Položkové a navigační systémy - 3. ročník - KGI 2022/2023

KGI 2022/2023 [ GEHUG ] Bc. – 3. ročník – ZS Polohové a navigační systémy [ PNAS ] [ *93 ] KGI 2022/2023 [ GEHUG ] Bc. – 3. ročník – ZS [ *94 ] KGI 2022/2023...

KGI 2022/2023 [ GEHUG ] Bc. – 3. ročník – ZS Polohové a navigační systémy [ PNAS ] [ *93 ] KGI 2022/2023 [ GEHUG ] Bc. – 3. ročník – ZS [ *94 ] KGI 2022/2023 [ PNAS ] Bc. – 3. ročník – ZS 1. hodina (přednáška) + 2. hodina (cvičení) – odpadlo 3. hodina (přednáška) Souřadnicové systémy a měření času souřadnice – slouží k jednoznačnému určení polohy na nějakém objektu: a) souřadnice v rovině (a) pravoúhlé [X, Y] – klasická kartézská soustava (b) polární [ρ, ε] – soustava „do kruhu“ Y ρ ε (a) (b) X b) souřadnice na povrchu koule nebo elipsoidu (a) zeměpisné [φ, λ] – užitím zeměpisné sítě (b) azimutální [A, d] – princip podobný jako polární, ale po povrchu φ A d λ (a) (b) c) souřadnice v prostoru – přesouváme se do 3D prostoru a do geodézie (a) pravoúhlé [X, Y, Z] – klasická kartézská soustava, ale ve 3D (b) cylindrické [α, d, h] – pohybem po válci (c) zeměpisné s poloměrem [φ, λ, R] – od středu Země (d) zeměpisné s výškou [φ, λ, h] – nad povrchem koule/elipsy (e) zobrazení s výškou [X, Y, h] – nad zobrazením do roviny Y φ R Z (c) λ (a) X (b) h Y d α° h φ (e) h X [ '95 ] (d) λ KGI 2022/2023 [ PNAS ] Bc. – 3. ročník – ZS způsoby určení souřadnic jsou buď: a) kartometricky – odečíst z mapy pomocí obrazů poledníků a rovnoběžek; mapa vzniká geodetickým měřením b) geodeticky – výsledky měření v terénu, na základě GPS a geodetická geodetické sítě síť - geodetická síť obsahuje všechny úhly, délky základen, možnost dopočtení libovolného bodu, Laplaceovy body (tj. astronomicky určené), atd. (viz 2LS/ZAFOT) c) astronomicky – pomocí polohy astronomických těles - nebeská sféra – koule se třemi rovinami: 1) 1) horizont – podle polohy pozorovatele 2) rovník – absolutně určen 3) ekliptika – průsečnice, v níž rovina dráhy Země kolem 2) Slunce protíná nebeskou sféru (jarní a podimní bod) - souřadnice na nebeské sféře – v principu obdoby klasických 3) souřadnic: a) obzorníkové [A, h] – závisí na čase a místu pozorování - almukantarant – pomyslná azimutální kružnice na nebeské sféře rovnoběžná s obzorem b) rovníkové I. druhu [α, δ] – závislé na čase, protože se hodinový úhel měří od místního poledníku, který rotuje - rektascenze – úhel, o který se pootočí hvězdná obloha za 1 hodinu c) rovníkové II. druhu [t, δ] – nezávislé na čase, protože se rektascenze měří od jarního bodu, který je dán absolutně d) ekliptikální [λ, β] – ekliptikální délka se měří od jarního bodu po ekliptice a ekliptikální šířka se měří od ekliptiky a) b) c) d) β h δ δ A α α λ d) družicově – z oběžné dráhy převody souřadnic – při znalostech potřebných veličin (φ, λ, čas) je možné pomocí sférické trigonometrie převádět souřadnice mezi sebou navigace – technika určování polohy a směru: a) námořní – pro lodě b) letecká – pro letadla c) pozemní – pro vozidla d) kosmická – pro rakety (?) metody navigace – v závislosti na cíli pozorování a technologiích: a) podle přírody – základní a poměrně staré způsoby podle přírodních jevů b) terestrická – podle pevných objektů na Zemi c) astronomická – podle nebeských těles pomůcky navigace – vytvářeny hlavně pro námořní navigaci 1) kompas – magnetismus znám v Číně okolo 1 000 BC - Thales popsal v 6. století BC - kompas do Evropy z Číny přes arabský svět – běžné používání 1) [ '96 ] KGI 2022/2023 [ PNAS ] Bc. – 3. ročník – ZS od 12. století - základním konceptem je magnetická deklinace 2) měření rychlosti – vítr, proudy - plovoucí „dřevo“ podél lodi 3) - měření v uzlech 3) kamal – až do konce 19. století - původně pro orientaci v poušti - používal např. Vasco de Gama 4) 4) Jakubova hůl – k určení zeměpisné šířky φ - do námořní navigace zavedl Martin Behaim 5) astrolab – měření na úhlové stupnici - známé již v antice, ale ne pro navigaci - vhodné pro noční měření 5) 6) 6) kvadrant/sextant/oktant – filtry, nepřímé pozorování, vlastní horizont 7) hvězdy – podle toho na jaké polokouli se pluje severní jižní polokoule polokoule měření času – vše na něm závisí a proto je nutné ho přesně měřit, nejčastěji pravidelnými opakujícími se jevy - od pradávna se pro měření času používalo Slunce nebo Měsíc, ale pouze z pevných stanovišť - Hipparchos už v antice zkoumal zatmění Slunce - Johanes Werner (1514) – využíval tzv. lunární vzdálenosti - Galileo Galilei (7. ledna 1610) – poprvé pozoroval tři (po několika dnech čtyři) měsíce Jupitera a - zjistil, že se po určité době nacházejí na stejné pozici: 1) Io – po 43 hodinách 2) Europa – po 86 hodinách 3) Ganymed – po 172 hodinách 4) Callisto – po 399 hodinách - do roku 1612 určoval oběžné doby satelitů Jupitera a navrhl využít jejich pravidelné oběhy jako metodu měření času pro určování zeměpisné délky λ - o zdokonalení metody usiloval do konce života - metoda se používala cca 200 let a přispěla k vytvoření přesných map [ '97 ] KGI 2022/2023 [ PNAS ] Bc. – 3. ročník – ZS - použitelná byla ale pouze na pevnině, při plavbě ji nebylo možné vůbec využít - přenosné hodiny – nutné pro určování zeměpisné délky λ na lodi a) přesýpací hodiny – používané již za Kolumba, ale velmi nepřesné b) kyvadlové hodiny – na pevnině mnohem přesnější, zcela nevhodné pro loď (vliv pohybů lodě, vliv teploty, vliv zeměpisné šířky φ) c) pružinové hodiny – nezávislé na kymácení lodi, vliv teploty, tlaku, vlhkosti, nutné zastavit při natahování - v roce 1707 zahynulo 2 000 lidí, když se potopily čtyři britské lodi u ostrovů Scilly v důsledku chybně určené zeměpisné délky λ - 16. června 1714 britský parlament vypsal odměnu deset tisíc liber tomu, kdo nalezne metodu určení zeměpisné délky s přesností 1°, patnáct tisíc liber tomu, kdo dosáhne přesnosti 2/3° a dvacet tisíc liber tomu, kdo dosáhne přesnosti 1/2°; byla ustanovena komise pro posuzování návrhů - John Harrison (1693–1776) – původně vyučený truhlář z Yorkshire proslavený svými námořními chronometry 1) H1 (1735) – první velký námořní chronometr - váha 35 kg, rozměry 1,2 × 1,2 × 1,2 m - otestovány při plavbě do Lisabonu a zpět s výborným výsledkem, ale Harrison se rozhodl pro zlepšení 2) H2 (1739) – jeho druhé hodiny - hmotnost 40 kg, rozměry cca 1,5 × 0,6 m - hodiny opět obstály v testování, Harrison se ale opět nepřihlásil o odměnu a rozhodl se hodiny vylepšit (nicméně tak jako tak obdržel 500 liber) 3) H3 (1757) – ani nejsou testovány a Harrison ihned zahajuje práci na H4 - hmotnost 28 kg, rozměry 60 × 30 cm 4) H4 (1759) – jeho čtvrté hodiny - hmotnost 1,4 kg, průměr cca 13 cm - 1762 hodiny testovány cestou na Jamaiku a zpět; obstály proti astronomickým metodám, ale komise změnila podmínky - plavba na Barbados za pět měsíců se zpožděním 54 s, při zpáteční cestě 15 s - James Cook úspěšně testuje kopii H4 při plavbě v Pacifiku - snaha členů komise (Maskelyne) získat cenu a různá příkoří ze strany komise donutilo Harrisona obrátit se na krále; na králův pokyn později vyplácí parlament zbytek odměny v roce 1773, kdy je Harrisonovi 80 let 1 sekunda – definována 1/86 400 středního dne, resp. podle SI jako