Globální družicový polohový systém

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání

Globální družicový polohový systém (anglicky Global Navigation Satellite System, zkratkou GNSS) je služba umožňující za pomoci družic autonomní prostorové určování polohy s celosvětovým pokrytím. Uživatelé této služby používají malé elektronické rádiové přijímače, které na základě odeslaných signálů z družic umožňují vypočítat jejich polohu s přesností na desítky až jednotky metrů. Přesnost ve speciálních nebo vědeckých aplikacích může být až několik centimetrů až milimetrů.

V roce 2013 je plně funkční systém provozovaný armádou USA NAVSTAR GPS a Ruský GLONASS, uvedený do plného operačního stavu v roce 2012. Vývoj probíhá na evropském GNSS Galileo, čínském Compass, s jejich uvedením do provozu se počítalo po roce 2012, ale dosud (2013) nejsou v plném provozu. Mimo GNSS existují i regionální autonomní družicové polohové systémy jako je existující čínský Beidou-1 a vyvíjený indický IRNSS a japonský QZSS.

Některá literatura se zmiňuje o dvou generacích GNSS:

  • GNSS-1 Do první generace jsou zařazovány GPS a GLONASS s podpůrnými systémy SBAS, GBAS a LAAS. Tyto systémy byly prioritně vyvinuty pro vojenskou sféru a sekundárně zajišťují stálé globální pokrytí službou pro civilní sektor.
  • GNSS-2 Do druhé generace se řadí vyvíjené GNSS jako GPS-III, Galileo, Compass. Zajišťují vysokou přesnost a spolehlivost pro aplikace Safety of Life plnohodnotné pro všechny uživatele.

Přehled GNSS[editovat | editovat zdroj]

název výchozí princip měření stát vypouštění družic zprovoznění počet družic polární dráha+záloha+(geostacionární+geosynchronní) inklinace počet polárních drah výška orbitu [km] doba oběhu [hh:mm]
spuštění plná funkčnost plánovaný ve službě
Transit doppler. USA 1959-1988 3+3 0 ref 67° 3 1 100 LEO 01:46
Parus (Cyklon, Zaliv, Cikada-M) doppler. SSSR 1967 6 6 ref 83° 6 730-960 LEO 01:45
Cikada doppler. SSSR 1974-1995 4 0 ref 83° 4 965 LEO 01:45
Navstar GPS kódové USA 1978 24+3 31 ref 55° 6 20 200 MEO 11:58
Glonass kódové Rusko 1982 24 21 ref 65° 3 19 100 MEO 11:15
Doris doppler. Francie 1990 - 6 ref 35-66-99° - 560-825-1 340 LEO 01:41
Galileo kódové EU 2006 27+3 4[1] 56° 3 23 200 MEO 14:05
Compass (BeiDou, Pej-tou[2]) kódové Čína 2007 2012[2] 27+(5+3) 16 ref 55° 3 21 500 MEO 12:50
(Poslední změna: 30. prosince 2012)


Princip funkce[editovat | editovat zdroj]

Geometrické znázornění hledání polohy pomocí těžiště v průniku tří kružnic.

Zjednodušeně lze družicové polohové systémy popsat jako družicový rádiový dálkoměrný systém:

  • Dálkoměrný systém je takový, kdy se poloha nějakého objektu určuje ze vzdáleností od bodů se známou polohou. Např. v krajině může určit svoji polohu pomocí mapy a dalekohledu, který umí změřit vzdálenost od pozorovaného objektu. Dalekohledem změříme vzdálenost ke dvěma význačným objektům, které jsou zároveň na mapě a kružítkem na mapě nakreslíme kolem každého objektu kružnici o změřeném poloměru. Naše poloha je v jednom z průsečíků obou kružnic (existují dvě řešení).
  • Rádiový systém pro měření určitého parametru využívá rádiových vln. „Rádiový dálkoměrný“ systém k měření vzdálenosti využívá rádiových vln takto: Do bodu se známou polohou je umístěn vysílač, který vysílá rádiové vlny s časovými značkami. V bodě, jehož poloha se měří, umístíme přijímač, který porovnává časové značky se svými „hodinami“. Tím je možno změřit zpoždění, tj. jak dlouho trvalo rádiové vlně, než k přijímači dorazila. Protože se radiové vlny pohybují známou rychlostí, stačí pro výpočet požadované vzdálenosti vynásobit změřené zpoždění touto rychlostí.
  • Družicový je systém označován proto, že body se známou polohou jsou družice obíhající Zemi. Proto musí být v jejich vysílání nejen časové značky, ale i parametry dráhy dané družice, z nichž lze polohu při odeslání zprávy vypočítat.

