VUTBR

GNSS navigační systémy

xmlade00, xsodom03

1.5.2012

2

Obsah

1. Úvod do GNSS [10] .......................................................................................................................... 4

1.1 GNSS: kam nás dovedete? ....................................................................................................... 4

1.2 Přesnost nade vše .................................................................................................................... 4

1.3 Když jeden nestačí ................................................................................................................... 5

1.4 Co dokáží dnešní přístroje? ..................................................................................................... 5

2. Princip GNSS .................................................................................................................................... 6

2.2 PRINCIP DRUŽICOVÉ NAVIGACE .............................................................................................. 6

2.2.1 Metoda úhloměrná ......................................................................................................... 6

2.2.2 Metoda dopplerovská ..................................................................................................... 7

2.2.3 Metoda dálkoměrná (kódová) ......................................................................................... 7

2.2.4 Metoda interferometrická ............................................................................................... 8

2.2.5 Metoda založená na měření fáze nosné frekvence ......................................................... 8

2.3 STRUKTURA A FUNKCE GNSS [1] ............................................................................................. 9

2.3.1 Řídící segment ............................................................................................................... 10

2.3.2 Kosmický segment ......................................................................................................... 10

2.3.3 Uživatelský segment ...................................................................................................... 11

2.4 GNSS umožňuje: .................................................................................................................... 11

2.5 Standarty GPS pro předávání dat [2][9] ................................................................................ 12

2.5.1 RTCM SC-104 ................................................................................................................. 12

2.5.2 NMEA-0183 ................................................................................................................... 12

2.5.3 CMR/CMR+ .................................................................................................................... 13

3. Přístupy zvyšující přesnost původních systémů [2] ....................................................................... 13

3.1 Průměrování [2] ..................................................................................................................... 13

3.2 Statická měření[6] ................................................................................................................. 13

3.3 Diferenční GPS (DGPS) [1][2] ................................................................................................ 13

3.3.1 Pozemní rozšiřující systémy........................................................................................... 15

3.3.2 Satelitní rozšiřující systémy ........................................................................................... 18

3.4 Pseudodružice [2] .................................................................................................................. 19

4. Družicové polohové systémy ......................................................................................................... 20

4.2 GPS NAVSTAR [6] ................................................................................................................... 20

4.2.1 Konstelace družic [6] ..................................................................................................... 21

4.3 GLONASS [6] .......................................................................................................................... 22

4.3.1 Popis systému ................................................................................................................ 23

3

4.4 GALILEO ................................................................................................................................. 24

4.4.1 V čem Galileo vyniká nad ostatní navigační systémy? [7] ............................................. 25

4.5 Beidou/ Compass ................................................................................................................... 26

5. Porovnávání desek a modulů ........................................................................................................ 26

5.2 Srovnání OEM modulů a desek ............................................................................................. 26

5.3 Srovnání dead-reckoning navigačních modulů ..................................................................... 32

6. Seznam citací ................................................................................................................................. 34

4

1. Úvod do GNSS [10]

1.1 GNSS: kam nás dovedete?

Globální navigační satelitní systémy (GNSS), kdo by je v dnešní době neznal? Zejména

americký GPS systém nás jako dobrý společník již léta doprovází při cestách automobilem

nebo na výletech v přírodě. Již dávno jsme vzali jeho služby za samozřejmé a velmi často se

na něho spoléháme. Použití systému GPS je však mnohem širší než jen pro zábavu nebo

navigaci.

Velkou část „nevojenských“ uživatelů také tvoří odborníci z nejrůznějších profesí, kteří

systém potřebují ke své práci. Nabízí se řada otázek, jak se GPS systému daří a jaká je jeho

budoucnost. Lze i nadále zpřesňovat určení své polohy? Co nabízí přístroje určené k práci, jež

vyžaduje vysokou polohovou přesnost? GeoBusiness se pokusil nalézt svým čtenářům

odpovědi nejen na tyto otázky.

Velmi mnoho uživatelů má zafixován GNSS systém v paměti jako pouze „ten jeden jediný“

a obvykle jediným mají na mysli americký systém GPS. Ano, je pravda, že je nejrozšířenější,

nejpropracovanější a také nejvyužívanější, existují však i další, které nelze přehlížet. Zejména

ruský navigační systém GLONASS nebo teprve budovaný evropský systém Galileo nás

v budoucích letech bude zajímat stále více. Výčet satelitních navigačních systémů není

v žádném případě konečný. Svůj systém buduje i Čína (Beidou/COMPASS), Japonsko (QZSS)

nebo Indie (IRNSS).

1.2 Přesnost nade vše

Přesnost GNSS systémů je jeden z nejdůležitějších faktorů, který zajímá všechny uživatele.

Ovšem kartografické, geodetické a GIS aplikace vyžadují přesnost mnohem vyšší než aplikace

určené běžnému uživateli. S přesností systému GPS je to ale trochu problematické. Nelze ji

stanovit tak jednoduše jako například určit přesnost laserového dálkoměru. Do hry totiž

vstupuje velké množství proměnných, přičemž některé z nich můžeme ovlivnit zcela, některé

částečně, jiné vůbec. Jedním z faktorů, které běžný uživatel ovlivnit nemůže, je počet satelitů

a typ přijímaných signálů. Ovšem i provozovatel systému se samozřejmě snaží zvyšovat

přesnost například tím, že vypouští nové družice, či že zavádí nové navigační signály. Jedním

z příkladů může být vypuštění prvního satelitu z nového bloku pod označením IIF americkou

armádou. Oproti předcházejícím satelitům bude blok IIF vysílat na nové frekvenci L5, která je

plánována jako takzvaná „safety of life“, tedy frekvence pro civilní použití, jež bude

využívaná zejména pro aplikace na záchranu lidského života a v letectví. S příchodem družic

IIF se předpokládá zvýšení výkonu a zdvojnásobení přesnosti.

Pro běžné civilní použití v aplikacích GIS je mnohem důležitější civilní signál označovaný jako

L2C, který už lze nějakou dobu přijímat. Zatímco většina turistických přístrojů dokáže přijímat

5

pouze navigační signál L1, profesionální GIS a geodetické GPS přístroje dokáží zachytit také

signál právě na frekvenci L2. Tato frekvence je určena zejména pro vojenské účely, ale

s příchodem satelitů z bloku IIR-M se vysílá také její civilní část. Pokud přístroj umí přijmout

frekvenci L1 a L2, lze poměrně významně zvýšit přesnost ve výsledném určení polohy.

Kolem roku 2014 se začnou vypouštět nové družice v rámci amerického systému GPS, které

ponesou označení IIIA. Signál z těchto družic bude mít opět navýšen výkon a bude obsahovat

nový civilní signál L1C. Tím se opět systém GPS posune kousek k bezproblémové navigaci

i v morfologicky náročném terénu a bude také zajištěna lepší kompatibilita se systémem

Galileo a GLONASS.

1.3 Když jeden nestačí

Pokud pomineme navigační systémy Japonska, Indie a Číny, které nejsou v současné době

pro Evropana příliš zajímavé, zůstává nám ve hře ruský GLONASS a evropský Galileo. Druhý

jmenovaný už nás potrápil více než dost. Původní termín spuštění byl již v roce 2007. Po

velkých ekonomických problémech, kdy se dokonce zdálo, že celý projekt bude zastaven,

máme novou naději, že by celý systém mohl být operativní kolem roku 2014. V současné

době jsou vypuštěny na oběžnou dráhu dvě družice. Mladší z nich, GIOVE-B, „oslavila“

v dubnu 2010 dvouleté výročí svého putování hvězdnou oblohou. Galileo má však velký

potenciál stát se úspěšným systémem, protože již od svého počátku není budován jako

vojenský, ale jako systém čistě civilní.

Se systémem GLONASS to již vypadá mnohem veseleji. V současné době operují ve vesmíru

více než dvě desítky satelitů a existují přístroje, které dokáží zpracovávat dohromady signál

jak z amerického, tak ruského systému. Právě doplnění amerického GPS o ruský GLONASS

otevírá velké možnosti využití GPS v aplikacích, ve kterých je hlavním požadavkem přesnost.

Zkombinovat signály obou systému není v žádném případě jednoduchá záležitost, protože

každý z nich je postaven na jiném principu a využívá jiné parametry zemského tělesa.

Zatímco americký GPS používá známý systém WGS-84, ruský využívá systém PZ-90.

Oba systémy, tj. GPS i GLONASS, můžeme doplnit o systém EGNOS, který vylepšuje vlastnosti

GPS systému v Evropě. Provozovatelem systému je Evropská kosmická agentura a s pomocí

několika desítek pozemních stanic a několika geostacionárních družic lze přesnost polohy

významně zvýšit.

1.4 Co dokáží dnešní přístroje?

Dnešní moderní přístroje používané pro mapování do GIS se spíše podobají výkonným

polním počítačům než malé krabičce určené pro navigaci. Špičkové přístroje všech velkých

výrobců dokáží přijímat signál nejen z amerického systému, ale současně také ze systému

GLONASS. Většina z nich je již také připravena na evropský Galileo, přestože navigační

6

systém Galileo ještě zdaleka není v provozu. Jeho standardy a frekvence jsou ale již veřejně

známy, a proto mohou být zahrnuty i do nových produktů. „Již od roku 2000 Topcon nabízí

svým zákazníkům přístup ke všem dostupným satelitním systémům. Tedy k systémům GPS

a GLONASS. Více znamená lépe.