doba trvání 9 192 631 770 period záření základního stavu atomu cesia druhy času – je jich mnoho druhů, např. : a) podle měřené veličiny: (a) siderický čas – vychází z rotace Země kolem své osy - 24 h solárního času ~ 23 h 54 min 4,905 s siderického času (b) solární čas – určovaný otáčením Země vzhledem ke Slunci (konkrétně hodinovým úhlem Slunce) - pohyb po ekliptice (ne po rovníku) - Keplerovský pohyb Země při oběhu, tj. po elipse (c) univerzální čas – asi nějak obecně platný (?) (d) atomový čas – od roku 1958 1) IAT (International Atomic Time) – mezinárodní atomový čas - 50 laboratoří, 282 hodin - relativní přesnost 10–14 (ztráta 1 s za 3 miliony let) - astrometrie, kosmická geodézie, GPS, apod. 2) UTC (Universal Time Coordinated) – plní funkci občanského času (časové signály) [ '98 ] KGI 2022/2023 [ PNAS ] Bc. – 3. ročník – ZS - nutné svázat s UT1 i s IAT - rozdíl UT1 – UTC nelze předpovědět protože UTC se mění skokem b) podle místa platnosti: (a) místní – závisí na λ (b) světový – pro λ = 0 (c) pásmový – pro Δλ = 15° střední sluneční čas – dán hodinovým úhlem Země vůči Slunci a je měřen na sluneční dny a jejich části určování polohy astronomickou metodou – v daný čas znám polohu hvězd, zaměřím na danou hvězdu a z toho dopočtu polohu svého stanoviště - hledáme φ, λ, A; známe α, δ, t; měříme svislé úhly (z), vodorovné úhly (ω), čas (T); umíme převádět katalogy hvězd – vznikají z potřeby jednoznačné znalosti polohy hvězd na obloze a) absolutní katalogy – vznikaly klasickým astrometrickým měřením pomocí absolutní určování polohy hvězd - stovky hvězd, přesnost cca 0,05” - svůj měl Tycho de Brahe, později v 18. století Edmond Halley, atd. (?) b) soupisy hvězd – fotografické metody od 19. století - později fotoelektrické metody, CCD desky, relativní určování polohy, stovky tisíc hvězd - přesnost cca 1” c) katalog Hipparchos – pořízen družicí Hipparchos (1989–1993) od ESA - fotoelektricky bez vlivu atmosféry a gravitace - rotaci družice odpovídala celá nebeská sféra - každá hvězda měřena 60–150 krát; celkem 1 milion objektů - přesnost 0,025” d) ročenky – pro tělesa sluneční soustavy přístroje pro měření polohy hvězd: 1) (astronomický) teodolit – osvětlení, zalomený okulár, sluneční filtry, Roelofsův nástavec, atd. 2) pasážník – astronomický dalekohled, který se pohybuje výhradně v rovině místního poledníku 3) cirkumzenitál – astrolábový přístroj určený ke zjišťování geografické polohy z okamžiků, kdy fundamentální hvězdy dosáhnou určité výšky nad horizontem 4. hodina (cvičení) – odpadlo 5. hodina (přednáška) odpovídač – obsahuje ho např. letadlo, které jím aktivně odpovídá radaru DPZ malé výšky (cca stovky km), GNSS vysoké (tisíce až nižší desetitisíce km) IOV (In Orbit Navigation) – slouží asi nějak k úpravě pozice družice FOC (Full Operation Capacity) – plně naplněná oběžná dráha satelity nějakého systému (?) technické sídlo pro Galileo je v Německu a Itálii telefony mají dnes anténu zabudovanou v krytu všesměrová Česká radiologická spolčenost (ČRS) stanovuje povolené a nepovolené frekvence pro anténa signál Navigační systémy první použitelný radar sestrojen v roce 1935 směrová anténa radiomajáky – jakýsi „předchůdce“ družic, alespoň co se účelu týče - stálá poloha, vysílání signálu - příjem signálů ze dvou majáků ⇒ rozdíl časů ⇒ rozdíl vzdáleností ⇒ hyperboly [ '99 ] KGI 2022/2023 [ PNAS ] Bc. – 3. ročník – ZS - např. systém LORAN (LOng Range Aid to Navigation) historické satelitní navigační systémy – nejvyšší rozvoj v době studené války a) USA 1) Transit – 1960s - 5 družic, tři pozorovací stanice v USA - oběžná dráha ve výšce 1075 km; oběžná ddoba družic 107 minut - kdekoli na Zemi viditelná alespoň jedna družice hyperboly u radaru každých 35–100 minut (z důvodů interference signálů ze dvou družic) - signál družice obsahoval informace o oběžné dráze a pozice družice (oprava efemerid každých 12 hodin) (?) - výpočet polohy řádově v metrech - poloha pouze dvourozměrně, špatná dostupnost signálu 2) Timation – 1970s b) SSSR 1) Cyklon – koncem 1960s jako reakce na americký Transit 2) Parus – 1970s; vojenský šestidružicový 3) Tsikada – 1970s; civilní čtyřdružicový současné satelitní navigační systémy (přehled těch významnějších): 1) Navstar GPS – spravován americkou armádou 2) GLONASS – od 18. 5. 2007 využitelný i pro civilní sektor - projektován pro 24 družic - 19 100 km na třech drahách - 3 segmenty – kosmický, řídící a uživatelský - nově použito také CDMA pro odlišení družic, což usnadňuje interoperabilitu mezi systémy - nyní 27 družic (nejnovější GLONASS M 29. 5. 2016) 3) Galileo – projekt zahájen 19. 7. 1999 agenturou ESA (European Space Agency) - projektován pro 30 (27+3) družic - výška oběžné dráhy 23 222 km ve třech rovinách - administrativní sídlo GSA (dnes EUSPA) v Praze - ze začátku mohli najednou maximálně 2 družice kvůli nekvalitním ruským raketám, později přešli na francouzské Ariane-5 s nosností 4 družic - GIOVE (Galileo In Orbit Validation Element) – dvě družice 21. 10. 2011, další dvě 12. 10. 2012 (?) - FOC dosáhlo prakticky až v roce 2017 - komplikovaný vývoj, jelikož projekt měl být částečně financován soukromým sektorem, což trochu selhalo, ale vše bylo nakonec dokončeno - druhy služeb: (1) Open Service (OS) – zdarma a pro veřejnost (2) High Accuracy Service (HAS) – dále zpřesňuje OS a umožňuje enkrypci signálů (3) Public Regulated Service (PRS) – pouze pro vládní autorizované uživatele (4) Search and Rescue Service (SAR) – pro potřeby řešení krizových situací a součástí celosvětového systému COSPAS-SARSAT 4) BeiDou – čínský navigační systém 6. hodina (cvičení) – odpadlo 7. hodina (přednáška) [ '100 ] KGI 2022/2023 [ PNAS ] Bc. – 3. ročník – ZS konstelace radiových vysílačů má vliv na polohu u malých zařízení jako je mobil musí být dobrá viditelnost efemerida – velmi přesně určená obježná dráha (nejen) družice na X, Y, Z musíme být viděni minimálně 4 družicemi najednou (1 je kvůli časové odchylce) dnešní atomové hodiny jsou spíše hydrogen maserové, kdysi byli takřka výlučně cesiové elevační maska – omezuje signál z nízkoletících družic ve smyslu těch, které jsou pod určitou deklinaci; defaultně se dává pod 15° ve výšce jsou větší odchylky než v poloze X, Y na vyšší přesnost se dostaneme využitím postprocesního zpracování podle efemerid družic a výpočetního programu; tzv. statická metoda κ-index – měří aktivitu Slunce (?) musí být eliminovány jakékoliv interference zdravotní stav družic je kódován a tento kód je součástí jimi vysílaného signálu Princip určení polohy přímé měření – latě, pásma apod. ze známých bodů (?) - velice obtížné hlavně v členitém terénu a časově náročné nepřímé měření – polohu určujeme na základě vyhodnocení, měření jiných veličin, než jsou přímo souřadnice, oměrky atp. - používané metody nepřímého měření: a) úhloměrná – z místa, jehož polohu chceme určit, změříme azimuty k alespoň dvěma známým bodům, které lze lokalizovat na mapě - těmito body pak na mapě proložíme přímky, jejichž úhly měřené od severu odpovídají naměřeným azimutům - každá z těchto přímek reprezentuje všechny body, z nichž je daný orientační bod vidět pod