Žilinská univerzita v Žilinediplom.utc.sk/wan/1357.pdf · rf radio frequency rádiový signál...

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií

APLIKÁCIE NAVIGAČNÝCH SATELITNÝCH SYSTÉMOV PRI MONITOROVANÍ ŽIVOTNÉHO

PROSTREDIA

Rastislav TOMČÍK

2007

APLIKÁCIE NAVIGAČNÝCH SATELITNÝCH SYSTÉMOV PRI MONITOROVANÍ

ŽIVOTNÉHO PROSTREDIA

DIPLOMOVÁ PRÁCA

Rastislav TOMČÍK

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií

Študijný odbor: TELEKOMUNIKÁCIE

Vedúci diplomovej práce: Ing. Július KOTOČ

Stupeň kvalifikácie: inžinier (Ing.) Dátum odovzdania diplomovej práce: 18. máj 2007

ŽILINA 2007

ABSTRAKT

Práca opisuje globálne navigačné systémy a ich využitie v oblasti monitorovania

životného prostredia. V úvodných častiach som sa zaoberal rozdelením globálnych

navigačných systémov, určovaním polohy a systémom včasného varovania, v ďalších

kapitolách komunikačným riešením pri monitorovaní pomocou globálnych navigačných

systémov s využitím sieťových aplikácií. Taktiež poukazujem na technické aspekty

monitorovania veľkorozmerných konštrukcií. Na záver je opísaný konkrétny prípad

monitorovania pomocou globálneho navigačného systému a celkové zhodnotenie tohto

systému.

Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta Univerzitná knižnica

ANOTAČNÝ ZÁZNAM – DIPLOMOVÁ PRÁCA

Meno a priezvisko: Rastislav TOMČÍK Školský rok: 2006/2007

Názov práce: Aplikácie navigačných satelitných systémov pri monitorovaní životného

prostredia

Počet strán: 64 Počet obrázkov: 25 Počet tabuliek: 1

Počet grafov: - Počet príloh: 2 Použ. lit.: 22

Anotácia v slovenskom jazyku:

Diplomová práca sa zaoberá využitím globálnych navigačných systémov pri monitorovaní

deformácií a ich lokalizácie. Taktiež sa zaoberá prenosom opravných korekcií z GPS

prijímača do kontrolného centra pomocou internetu. Na záver je popísaný a zhodnotený

systém sledovania pohybu zvierat pomocou GPS modulu.

Anotácia v anglickom jazyku:

This diploma work deals with the exploitation of global navigation system for deformation

monitoring and their localization. It also deals with the correction data transfer from GPS to

control center using the internet. In the end, a monitoring system of wild using GPS module is

described and evaluated.

Kľúčové slová: GNSS, GPS, referenčná stanica, RTCM, NTRIP, RTK, VRS, GPS modul

Vedúci diplomovej práce: Ing. Július KOTOČ

Recenzent:

Dátum odovzdania práce: 18. máj 2007

OBSAH

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE III

OBSAH

ZOZNAM OBRÁZKOV A TABULIEK............................................................................V ZOZNAM SKRATIEK A SYMBOLOV.......................................................................... VI SLOVNÍK TERMÍNOV .................................................................................................VIII 1. ÚVOD ...............................................................................................................................1 2. GNSS.................................................................................................................................3

2.1 NAVSTAR GPS..........................................................................................................3 2.1.1 Základné segmenty ..............................................................................................3 2.1.2 Signály vysielané družicami GPS ........................................................................6 2.1.3 GPS prijímač........................................................................................................8

2.1.3.1 Kalmanov filter a jeho matematický model ...............................................10 2.1.4 Faktory ovplyvňujúce presnosť GPS systému..................................................12 2.1.5 Opatrenia na dosiahnutie vysokej presnosti .....................................................15

2.2 Diferenčný GPS ........................................................................................................15 2.3 GLONASS.................................................................................................................16

2.3.1 Základné segmenty systému ..............................................................................16 2.4 Navigačný systém GALILEO...................................................................................17