Velmi významným pomocníkem v boji s přesností se staly diferenční korekce. Data jsou

získávána z referenčních stanic na základě porovnávání jejich správné polohy s polohou

určenou pomocí signálů GNSS. V České republice patří mezi nejznámější síť CZEPOS,

spravovaná Českým úřadem zeměměřickým a katastrálním a síť Trimble VRS Now od

stejnojmenné společnosti. Špičkové přístroje využívají diferenční korekce s pomocí metody

RTK (Real Time Kinematic), kdy zpracování a příjem korekcí probíhá v reálném čase.

Již dlouhou řadu let se GPS přístroje používají v civilní oblasti. Za tu dobu urazily velký kus

cesty, během které došlo k významnému zlepšení v určování polohy z desítek metrů až na

centimetry. Další zpřesňování celého systému bude samozřejmě probíhat i nadále ve všech

oblastech. Dojde k vypuštění nových navigačních satelitů s novými navigačními signály,

výrobci budou stále vymýšlet nové a citlivější čipy a zcela jistě budou vznikat nové metody

pro další zpřesňování celého systému. Již dnes lze při správné kombinaci metod a postupů

dosáhnout centimetrové přesnosti. S velkým úspěchem se GPS systémy používají při

výstavbě silnic, zaměřování budov nebo obnově katastrálního operátu. Problémem však

stále zůstává navigace v uzavřených objektech nebo pod silným vegetačním krytem.

Neustále se zvyšující výkon jednotlivých frekvencí a zvyšující se citlivost přijímačů však učiní

i tento problém jen dočasnou záležitostí. Nakonec však bude záležet jen na nás, jak s touto

silnou technologií naložíme.

2. Princip GNSS

Družicové navigační systémy patří k tzv. globálním systémům, tj. systémům, které s několika

málo majáky umožňují určovat polohu kdekoli na Zemi. Hlavní předností globálních

navigačních systémů je, že určují polohu v souřadném systému, který je společný pro celou

zeměkouli, a tedy umožňují globálně koordinovat změnu polohy všech objektů vybavených

příslušným navigačním zařízením.

2.2 PRINCIP DRUŽICOVÉ NAVIGACE

Při určování polohy zpracováním signálů se používají následující metody: [3]

2.2.1 Metoda úhloměrná

Z objektu, jehož polohu je třeba určit, zaměřujeme družicí a určujeme její elevační úhel.

Geometrickým místem bodů s tímto úhlem je kužel s vrcholem v místě družice. Provedeme-li

další měření ke stejné (v jiném čase) nebo jiné družici, určíme jiný kužel. Průsečnice kuželů

7

s povrchem Země, příp. s výškovou hladinou, v níž se objekt nachází, se protínají v bodě,

v němž je objekt. Určením těchto průsečíků určíme polohu objektu. Uvedená metoda patří

k prvým metodám družicové navigace. Vyžaduje zaměřovat družice směrovými anténami, je

málo přesná a obtížně se realizuje.

2.2.2 Metoda dopplerovská

Družice pohybující se po oběžné dráze vysílá signál mající stabilní kmitočet fv . Signál přenáší

časové značky vysílané v okamžicích ti, ti+1, ti+2,… a vzdálené o časový interval T = ti+1 - ti.

Signál přijímaný uživatelem má v důsledku Dopplerova jevu kmitočet fp, který se liší od fv .

Přijímaný signál je spolu se signálem oscilátoru s kmitočtem fo veden do směšovače. Výstupní

signál směšovače má rozdílový kmitočet fo - fp. Jeho periody počítá čítač, který je spouštěn a

zastavován po sobě následujícími přijatými časovými značkami.

2.2.3 Metoda dálkoměrná (kódová)

Systémy určují polohu uživatele z jeho vzdáleností di od jednotlivých navigačních družic (obr.

2). Měření vzdáleností je převedeno na měření dob τdi, které jsou potřebné k tomu, aby

signály vyslané z družic dosáhly uživatelova přijímače. Známe-li souřadnice družic (xi , yi , zi ),

můžeme polohu uživatele (x, y, z) určit jako řešení soustavy tří rovnic pro tři neznámé

√

Obrázek 1 Princip dálkoměrné metody určování polohy

Dálkoměrné metody lze rozdělit na aktivní a pasivní.

Aktivní dálkoměrné systémy

Tyto systémy pracují způsobem dotaz - odpověď. Uživatel, jehož polohu určujeme, musí být

vybaven tzv. odpovídačem. Řídicí stanice systému (pozemní) vyšle dotaz, jehož součástí je

identifikační značka uživatele. Dotaz šířený prostřednictvím družic uživatel rozpozná

8

a odpovídač uživatele na dotaz odpoví. Odpověď je prostřednictvím družic předána zpět

řídicí stanici. Ta vyhodnotí zpoždění odpovědí předaných různými družicemi a vypočítá z nich

a ze známé polohy družic polohu uživatele. Nevýhodou tohoto systému je, že je nutné, aby

uživatel byl rádiově aktivní (problémy s utajením uživatele při vojenském použití) a dále, že

může dojít k přetížení systému.

Pasivní dálkoměrné systémy

Družice vysílají signály a uživatel zjišťuje čas jejich příjmu. Z doby τdi, která uplynula mezi

vysláním a příjmem signálů určuje vzdálenosti di k družicím. Z nich a z polohy družic určí

uživatel svou polohu. Polohu družic zjistí buď z vysílání pozemních stanic, nebo samotných

družic. Ty buď vysílají přímo svou polohu, nebo (nejčastěji) jen parametry svých drah.

Z parametrů drah uživatel vypočítá souřadnice družic.

2.2.4 Metoda interferometrická

Tyto systémy se někdy také nazývají jako diferenciální. Přijímač má dvě antény umístěné na

společné základně a vzdálené od sebe d. Měřme první anténou zdánlivou vzdálenost D1i

k i - té družici a současně druhou anténou zdánlivou vzdálenost D2i ke stejné družici (obr. 2).

Potom lze určit úhel, který svírá základna se spojnicí střed základny – družice

(

)

Pomocí tří takto stanovených úhlů a polohy družic lze určit orientaci základny v prostoru.

Obrázek 2 Interferometrické měření

2.2.5 Metoda založená na měření fáze nosné frekvence

Přijímač měří rozdíly fází nosné vlny signálů přijímaných od jedné družice dvěma anténami

umístěnými na základně dlouhé d. Jde v podstatě o metodu stejnou jako v předchozím

9

případě, avšak měříme jinou veličinu (obr. 3). Celý počet n period nosné musíme určit jinou

metodou, kterou měření inicializujeme. Úhel, který svírá základna se směrem k družici je

(

(

))

Měření se vyznačuje značnou přesností, protože jednak eliminuje chyby způsobené družicí a

šířením signálu (obě antény měří ke stejné družici, chyby na obou anténách se uplatňují

stejně a vyruší se), jednak na krátkých vlnových délkách odpovídá malé změně vzdálenosti

velká změna fáze nosné, kterou lze pak přesně změřit.

Obrázek 3 Interferometrické měření na nosné

2.3 STRUKTURA A FUNKCE GNSS [1]

Globální navigační satelitní systém je obecný název zahrnující systémy GPS, GLONASS,

GALILEO a další podobné systémy, sloužící k určování polohy bodů na Zemi. Závaznou

zkratkou pro tento název je GNSS (Global Navigation Satellite System). Globální označuje, že

tento systém je použitelný v každém čase a jakémkoliv místě na zeměkouli. Je nezávislý na

počasí, noční či denní době, nebo zda je přijímač v klidu či pohybu. Navigační určuje

zeměpisnou orientaci na Zemi a satelitní napovídá, že se jedná o systém využívající umělé

družice Země. Struktura všech stávajících i připravovaných systémů pracuje na stejném

principu a liší se jen v detailech. Tuto strukturu lze tedy všeobecně rozdělit do třech

základních skupin:

10

2.3.1 Řídící segment

Monitoruje funkce družice a získané údaje předává v navigační zprávě do paměti družic.

Operační systém (OCS – Operational Control System) se skládá z jedné hlavní řídící stanice,

z pěti monitorovacích a tří pozemních řídících stanic. Monitorovací stanice jsou vybaveny

přesnými časovými normály a přijímači P kódu a vytvářejí síť pro určování palubních

efemerid a pro modelování chodu družicových hodin. Monitorovací stanice neustále přijímají

signály ze všech družic systému. Tyto uchovávají a předávají do hlavní stanice MCS.

Monitorovací stanice (Δ) jsou na: Hawaii (Tichý oceán), Ascension Island (jižní Atlantik),

Diego Garcia (Čakogské ostrovy v Indickém oceánu), Kwajalein (Marshallovo souostroví

v Tichém oceánu) a Colorado Springs v USA viz obrázek 2.2.