naměřeným azimutem - hledaný bod se pak nachází v průsečíku těchto přímek - nevýhoda je, že s rostoucí vzdáleností od orientačního bodu (nebo vysílače) roste chyba určení polohy b) dálkoměrná – poloha neznámého bodu se určuje základě měření radiových signálů vysílaných vysílači o známé poloze - hojně se využívá při určování polohy pomocí radiových signálů - na základě vyhodnocení signálu z daného vysílače, přijímač určí svoji vzdálenost od tohoto vysílače - všechny body, v nichž se může přijímač nacházet, leží v případě dvourozměrného prostoru, na kružnici se středem v místě vysílače a poloměrem daným určenou vzdáleností - pokud určíme vzdálenost bodu k alespoň dvěma vysílačům, určíme hledanou polohu bodu jako průsečík dvou kružnic - dvě kružnice se obecně protínají ve dvou bodech, takže zde vzniká jistá míra nejednoznačnosti (neurčitosti) určení polohy bodu - v případě, že navigační systém není schopen zajistit dostatečně přesnou synchronizaci času všech svých součástí (především přijímačů), je nezbytné použít [ '101 ] KGI 2022/2023 [ PNAS ] Bc. – 3. ročník – ZS alternativní metodu určování polohy, vycházející z měření časových rozdílů mezi příchodem navigačního signálu z dvou různých vysílačů c) kombinace – určování polohy bodů pomocí kombinace dálkoměrných a úhloměrných měření je rovněž často užívaná metoda - typickým představitelem je zde určování polohy s využitím radaru nebo totální stanice - vlastní měření může být uspořádáno dvěma způsoby: 1) z bodu o známých souřadnicích provedeme odměření azimutu a vzdálenosti 2) k neznámému bodu z bodu o neznámé poloze provedeme zaměření azimutu a vzdálenosti ke známému bodu rádiový přenos – posloupnost vln o konstantní frekvenci a amplitudě - nosná frekvence (carrier) – není nijak modulována a slouží k dalším modifikacím a) - metody modulace radiového přenosu: a) amplitudová modulace (AM) – časová změna amplitudy; přenos rozhlasu na dlouhých, středních a krátkých vlnách a přenos TV obrazu b) frekvenční modulace (FM) – časová změna frekvence; b) přenos rozhlasu na VKV, zvuk na TV c) impulsní modulace (PM) – vysílání přerušovaných pulsů nosné vlny; navigace, radar, Loran-C - odraz rádiového signálu – stejný princip jako u viditelného záření c) - se zvyšující se frekvencí se snižuje prostupnost signálu a odrazy jsou častější - odrazy a slábnutí signálu u kratších vlnových délek lze řešit pomocí směrových antén - odrazné plochy pro mikrovlny jsou např. dešťové kapky, oblaka, inverzní vrstvy v atmosféře ⇒ zhoršení propustnosti signálu u kratších λ, resp. větší f - liší se vzhledem a orientací podle přijímané frekvence - největší zisk je tehdy, pokud je vzdálenost anténa – povrch = 1/2 λ - z toho důvodu jsou antény pro příjem dlouhých λ velké, a proto mají malý zisk (nemožnost dosáhnout uvedených podmínek) - antény pro krátké λ mají malé rozměry (mobil, GPS) - problém radiové navigace na Zemi – plynou z vlastností λ - dlouhé λ – šíření signálu na velké vzdálenosti a nekvalitní signál, potřeba rozměrných antén - krátké λ – malé rozměry antén, kvalitní signál, mnoho informace x nutnost přímé viditelnosti (tj. musí být viděny z každého místa na Zemi) navigační družice – družicový radiový dálkoměrný systém - poloha objektu se určuje ze vzdáleností od bodů se známou polohou - pro přenos signálu využívá radiových vln - vysílač – zpráva z něj obsahuje časové značky - přijímač – porovnává časové značky a zjišťuje zpoždění signálu - časové značky samy o sobě ale nestačí a musí být známy přesné parametry dráhy družice, což víme z efemerid - princip měření družicemi – v podstatě měření posunu PRN o dobu letu mezi družicí a přijímačem: 1) přijímač generuje kopii signálu vysílaného zvolenou družicí (důležitý je počet kanálů přijímače; má-li přijímač 12 paralelních kanálů probíhá proces generování pro každou dostupnou družici samostatně) [ '102 ] KGI 2022/2023 [ PNAS ] Bc. – 3. ročník – ZS 2) přijímač kopii synchronizuje s přijímaným signálem a změří časový posun počátku této kopie vzhledem k počátku své časové základny 3) měřený čas přepočítá na tzv. pseudovzdálenost (tj. nepřesná) 4) provede-li přijímač měření ke 4 družicím, má k dispozici všechny veličiny potřebné pro řešení soustavy rovnic, jejichž neznámými jsou jeho souřadnice X, Y, Z a posun jeho časové základny vzhledem k časové základně družicového systému metody odlišení radiových signálů – aby bylo zřejmé, od které měření PRN družice přijímáme signál: a) 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 Numbers) - přijímač pak na základě znalosti tohoto kódu snadno zesílí hledaný signál a odfiltruje jako šum ostatní b) FDMA (Frequency Division Multiple Access) – každá družice vysílá stejné kódy, ale 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 (třeba v minulosti GLONASS) c) 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 Navstar GPS vývoj zahájen v roce 1973 3 segmenty – kosmický, řídící a uživatelský původně 24 družic, dnes až 31 výška oběžné dráhy 20 200 km, doba oběhu 12 h, sklon drah 55° k rovině rovníku obsahují atomové hodiny pro jejich velkou „lokální přesnost“ (tj. neřeším odchylky za velmi dlouhé obdobý, jelikož řešíme primárně rozdíly v čase třeba až na ns) dostupné frekvence: 1) L1 –1575,42 MHz; C/A, P(Y), M kód 2) L2 – 1227,62 MHz; P(Y), M, C kód 3) L3 – 1381,05 MHz 4) L4 – 1841,40 MHz; pro korekce v poloze 5) L5 – 1176,45 MHz; safety-of-life frekvence potřeba viditelnost minimálně od 4 družic zároveň velitelství má na starost letecká základna Los Angeles řídící středisko (MCS) – letecká základna Colorado Springs - monitoring orbit, zdravotní stav družic, sledování GPS času, určování efemerid, update navigačních zpráv, provádění malých manévrů družic povelové a monitorovací stanice v rámci NGA (National Geospatial-Intelligence Agency) přijímače pro GPS – první v 80. letech (cena více než 100 000 $) - 1992 první přijímač s cenou pod 1 000 $ - 1997 příjmače pod 100 $ - dnes tak 40 $ (?) odlišují se civilní a autorizovaní uživatelé 5 základních stavebních kamenů a jejich řešení: 1) přesné měření vzdáleností od družic – vzdálenosti přijímače od družice se vypočítávají podle doby, kterou urazí radiový signál vyslaný družicí do přijímače [ '103 ] KGI 2022/2023 [ PNAS ] Bc. – 3. ročník – ZS - radiový signál se pohybuje rychlostí světa ⇒ d = c * t - čas se měří s přesností na nanosekundy - nutno měřit velice přesně ⇒ několik atomových hodin - princip popsán výše 2) dokonalá časová synchronizace – k přesnému měření času je nezbytné, aby družice i přijímač generovaly stejný pseudonáhodný kódovaný signál v naprosto stejném okamžiku - každá družice má 4 atomové hodiny - jedině ty zaručují požadovanou přesnost měření, tedy řádově na nanosekundy - pro představu při chybě 1 μs sekundy je chyba v pseudovzdálenosti 300 m - nedokonalost hodin v přijímači lze eliminovat využitím čtvrtého měření pseudovzdálenosti 3) určení přesné polohy družice – polohy družic a jejich dráhy jsou předpověditelné - přestože všechny družice byly vyneseny a velice přesně umístěny na své oběžné dráhy, dochází k jejich občasným neplánovaným přesunům (erupce na Slunci, gravitace