigáciu a časovú synchronizáciu. Ďalej slúži na prenos navigačnej správy a na ľahšiu orientáciu v P kóde.
Pseudonáhodný P kód má zložitejšiu štruktúru ako C/A kód modulujú ho obe frekvencie L1 aj L2. Opakuje sa každých 266,4 dní. P kód bol určený výhradne pre vojenské účely. Postupne bol uvoľnený aj pre civilné účely. Družice bloku však obsahujú procedúru ktorá dokáže zašifrovať P kód na tzv. Y kód. Ten potom možno použiť len ak užívateľ pozná šifrovací algoritmus.
3. Matematický model určovania polohy bodu.
Koncepcia GPS umožňuje určovanie polohy dvoma základnými metódami:
• Absolútne určovanie polohy,
• Relatívne určovanie polohy.
Absolútne určovanie polohy
Absolútne určovanie polohy jednotlivých bodov v geocentrickom súradnicovom. Na meranie stačí jedna aparatúra, na výpočet polohy sa využíva určovanie pseudovzdialeností medzi družicou a prijímačom pomocou pseudonáhodných kódov. Presnosť získaných geocentrických súradníc závisí od dĺžky observácie, počtu a konfigurácie družíc. Okrem toho ju zásadne ovplyvňuje skutočnosť, či sa využíva iba C/A kód, alebo aj P-kód a či je aktivovaný režim SA. Metóda určovania absolútnej polohy je základným poslaním GPS a využíva sa v rozličných oblastiach ľudskej činnosti, tam kde sa vyžaduje získavanie priestorových informácií. Môže ísť pritom o objekty statické alebo pohybujúce sa. Okrem stanovenia okamžitej polohy tieto metódy slúžia aj na určovanie rýchlosti pohybu prijímača a ich navigáciu na ploche alebo v priestore. Geodetické využitie absolútneho určovania polohy je pri získavaní informácií pre GIS a pri stanovení východiskových geocentrických súradníc pre referenčné body, potrebných pre relatívne určovanie polohy pomocou GPS.
Relatívne určovanie polohy.
Ide o metódu, pri ktorej sa určujú súradnice nových bodov vzhľadom k polohe referenčného bodu, ktorého geocentrické súradnice sú známe. Potrebné sú simultánne merania dvoma aparatúrami - na referenčnom bode a na určovanom bode. Výsledkom merania a spracovania je určenie smeru a veľkosti vektora spojnice oboch bodov v geocentrickom súradnicovom systéme - tzv. základnice. Relatívne metódy majú primárny význam pre geodetické aplikácie GPS, nakoľko umožňujú merania, ktorých výsledky vedú k súradniciam s presnosťou v jednotkách mm.
Pri oboch metódach:
ak sa prijímač počas merania vzhľadom ku zemskému povrchu nepohybuje hovoríme o statických metódach. Pod názvom kinematické metódy rozumieme také postupy, kedy je prijímač v relatívnom pohybe oproti Zemi. Typické využitie kinematických metód je v oblasti navigácie pohybujúcich sa objektov - lodí, lietadiel, motorových vozidiel a pod. Základnou geodetickou metódou GPS sú statické merania. Spojením výhod oboch metód - presnosti statických a rýchlosti kinematických, sa vyvinuli technológie rýchleho geodetického určovania polohy, ktoré využívajú súčasne kódové a fázové merania. Ide o tzv. rýchle statické metódy, semi-kinematické metódy (stop&go) a pseudokinematické metódy.
4. Metódy merania pomocou GPS
Základné pojmy
Kódové merania vzdialeností : využívajú sa pseudonáhodné kódy (C/Akód
a P-kód) vysielané družicami GPS, výsledkom sú pseudovzdialenosti ovplyvnené
nesynchrónnosťou hodín prijímača so systémovým časom GPS.. Príjem kódového signálu je možný aj cez menšie prekážky (napr. redšia vegetácia), nie je treba spojité sledovanie družíc.Určenie polohy je možné z jednotlivých simultánnych meraní na 4 a viac družíc.