2.3.2 Kosmický segment

Aktivní družice systému GPS jsou umístěny na šesti rovnoměrně rozložených drahách, jejichž

rektascenze výstupních uzlů se liší o 60°. Dráhy družic jsou kruhové s nominální výškou 20

183 km a mají sklon k rovníku 55°. Oběžná doba družic je 12 hvězdných hodin, tudíž

konstelace družic se opakuje pro dané stanoviště jednou za den. Vzhledem k času UTC se

družice urychlují o přibližně čtyři minuty za den.

Konstelace družic zajišťuje všude na Zemi v každém okamžiku pokrytí 4 a 8 družicemi

s elevací nad 15°. Další družice jsou na oběžných drahách v záloze, aby mohly případně

nahradit poškozené nefunkční družice. Vypuštění další družice na oběžnou dráhu se

předpokládá pouze v případě, že by přestaly fungovat více jak tři družice.

Každá družice je vybavena přijímačem, vysílačem, atomovými hodinami, procesorovou

jednotkou, zdroji elektrické energie a řadou přístrojů, které slouží pro navigaci nebo jiné

vojenské účely (např. pro detekci výbuchů jaderných náloží aj.)

Konstrukce družic prošla vývojem, postupně se vypouštěly družice bloků I, II, IIA, IIR, IIR-M.

Posledním vývojovým typem je družice IIF s novou frekvencí L5, připravován je typ III (po

r. 2012).

Družice přijímá, zpracovává a uchovává informace předávané prostřednictvím pozemních

antén (GA). Sleduje stav vlastních systémů, koriguje svoji dráhu raketovými motorky

a podává o těchto skutečnostech informaci do hlavního centra. Družice je vybavena

záložními prvky. Stabilizaci a uchování družice na dráze se zajišťuje prostřednictvím

setrvačníků.

GPS družice vysílají pro uživatele složitý signál, který je tvořen řadou koherentních kmitočtů

viz Tabulka 1 Složky GPS satelitního signálu. Každá družice vysílá zprávy o své poloze a přibližné

poloze ostatních družic systému. Přesný čas a přesné kmitočty vysílaných frekvencí zajišťují

cesiové, rubidiové nebo vodíkové oscilátory. Stabilita těchto oscilátorů je 1.10-11 až 1.10-13 za

24 hodin.

11

Tabulka 1 Složky GPS satelitního signálu

2.3.3 Uživatelský segment

Pro příjem a zpracování GPS signálů byly vyvinuty speciální přijímače. V současné době

existuje mnoho typů komerčních přijímačů. Podle využití se rozlišují přijímače:

Navigační (vojenské i civilní)

Geodetické

Přijímače pro časovou synchronizaci

Přijímač GPS je tvořen anténou, radiofrekvenční jednotkou, mikroprocesorem, komunikační

jednotkou, pamětí a zdrojem napětí. Hlavní částí je radiofrekvenční sekce (RF).

Důležitou součástí přijímače je anténa. Musí umožňovat příjem signálu ze všech směrů

viditelné části oblohy. Je třeba odstínit odrazy, ke kterým může dojít během cesty signálu od

družice k anténě. Odrazy většinou nastávají v blízkosti přijímače. Tento jev se označuje jako

multipath a je částečně eliminován spodním krycím talířem antény. Po odstranění multipath

efektu se využívá polarizace signálu. Zatímco přímý signál GPS je pravotočivě polarizovaná

vlna, odražený signál je polarizován levotočivě. Moderní antény dokáží tento vliv podstatně

redukovat. Některé geodetické antény jsou opatřeny soustavou prstenců (choke-ring), které

zamezují příjmu odražených vln v blízkosti antény.

2.4 GNSS umožňuje:

• navigaci na zemském povrchu, na moři i ve vzduchu

• přenášení přesného času

• určení parametrů rotace Země (EOP)

• určování 3D polohy, rychlosti a přesného času na Zemi a v její blízkosti

• zjišťování údajů o zemské atmosféře (meteorologie) aj.

GNSS technologie měření je dnes již samozřejmostí pro mnoho oborů lidské činnosti.

Náklady na pořízení GPS přijímače jsou v dnešní době velice nízké. Tato technologie oproti

ostatním geodetickým metodám je velice levná a rychlá a pomocí dalších systémů pro

12

zpřesnění polohy i velice přesná. Výhodou je, že není potřeba vzájemné viditelnosti bodů

(terestrická a úhlová měření).

2.5 Standarty GPS pro předávání dat [2][9]

GPS přijímače jsou dnes již velmi rozšířené a představují obrovský zdroj dat. Problém však

může nastat při přenosu dat z přijímače jednoho výrobce do vyhodnocovacího programu,

který je od druhého výrobce. Přijímače mohou mít svoje vlastní blíže nespecifikované

formáty. Z tohoto důvodu byly vytvořeny standardy pro datovou komunikaci GPS zařízení.

2.5.1 RTCM SC-104

RTCM SC-104 (The Radio Technical Commission for Marine Services Special Committee 104)

byl vytvořen Institutem pro navigaci USA. Protokol je určen pro přenos korekčních dat GNSS

pro real-time DGPS. RTCM SC-104 definuje pro přenos dat binární formát. Základní částí je

zpráva (rámec), který se skládá z různého počtu 30ti bitových slov. Dnes běžně používanou

alternativou k RTCM SC-104 je protokol CMR/CMR+.

Standardy RTCM se liší typem korekcí, které je možno při využití vybraného typu přenášet:

RTCM v2.0 (DGPS) podporuje pouze real-time DGPS. Standard neobsahuje informace

o fázových měřeních a proto jej nemůžeme použít pro RTK aplikace. Přesnost měření

polohy je kolem 1 metru.

RTCM v2.1 (v2.0 + RTK GPS) rozšířuje verzi 2.0 o korekce fázových měření. Umožňuje

tedy práci s RTK aplikacemi. RTK aplikace jsou zde ale omezeny jen na systém GPS

NAVSTAR.

RTCM v2.2 (v2.1 + GLONASS) umožňuje navíc šíření korekcí systému GLONASS, ale

není kompatibilní s v2.1, jelikož neobsahuje některé zprávy.

RTCM v2.3 (v2.2 + definice GPS antény) k verzi 2.2 přidává informace o typu antény

referenční stanice.

RTCM v3 (v2.2 + RTK sítě a GNSS) jedná se o nový standart, který byl navržen s novou

strukturou, jako efektivní alternativa k verzi 2.x se zájmem o RTK aplikace s využitím

RTK sítí a pro GNSS.

RTCM v3.1 (v3 + RTK sítě) rozšiřuje verzi 3 o možnost přenášet plošné korekce RTk sítí

a signál L2C a L5 pro GPS.

2.5.2 NMEA-0183

Protokol NMEA-0183 byl vytvořen americkou národní asociací pro námořní elektroniku (angl.

National Marine Electronics Association) kvůli standardizaci sériové komunikace námořních

komunikačních zařízení. Data jsou posílána ve formě vět. Existují 3 základní typy vět:

Věty mluvčího (Talker sentenses). Talker je identifikován kódem a předává data

ve standardizované podobě.

Proprietární věty (Proprietary sentenses).

13

Dotazovací věty (Query sentenses). Těmito větami posluchač (listener) posílá talkeru

informace, která data od něj požaduje.

Předávaná data jsou již upravená a neobsahují surová data. Při využití tohoto protokolu

nelze provádět žádný druh běžně známých korekcí pomocí post-processingu!

2.5.3 CMR/CMR+

Compact Measurment Record (CMR) vyvinula firma Trimble a je to jediný původně komerční

protokol, který je hojně rozšířen i ostatními výrobci GPS přístrojů.

3. Přístupy zvyšující přesnost původních systémů [2]

Určení přesnosti měření je závislé na mnoha faktorech, jako je počet viditelných družic, typ

přijímače, vliv atmosféry, způsob měření a vyhodnocení, přesnost hodin družice až po

úmyslné chyby v signálu. K určení polohy musí přijímač přijímat signály minimálně od 4

družic. Od čím více družic signál přijímá, tím přesněji určí polohu. Ionosféra obsahuje vysoký

počet ionizovaných částic, které mohou za určitých podmínek ovlivnit přesnost

ve vertikálním směru až do velikosti chyby 30m. Naštěstí je vliv ionosféry závislý na kmitočtu

procházejících vln. Vliv lze eliminovat měřením na různých frekvencích (L1, L2).

3.1 Průměrování [2]

Zpřesňování polohy průměrováním bylo vyvinuto již před dlouhou dobou. Tato metoda

zpřesňování není závislá na diferenčních korekcích, což je její velkou výhodou. Můžeme tedy

měřit jediným přijímačem, ale době měření se tím značně prodlužuje. Princip měření

a zpracování je docela jednoduchý, v bodě, kde chceme změřit polohu, provedeme

vícehodinové měření s frekvencí vzorkování 1 sekunda. Z naměřených dat vypočteme

průměr. Praktické výsledky ukázaly, že po 5 hodinách měření se již přesnost určení polohy

bodu dále příliš nejlepší.

3.2 Statická měření[6]

Potřebujeme-li určení bodu s vysokou přesností srovnatelnou s geodetickými metodami,

využijeme statickou metodu. Princip spočívá v měření trvajícím několik minut až několik

hodin. Toto měření nám zajistí přesnost v řádů centimetrů až milimetrů. Polohu zjistíme až

následným vyhodnocením (postprocesingem), které zahrnuje i korekce v době měření.