dalších objektů, střet s kosmickým odpadem atd.) - každá družice vysílá data o své výšce, poloze a rychlosti v tzv. navigační zprávě - detailní polohy družic počítá, monitoruje a poskytuje Ministerstvo obrany USA - chyby, které vznikají v důsledku odchýlení družice od jejich plánované dráhy, se označují jako tzv. chyby efemerid - protože jsou tyto chyby Ministerstvem obrany USA monitorovány, počítány a odesílány na družice, jsou informace o těchto chybách vysílány družicemi společně s kódovaným signálem 4) rozmístění družic – každá z družic představuje referenční bod při určování polohy libovolného místa na Zemi - rozmístění družic nad Zemí splňuje požadavek, aby k měření byl k dispozici dostatek družic - měření je založeno na triangulaci, kdy pozice GPS přijímače na Zemi je jedním z vrcholu trojúhelníku - dráhy družic jsou vypočteny tak, aby v daném okamžiku byl v kterémkoliv místě na Zemi viditelný nad obzorem dostatečný počet družic nezbytný k přesnému zaměření 5) ionosférická refrakce signálu – do 500 km nad povrchem se signál šíří téměř vakuem, nicméně 500–50 km nad povrchem se nachází ionosféra - ta obsahuje volné elektrony a ionty - její aktuální stav ionosféry ovlivňuje – aktuální a cyklická aktivita slunce, globální meteorologické vlivy, roční období, fáze dne - přijímač obsahuje základní model, který veškeré změny zohledňuje - navigační zpráva obsahuje vstupní parametry - lze eliminovat analýzou různých kmitočtů (L4) 8. hodina (cvičení) – odpadlo 9. hodina (přednáška) P-kód se nedělí a nenásobí (?) GNSS meterologie – meterologie pomocí změn v přijímání GNSS systémů (?) čím větší potřeba robustnosti, tím delší λ DOP se odhaduje (?) Signály vysílané družicemi signál vyslaný družicí je kombinací: a) nosné vlny – u GPS to je třeba: 1) L1 – 1575,42 MHz, λ = 19,05 cm [ '104 ] KGI 2022/2023 [ PNAS ] Bc. – 3. ročník – ZS - signály standardní polohové služby (Standard Positioning Service, SPS) – signály modulující první nosnou frekvenci L1 - L1C (1575.42 MHz) – nižší ionosférické chyby v pásmu L1 - vyšší výkon ⇒ celkově vyšší robustnost ⇒ lepší měření v obtížných podmínkách 2) L2 – 1227,60 MHz, λ = 24,45 cm - modulována P-kódem, resp. Y-kódem a L2C kódem (?) - L2C (1227 MHz) – pro komerční využití - vyšší výkon zejména v kombinaci s L1 C/A - používána pro přesnou polohovou službu (Precise Positioning Service, PPS) a umožňuje měřit zpoždění signálů při průchodu ionosférou 3) L5 – 1176.45 MHz, λ = 25,48 cm - modulován F-kódem b) dálkoměrného kódu – modulují nosné vlny, tzv. pseudonáhodné šumy (Pseudo Random Noise, PRN) 1) P-kód – velmi přesný - celková délka je přibližně 266 dnů resp. 38,058 týdnů - rozdělen na sedmidenní sekvence a každé družici je přiřazena jedna z nich - teoreticky tento kód umožňuje existenci až 38 současně vysílajících družic - vysílán frekvencí 10,23 MHz a opakuje se každých sedm dní - moduluje obě L1 i L2 - rovnice pro dekódování P-kódu jsou všeobecně známé a nejsou tajné - umožňuje měřit zdánlivou vzdálenost mezi přijímačem a družice s vyšší přesností, a to ze dvou důvodů díky použití rychlejšího a delšího kódu a díky možnosti měřit na obou nosných frekvencích L1 a L2, což umožňuje podstatně omezit vliv ionosférické refrakce 2) Y-kód – šifrovaný P-kód pro vojenské účely - rovnice pro dekódování Y -kódu jsou tajné, znají je pouze autorizovaní uživatelé 3) C/A kód – u L1 dostupný vždy a nešifrovaný ⇒ užíván většinou civilních přijímač - jedná se o pseudonáhodnou posloupnost 1023 nul a jedniček, která je svým charakterem blízká šumu, ale je jednoznačně definovaná - každá družice má přidělenu přesně svoji vlastní posloupnost nul a jedniček ⇒ pomocí C/A je každá z nich jednoznačně rozpoznatelná - má frekvenci 1,023 MHz, což vzhledem k jeho délce znamená, že se celá sekvence nul a jedniček opakuje každou milisekundu - rovnice pro dekódování C/A kódu jsou známé a nejsou tajné, takže tento kód je běžně přístupný pro civilní aplikace - moduluje pouze L1 4) F-kód – moduluje L5 (?) c) navigační zprávy – binární kód, který je kódován pomocí fázových posunů nosných vln, platný za normálních okolností 4 hodiny - obsahuje: 1) časové značky, obsahující počátky podrámců 2) přesné efemeridy 3) almanach, obsahující méně přesné parametry oběžných drah všech družic umístěných v kosmickém segmentu a údaje o stavu těchto družic 4) korekce atomových hodin 5) koeficienty ionosférického modelu - skládá se z: 1) první slovo (TLM) – neměnný číselný kód 2) druhé slovo (HOW) – časová značka odvysílání následujícího podrámce 3) zbývajících 8 slov – vlastní navigační zpráva [ '105 ] KGI 2022/2023 [ PNAS ] Bc. – 3. ročník – ZS - lze z ní spočítat přesnou polohy družice, přesný čas odeslání přijaté sekvence PRN a přibližné korekce pro ionosférickou refrakci doprovodná schémata všechny složky signálu jsou odvozovány násobením a dělením základní frekvence 10,23 MHz (?) provozovatel GPS, má možnost kdykoliv snížit přesnost tohoto systému tzv. selektivní dostupností (Selective Availability, SA), což u C/A kódu může být až o 100 m, nicméně chybu lze odstranit kódování signálu je tak složité, že bez klíče připomíná náhodný šum Omezení navigačních systémů stav družic – v případě potřeby může být družice označena jako nezdravá - pokud je družice takto označena, pak ji přijímač nepoužívá k žádným výpočtům - ihned po vypuštění družice na oběžnou dráhu až do doby, než je družice umístěna na svou oběžnou dráhu a dostatečně otestována - periodické údržby - speciální testovací období - náprava abnormálního chování výpočet efemerid – PPS (Pulse-Per-Second) max. 6 m chyba, IIF do 3 m (?) poměr signál/šum vícecestné šíření – k odrazu může dojít poměrně snadno např. na kovových střechách, vodní hladině atd. - velikost této chyby závisí na schopnosti antény eliminovat tuto chybu - vliv této chyby je největší u družic, které letí nízko nad obzorem počet viditelných družic geometrické uspořádání družic – důležitý faktor pro výslednou přesnost - ideální rozmístění: 1 družice v nadhlavníku a další 20° nad obzorem a 120° od sebe - DOP (Dilution Of Precision) – popisuje chybu v důsledku chybné geometrie (?) a) HDOP (Horizontal DOP) – horizontální chyba b) VDOP (Vertical DOP) – vertikální chyba c) PDOP (Position DOP) – chyba ve smyslu 3D polohy; HDOP+VDOP (?) d) TDOP (Time DOP) – chyba v souvislosti s časem e) GDOP (Geometric DOP) – zaměnitelné jen s DOP (?) selective availability (SA) – ukončena k 2. 5. 