Fázové merania nosnej vlny : merania rozdielov (prírastkov, resp. úbytkov) vzdialeností sledovanej družice. Uskutočňujú sa s milimetrovou presnosťou, požiadavkou je spojitý príjem signálu družice. Prerušenie príjmu spôsobia aj malé prekážky.
Statické metódy určovania polohy :prijímač je vzhľadom k Zemi počas merania v rámci jednej ucelenej observačnej série v pokoji. Čas merania je niekoľko minút až niekoľko hodín, dní. Presnosť určenia polohy bodu závisí od použitej metódy a dĺžky observácie.
Kinematické metódy určovania polohy: prijímač, pre ktorý určujeme okamžitú polohu je v pohybe. Tento názov sa vo všeobecnosti používa aj v prípade ak sa pohyb prijímača zastaví na krátky čas (niekoľko sekúnd až niekoľko minút) potrebný na meranie. Táto metóda sa často bližšie špecifikuje prívlastkom preudokinematická.
Jednofrekvenčné merania: využíva sa len nosná vlna Ll a C/A, resp. P-kód modulovaný na Ll. Vplyv ionosféry sa redukuje pomocou matematických modelov atmosféry. Pri relatívnych fázových meraniach je využitie jedno frekvenčných prijímačov obmedzené do vzdialenosti maximálne 10-15 km.
Dvojfrekvenčné merania: súčasné merania kódov alebo fázy na oboch nosných vlnách Ll a L2. V lineárnych kombináciách L3 fázových alebo kódových meraní je eliminovaný vplyv ionosféry.
4.1. Metódy absolútneho určovania polohy pomocou kódových meraní.
1 Diferenciálne určovanie polohy DGPS
Využíva referenčný stacionárny prijímač umiestnený na bode, ktorého poloha je s dostatočnou presnosťou známa. Metóda je vhodná pre tých používateľov, ktorý požadujú rýchle určovanie polohy a je pre nich postačujúca metrová presnosť. Presnosť je 1 až 5 m. a je funkciou počtu družíc a vzdialenosti pohybujúceho sa prijímača od referenčnej stanice.
2 DGPS pre rozsiahle územia – WADGPS.
Rozšírenie DGPS pre väčšie územie je možné využitím siete referenčných staníc.
Metóda pokrýva väčšie plochy ako DGPS s jednou referenčnou stanicou. Kvalita diferenciálnych korekcií neklesá so vzdialenosťou od referenčnej stanice, ale je rovnomerne rozložená na celom území.
3 Metódy šírenia diferenciálnych korekcií.
Využitie diferenciálnych korekcií je síce možné aj pri následnom spracovaní odmeraných hodnôt ale hlavný význam má spracovanie v reálnom čase. K tomu je treba, aby sa aktuálne diferenciálne korekcie šírili k používateľom prostredníctvom existujúcich sietí verejných alebo súkromných rozhlasových staníc alebo v sieťach mobilných telefónov - GSM. Vysielacia stanica a pohybujúci sa prijímač GPS musia byť pritom vybavené kompatibilnými zariadeniami. V porovnaní s družicovými systémami má obmedzený dosah, ich zriadenie a prevádzka sú však podstatne lacnejšie a jednoduchšie.
4.2. Metódy relatívneho určovania polohy.
1 Relatívne určovanie polohy statickou metódou
Statické relatívne fázové meranie je základnou a najčastejšie používanou metódou v geodézii. Jedinou podmienkou jeho realizácie je nezatienený prístup signálov družíc na meraných bodoch. Presnosť určenia základnice je v milimetroch. Dĺžka observácií je všeobecne viac ako 20 minút a závisí od dĺžky meranej základnice, počtu frekvencií, počtu družíc a očakávanej presnosti. Statická metóda dovoľuje určiť základnice od niekoľko metrov až po niekoľko 100 km, v krajnom prípade až 1000 km. Obvyklými parametrami pre statické meranie je výškový filter 15° a interval záznamu meraní 15 s.
