5. Glob{lní navigační satelitní systémy (GNSS),

jejich popis, princip, využití v geodézii.

Zpracoval: Tomáš Kobližek, 2014

Obecný princip

• Globální navigační družicové systémy (GNSS)

umožňují určení prostorové polohy uživatele pomocí

měření vzdáleností mezi přijímačem a družicemi.

Jedná se v podstatě o prostorové protínání z délek.

• Základem je množina družic vysílajících navigační

signály (tzv. kosmický segment).

• Podmínka: v libovolném místě a čase na povrchu

Země a v jejím okolí → dostatečný počet družic a

vhodná konstelace.

• Jednosměrné šíření signálů – neomezený počet

uživatelů

Obecný princip • GNSS je tvořen čtyřmi segmenty:

o kosmický (družice),

o kontrolní a řídící (pozemní stanice)

o uživatelský (přijímače GNSS)

o podpůrný (SBAS, sítě referenčních stanic)

• Budování kosmického segmentu a způsobilost GNSS o První družice pro ověření technologie (např. Giove-A).

o Další družice vysílající nativní signály systému.

o Initial Operational Capability (IOC) – počáteční operační způsobilost.

o Full Operational Capability (FOC) – plná operační způsobilost.

Vývoj GNSS • Dá se říct, že s budováním GNSS se začalo v USA v

60. letech 20. století díky vojenským požadavkům.

• Nejznámější současný systém NAVSTAR-GPS

(Navigation Satellite Timing and Ranging – Global

Positioning System), tedy česky „globální systém pro

určování polohy“ se začal budovat od r. 1978.

• Ruský vojenský systém GLONASS

• Evropský civilní systém Galileo

• Další asijské systémy: Compass (Čína),

• RNSS: QZSS (Japonsko), IRNSS (Indie)

Kosmický segment GPS • Družice různého stáří a různé technologické úrovně

vybavené atomovými hodinami, anténami,

solárními panely a raketovými motory.

Kosmický segment GPS • Nosné vlny signálů v pásmu L (L-band).

• L1, L2 a L5 jsou využívány pro určení polohy, L3 a L4 slouží k vojenským účelům (detekce nukleárních výbuchů). o L1 = 1575,42 MHz,

o L2 = 1227,60 MHz,

o L5 = 1176,45 MHz.

• Nosné vlny jsou fázově modulovány pseudonáhodnými kódy (PRN) kvůli rozlišení signálů jednotlivých družic (Code Division Multiple Access);

• Z tohoto důvodu se každá družice označuje unikátním identifikátorem PRN.

• Kódy se dělí podle oprávnění: o Civilní (C kód)

o Chráněné/Přesné (P kód, Y kód)

o Vojenské (M kód)

Řídící a kontrolní segment

• Operational Control Segment:

o Hlavní řídící stanice (Master Control Station),

o Monitorovací stanice (Monitoring Station),

o Pozemní antény (Ground Antennas)

• Hlavní úkoly:

o Sledování družic na jejich drahách, určení chodu

hodin a jeho predikce, synchronizace času na

družicích a nahrávání navigační zprávy na

družice.

Uživatelský segment

• Nespočetná množina různých přijímačů různých

výrobců.

• Lze je rozdělit podle dosažené přesnosti určení

polohy: o navigační (přijímají pouze C kód na první frekvenci),

o geoinformační (pro rychlý sběr dat, mohou využívat služby DGPS),

o geodetické (fázové zpracování nosné vlny),

o (vojenské, pro speciální aplikace, apod.).

Uživatelský segment

• Měření lze rozdělit na

o kódové (přijímač využívá obálky modulovaného signálu pro výpočet transitního času signálu od družice k přijímači) – měřenou veličinou je pseudovzdálenost (pseudorange),

o fázové (přijímač zpracovává přímo nosnou vlnu signálu bez ohledu na modulaci) – měřenou veličinou je fázový doměrek (poslední necelá vlna).

• Fázové měření jsou schopny realizovat pouze geodetické aparatury, stejně jako kódové měření P kódu

Metody určení polohy bodu

• Podle použitých veličin na:

o kódové,

o fázové.

• Podle doby potřebné k získání polohy na:

o v reálném čase,

o s následným zpracováním (postprocessing).

• Podle režimu pohybu přijímače v průběhu měření

na:

o statické,

o kinematické.

Metody určení polohy – podle způsobu určení polohy • Absolutní – autonomní měření jedním nebo více

přijímači nezávisle na sobě. o SPP – single point positioning

o PPP – precise point positioning

• Relativní – simultánní měření aspoň dvou přijímačů, jejichž měření se zpracovává společně a výsledkem je jejich vzájemný prostorový vztah (vektor).

• Diferenční – využití známých souřadnic na referenčním bodě k výpočtu korekcí veličin měřených ostatními přijímači. o Kódové DGNSS

o Fázové DGNSS (Real Time Kinematics – RTK)

Vlivy limitující přesnost GNSS

• Na měření technologií GNSS působí celá řada

systematických faktorů:

o umělé ovlivňování kvality signálu (SA, AS),

o chyby související s družicemi,

o chyby při šíření signálu atmosférou,

o chyby související s přijímačem,

o chyby související s místem měření.

Dilution of Precision (DOP) • Geometrie viditelných družic je důležitým faktorem

ovlivňujícím dosahovanou přesnost určení polohy. V

čase se vlivem pohybu družic a přijímače mění. Míru

přesnosti podle okamžité geometrie družic vyjadřují

parametry DOP (Dilution of Precision – snížení přesnosti).

• Při vyrovnání polohové úlohy se vypočte kofaktorová

matice neznámých

• Pro výpočet parametrů DOP však není potřeba

observací, pouze almanach nebo jiné parametry drah

družic.

• Při plánování observace technologií GNSS se provádí

určení parametrů DOP předem.

• Rozlišují se GDOP, PDOP, HDOP, VDOP, TDOP

• Ve vyhlášce jsou maximální použitelné hodnoty DOP!

• Čím menší hodnota, tím lepší přesnost

Děkuji za pozornost