2000 skyplot typ přijímače pečlivost přípravy plánu měření – třeba brát v potaz výšku překážek nad horizontem přesnost hodin na družicích chyba hodin přijímače [ '106 ] KGI 2022/2023 [ PNAS ] Bc. – 3. ročník – ZS vliv ionosféry a troposféry – inference troposféry je zanedbatelná 10. hodina (cvičení) – odpadlo 11. hodina (přednáška) historický Greenwich (určen astronomicky) ≠ GPS Greenwich (určen družicově) severní magnetický pól se pohybuje a proto máme magnetickou deklinaci (?) GPS na mobilu měří nad elipsoidem, ale ukazuje nad mořem solární čas nejsprávnější (?) Referenční systém GPS systém pracuje se standardním referenčním systémem CIRS (Conventional Inertial Reference System) – kosmický segment, pro družice CTRS (Conventional Terrestrial Reference System) – pozemní segment, pro povrch pozemní a uživatelský segment využívá WGS-84 ECEF XYZ (Earth Centered, Earth Fixed XYZ) - založen na měřeních k více než 1000 stanicím systému TRANSIT WGS-84 – zploštělý elipsoid, od roku 1987 - ITRF (International Terrestrial Reference Frame) – slouží k aktualizaci WGS-84 (?), znikají z něj ITRS (ITR System) - systém se neustále zpřesňuje – WGS84(G730), ITRF92 → WGS84(G873), ITRF94 → WGS84(G1150), ITRF2000 → WGS84 (G1674), ITRF2008 → WGS84 (G1762), ITRF2008 - aktuální je ITRF 2014 ETRS-89 – založen na ITRF89 - GRS80 elipsoid - 250 permanentních GNSS stanic tvoří EUREF Permanent Network (EPN) - regionální datum – NAD83 (USA), ED50 (EU) výška nad elipsoidem h (HAE) ≠ výška nad geoidem H (MSL) výška geoidu nad elipsoidem v ČR 45 m čas GPS – řídí se hlavními kontrolními hodinami - nemá zabudovaný mechanizmus přestupných sekund - rozdíl mezi GPS a UTC v podobě počtu přestupných sekund je uveden v navigační zprávě - GPST – UTC = + 15 s (2010) - týdny (GPS Week Number) – od času 24:00:00 5. ledna 1980 a 00:00:00 6. ledna 1980 desetibitový počítač (0 – 1023), v roce 1999 došlo k přetečení 12. hodina (cvičení) – odpadlo 13. hodina (přednáška) Metody určování polohy GNSS systémy budované jako pasivní dálkoměrné systémy jsou obvykle navrženy k jednomu principiálně jednoduchému způsobu výpočtu polohy, přesto je však možno ve speciálních aplikacích uplatnit různé přístupy: a) kódové měření – měření jsou jednoduchá, spolehlivá a nejčastěji používaná - základní princip – určování vzdáleností mezi přijímačem a družicemi za využití dálkoměrných kódů vysýlaných jednotlivými družicemi [ '107 ] KGI 2022/2023 [ PNAS ] Bc. – 3. ročník – ZS - dálkoměrné kódy – přesné časové značky, umožňující přijímači určit čas, kdy byla odvysílána kterákoliv část signálu vysílaného družicí - na základě časových značek a známé pozice vysílačů (družic) je možno spočítat polohu a čas v místě přijímače - přijímač ve vstupním signálu, přicházejícím z antény, identifikuje dálkoměrný kód příslušné družice, a zjistí čas odeslání a přijetí jedné sekvence kódu, přičemž ze zjištěného časového rozdílu di = ∆ti· c - hodiny přijímače nejsou zcela synchronní se systémovým časem družicového navigačního systému ⇒ časový rozdíl ∆ti je zatížen určitou chybou hodin přijímače ⇒ při výpočtu vzdálenosti di neurčíme skutečnou vzdálenost přijímače od družice, ale jen zdánlivou vzdálenost - PRN generuje satelit i snímač (schoda kódů již od poloviny délky znaku) - maximální přesnost 1–2 %, rozdíl v určení vzdálenosti 3–6 m - po přijetí rádiového signálu jsou v přijímači dekódovány: 1) časové značky při odeslání signálu každé družice (t) 2) polohy každé družice v prostoru, efemeridy (x, y, z) - hledáme-li pozici uživatele v prostoru, musíme ji popsat třemi souřadnicemi např. v kartézském systému 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 musíme sestavit 4 rovnice 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 b) fázové měření – zpracovávají vlastní nosné vlny (carrier), ne dálkoměrné kódy - 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 - přijímač spočítá počet vlnových délek nosné vlny, nacházejících se mezi přijímačem a družicí - tento počet se skládá jednak z celočíselného násobku nosných vln (který se dost obtížně určuje) a jednak z desetinné části, kterou je přijímač naopak schopen určit relativně velmi přesně ⇒ fázová měření vykazují určitou nejednoznačnost rovnající se počtu celých vlnových délek nosné vlny, nacházejících se mezi přijímačem a družicí na počátku měření ⇒ celočíselná nejednoznačnost (CN) - pro určování CN byla vypracována celá řada postupů, umožňujících její stanovení buďto při následném zpracování, nebo i přímo v reálném čase - jakmile přijímač určí počáteční hodnotu CN, je schopen průběžně sledovat změny fázového posunu - přijímač udržuje hodnotu počáteční CN a k ní připočítává celý počet vlnových délek, o které se změnila vzdálenost mezi přijímačem a družící od počátku měření (tento počet může být kladný i záporný) a dále desetinnou část vlnové délky - pokud v důsledku oslabení signálu dojde k přerušení sledování nosné vlny, dojde k fázovému skoku a přijímač již není dále schopen počítat vlnové délky, o které se změnila vzdálenost mezi přijímačem a družicí ⇒ přijímač musí začít nový cyklus měření od určení aktuálního fázového posunu až po nové určení počáteční hodnoty CN na počátku nového měření - pomocí fázových měření můžeme určovat vzdálenost mezi družicemi a přijímačem s přesností až na milimetry - FLOAT Solution – přerušení fázového měření a dočasná změna na kódové, resp. jakýsi mezistupeň (?) [ '108 ] KGI 2022/2023 [ PNAS ] Bc. – 3. ročník – ZS - horší třeba v lese apod. kde se může přerušit snadněji spojení metody měření – určují, jakým způsobem určujeme polohu a) statická metoda (static) – využívá dlouhodobá měření (hodiny až dny) více referenčních přijímačů a postprocesní korekce b) rychlá statická (fast static) – pro měření (minuty) je třeba dvojice referenčních dvoufrekvenčních přijímačů, jeden o známých souřadnicích a vyhodnocení postprocesních korekcí; musí být na krátké intervaly (?) c) polokinematická (stop-and-go) – měření (sekundy) pracuje na principu jednoho referenčního a jednoho terénního přijímače, který vyhodnocuje fáze i během přesunu mezi měřenými stanovišti d) 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) e) RTK (Real Time Kinematic) – vše musí probíhat on-the-fly, jedná se o metodu kdy jsou jedním přijímačem v terénu zpracovávány diferenční korekce permanentních referenčních stanic získané z geostacionární družice, rádia nebo internetu a to: 1) plošné korekce 2) korekce blízké virtuální referenční stanice vypočtené ze síťového řešení 3) měřená data referenční stanice (výpočet korekcí proveden u příjemce) PPM (Parts Per Million) – standardizovaná jednotka chyby GNSS systémů, určuje kolik mm je odchylka na 1 km výšky od každé referenční stanice (?) 14. hodina (cvičení) – odpadlo 15. hodina (přednáška) + 16. hodina (cvičení) – odpadlo 17. hodina (přednáška) pro předání RTK měření do katastru třeaba několika vteřinová měření tak jako tak sítě referenčních stanic často na starších „vyzrálých“ budovách a na co nejvyšším místě s otevřenou oblohou, často komíny nebo nosné zdi observatoř Pecný má jako jediná atomové hodiny RTK (plný přístup) vs. FLOAT (nedokončené výpočty RTK) vs. autonomní režim (plně přerušené RTK) (?) RTCM – dominantní formát dat (?) RINEX – standard pro postprocessing statiky, tedy není pro RTK DGPS lze použít pro kódové i statické měření Metody zpřesňování polohy od počátku systému GPS uvažovali konstruktéři o možných metodách zpřesňování určování polohy postupy začaly vznikat po té, co byl systém uveden do provozu a začal být využíván především civilními uživateli, kteří neměli přístup k přesné polohové službě metody jsou založeny na: a) zvláštní organizaci a zpracování měření – princip průměrování b) využití dalšího technického vybavení – princip diferenční GPS tyto systémy jsou často označovány jako tzv. rozšiřující systém GPS