2.4.1 Definícia systému ...............................................................................................18 2.4.2 Vývoj systému ....................................................................................................18 2.4.3 Rozmiestnenie a komerčná prevádzka..............................................................19 2.4.4 Architektúra systému ........................................................................................19 2.4.5 Globálny komponent..........................................................................................19 2.4.6 Lokálny komponent ...........................................................................................20 2.4.7 Družice Galilea...................................................................................................21 2.4.8 Služby systému...................................................................................................21

3. MONITOROVANIE POMOCOU GNSS......................................................................23 3.1 Systémy včasného varovania ....................................................................................24 3.2 Určovanie priestorovej polohy .................................................................................26

3.2.1 Určovanie absolútnej polohy .............................................................................27 3.2.2 Určovanie diferenčnej (relatívnej) polohy ........................................................28

3.2.2.1 Postprocessing .............................................................................................28 3.2.2.2 RTK .............................................................................................................28

3.3 Základné princípy merania ......................................................................................30 3.3.1 Kódové meranie .................................................................................................30 3.3.2 Fázové meranie ..................................................................................................30 3.3.3 Dopplerovské meranie .......................................................................................31

3.4 Referenčné stanice ....................................................................................................31 3.4.1 Referenčná stanica Trimble R8.........................................................................32

3.5 Metóda VRS (virtuálne referenčné stanice).............................................................34 3.6 Sieť referenčných staníc DGPS................................................................................37

3.6.1 Európska sieť referenčných staníc EUREF......................................................39 3.6.2 SKPOS: Slovenská priestorová observačná služba využitia signálov GNSS...39

4. KOMUNIKAČNÉ RIEŠENIE GPS S VYUŽITÍM SIEŤOVÝCH APLIKÁCIÍ.........41 4.1 Protokoly využívané navigačnými systémami .........................................................41

4.1.1 Protokol RTCM .................................................................................................41 4.1.2 Protokol RINEX.................................................................................................42 4.1.3 Protokol NMEA .................................................................................................43 4.1.4 Internetový protokol NTRIP .............................................................................43

OBSAH

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE IV

4.1.4.1 Komunikácia NtripServer - NtripCaster ...................................................45 4.1.4.2 Komunikácia NtripCaster - NtripClient ....................................................45 4.1.4.3 Zdrojová tabuľka SOURCE-TABLE.........................................................46

4.2 Sieťový prenos protokolu RTCM cez Internet protokol NTRIP............................47 5. SYSTÉM SLEDOVANIA POHYBU ZVIERAT ..........................................................49

5.1 Popis sledovacieho systému ......................................................................................50 5.2 Popis zariadenia SLSYS...........................................................................................51

5.2.1 GPS modul .........................................................................................................52 5.2.2 GSM modul ........................................................................................................53 5.2.3 Riadiaci mikrokontrolér ....................................................................................54 5.2.4 Snímač aktivity...................................................................................................54 5.2.5 Antény ................................................................................................................56

5.3 Zhodnotenie systému ................................................................................................56 6. MONITOROVANIE VEĽKOROZMERNÝCH KONŠTRUKCIÍ..............................57

6.1 GPS anténový systém na priehrade Xiaowan..........................................................57 6.1.1 Popis systému .....................................................................................................58 6.1.2 Realizácia ...........................................................................................................60 6.1.3 Zhodnotenie systému .........................................................................................61

7. ZÁVER ...........................................................................................................................62 8. ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY.........................................................................63