Rádiové vysílání[editovat | editovat zdroj]

Schéma užívaných pásem a nominálních frekvencí GNSS.

Každá družice v různých systémech GNSS vysílá rádiové vlny. Aby se jednotlivé systémy GNSS vzájemně nerušily má každý vyhrazenou frekvenci, případně smluvený způsob vysílání na stejné frekvenci. V rámci jednoho systému GNSS je družic několik desítek a aby bylo možno odlišit jednu od druhé, používá se několik metod:

  • kódové - CDMA (Code Division Multiple Access) - každá družice vysílá různé kódy na stejné frekvenci, které se svou charakteristikou blíží náhodnému kódu a proto se označují za PRN (Pseudo Random Noise). Přijímač pak na základě znalosti tohoto kódu zesílí hledaný signál a odfiltruje jako šum ostatní. Využívá ho GPS, Galileo.
  • frekvenční - FDMA (Frequency Division Multiple Access) - každá družice vysílá stejné kódy na jiné frekvenci, což vyžaduje velký počet volných frekvencí. Nevýhodou jsou vznikající interference vlnění při šíření radiových vln a obtížná interoperabilita mezi různými systémy GNSS. Využívá ho GLONASS.
  • časové - TDMA (Time Division Multiple Access) - každá družice vysílá na stejné frekvenci stejné kódy, ale v jiném čase. Tento způsob je komplikovaný na realizaci přijímače a nepoužívá se.

Určování polohy a času[editovat | editovat zdroj]

GNSS systémy jsou obvykle navrženy k jednomu principiálně jednoduchému způsobu výpočtu polohy, přesto je však možno ve speciálních aplikacích uplatnit jiné přístupy:

  • Kódová
  • Fázová
  • Dopplerovská
  • Úhloměrná

Kódová[editovat | editovat zdroj]

Měření jsou jednoduchá, spolehlivá a nejčastěji používaná. Na základě časových značek a známé pozice vysílačů (družic) je možno spočítat polohu a čas v místě přijímače.

Po přijetí rádiového signálu jsou v přijímači dekódovány:

  1. časové značky při odeslání signálu každé družice (t).
  2. polohy každé družice v prostoru, tzv. efemeridy (x,y,z).

Hledáme-li pozici uživatele v prostoru, musíme ji popsat třemi souřadnicemi např. v kartézském systému ECEF(X,Y,Z). Protože čas v přijímači není pro potřeby výpočtu přesný a synchronní, je čas uživatele také proměnná (T). Neznámé jsou tedy (X,Y,Z,T) a proto můžeme sestavit 4 rovnice koule (X-x_n)^2+(Y-y_n)^2+(Z-z_n)^2=[(T-t_n)c]^2 o 4 neznámých, kde c je rychlost světla a za předpokladu, že známe (x,y,z,t) pro 4 družice (n=1,2,3,4), je řešením rovnice poloha a čas uživatele.

Pro převod do zeměpisných souřadnic a občanského času se využívá definovaných matematických vztahů např. platí: ECEF(X,Y,Z,T) \to WGS84(lat, lon, HAE, UTC), kde:

Pro získání výšky vztažené k hladině moře (MSL, Mean Sea Level) je třeba opravit výšku HAE o hodnotu převýšení geoidu nad elipsoidem. Na území Česka se jedná u WGS 84 řádově o hodnoty -40 až -50m. Výpočetní jednotka GPS přijímače již přibližný model obsahuje a opravu provádí automaticky. Uživatel má obvykle k dispozici obě hodnoty výšek HAE i MSL.

Pro výpočet se používají pouze družice, které jsou nad obzorem výše než limitní hodnota, běžně 5°-10°. Toto opatření se nazývá elevační maska a používá se proto, že rádiový signál nízko nad obzorem delší dráhou více ovlivňuje atmosféra než družice ve vyšších pozicích a má náchylnost k vícecestnému šíření.

V případě příjmu signálu z více než 4 družic je poloha váženým průměrem, tak aby výhodná geometrická poloha družice a kvalitní radiový signál hráli významnější roli, čímž může být výsledek výrazně stabilnější a přesnější. Pokud jsou ve výpočtu jen 3 družice, je určena poloha pouze na povrchu elipsoidu (lat, lon, HAE=0, UTC), často označovaná jako neplnohodnotná navigace 2D. Pokud jsou ve výpočtu jen 2 družice lze teoreticky určit výšku nad elipsoidem (lat=0, lon=0, HAE, UTC), toto řešení se však nepoužívá, neboť skutečná nadmořská výška je polohově závislá.

Výsledek výpočtu předává přijímač dále ke zpracování pomocí standardizovaných formátů zpráv (NMEA, RTCM, RINEX, SiRF) skrze komunikační rozhraní (Bluetooth, sériový port).