2 Rýchla statická metóda
Rýchla statická metóda je z hľadiska postupu pri meraní podobná statickej metóde, významne je však skrátená doba merania. Je to umožnené tým, že pri spracovaní sa použijú metódy rýchleho vyriešenia ambiguít (začiatočného počtu cyklov fáz). Rýchle riešenie ambiguít je možné vďaka spresneným zariadeniam na kódové merania a vyvinutiu špeciálnych štatistických metód spracovaní fázových meraní. Stačí niekoľko minútové meranie. Podmienkou je dostatočný počet dobre rozložených družíc.
3 Kinematické (polokinematické) relatívne určovanie polohy
Pre metódy, ktoré dovoľujú rýchle relatívne určovanie polohy z fázových meraní GPS za pohybu sa používa názov kinematické Princíp metódy je v tom, že ambiguity sa vyriešia na začiatku merania a pokračuje sa následnými krátkymi zastaveniami s prijímačom na určovaných bodoch. Spracovanie využíva určené ambiguity s tým, že príjem signálu z identických družíc sa nesmie počas transportu prerušiť. Na bode, ktorého súradnice sú známe sa umiestni tzv. referenčný prijímač, ktorý sa počas merania nepohybuje. Kinematické fázové meranie musí začať vyriešením ambiguít na referenčnom bode, tzv. inicializácia. Je niekoľko možností ako úspešne určiť začiatočné ambiguity. Jednou je meranie na krátkej základnici, ktorej parametre sú známe, čo umožní určiť ambiguity počas niekoľkých epoch meraní. Druhou možnosťou je rýchlou statickou metódou určiť na krátkej základnici jej parametre a súčasne aj ambiguity. Tretí postup využíva výmenu antén na krátkej základnici niekoľkých epochách meraní sa prijímače vymenia, pričom nesmie dôjsť ku prerušeniu príjmu signálu. Inicializácia sa ukončí opätovnou výmenou prijímačov. Po úspešnej inicializácii sa môže uskutočniť samotné kinematické fázové meranie. Pohybujúcim prijímačom sa postupne merajú jednotlivé body, pričom referenčný prijímač ostáva stále na svojom mieste. Na určovaných bodoch pritom stačí merať niekoľko sekúnd. Podstatné však je, že sa nesmie prerušiť príjem signálu z minimálne štyroch družíc. Centimetrová presnosť sa môže dosiahnuť až do vzdialenosti 20 km. Metóda je použiteľná len v otvorenom teréne bez prekážok.
4 Kinematická metóda v reálnom čase - RTK
Osobitnou formou relatívnych kinematických meraní je kinematické metóda v reálnom čase 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. Princíp RTK tkvie v okamžitom prenose odmeraných údajov 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 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.
5 Pseudokinematické relatívne určovanie polohy
Táto metóda je v princípe podobná statickej metóde, čas potrebný na meranie sa však skráti tým, že sa nemeria spojité počas celého požadovaného intervalu. Meranie sa obmedzí len na začiatok a koniec intervalu potrebného na spoľahlivé vyriešenie ambiguít a určenie súradníc. Charakteristické pre túto metódu je, že na každom bode sa musí anténa umiestniť dva razy. Postup merania vychádza zo stratégie, pri ktorej je jeden prijímač staticky umiestnený v referenčnom bode a druhý pohybujúci prijímač postupne prechádza všetkými určovanými bodmi. Na každom bode sa meria staticky 5 minút a potom sa prejde na ďalší bod. Po uplynutí najmenej 60 minút sa opäť podobným spôsobom prejdú všetky určované body. Prednosťou metódy je časová úspora, metóda vhodná na určenie bodov, medzi ktorými je možný rýchly a jednoduchý presun. Počas presunov prijímač nemusí byť v činnosti.