3.3 Diferenční GPS (DGPS) [1][2]

Výrazného zpřesnění polohy lze dosáhnout opravou pomocí referenčních stanic (angl. base

station). Princip diferenční GPS je, že do předem určených bodů s přesně známou polohou

umístíme referenční stanice a porovnáváme naměřenou polohu s referenční. Získané

14

korekce přeneseme například rádiovým signálem do přijímače. Přijímač vyhodnotí korekci

a upřesní svoji polohu. Vyhodnocování probíhá v reálném čase tzv. RTK (angl. Real Time

Kinematics).

Využitelný dosah referenčních stanic se udává do 400 km. S narůstající vzdáleností klesá

přesnost korekce. Přesné určení polohy závisí také na době od získání korekce.

Obrázek 1 Struktura klasické referenční stanice [3]

Referenční stanice [2]

Referenční stanice je tvořena GPS přijímačem umístěným na přesně známé poloze, který je

schopen sledovat všechny viditelné družice, pro které počítá korekce. Tyto korekce následně

vysílá do svého okolí. Výpočet korekcí, ale není jednoduchý. V důsledku rozdílných poloh

družic se korekce musí přizpůsobit DOP pro vzdálený přijímač. Referenční stanice jsou

konstruovány pro nepřetržitý provoz při jakémkoli počasí. Chceme-li pokrýt souvislé území,

je nutné rozmístit referenční stanice do strategických míst.

V dnešní době vývoj referenčních stanic dospěl do mnohem komplikovanější podoby. Dnešní

referenční stanice jsou koncipovány jako redundantní s externími špičkovými hodinami.

Zpřesnění polohy [3]

Korekce polohových souřadnic

Korekce polohových souřadnic je z hlediska náročnosti výpočtu korekcí a následně jejich

využití jednodušší. Polohové informace jsou zjistitelné od jakéhokoli přijímače. Tato metoda

má ale dvě hlavní nevýhody. Pro korektní fungování této metody musíme zajistit, aby

referenční stanice i přijímač přijímali signál od stejných družic. To není vůbec jednoduché,

v důsledku nerovností terénu a zástavby. Druhým problémem je zajištění aktualizací

efemerid. Přijímač může získat nové efemeridy v jiném časovém rozpětí a zároveň v jiném

pořadí. V důsledku toho neposkytuje přijímač okamžitou aktualizaci polohy. Kvůli těmto

nevýhodám je tato metoda využívána jen málo.

15

Korekce zdánlivých vzdáleností Korekce zdánlivých souřadnic je mnohem využívanější. Referenční stanice komunikuje se

všemi družicemi a počítá všechny korekce. Přijímač přijímá pouze korekce od referenční

stanice.

Diferenční zpracování údajů

V reálném čase (RTK) Při vyhodnocování polohy u navigací je nutnost pracovat v reálném čase. Navigace udávající

polohu před deseti minutami by neměla smysl. Tato progresivní metoda určí polohu

v reálném čase, díky tomu není nutné následné zpracování jako u statických metod. Vše je

zapříčiněno tím, že přijímač je spojen s referenční stanicí, která mu v reálném čase posílá

korekce, které ihned upravují měřené hodnoty.

Následné vyhodnocení Je využíváno především pro geodetická měření, u kterých nám záleží na přesnosti. Měříme

pouze statické objekty, díky tomu nepotřebujeme vyhodnocení polohy v reálném čase.

3.3.1 Pozemní rozšiřující systémy

CZEPOS [4]

CZEPOS je česká síť stanic pro určování polohy. Nyní obsahuje 27 permanentních stanic na

území České republiky, které jsou od sebe vzdáleny přibližně 60 km. Z toho jsou 4 stanice

pod správou vědeckých pracovišť a ostatních 23 stanic obhospodařuje Zeměměřický úřad.

Do konce 1. Pololetí 2012 by měli být všechny stanice pod správou Zeměměřického úřadu

vybaveny novým přijímačem Leica GRX 1200+ GNSS. Tento přijímač je přizpůsoben pro

příjem signálů z družic GPS, GLONASS a GALILEO.

Obrázek 2 Přehled instalovaných stanic CZEPOS [4]

16

Využití referenčních stanic sítě CZEPOS

Určení polohy přijímače pevného či pohybujícího se v reálném čase

Lokalizace objektů v terénu a jejich následné začlenění do geografických informačních

systémů

Přesné navigování dopravních prostředků (sledování tras autobusových či vlakových

linek, kamionové přepravy, taxislužby) a složek integrovaného záchranného systému

Využití v různých dalších oborech (stavebnictví, zemědělství, energetika)

Velké uplatnění v katastru nemovitostí, zeměměřičství či vytyčování hranic

Výzkum geodynamika a GPS metrologie

CZEPOS je zároveň součástí geodetických základů

Služby CZEPOS

Služby, které CZEPOS poskytuje lze rozdělit dle přesnosti měření, doby vyhodnocení pozice

a podle toho, zda budeme používat data z jednotlivých stanic CZEPOS nebo stanic

virtuálních.

Kategorie DGPS

Pro využití služeb z kategorie diferenční GPS nám postačí relativně lacinější a jednodušší

přijímač, který nám umožní jen kódová měření a je schopný přijímat a zpracovávat korekce

DGPS v reálném čase. Přesnost této služby je do deseti centimetrů. Korekce jsou uživateli

poskytovány v reálném čase z předem zvolené stanice systému CZEPOS.

Kategorie RTK

Abychom mohli využívat služeb RTK je potřeba dvoufrekvenčních GPS přijímačů, které jsou

schopny přijímat a zpracovávat RTK korekce. K tomuto je třeba mobilní internetové připojení

GPRS. Tato kategorie udává centimetrovou přesnost a můžeme jí rozdělit na tři

podkategorie.

RTK – Korekce jsou uživateli poskytovány z předem zvolené stanice CZEPOS.

RTK3-NS – Korekce jsou uživateli poskytovány v reálném čase. Dle naší zaslané pozice

do řídícího centra nám nejbližší stanice CZEPOS pošle korekce.

RTK3-GG – Korekce jsou uživateli poskytovány v reálném čase z předem zvolené stanice

CZEPOS (i s korekcemi GPS a GLONASS), tato služba je otevřena pouze pro stanice umožňující

příjem nejen systému GPS, ale i systému GLONASS. V síti CZEPOS jsou to zatím jen stanice:

Praha a navíc externí stanice Ostrava, Pecný a Plzeň.

Kategorie VRS

Na rozdíl od předchozích kategorií, využívají služby kategorie VRS (virtuálních referenčních

stanic) k výpočtu korekcí data z více stanic CZEPOS (tzv. síťové řešení). Výpočet je vyjádřen

pro virtuální referenční stanici, kterou systém automaticky umístí do lokality v blízkosti

uživatele. K používání je zapotřebí dvoufrekvenčního přijímače GPS, který je schopný přijímat

17

a zpracovávat korekce v reálném čase s mobilním internetovým připojením GPRS. Přesnost

se zde pohybuje v centimetrech.

RTK-PRS – Korekce jsou uživateli zaslány v reálném čase. Přístroj zašle údaje o své poleze do

řídícího střediska, na základě těchto údajů přijme korekce z tzv. pseudoreferenční stanice,

která je umístěna cca. do 5 km od pozice přístroje. Korekční data pseudoreferenční stanice

jsou generovány na základě rozmístění stanic systému CZEPOS.

RTK-FKP – Korekce jsou uživateli poskytnuty v reálném čase. Na základě zprávy od přístroje,

která udává jeho polohu, zašle řídící středisko korekce od zvolené stanice CZEPOS. Tyto

korekce jsou doplněny o plošné parametry, které systém zpracovává na základě síťového

řešení všech stanic CZEPOS.

VRS3-MAX - Korekce jsou uživateli poskytnuty v reálném čase. Přístroj pošle do řídícího

centra zprávu o poloze, na základě které obdrží korekce virtuální referenční stanice. Výpočet

probíhá v rámci výpočetní buňky, ta se skládá zpravidla ze šesti stanic (jedna stanice je

zvolena jako hlavní tzv. Master a ostatní jako vedlejší tzv. Auxiliary). Přístroj přijímá korekční

data z hlavní stanice a současně s nimi diference z vedlejších stanic.

VRS3-iMAX - Korekce jsou uživateli poskytnuty v reálném čase. Přístroj pošle do řídícího

centra zprávu o poloze, na základě které obdrží korekce virtuální referenční stanice. Výpočet

probíhá v rámci výpočetní buňky, ta se skládá zpravidla ze šesti stanic (jedna stanice je

zvolena jako hlavní tzv. Master a ostatní jako vedlejší tzv. Auxiliary). Tato metoda se

od metody VRS3-MAX pouze v tom, že přístroj přijímá již data upravená o korekce

z vedlejších stanic.