průměrování – vyhodnocování měření přijímači GPS průměrováním bylo vyvinuto již před mnoha lety - výhodou je, že není závislý na diferenčních korekcích ⇒ můžeme měřit jen jediným přijímačem - nevýhodou je potřeba dlouhodobého měření na jednom bodě - na bodě, jehož polohu chceme určit, provedeme mnohahodinové měření s frekvencí vzorkování 1 sekunda a z naměřených dat spočítáme průměrnou hodnotu [ '109 ] KGI 2022/2023 [ PNAS ] Bc. – 3. ročník – ZS - praktické výsledky ukázaly, že po 8 hodinách měření již přesnost určení polohy nijak výrazně nestoupá diferenční GPS (DGPS) – založeno principiálně na relativním určování polohy - rover – mobilní zařízení, které přijímá korekce - base – statické zařízení, které provádí a vysílá korekce - vytváří nezbytné technické a metodické zázemí pro relativní určování polohy - umožňuje významné zvýšení přesnosti určování polohy v reálném čase - běžně se vyhodnocování diferenčních měření provádělo až dodatečně, proto nebylo možné tato měření použít např. pro potřeby navigace - zkušenosti prokázaly výhody, proto výrobci začali vybavovat své přijímače nezbytnými komunikačními kanály, umožňujícími přivádět do přijímače potřebné korekční údaje z referenční stanice - provádět toto zpracování v reálném čase (RTK) - po celém světě začaly organizovat služby, které provozují sítě referenčních stanic a zajišťují nepřetržité a veřejné vysílání korekčních údajů - služby vznikaly nejprve v oblasti lodní dopravy podél pobřeží a významných vnitrozemních vodních cest v USA, ale dnes se budují i jinde - i když jsou tyto služby určené primárně pro navigaci, lze je dosti dobře využít i pro potřeby mapování - dalším krokem v rozvoji je budování sítí referenčních stanic a nezbytných vysílačů ve vnitrozemí a i u nás se v uplynulých letech objevilo několik projektů vybudování sítě DGPS, hlavně díky iniciativy Katedry radioelektroniky ČVUT v Praze - toto pracoviště se problematice systému GPS věnuje již od 80. let, kdy pracovníci katedry vyvinuli první český přijímač GPS - v roce 1995 zde začal experimentální provoz referenční stanice DGPS - data byla dostupná jednak zpětně prostřednictvím internetu a byla vysílána v pásmu FM v rámci kanálu RDS vysílače Regina 92.6 MHz - pro jeho přijem je nezbytné zakoupit speciální přijímač a klíč v podobě čipové karty, který by umožňoval příjem diferenčních korekcí po sjednanou dobu a po vyčerpání kvóty by bylo nutné zakoupit novou čipovou kartu - druhou možností, která byla testována, bylo vysílání diferenčních korekcí dlouhovlnným vysílačem Poděbrady, nicméně i zde bylo nezbytné zakoupit speciální přijímač (služba dnes není v provozu) diferenční korekce – DGPS poskytuje uživatelům diferenční korekce pro opravu určování polohy - mohou být dvojího druhu: a) korekce polohy – referenční stanice počítá z přijímaných signálů polohu referenční stanice, porovnává ji se skutečnou polohou (získanou geodetickým měřením) a produkuje přímo korekce v podobě korekce geografických souřadnic nebo korekce kartézských souřadnic - jejichž přičtením k aktuální poloze získané mobilním přijímačem GPS získáme přesnější polohu tohoto přijímače - nevýhodouje, že korekce i poloha mobilního přijímače by měly býturčeny ve stejném okamžiku pomocí totožné sady družic GPS b) korekce zdánlivých vzdáleností – referenční stanice počítá korekce pro jednotlivé zdánlivé vzdálenosti - klade mnohem větší nároky na konstrukci referenční stanice a poskytuje daleko větší pružnost uživatelům - referenční stanice musí v takovémto případě vypočítat skutečnou vzdálenost k družici → z přijatých signálů vypočítá zdánlivou vzdálenost → určí nezbytnou [ '110 ] KGI 2022/2023 [ PNAS ] Bc. – 3. ročník – ZS korekci na odchylku hodin přijímače (nejobtížnější) → lze určit vlastní opravu na zdánlivou vzdálenos - korekce na odchylku hodin se provádí: (a) pomocí modelování chování hodin přijímače (b) připojením atomové hodin – výrazně stoupne cena referenční stanice, avšak zkvalitní se určování korekcí - korekční údaje se na referenční stanici aktualizují zpravidla každou sekundu - platnost korekčních údajů se udává do vzdálenosti maximálně prvních stovek kilometrů (kódová měření) a maximálně první desítky kilometrů (fázová měření) - přesnost korekcí s rostoucí vzdáleností od referenční stanice klesá. - frekvence aktualizace korekčních údajů je závislá na třech faktorech: 1) rychlost změn opravovaných chyb 2) požadovaná výsledná přesnost 3) kapacita přenosového kanálu - pro přenos korekčních údajů od referenčních stanic k uživatelům pro kódová měření je definován standard RTCM SC-104 , který dnes respektují všichni výrobcipřijímačů i všichni provozovatelé sítí DGPS - v případě fázových měření (RTK) je nezbytné přenášet na pohyblivé stanice přímo data naměřená referenční stanicí - kromě RTCM SC-104 se používá např i CMR2 referenční stanice (RS) – GPS přijímač umístěný na bodě s přesně známou polohou, jehož programové vybavení umožňuje sledovat všechny viditelné družice a počítat pro ně korekční údaje - korekce by měly být určeny na základě stejné sady družic se stejným DOP jako vzdálený přijímač (stejné chyby) - uživatelské přijímače musí mít k dispozici korekce pro všechny družice, jejichž signály mohou přijímat - přijímač RS proto musí být schopen přijímat signály všech viditelných družic (12 kanálový) - dříve přesné přijímače GPS, vybavených počítačem se speciálním programovým vybavením pro výpočet diferenčních korekcí v reálném čase - korekce publikovány buďto prostřednictvím vysílače nebo internetu - postupem času mnohem komplikovanější podoby, dnes špičkové referenční stanice jsou konstruovány jako redundantní, s externími (špičkově až atomovými) hodinami zpřesnění GNSS pomocí satelitních stanic: 1) WAAS (Wide Area Augmentation System) – USA 2) MSAS (Multi-functional Satellite Augmentation System) – Japonsko 3) GAGAN (Gps And Geo-Augmented Navigation system) – Indie 4) EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) – EU - 3 geostacionární družice - 34 pozemních vysílačů - 4 pozemní kontrolní centra sítě refernenčních stanic – poskytují diferenční korekce mobilním přijímačům: 1) SAPOS – Německo 2) APOS – Rakousko 3) CZEPOS – česká síť permanentních stanic pro určování polohy - budována 2004–2005 - od 1. 1. 