Fázová[editovat | editovat zdroj]

Měření se vyznačují vysokou přesností a nejednoznačností (ambiguity). Je časově náročné, vyžaduje vhodné podmínky a speciální drahé aparatury, nezbytné okamžité korekce z jiného přijímače, nebo postprocesní vyhodnocení. Použití je především v geodetických a vědeckých aplikacích.

Vychází z možnosti měřit jednotlivé fáze harmonických vln zdroje a jejich změny. Nejednoznačnost spočívá v neznámém počátečním celkovém počtu vln mezi vysílačem a přijímačem. Proto se využívá několik matematických metod, které se snaží najít možná řešení nebo se využije přesná informace o poloze z jiného zdroje. Pro výpočet se využívají dostupná kódová měření, diference z jiného přijímače a často se pracuje s analýzou rádiových vln na více frekvencích. Měření jsou náchylná na přerušení kontinuity signálu a je nutné odstranit všechny systematické chyby jako: ionosférickou a troposférickou refrakci, chybu hodin, nepřesné efemeridy, poloha a orientace fázového centra antény, vícecestné šíření.[3]

Používané metody[4]:

  • Statická (Static) - využívá dlouhodobá měření (hodiny až dny) více referenčních přijímačů a postprocesní korekce
  • Rychlá statická (Fast static) - pro měření (minuty) je třeba dvojice referenčních dvoufrekvenčních přijímačů, jeden o známých souřadnicích a vyhodnocení postprocesních korekcí
  • Stop and go (polokinematická) - měření (sekundy) pracuje na principu jednoho referenčního a jednoho terénního přijímače, který vyhodnocuje fáze i během přesunu mezi měřenými stanovišti
  • Kinematická (Kinematic) - vyžaduje jeden terénní přijímač, který na počátku vyřeší nejednoznačnosti (inicializace), nebo je schopen ambiguity úspěšně řešit i během přesunu mezi měřenými stanovišti (bez inicializace)
  • RTK (Real Time Kinematic) - jedná se o metodu kdy jsou jedním přijímačem v terénu zpracovávány RTCM diferenciální korekce permanentních referenčních stanic získané z geostacionární družice, rádia nebo internetu a to jako.[5]:
    • plošné korekce
    • korekce blízké virtuální referenční stanice vypočtené ze síťového řešení
    • měřená data referenční stanice (výpočet korekcí proveden u příjemce)

Dopplerovská[editovat | editovat zdroj]

Měření pracuje na principu zjišťování změny frekvence pro pohybující se zdroj (nebo i příjemce) signálu (dopplerův efekt). Na základě údajů z jedné družice:

  • aktuálního orbitu družice
  • změna frekvence jejího vysílání proti výchozí
  • sledováním dvou frekvencí
  • časových značek
  • několika měření během jednoho přeletu

lze vypočítat relativní polohu vůči družici ve dvojrozměrném prostoru. Z toho je možno dopočítat následně polohu na Zemi, nebo rychlost. Pro trojrozměrnou pozici je třeba měření z více družic. Vysílání družice lze využít i pro časovou synchronizaci.

Úhloměrná[editovat | editovat zdroj]

Měření vychází z možnosti zaměřovat zdroj signálu (družici) pomocí směrových antén a určit úhly vzhledem vodorovné rovině. Provádí se k více družicím zároveň, nebo k jedné družici v různém čase. Tato metoda se však z důvodu komplikovaného řešení a malé přesnosti nepoužívá.

Rozšiřující systémy GNSS[editovat | editovat zdroj]

SBAS[editovat | editovat zdroj]

SBAS (Satellite Based Augmentation Systems) je obecný název pro systém pozemních monitorovacích rozsáhlejší původnímu monitorovacímu segmentu GNSS, které v reálném čase vyhodnocují aktuální stav kosmického segmentu GNSS (typicky GPS+GLONASS) a stav ionosféry. Vypočítávají korekce těchto vlivů a tato data s malým časovým zpožděním vysílají k uživatelům skrze družice na geostacionární dráze. Geostacionární družice mají čísla #ID nad 32. Nevýhodou systému je umístění družic nad rovníkem (v Česku nízko na jižním horizontem) se slabým vysílacím výkonem, který určuje použití jen pro leteckou, případně námořní dopravu.