VRS3 – MAX-GG - Korekce jsou uživateli poskytnuty v reálném čase. Přístroj pošle do řídícího

centra zprávu o poloze, na základě které obdrží korekce virtuální referenční stanice. Výpočet

probíhá v rámci výpočetní buňky, ta se skládá zpravidla ze šesti stanic (jedna stanice je

zvolena jako hlavní tzv. Master a ostatní jako vedlejší tzv. Auxiliary). Přístroj přijímá korekce

z hlavní stanice, současně s nimy diference korekcí vedlejších stanic a navíc jsou zde korekce

GPS a GLONASS.

VRS3-iMAX-GG - Korekce jsou uživateli poskytnuty v reálném čase. Přístroj pošle do řídícího

centra zprávu o poloze, na základě které obdrží korekce virtuální referenční stanice. Výpočet

probíhá v rámci výpočetní buňky, ta se skládá zpravidla ze šesti stanic (jedna stanice je

zvolena jako hlavní tzv. Master a ostatní jako vedlejší tzv. Auxiliary). Tato metoda se od

metody VRS3-MAX-GG pouze v tom, že přístroj přijímá již data upravená o korekce

z vedlejších stanic s korekcemi GPS a GLONASS.

18

TopNET

TopNET je síť permaneních stanic provozovaná firmou Geodis Brno, spol. s r. o. Síť pokrývá

celou Českou Republiku a skládá se z 32 stanic. Tyto stanice jsou rozmístěny přibližně

ve vzdálenosti 55 Km od sebe a přijímají signály GPS i GLONASS.

VRS Now

Společnost Trimble provozuje vlastní síť permanentních stanic. Na území České republiky se

rozmístěno 24 stanic, které jsou doplněny 8 stanicemi z Německa. Síť VRS Now je

provozována i v dalších zemích (Velká Británie – 115 stanic, Německo – 170 stanic, Irsko – 22

stanic, Estonsko a v některých státech USA).

3.3.2 Satelitní rozšiřující systémy

EGNOS [1] [5]

EGNOS (angl. European Geostationary Navigation Overlay Service) je společným projektem

Evropské kosmické agentury, Evropské Komise a Evropské organizace pro bezpečnost

leteckého provozu. Jeho účelem je zlepšit přesnost GPS a GLONASS pro každodenní využití.

Přesnost se zlepší odfiltrováním chyb, které vzniknou průchodem signálu skrz atmosféru.

Díky EGNOSu můžeme tyto systémy použít pro aplikace, u kterých potřebujeme zajistit

přesnost a hlavně spolehlivost určení polohy. Pro pilotování letadla nebo například pro

zjišťování správné koleje u vlaku. Chyba by se měla pohybovat v 99 % pod hranicí 1,5 m.

Systém EGNOS se skládá ze 40 pozemních referenčních stanic, rozmístěných po Evropě.

Stanice podávají nepřetržitě zabezpečená data do řídících center. Zde jsou data

vyhodnocena a předána do vysílací stanice. Stanice posílá data satelitů s geostacionární

dráhou. Jde o tři satelity. První Inmarsat III je umístěn nad Atlantickým oceánem na 15,5°

západní délky. Druhý, také Inmarsat III nad Indickým oceánem je na 64° východní délky. Třetí

a poslední satelit ESA Artemis, vsazený mezi první dva na 21,5° východní délky. Ze satelitů

jsou data vráceny přijímači, který podle nich opraví GPS hodnoty.

WAAS [6]

WASS (angl. Wide Area Augmentation System) je systém na podobné bázi jako systém

EGNOS. Slouží ke zpřesnění GPS. Je zaměřen především na leteckou dopravu. WASS by měl

docílit i zkrácení letu přesnější navigací letadel na frekventovaných trasách, čímž by bylo

možné tyto trasy vytížit ještě více než doposud. Systém se skládá z 29 referenčních stanic na

území USA. Data z těchto stanic se posílají do řídících center, která je upraví a pošlou do

geostaciárních družic. Tyto družice dále vysílají upravenou informaci GPS.

LAAS [6] (označován též GBAS)

LAAS (angl. Local Area Augementation System) pracuje také na principu referenčních stanic,

ale jak už název vypovídá v daleko menším měřítku (několik kilometrů). Systém poskytuje

větší přesnost a využívám je hlavně v okolí letišť pro přesnou navigaci letadel a je navržen,

aby fungoval za jakéhokoli počasí.

19

MSAS

Systém MSAS (angl. Multi-functional Satellite Augmentation Systém) je japonský rozšiřující

systém, který podporuje diferenční GPS navržené pro náhradu systému GPS pomocí

získávání a vylepšování spolehlivosti a přesnosti signálů. Typická přesnost signálu GPS je

okolo 20 metrů, s MSAS a podobnými je pak snížena na 1,5 až 2 metry jak pozičně, tak

výškově.

Obrázek 3 Pokrytí rozšiřujících satelitních systémů []

3.4 Pseudodružice [2]

Dalším způsobem zpřesňování polohy je budování pozemních vysílačů, které se tváří jako

další družice (označují se proto jako pseudodružice). Příkladem využití je například

pseudodružice na letišti, která umožňuje zpřesnění výšky letadla a umožňuje mu tak

automatické navádění. Nevýhodou pseudodružice je nutnost přímé viditelnosti mezi

přijímačem a vysílačem. Maximální dosah je 50 km. Navíc musí být zaručena minimální

vzdálenost přijímače od pseudodružice, aby nedošlo k zahlcení vstupních obvodů silným

signálem. Tento problém se dá vyřešit vysíláním v krátkých časových úsecích. Pseudodružice

může být řešena dvěma způsoby: jako samostatný vysílač tvářící se jako družice, který vysílá

nepřetržitě nebo jako vysílač spojený s referenční stanicí. Tento koncept obvykle nevysílá

trvale, ale přerušovaně.

20

4. Družicové polohové systémy

4.2 GPS NAVSTAR [6]

Systém GPS NAVSTAR (angl. Global Positioning System - NAVigation Satellite Timing and

Ranging) je navigační systém využívající měření času a vzdáleností vybudovaný v letech 1974

– 1995. První družice byla vypuštěna v roce 1978 a jako plně funkční byl systém deklarován

17. 7. 1995. Dnes má rozsáhlé civilní využití, přesto nesmíme zapomínat, že se jedná

primárně o vojenský systém, který byl vyvinut a je dodnes spravován ministerstvem obrany

USA. Svého času proběhla ve Spojených státech amerických diskuse o jeho budoucím

spravování, a to až na úrovni kongresu USA. Hlavním zájemcem o správu systému GPS bylo

sice ministerstvo dopravy USA, nicméně zatím trvá zařazení tohoto systému pod

ministerstvo obrany USA a v nejbližší době ani nelze očekávat změny.

I když je to americký vojenský systém, dnes má uživatele na celém světě. Je to hlavně díky

tomu, že byla v roce 2000 odstraněna tzv. selektivní chyba (S/A – Selective Availibility), která

zhoršovala přesnost určení polohy okolo 100 metru.

Důvody tohoto nevšedního zájmu jsou následující:

relativně vysoká polohová přesnost, od desítek metru až po milimetry,

schopnost určovat i rychlost a čas s přesností odpovídající přesnosti polohové,

dostupnost signálu kdekoli na Zemi (na moři, na povrchu, ve vzduchu i v blízkém

kosmickém prostoru),

standardní polohová služba systému GPS je civilním uživatelům dostupná bez

omezení, bez jakýchkoli poplatků a její nejběžnější využívání je možné i při použití

relativně levného zařízení,

je to systém pracující za každého počasí a dostupný 24 hodin denně,

polohu je možné určovat v třírozměrném prostoru.

Globální polohový systém byl navržen tak, aby umožnoval všem uživatelům, kteří jsou

odpovídajícím způsobem vybaveni, vysoce přesné určování třírozměrné polohy a rychlosti

pohybu a dále určování přesného časového signálu.

21

Obrázek 4 Navstar GPS [11]

4.2.1 Konstelace družic [6]

Kosmický segment je tvořen soustavou družic, rozmístěných systematicky na oběžných

drahách a vysílajících navigační signály. Plná konstelace kosmického segmentu systému GPS

sestává z 24 družic (21 navigačních a 3 aktivních záložních družic). Kromě toho jsou další čtyři

záložní družice připravené v pohotovosti na Zemi tak, aby bylo možné je umístit na oběžné

dráze a uvést do plného provozu do 48 hodin. Oběžné dráhy mají stálou polohu vůči Zemi.

Oběžná doba družic je přibližně 12 hodin (přesněji to je polovina siderického dne).

Konstelace je tvořena šesti oběžnými drahami se čtyřmi družicemi na každé z nich a sklon

oběžné dráhy je okolo 55 stupňů vzhledem k rovníku. Toto uspořádání garantuje, že

na kterémkoli místě na Zemi jsou trvale dostupné signály z minimálně čtyř družic po celých

24 hodin. Ve většině případu je však viditelných více družic, v ideálním případě až 12. Díky

kruhové oběžné dráze a relativně velké oběžné výšce je systém dlouhodobě velice stabilní a

případné změny oběžných drah se dobře modelují, na rozdíl od družic umístěných na nízkých

oběžných drahách.