2007 zpoplatněna CZEPOS - 26 stanic, cca 60 km od sebe - provozuje Zemský úřad, resp. ČÚZK na budovách Katastrálních úřadů - poskytuje informace v reálném čase i pro postprocessing [ '111 ] KGI 2022/2023 [ PNAS ] Bc. – 3. ročník – ZS - provoz od 2006, http://czepos.cuzak.cz 4) TRIMBLE VRS Now – síť je provozována firmou Trimble - Británie (115 stanic), Německo (170 stanic), Irsko (22 stanic) a Estonsko (21 stanic) a Česká republika (24 stanic) - složení systému – GNSS přijímač NetR5 + Anténa Zephyr Geodetic 2 + Software VRS3Net 5) TopNET – monitoring Ústavem struktury a mechaniky hornin AV ČR 6) VESOG (Výzkumná a Experimentální Síť pro Observace Gnss), UPOL je členem následné zpracování (postprocessing) – v počátcích budování sítě referenčních stanic není nezbytně nutné, aby tyto stanicevysílaly korekční údaje v reálném čase (pokud nejsou určené pro navigaci) - stačí, aby byla každá referenční stanice připojena k počítači připojenému k telefonu a vybavenému službou zvanou BBS (Bulletin Board System) případně k internetu - každý uživatel může snadno spojit s touto službou a přenést si korekční údaje pro časový úsek, kdy prováděl měření - pak stačí společně zpracovat data naměřená v terénu a data z referenční stanice a získat tak potřebné výsledky - statika (?) zpracování v reálném čase – pokud chceme získat přesné výsledky přímo v terénu - musíme být nějakým komunikačním kanálem přímo napojeni na referenční stanici - většinou používá k přenosu dat formát RTCM SC-104 - RTK (?) přenos diferenčních korekcí – metody: a) radiové vysílače – pro vlastní spojení je nezbytné mít dva digitální radiomodemy ⇒ vysílačky se zabudovanými modemy s přenosovou rychlostí obvykle 9600 Bd → jeden se připojí k referenční stanici a ta se nastaví do modu vysílání → druhý se připojí k mobilní stanici a ta se nastaví do modu příjem 1) KV – mají poměrně velký dosah, ale nevýhodou je potřeba velké antény 2) VKV a UKV – používají malé a lehké antény, ale nevýhodou je, že mezi přijímači musí být přímá viditelnost 3) VHF – nevýhodou omezený dosah (?) b) bezdrátové datové sítě – asi podobný princip jako c) (?) c) mobilní telefony – v současné době se sítě mobilních telefonů GSM stávají široce akceptovaným médiem pro přenos diferenčních korekcí - jejich výhodou je snadná dostupnost - akceptace ze strany výrobců přijímačů a doplňkového technického vybavení a velice dobré pokrytí území signálem - diskutabilní jsou provozní náklady - u klasického telefonu riziko problémů s připojením 18. hodina (cvičení) – odpadlo 19. hodina (přednáška) katederní IMU od společnosti Applanix APX20, cena cca 1 milión static calibration (zařízení je na místě) vs. dynamic calibration (provedení stanovených obrazců a automatická kalibrace) v letectví je jednotka rychlosti uzel IMU v telefonu užitečné třeba při detekci pádu člověka Inerciální navigace nutná pro případy, kdy jsme v obtížných terénních podmínkách [ '112 ] KGI 2022/2023 [ PNAS ] Bc. – 3. ročník – ZS velké využití v armádě, např. u ponorek, v letectví, rakety, pozemní jednotky atd. IMU (Inertial Measurement Unit) má dnes v kombinaci s GNSS čipy každý mobilní telefon gyrostabilizátor/setrvačník – po roztočení udržuje stálý směr - při použití 3 setrvačníků ve 3 směrech je možné sjišťovat libovolné sklony gyroskop/gyrokompas – volně zavěřený setrvačník - 20 000–50 000 otáček/minutu - vlivem působení zemské rotace se osa setrvačníku ustálí v rovině poledníku ⇒ výhodnější než kompas - chyba max 0,5° každé IMU vyžaduje nějaký čas na ústálení, který se v důsledku technologického vývoje postupně zkracuje vliv pohybu lokalizovaného objektu je podle: 1) rychlosti 2) směru 3) zeměpisné šířky gyroteodolit – kombinuje gyroskop a teodolit, hlavně pro čas ustálení geodetické aplikace důlního inženýrství a pro vojenské účely inklinometr – něco jako libela s elektrickým snímáním sklonu tachometr – měření rychlosti, ale pouze relativně k okolí - porovnáváme celkový a statický tlak vzduchu v okolí letadla - Pitotova trubice – měřicí přístroj, který umožňuje měřit rychlost proudění média jeho převedením na tlak akcelerometr – měření zrychlení - senzor, který používá setrvačnosti hmoty pro měření rozdílu mezi kinematickým zrychlením (vzhledem k určitému inerciálnímu prostoru) a gravitačnímu zrychlení INS (Inertial Navigation System) – obsahuje 3x akcelerometr a 3x IMU gyroskop, pro každou osu jeden a hodiny, což je v podstatě IMU - v principu znám souřadnice počáteční polohy a po provedení nějakého relativního posunu od ní dopočítám, kam jsem se dostal - Kalmanův filtr – slouží k odstranění drobného šumu v IMU PNS (Personal Navigation System) – kombinuje GNSS a INS - umožňuje kombinovat otevřený terén s měřením uzavřených prostor - kontroluje narůstající chyby - vhodné pro rychle letící letadla, jelikož „skoková“ GNSS měření je možné doplnit z IMU o přesnou dráhu 1) využití sítí GSM (Groupe Spécial Mobile) pro určování polohy: 1) CGI (Cell Global Identity) – identifikace vysílače a jednotlivých sektorů; jako výseč 2) CGI + TA (Timing Advance) – identifikace vysílače a jednotlivých sektorů a frekvencí, resp. času; jako pruh výseče - přesnost cca 550 m 2) 3) UL-TOA – „mobil“ musí vysílat princip jako GNSS (čas, rychlost, vzdálenost) - přesnost 50–150 m GBAS (Ground Based Augmentation System) – hlavní využití v civilním letectví, něco na způsob referenčních stanic (?) (?) 3) LAAS (Local Area Augmentation System) – vzniká v důsledku více poblíž zapojených GBAS, často na letišti (?) [ '113 ] KGI 2022/2023 [ PNAS ] Bc. – 3. ročník – ZS ILS (Instrument Landing System) – elektronický přístrojový přistávací systém u letadel metody odstraňování nevýhod GNSS: 1) pseudodružice – pozemní vysílače v problémových oblastech 2) nová generace přijímačů – větší citlivost, takže schopnost lepší detekce i pod zemí 3) kombinace s jinými metodami – např. INS, GSM, astronomické metoda atd. A-GPS – asistované určení polohy užitím sítí mobilního operátora - supluje navigační zprávu z družice - pomáhá určit polohu, pokud je špatné C/N - využívá mobilních dat nebo polohy okolních routerů (?) indoor navigation – když není přístup k GNSS, buď WPS (Wifi-based Positioning System), Bluetooth nebo RFID (Radio Frequency IDentification) 20. hodina (cvičení) – odpadlo 21. hodina (přednáška) + 22. hodina (cvičení) – měření v terénu 23. hodina (přednáška) + 24. hodina (cvičení) – odpadlo 25. hodina (přednáška) + 26. hodina (cvičení) – zápočtový týden dodatečné video Přijímače GNSS služeb podle množství přijímaných frekvencí: a) jednofrekvenční – dokáže přijímat pouze na jedné frekvenci, zpravidla L1 u GPS - můžou přijímat signál z více systémů (GPS, GLONASS atd.), ale od každého vždy po jedné frekvenci b) dvoufrekvenční – cenově dražší, nicméně velmi vhodné pro geodetické aplikace, u GPS zpravidla L1 a L2 c) vícefrekvenční – velmi profesionální přístroje, přijímající více frekvencí podle metody měření: a) pro kódová měření – téměř všechny přijímače v telefonech apod. b) pro fázová měření – výrazně přesnější, ale i dražší, velmi vhodné pro geodetické aplikace podle přijímaných kódů: a) C/A – základní varianta b) C/A+P-kód – pro vojenské aplikace podle schopnosti přijímat korekce: a) bez korekcí – dnes už takřka neexistují b) EGNOS nebo WAAS – dnes takový standard c) DGPS – profesionálnější pro geodetické aplikace podle množství přijímaných kanálů: a) jednokanálové – dokáže přijímat v daný moment signál pouze z jediné družice, dnes prakticky nejsou b) vícekanálové – přijímají naráz více signálů, typicky v rámci desítek podle množství zpracovatelných GNSS: a) pouze jeden – přijímá pouze jeden systém, např. GPS b) dva systémy – přijímá ze dvou, dnes nejčastěji GPS a b) GLONASS c) GNSS ready – přijímá z více systémů a) typy antény: a) patch – asi nejčastější, protože je v telefonech, „destička“ c) b) dome c) blade d) d) helix e) choke/ring e) f) phased array [ '114 ] f) KGI 2022/2023 [ PNAS ] Bc. – 3. ročník – ZS TTFF (Time To First Fix) – doba získání první polohy po