  • Globální SBAS jsou komerční produkty:
  • Regionální SBAS jsou obvykle zřizovány vládními organizacemi a jsou volně dostupné (název:plánovaný počet družic)[6][7]:
    • WAAS:2 (US), Wide Area Augmentation System
    • EGNOS:3 (EU), European Geostationary Navigation Overlay Service
    • MSAS:2 (Japonsko), MTSAT Satellite-Based Augmentation System
    • GAGAN:1 (Indie), GPS Aided Geo Augmented Navigation
    • CWAAS:? (Kanada), Canadian WAAS
    • SNAS:? (Čína), Satellite Navigation Augmentation System

GBAS[editovat | editovat zdroj]

GBAS (Ground Based Augmentation Systems), označované někdy jako GRAS (Ground-based Regional Augmentation Systems) je obecný název pro systém pozemních referenčních stanic, které v reálném čase vyhodnocují aktuální stav kosmického segmentu GNSS (typicky GPS+GLONASS). Vypočítávají korekce vzhledem ke své absolutní poloze a poskytují je uživatelům pomocí mobilních sítí, radiových vysílání nebo až zpětně pro korekce prováděné po skončení měření.

  • Regionální GBAS jsou např.:
    • GRAS (Austrálie)
    • DGPS (USA)
    • WAGE (USA)
    • EUREF (EU)
    • CZEPOS (Česko)
  • Místní GBAS, někdy také značené jako LAAS (Local Area Augmentation System), typicky jako osamělé referenční stanice, např. u letišť, dolů, rozsáhlých staveb

IGS[editovat | editovat zdroj]

IGS (International GNSS Service) je mezinárodní organizace, která sleduje a vyhodnocuje kosmické segmenty GNSS. Klíčovými produkty tří stovek stanic jsou zpětně dopočtené a velmi přesné[8]:

  • efemeridy družic GPS/GLONASS ~5 cm/15 cm (predikce v navigační zprávě GPS: ~160 cm)
  • přesné korekce pro palubní hodiny GPS ~0,1ns (predikce v navigační zprávě GPS: ~7ns)
  • ionosférické a troposférické zpoždění
  • 3D souřadnice monitorovacích stanic ~3mm a jejich pohyb ~2mm/rok
  • parametry rotace Země (Earth Rotation Parameters)

ILRS[editovat | editovat zdroj]

ILRS (International Laser Ranging Service) je vyvíjená služba umožňující nezávislé zjišťování polohy družic na oběžné dráze za pomoci laserových měřidel (bez ohledu na vysílaný rádiový signál). Pro měření je nutné vybavit družici odražečem a jejich nasazení je plánované pro GNSS II. generace. Realizovaná řešení:[9][10]

GNSS počet vybavených družic popis
GLONASS 51 (od roku 1990, od č. 40-108) délka úhlopříčky zrcadla 60 cm
GPS 2 (PRN 05 a 06) 10 kg, 32 buněk; délka úhlopříčky zrcadla 20 cm
Galileo 3 (GIOVE-A, B, A2) 76/67 buněk; 30×40 cm/30×30 cm
Compass 1 (M1) 2,5 kg; 42 buněk; efektivní odrazivá plocha 360 cm², 32×28 cm

Regionání NSS[editovat | editovat zdroj]

Regionální navigační družicové systémy často doplňují GNSS nebo jsou jeho vývojový předstupeň.

  • QZSS (Quasi Zenith Satellite System in Japan): Japonsko, 3 družice, realizace po roce 2009
  • IRNSS (Indian Regional Navigation Satellite System): Indie, 7družic, realizace 2008-2011
  • Beidou: Čína, realizován

Odkazy[editovat | editovat zdroj]

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. (JP) http://www.exoplanety.cz/2012/10/12/na-obeznou-drahu-dnes-vecer-zamiri-druzice-pojmenovana-po-cechovi/
  2. a b http://mobil.idnes.cz/cina-spousti-navigacni-system-pej-tou-dxz-/navigace.aspx?c=A121228_163812_navigace_jm – Čína dává sbohem GPS, navigovat ji bude „souhvězdí Velký vůz“
  3. Kostelecký J.: přednesy Vyšší geodézie 1 Princip zpracování měření GPS. FSV ČVUT. 19. září 2007
  4. Koukl J.: Metody kterými lze z GPS dostat milimetry výtah z DP: „Společné zpracování měření totální stanicí a GPS“. ČVUT 1999
  5. Kostelecký J.: přednesy Vyšší geodézie 1 Diferenciální GPS (DGPS). FSV ČVUT. 19. září 2007
  6. Ray Clore: Worldwide GNSS Interoperability, U.S. State Department. 18. září 2008
  7. GPS World: The Almanac 1. prosinec 2008
  8. IGS: IGS Products. 20. květen 2008
  9. Beutler G.: GPS and GNSS from the International Geosciences Perspective; ILRS; str. 17-22
  10. ILRS Home: List of Satellites

Související články[editovat | editovat zdroj]

Literatura[editovat | editovat zdroj]