Družice systému GPS se prakticky vyskytují v nadhlavníku pouze v pásu mezi přibližně 60

stupni severní a jižní šířky. Pokud se pohybujeme dále směrem k pólům, jsou družice

systému GPS stále dostupné, ale postupně se zhoršuje jejich geometrie při měření. Družice

po vypuštění pracují prakticky nepřetržitě, s výjimkou krátkých přestávek vynucených

potřebou provádění periodické údržby. Jedním z důvodů těchto odstávek je například údržba

césiových hodin, které vyžadují periodicky (přibližně dvakrát za rok) odpumpování plynové

trubice, aby byl zajištěn jejich řádný chod. Tato operace trvá průměrně 18 hodin a po tuto

dobu je družice označena jako nezdravá.

Systém pracuje na principu jednosměrného dálkoměru. Měřenou veličinou je doba šíření

signálu z družicové antény k přijímací anténě, zjišťována pomocí kódové nebo fázové

informace. Vzdálenost mezi družicí a anténou je označována jako tzv. pseudovzdálenost.

22

Tento radionavigační systém umožňuje určit polohu přijímače ve 3D souřadnicích a současně

určit i jeho rychlost vztaženou k zemskému povrchu v reálném čase kdykoliv a kdekoliv na

zeměkouli a v její blízkosti. Další údaj, který nám může GPS poskytnout je přesný UTC čas.

Jedná se o vojenský systém, proto je odolný vůči rušení a umožňuje funkci znesnadnění

přístupu neoprávněným uživatelům, kteří by chtěli tento systém zneužít. Základním

způsobem měření je určování pseudovzdáleností. V tomto případě se využívá celého

systému a měření se uskutečňuje v reálném čase. Existují i metody, které jsou nezávislé na

celém systému, a které poskytují podstatně vyšší přesnost, než umožňuje základní způsob

měření. Vyhodnocení dat a výpočet polohy se provádí až po skončení měření. Může se

pracovat i v reálném čase, ale to vyžaduje další hardwarové doplňky. [1]

Přesnost měření je závislá na mnoha faktorech: [1]

umělé ovlivňování kvality signálu (SA, AS)

chyby související s družicemi (hardware, dráhy, hodiny)

chyby při šíření signálu atmosférou (vliv ionosféry, troposféry)

chyby související s místem a postavením antény (multipath, centrace a odměření

výšky antény).

4.3 GLONASS [6]

GLONASS (rusky Globalnaja Navigacionnaja Sputnikovaja Sistema) je stejně jako GPS

NAVSTAR pasivní dálkoměrný družicový radiový navigační systém umožňující určování

polohy, rychlosti a času v třírozměrném prostoru, kdekoli a kdykoli na Zemi a v přilehlém

kosmickém prostoru. Dříve byl provozován Sovětským svazem, dnes Ruskem, tedy spíše

ruskou vládou skrze Úřad ruských vojenských vesmírných sil.

Je určen pro:

řízení a zvýšení bezpečnosti letecké a námořní dopravy

geodézii a kartografii

monitorování pozemní dopravy

synchronizaci času mezi odlehlými místy

ekologický monitoring

pro potřeby vyhledávacích a záchranných služeb

Systém GLONASS se skládá ze tří částí: [2]

z konstelace družic GLONASS

z pozemního řídicího komplexu

z navigačního vybavení uživatelů.

Systém GLONASS je zatím nedokončen. Družicový kontingent by se mel skládat z 24 družic.

23

Obrázek 5 GLONASS

4.3.1 Popis systému

Charakteristickým znakem GLONASS konstelace je její identické opakování rozmístění družic

kolem Země každých osm dní. Každá "orbitální" rovina obsahuje 8 družic, po jednom

hvězdném dni v ní dochází k neidentickému opakování (non-identical repeat, to znamená, že

jiná družice zaujme stejné místo jako předchozí) rozmístění družic. Tímto se GLONASS liší od

GPS, kde dochází k identickému opakování (identical repeat) během periody rovnající se

jednomu hvězdnému dni.

Při nejvyšším stupni dokončení systém poskytoval standardní určení polohy a času (coarse-

acqusition nebo C/A) charakterizované takto: horizontální polohová přesnost mezi 57-70

metrů, vertikální přesnost do 70 metrů, přesnost vektoru rychlosti do 15 cm/s a určení času

do 1 µs. Tyto údaje platily, pokud měření bylo výsledkem příjmu signálů od 4 družic

najednou. O dost přesnější signál (precision nebo také P(Y)) byl k dispozici jen ruské armádě.

Stejně jako u GPS se kompletní GLONASS konstelace skládá z 24 družic, z nichž 21 bude v

provozu a 3 budou záložní (každá v jedné ze tří oběžných rovin). V každé rovině má být osm

družic, identifikovatelné pomocí pozičního čísla (číslo určuje odpovídající rovinu oběžné

dráhy a pozici v rámci této roviny: 1-8, 9-16, 17-24). Roviny oběžných drah jsou vzájemně

posunuty o 120° (podél roviny rovníku), družice v jedné rovině jsou vzájemně posunuty o

45°. Oběžné dráhy jsou přibližně kruhové se sklonem k rovině rovníku 64.8° a hlavní

poloosou o délce 25,440 km.

Družice systému GLONASS obíhají Zemi ve výšce 19 100 km (pro srovnání GPS družice ve

výšce cca 20 000 km). Každá družice oběhne Zemi každých 11 hodin a 15 minut. Uragan

24

družice budou rozmístěné na oběžných drahách tak, aby minimálně 5 jich bylo kdykoli

viditelné z jakéhokoli místa na Zemi.

Družice Uragan vysílají dva typy signálů: o standardní přesnosti (standard precision (SP)) a

vysoké přesnosti (high precision (HP)). SP signál na frekvenci L1 používá schéma FDMA

(Frequency Division Multiple Access scheme), Jednoduše řečeno, každá družice vysílá na

různé nosné frekvenci (Ve schématech FDMA je přidělená frekvence rozdělena do pásem a

každé z nich je přiřazeno určité stanici (družici)). Takže potom platí, že L1 = 1602 MHz +

0.5625n MHz, kde n je číslo frekvenčního kanálu družice (n=0,1,2...).

4.4 GALILEO

Jedná se o společný projekt EU a ESA (European Space Agency – Evropská kosmická

agentura), který má odstranit závislost na americkém navigačním systému GPS. Kvalitněji má

pokrýt i oblasti na severu Evropy, kde je použití GPS omezené.

Galileo je globální družicový navigační systém (neboli jedním z GNSS z anglického Global

Navigation Satellite System), jehož výstavbu financují evropské státy přes Evropskou

kosmickou agenturu resp. Evropskou unii a jehož zprovoznění v základní konfiguraci se

očekává v roce 2014. Systém bude založen na stejném principu jako nynější americký systém

GPS, ruský GLONASS, nebo plánovaný čínský Compas a již nyní je jasné, že se z pohledu

uživatele budou vzájemně doplňovat. [8]

Oba současné systémy jsou vojenské a ani jeden z provozovatelů nedává záruku, že v

případě potřeby signály ze svých družic nevypne. Pokud by na jejich využívání byla založena

některá z dopravních služeb, měl by takový čin nebezpečné důsledky pro jejich uživatele. [6]

Proto se již počátkem devadesátých let objevily studie, poukazující na potřebu vlastního

evropského civilního družicového navigačního systému. Podobně jako tomu bylo v případě

nosné rakety Ariane nebo velkokapacitního dopravního letadla Airbus, přijala Evropská unie

rozhodnutí vybudovat vlastní navigační systém, který bude garantovat trvalou

provozuschopnost, potřebnou pro využívání v krizových situacích. [8]

Kompletní systém Galileo bude obsahovat 30 družic obíhajících ve třech rovinách

na kruhových drahách ve výšce cca 23,5 tisíce kilometrů. Každá z rovin dráhy bude svírat s

rovinou rovníku úhel 56°, což umožní využívat navigační systém bez potíží až do míst ležících

na 75° zeměpisné šířky. Velký počet družic, z nichž tři budou záložní, zajistí spolehlivou funkci

systému, i kdyby přestala některá z družic správně pracovat. Galileo umožní každému

uživateli přijímače Galileo určit jeho aktuální polohu s přesností lepší než jeden metr. Jeho

služby budou natolik spolehlivé, že na jeho základě bude možné realizovat řadu aplikací z

různých oblastí jako například v letecké, vodní a silniční dopravě, zemědělství nebo

stavebnictví. [8]

25

Galileo je prvním společným projektem Evropské unie reprezentované Evropskou komisí

(European Comission, EC) a Evropskou kosmickou agenturou (European Space Agency,

ESA). [8]

Systém by měl po dokončení poskytovat celkem 5 druhů služeb: [8]

Základní (Open Service - OS)

"Kritickou" z hlediska bezpečnosti (Safety of Life service - SoL)

Komerční (Commercial Service - CS)

Veřejně regulovanou (Public Regulated Service - PRS)

Vyhledávací a záchrannou (Search And Rescue service - SAR)

Základní služby budou přístupné všem uživatelům bez omezení. Komerční služby

budou přístupné platícím uživatelům a ostatní služby jsou určeny pouze pro

autorizované uživatele, např. ozbrojené a policejní složky. [8]

Celkové náklady na výstavbu kompletního systému se odhadují ve výši přes 4 miliardy

Euro. [8]

Obrázek 6 Navigační systém Galileo [7]

4.4.1 V čem Galileo vyniká nad ostatní navigační systémy? [7]

Zaprvé bude přesnější - určí místo s přesností na jeden až dva metry, a to díky revolučním

atomovým hodinám - poprvé ve vesmíru užije vodíkové hodiny, jež jsou oproti dosud

užívaným rubidiovým čtyřnásobně přesnější.