zapnutí a) cold start – start kolem 2–4 minut - kdykoliv, je-li porušena nějaká podmínka warm startu - dále jsou-li vyjmuty baterie, přístroj je resetován, převoz na velkou vzdálenost, zastaralá data almanachu - v případě stahování celého almanachu až 12,5 minut b) warm start – start do 45 s - poloha do 100 km od poslední - HDOP < 6 - platný almanach, tj. efemeridy jsou platné c) hot start – start kolem 20 s - do 2 hodin od posledího výpočtu polohy - nutná znalost efemerid alespoň pro 5 družic přístroj potřebuje znát GPS čas, polohy družic a vypočtené pseudovzdálenosti nejhorší varianta je prohledávání oblohy „naslepo“, tj. sekvenčně (?) Standardy pro předávání dat použití GNSS přijímačů zaznalo značného rozšíření a dnes představují obrovský zdroj primárních dat problémem je, jak dostat naměřená data z daného přijímače do programu pro vyhodnocování měření, který byl zakoupen od jiného výrobce přijímače často používaly (i dnes používají) své vlastní, mnohdy nezdokumentované formáty řešením této situace je vytvoření standardů pro komunikaci s GNSS přijímači RTCM SC-104 (Radio Technical Commision for Maritime services) – vytvořený v roce 1983 Institutem pro navigaci USA, konkrétně radiotechnickou komisí pro námořní služby (SC-104) - pro účely přeedávání korekčních GNSS dat pro DGPS a RTK aplikace - základním stavebním blokem je zpráva, sestávající z různého počtu 30b slov - jde o kompaktní bitová data a jsou tedy vhodné pro RTK - každé slovo obsahuje jeden nebo několik parametrů s tím, že některé parametry mohou překračovat rozhraní mezi slovy - pro přenost dat se používá prvních 24 b, zbývajících 6 b je využito pro zabezpečení, umožňujícím detekovat a případně i opravovat chyby v datech vzniklé při jejich přenosu - použitá délka slova i použité algoritmy pro zabezpečení tzv. Hammingovým kódem jsou stejné jako u navigační zprávy - formát byl široce akceptován jak výrobci, tak uživateli, tj. provozovateli sítí referenčních stanic v Severní Americe, v Evropě atd. - každá zpráva obsahuje hlavičku (typ zprávy, čas, délka zprávy) a tělo zprávy (samotná data) - v současné době obsahuje 7 verzí – všechny funkční, ale psotupně se vylepšují: 1) RTCM v2.0 – podporuje pouze DGPS - počítá s dosažitelnou přesností určení polohy kolem 1 m - neobsahuje žádné informace fázových měření a proto je nepoužitelný pro RTK - datový tok 0,5 kb/s 2) RTCM v2.1 – obsahuje navíc informace o fázových měřeních, lze tedy použít RTK - omezení pouze pro GPS - datový tok 5 kb/s 3) RTCM v2.2 – zahrnuje systém GLONASS, ale není kompatibilní se staršími verzemi 4) RTCM v2.3 – přidává věty s informací o typu antény a referenčním bodě 5) RTCM v3.0 – navrhnut s novou strukturou a větami jako efektnivní varianta s primárním zájmem o RTK aplikace - datový tok 2 kb/s 6) RTCM v3.1 [ '115 ] KGI 2022/2023 [ PNAS ] Bc. – 3. ročník – ZS 7) RTCM v3.2 – nutný pro VRS (Virtual Reference Station) (?) NTRIP (Network Transport of Rtcm via Internet Protocol) – aplikační protokol, který podporuje šíření datových toků (tj. hlavně diferenčních korekcí) GNSS směrem k uživatelům pomocí internetu tak, aby bylo možné současné připojení více klientů - založený na protokolu HTTP/1.1, přičemž HTTP objekty jsou vloženy do datového toku - není omezen pouze na klasické sítě, ale umožňuje bezdrátový internetový přístup pomocí mobilních IP sítí (např. GSM, GPRS, EDGE nebo UMTS) - skládá se ze 3 programových částí: 1) NTRIP Server – přenáší datové toky ze zdroje do 2) 2) NTRIP Caster – řídící část systému (HTTP server) 3) NTRIP Client – přenáší datové toky z požadovaného zdroje pomocí 2) (HTTP klient) RINEX (Reciever Independent EXchange format) – vytvořen na Institutu astronomie Univerzity v Bernu, květen 1989 v rámci kampaně EUREF 89 - formát pro předávání dat mezi institucemi participujícími na projektu vytvoření celoevropské přesné geodetické referenční sítě, jejiž poslední korektury proběhly v březnu 1993 - akceptováno všemi hlavními výrobci GNSS přijímačů - výrobci dnes dodávají ke svým přijímačům programy pro převod naměřených dat do formátu RINEX - data v RINEX slouží pro zpracování výsledků kampaní postprocessingem a pro archivování naměřených dat - nejrozšířenější je v2.10, která je určena pro GPS i GLONASS, v2.11 zahrnuje i definice pro systém GALILEO - dominantní formát pro statické měření - formát se skládá ze 7 souborů, které společně umožňují zachytit všechny parametry získané během GNSS měření: 1).OBS – obsahuje observační data, tj. čas observace, pseudovzdálenosti anténa- družice a fázová měření 2).NAV – obsahující navigační zprávy, tj. efemeridy a parametry pro korekci hodin 3).MET – obsahující meterologická data 4) GLONASS Navigation Message File – pro GLONASS 5) GEO Navigation Message File 6) Satellite and Reciever Clock Date File 7) SBAS Broadcast Data File - formát je textový, délka řídku je maximálně 80 znaků, aby se usnadnilo prohlížení na obrazovce NMEA 0183 (the National Marine Electronics Association) – standard pro propojování námořních elektronických zařízení - vypracován americkou Národní asociací pro námořní elektroniku - na počátku 1980s potřeba existence obecného standardu pro propojování námořních elektronických zařízení, který by umožňoval jednoduše implementovatelnou a spolehlivou datovou komunikaci mezi těmito zařízeními a navigačními a komunikačními systémy - přijímače GPS byly do standardu také zařazeny, ale není primárně o nich - jelikož definice rozhraní pro přijímače GPS byla dostatečně obecná, stala se řiroce užívanou i mimo oblast námořních aplikací - standard definuje: 1) jednosměrnou sériovou asynchronní komunikaci mezi přijímačem a jiným zařízením (např. počítačem) co by příjemcem dat 2) komunikace probíhá čistě v textovém modu 3) data jsou z přijímače odesílána v podobě textových vět s pevně danou datovou strukturou [ '116 ] KGI 2022/2023 [ PNAS ] Bc. – 3. ročník – ZS 4) délka může být až 82 znaků 5) každá věta začíná sérií znaků, které identifikují její následný obsah - jednotlivé věty mohou obsahovat almanach GPS, údaje o stavu družic, určenou polohu, hodnoty DOP a seznam viditelných družic - standardní komunikační rychlost je 4800 baud, nicméně tato rychlost není vždy výrobci GPS dodržována - otevřený Real-Time Transmission Protocols CMR/CMR+ (Compact Measurement Record) – vyvinut firmou Trimble Navigation, uvolněn veřejnosti - jediný původně komerčně vyvinutý produkt, který začaly aktivně využívat i jiní výrobci GPS přístrojů - poskytuje šířkou přenosového pásma efektivní alternativu pro RTCM v2.x pro RTK (ale RTCM pořád dominantnější) SEM a YUMA – ACII formáty pro ukládání almanachů - oba formáty jsou obsahově shodné, liší se ale vnitřní strukturou zápisu informací - almanachy jsou od 1991 ukládány v archivu U.S. Coast Guard Navigation Center SP3 – formát pro ukládání přesných efemerid - vypočítávány zpětně z dat observovaných stanicemi International GNSS Service - pro vyhodnocení polohy se používají tzv. přesné efemeridy, které jsou přesnější než ty, které jsou vysílány družicemi (z nichž standardně počítáme polohu) [ '117 ] KGI 2022/2023 [ PNAS ] Bc. – 3. ročník – ZS [ '118 ]