Zadruhé - půjde o systém aktivní, tj. družice budou schopny signály nejen vysílat, ale i

přijímat - což se využije při pátracích akcích, kdy nalezený objekt dostane informaci, že

pomoc je již na cestě.

26

Ovšem až bude Galileo spuštěn, nemusí už být nejdokonalejším civilním navigačním

systémem, neboť i americký GPS a ruský GLONASS chystají inovace.

4.5 Beidou/ Compass

Původně regionální navigační systém Čínské lidové republiky Beidou, který se stal globální

a byl přejmenován na Compass. První družice byla na oběžnou dráhu vynesena v roce 2000

a již v roce 2003 Čína začala spolupracovat na projektu Galileo. Beidou by měl nyní

poskytovat zdarma určení polohy se základní přesností 10 metrů. Beidou nyní pokrývá oblast

danou souřadnicemi: 70° až 140° východní délky a 5° až 55° severní šířky.

5. Porovnávání desek a modulů

5.2 Srovnání OEM modulů a desek

Tabulka obsahuje srovnání podle základních parametrů, jako je přesnost a rychlost určení

polohy. Většina dostupných přijímačů je 12 či 20 kanálová, ale nalezneme i 72 až 220

kanálové přijímače od společnosti Trimble.

Určení polohy je klíčový parametr, v tabulce jsou uvedeny přesnosti bez korekcí, tak i s

korekcemi (Pro bližší specifikaci je lepší prostudovat datasheety uvedených modulů, protože

různí výrobci mají různé zápisy přesností a u modulů. U modulů umožňujících určení

přesnosti s více druhy korekcí je uvedena základní přesnost, a přesnost s jedním druhem

korekce.). U špičkových modulů můžeme dosáhnout až řádově milimetrové přesnosti.

Mnoho výrobců v datasheetech neudává vertikální přesnost, která je-li uvedena, bývá horší

oproti horizontální.

Rychlost aktualizace dat přijímače se obvykle pohybuje na úrovni 1Hz, u některých přijímačů

můžeme využít aktualizaci až 20Hz.

Některé moduly podporující RTK mohou pracovat i ve více módech, jako například Standartní

RTK vůči jedné statické základně, RTK vůči pohyblivé základně (moving base) nebo RTK

využívající satelitů SBAS a GLONASS.

Výrobce type channels

Přesnost time to first fix (TTFF) update rate[Hz] Aotonomus

[m] differential/WAAS/SBAS

[m] Height

[m] Velocities

[m/s] reacquisition(znovuspojeni) [s]

hot start[s]

warm start[s]

cold start[s]

EverMore EB-E36 12 <15 95% 0.1 0.1 15 45 60 1, 5

Garmin GPS 15xL/15xH 12 <15m 95%

<3 95% 0.10/s <2s 1 38 45 1Hz

GPS 15L/15H 12 <15 95% 3-5 95% 0.1 <2 15 45 1

GPS 25LP 12 15 <5 0.2 15 45 1

GlobalSat EB-365 20 <2.5 <2 <0.01 0.1 <1 <15 <35 5

EB-3531 20 10 5 0.1 0.1 1 38 42 1

EB-3631CX 20 10 1-5 0.1 0.1 1 38 42

EB-5631RE 12 <2.5 0.01 0.1 <1 <35 <35 1, 5

EB-5662RE 12 <2.5 <0.01 0.1 <1 <35 <35 1, 5

EM-408 20 10 5 0.1 0.1 1 38 42

EM-408E 20 <2.5 <2 <0.01 <1 <35 <42 1, 5

EM-410 20 10 5 0.1 0.1 1 38 42

EM-411 20 10 5 0.1 0.1 1 38 42

EM-5206RE <2.5 <0.01 0.1 <1 <35 <35 1, 5

ET-212 12 10 5 0.1 0.1 8 38 45

ET-285 12 10 5 0.1 0.1 8 38 45

ET-286 12 10 5 0.1 0.1 8 38 45

ET-312 20 10 5 0.1 0.1 1 38 42

ET-314AC 20 10 1-5 0.1 0.1 1 38 42

ET-316AC 20 10 1-5 0.1 0.1 1 38 42

ET-318 20 <2.5 <2 0.1 0.1 <1 <35 <35 5

ET-332 20 10 5 0.1 0.1 1 38 42

ET-333 20 10 5 0.1 0.1 1 38 42

28

výrobce type channels

Přesnost time to first fix (TTFF) update rate[Hz] Aotonomus

[m] differential/WAAS/SBAS

[m] Height

[m] Velocities

[m/s] reacquisition(znovuspojeni) [s]

hot start[s]

warm start[s]

cold start[s]

Hemisphere Crescent Vector II 2x 12 <2.5 95% <0.6 95% 0.3 1 20 60 10, 20

Crescent Vector 2x 12 <2.5

<0.5 0,1 20

Crescent Board 12 <2.5

<0.5 <1 20 35, 45 60 20

Eclipse Board

1.2/2.5 67/95%

0.3/0.6 67/95% <1 10 30 <60 10, 20

H102 2x 12 <2.5 95% <0.6 95% <1 <20 <60 10, 20

Vector H320 2.5

0.5

<5 <20 <40 10, 20

Laipac PG11 12 15 1-5, 10 0.1 0.1 8 38 48

PG11A 20 10 5 0.1 0.1 1 38 42 1

PG31 12 25 1-5 0.1 0.1 <3 38 45 1

PG32 20 10 <5 50%

<35 95% 0.1 0.1 1 38 42 1

Leadtek LR9023 22 3 2.5 0.1 <1 1.5 34 35 10

LR9101 20 10 5 0.1 0.1 1 38 42

LR9123 20 10 5 0.1 0.1 1 35 35 1

LR9130 48 <2.5 0.01 0.1 1-2 9-15 25-35

LR9131 48 <2.5 0.01 0.1 1-2 9-15 25-35

LR9540 20 10 5 0.1 0.1 1 35 35

LR9548SX 20 10 5 0.1 0.1 1 38 42

LR9552 20 10 5 0.1 0.1 1 35 42 1

29

výrobce type channels

Přesnost time to first fix (TTFF) update rate[Hz] Aotonomus

[m] differential/WAAS/SBAS

[m] Height

[m] Velocities

[m/s] reacquisition(znovuspojeni) [s]

hot start[s]

warm start[s]

cold start[s]

Magellan A12 12 5 95% 1.5/3 95% 1-2 <10 <45 <150 1

DG14 14 5 95% 3 95% * 0.1 3 11 35 90 10.20

GG12 12 3/5 50/95% 1/3 50/95% 0.1 1/2/5

MB100 45 <0.5 <0.3 3 11 35 45 20

MB500 75 5 95% 0.9/3 95% 3 11 35 90 20

ZXW-Eurocard 36 1.5

0.4 0.1 5

Navsync CW20 16 1.2/3.1 50/95% 0.8/2 50/95% <3 5 34 46

MS20 12 1.7/2.9 50/95% 1.2/2.4 50/95% <1 1.5 32 34

NovAtel OEM615 120 1.5/1.2 0.4 * <35 <50

OEM628 120 1.2/1.5 0.4 * 0.03 <35 <50

OEM Star 14 1.5 0.5 * 0.05 35 65

OEM V1/1G/1DF 36 1.5

0.4 * 0.03 35 60

OEM V2 72 1.2/1.5 0.4 * 0.03 35 60

OEM V3 72 1.2/1.5 0.4 * 0.03 35 60

NVS CH-4706M 32 2.5 1 3 0.05 0,1 <3 30 30 1/2/5/10

Naviator-24 24 3.1 2 8 0.1 3 5 20 50 1/2/5

NV08C-CSM 32 2.5 1 3 0.05 <1 <3 30 30

1, 2, 5, 10

NV08C-MCM 32 2.5 1 3 0.05 <1 <3 30 30

1, 2, 5, 10

30

výrobce type channels

Přesnost time to first fix (TTFF) update rate[Hz] Aotonomus

[m] differential/WAAS/SBAS

[m] Height

[m] Velocities

[m/s] reacquisition(znovuspojeni)

[s] hot

start[s] warm

start[s] cold

start[s]

RoyalTek MEB-1315 22 10 90% 0.1 1 33 36

REB-0808 48 2.5 50% 0.1 1 35 35 1

REB-1315LPX 20 10 90% 0.1 <1 <1 <35 <35

REB-3570LPX 20 10 0.1 1 35 35 1

REB-3571LPX 20 10 <1 1 35 35 1

REB-4216 48 2.5 0.1 1 35 35 1

REB-4315 48 2.5 0.1 1 35 35 1

RGM-3316 20 10 90% 0.1 <1 <1 <35 <35

Trimble BD910 220 0,008 0,25 0,015/0,5 0.007 <2 <30 <45 20

BD920 220 0,008 0,25 0,015/0,5 0.007 <2 <30 <45 20

BD950 24 0,01 <1/<5 20/10

BD960 72 0,01 <1/<5 1, 2, 5, 10, 20

BD970 220 0,008 0,25/<5 /0,5 0,5

1, 2, 5, 10,

20,50

BD982 220 1, 2, 5,

10, 20,50

Condor family 2 0,3 <2 <2 35 38 1, 5

Copernicus II 12 <2.5/<5 50/90%

<5/<8 50/90% 0.06 2 50% 3 50% 35 50% 38 505 1

Lassen LP 8 <6/<9

50/90% <11/<18 50/90% 0.05 <2 90%

<15 90% <42 90%

<130 90% 1

Lassen SQ 8 <6/<9

50/90% <11/<18 50/90% 0.06 <2 90%

<18 90% <45 90%

<170 90% 1

Lassen iQ 12 <5/<8

50/905 <10/<16 50/90% 0.06 <2 90%

<13 90% <42 90%

<86 90% 1

Condor Zelia 22 <2 <3 2 2 35 38 1, 5

31

výrobce type channels

Přesnost time to first fix (TTFF) update rate[Hz] Aotonomus

[m] differential/WAAS/SBAS

[m] Height

[m] Velocities

[m/s] reacquisition(znovuspojeni)

[s] hot

start[s] warm

start[s] cold

start[s]

Spectre PEB-225 12 10 1 0.1 2 35 50

PEB-615 20 10 1-5 0.1 1 8 42

PMB-648 20 5 0.1 1 38 42 1

U-blox UBX G6010 NT 50 2.5 2 1 27 5

UBX G6010 ST 50 2.5 2 1 27 5

NEO 6G/Q/T 50 2.5 2 0.1 1 26 26 5

NEO 6M/V 50 2.5 2 0.1 1 27 27 1

NEO 6P 50 2.5 2 0.1 1 32 32

AMY 6 50 2.5 2 1 27 5

LEA 6H/S/N 50 2.5 2 1 26 5

LEA 6A 50 2.5 2 1 27 5

LEA 6N 50 <10 3 32 5

MAX 6 50 2.5 2 0.1 1 26 26 5

Tabulka 2 Srovnání OEM modulů a desek

5.3 Srovnání dead-reckoning navigačních modulů

Tyto moduly umožňují odhad pozice při ztrátě navigačního signálu. Při určování polohy

mobilních prostředků pomocí GPS přijímačů musíme počítat s výpadky signálu. Tyto výpadky

mohou být zapříčiněny vysokou zástavbou ve městech, pohybem v tunelech či podzemních

parkovištích.

Během výpadku můžeme polohu odhadovat pomocí inerciálních systémů. Uraženou

vzdálenost v době výpadku lze určit například snímáním otáčení kol automobilu. Tento

způsobem, ale nemůžeme určit natočení vozidla. Natočení vozidla můžeme provést

například gyroskopem. Gyroskop měří úhlovou rychlost. Skutečné natočení musíme

odměřovat od vektoru pohybu, který určíme z pozic určených před výpadkem signálu.

Velkou nevýhodou při odhadování pozice je nárůst chyby s časem. Čím déle trvá výpadek,

tím se snižuje přesnost odhadované polohy.

V tabulce je uvedeno srovnání GPS navigačních modulů, které využívají principu dead

reckoning. Přesnost u modulů Trimble je někdy udávána v závislosti na délce výpadku signálu

(AP10), či způsobu užití (AP20/40/60/80).

výrobce type channels

Přesnost time to first fix (TTFF) update rate[Hz] Aotonomus

[m] differential/WAAS/SBAS

[m] Height

[m] Velocities

[m/s] reacquisition(znovuspojeni)

[s] hot

start[s] warm

start[s] cold

start[s]

NVS NV08C-CSM 32 2.5 1 3 0.05 <1s <3 30 30 1, 2, 5, 10

NV08C-MCM 32 2.5 1 3 0.05 <1 <3 30 30 1, 2, 5, 10

Royaltek RDR-3300 20 10 90% 0.1 <0.1 1 35 35

Trimble

AP10 - inertial 72 1/2.5/10 1

AP20 220 1.5-3.0 0.5-2.0 0.05 5

AP40 220 1.5-3.0 0.5-2.0 0.05 5

AP50 220 1.5-3.0 0.5-2.0 0.05 5

AP60 220 1.5-3.0 0.5-2.0 0.05 5

LASSEN DR+GPS <5 <10 <0.02 <2 1

AARDVARK DR+GPS 5 50% 5 50% 0.5% <2 5, 10

U-blox

LEA-6 50 2.5 0.1 1 26 26 5

LEA-6R 50 2.5 1 27 27 1

NEO-6V 50 2.5 1 27 27 1

UBX-G60x0 50 2.5 1 26 26 2, 5

UBX-G6010 50 2.5 1 26 26 1 Tabulka 3 Srovnání modulů s odhadem pozice

6. Seznam citací

[1] MADRON, Tomáš. Diferenciální GPS. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta

elektrotechniky a komunikačních technologií, 2009, 75s. Diplomová práce

[2] RAPANT, Petr. Družicové polohové systémy. Ostarva: VŠB-TU Ostrava. 2002. ISBN 80-248-

0124-8.

[3] HRDINA, Zdeněk, PÁNEK, Petr, VEJRAŽKA, František. Radiové určování polohy : Družicový systém GPS. 1. dopl. vyd. Praha : Vydavatelství ČVUT, 1999. 259 s. ISBN 80-01-01386-3.

[4] CZEPOS : Zeměměřický ústav [online]. 2001 [cit. 2012-03-07]. Dostupné z: <http://czepos.cuzk.cz>. [5] SPACEDEPARTMENT : Odbor kosmických technologií a družicových system [online]. 2011 [cit.

2012-03-07]. Dostupné z: <http://www.spacedepartment.cz>

[6] LUŇÁK, Tomáš. Testování přesnosti měření GPS metodou RTK. [s.l.], 2007. 57 s. Bakalářská práce

[7] Navigace Galileo startuje. [online]. 2011 [cit. 2012-04-24]. Dostupné z:

<http://www.lidovky.cz/navigace-galileo-startuje-s-atomovymi-hodinami-fru-

/ln_veda.asp?c=A111017_105202_ln_veda_rka>

[8] ŠUNKEVIČ, Martin. Česká kosmická kancelář. [online]. 23.11.2010. 2010 [cit. 2012-04-24].

Dostupné z: <http://www.czechspace.cz/cs/ckk/galileo>

[9] VOJTEK, David. GNSS. Datové protokoly a formáty v GNSS [online]. 2011 [cit. 2012-04-24].

Dostupné z: <http://gis.vsb.cz/vojtek/index.php?page=gnps_c/cviceni0>

[10] MIŘIJOVSKÝ, Jakub. GNSS: kam nás dovedete. [online]. 2011 [cit. 2012-04-24]. Dostupné z:

<http://www.geobusiness.cz/2011/01/gnss/>

[11] Americký družicový navigační systém [online]. 2011 [cit. 2012-04-24]. Dostupné z:

<http://www.spacedepartment.cz/3-sekce/gnss-systemy/gnss-mimo-evropu/americky-

navstar-gps/>

[12] Ruský globální družicový navigační systém [online]. 2011 [cit. 2012-04-24]. Dostupné z: <http://www.spacedepartment.cz/3-sekce/gnss-systemy/gnss-mimo-evropu/rusky-glonass/>

[13] Evermore. [online]. [cit. 2012-04-24]. Dostupné z: <http://www.evermoregps.ca/>

[14] Globalsat. [online]. [cit. 2012-04-24]. Dostupné z: <http://www.globalsat.com.tw/>

[15] Hemisphere. [online]. [cit. 2012-04-24]. Dostupné z: <http://www.hemispheregps.com/>

[16] Laipac. [online]. [cit. 2012-04-24]. Dostupné z: <http://www.laipac.com/>

[17] Magellan. [online]. [cit. 2012-04-24]. Dostupné z: <http://www.magellangps.com/>

35

[18] Novatel. [online]. [cit. 2012-04-24]. Dostupné z: <http://www.novatel.com/>

[19] NVS. [online]. [cit. 2012-04-24]. Dostupné z: <http://www.nvs-gnss.com/>

[20] Royaltek. [online]. [cit. 2012-04-24]. Dostupné z: <http://www.royaltek.com/>

[21] Spectre. [online]. [cit. 2012-04-24]. Dostupné z: <http://www.spectre-online.co.uk>

[22] Garmin. [online]. [cit. 2012-04-24]. Dostupné z: <https://buy.garmin.com>

[23] Leadtek. [online]. [cit. 2012-04-24]. Dostupné z: <http://www.leadtek.com>

[24] Navsync. [online]. [cit. 2012-04-24]. Dostupné z: <http://www.navsync.com/>

[25] Trimble. [online]. [cit. 2012-04-24]. Dostupné z: <http://ww2.trimble.com/>

[26] U-blox. [online]. [cit. 2012-04-24]. Dostupné z: <http://www.u-blox.com/>