ZOZNAM OBRÁZKOV A TABULIEK

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE V

ZOZNAM OBRÁZKOV A TABULIEK

OBR. 2.1 Obežné dráhy satelitov

OBR. 2.2 Riadiaci segment GPS

OBR. 2.3 Schéma odvodzovania frekvencií jednotlivých signálov GPS

OBR. 2.4 Štruktúra navigačnej správy

OBR. 2.5 Štruktúra GPS prijímača

OBR. 2.6 Ukážka rezu objemu vymedzenými guľovými plochami pri dobrej a zlej

geometrii usporiadania družíc

OBR. 3.1 Určovanie priestorovej polohy

OBR. 3.2 Štruktúra klasickej DGPS referenčnej stanice

OBR. 3.3 Integrovaná RTK/PP zostava značky Trimble, model R8

OBR. 3.4 Prenosná kontrolná jednotka (poľný počítač) ACU pre GPS RTK/PP

OBR. 3.5 Interná GSM SIM karta integrovaná v GPS RTK prijímači, model R8

OBR. 3.6 Koncept virtuálnej referenčnej stanice

OBR. 3.7 Sieťový náčrt VRS

OBR. 3.8 Prenos NMEA správy z VRS do sieťového servera

OBR. 3.9 Korekčný sieťový prenos RTCM správy do VRS

OBR. 3.10 Rozmiestnenie SKPOS referenčných staníc

OBR. 4.1 Schéma systému Ntrip

OBR. 4.2 Štruktúra správy NtripServer

OBR. 4.3 Štruktúra správy NtripClient

OBR. 4.4 Prenos RTCM korekcií cez Internet

OBR. 4.5 Profesionálny koncept Ntrip DGNSS služieb

OBR. 5.1 Sledovací systém

OBR. 5.2 Bloková schéma zariadenia

OBR. 5.3 Pohľad zdola na snímač aktivity a jeho orientácia meracieho rozsahu

OBR. 6.1 GPS anténový systém pri monitorovaní deformácií

TAB. 5.1 Presnosť lokalizácie

ZOZNAM SKRATIEK A SYMBOLOV

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE VI


Skratka Anglický (ruský) význam Slovenský význam

ACU Attachable Control Unit Pripojiteľná kontrolná jednotka CMR Compact Measurement Record Kompaktný vymeriavací

záznam CPU Control & Display Unit Riadiaca a zobrazovacia

jednotka CSD Circuit Switched Data Prenos dát s prepojovaním

okruhov DGNSS Differential Global Navigation

Satellite System Diferenciálny globálny navigačný satelitný systém

DGPS Differential Global Positioning System

Diferenciálny globálny polohový systém

DOP Dilution of Precision Faktor zníženia presnosti EDGE Enhanced Data Rates for GSM

Evolution Zvýšené prenosové rýchlosti pre globálny (GSM) vývoj

EGNOS European Geostationary Navigation Overlay Service

Európska geostacionárna rozšírená navigačná služba

ESA European Space Agency Európska vesmírna agentúra ETC European Transport Council Dopravná európska rada ETRS 89 European Terrestrial Reference

System 1989 Európsky terestriálny referenčný systém 1989

EUREF European Reference Frame Európsky priestorový referenčný systém

FMA Failure Modes Analysis Poruchová módová analýza GDOP Geometric Dilution of Precision Faktor geometrického zníženia

presnosti GIS Geographic Information

Systems Geografické informačné systémy

GMAS GPS Multiple Antenna Switch GPS viacnásobný prepínač antén

GLONASS Globalnaja navigacionnaja satelitnaja sistema

Globálny navigačný satelitný systém

GNSS Global Navigation Satellite System

Globálny navigačný satelitný systém

GPRS General Packet Radio Service Všeobecná paketová rádiová služba

GSM Global System for Mobile Globálny systém mobilnej komunikácie

HDOP Horizontal Dilution of Precision Faktor horizontálneho zníženia presnosti

HTTP Hyper Text Transfer Protocol Protokol na výmenu hypertextových dokumentov

HLD High Level Mission Definition Úlohy vysokej priority IP Internet Protocol Internetový protokol MCU Measurement Control Units Jednotky kontrolných meraní


ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE VII

NAVSTAR Navigation Satellite Timing and Ranging

Oficiálny názov používaný vládou USA pre systém GPS

NMEA National Marine Electronics Association

Komunikačný protokol pre prenos dát z GPS do iného elektronického zariadenia

NTRIP Networked Transport of RTCM via Internet Protocol

Sieťový transport protokolu RTCM cez Internet protokol

OTF On the Fly Spôsob inicializácie ambiguít počas pohybu

PDOP Position Dilution of Precision Faktor polohového zníženia presnosti

PP Postprocessing Následné spracovanie PPP Point to Point Protocol Protokol pre komunikáciu typu

z bodu do bodu PPS Precise Positioning Service Presná polohová služba RF Radio Frequency Rádiový signál RINEX Receiver Independent Exchange

Format Protokol výstupných údajov geografických prijímačov

RPU Receiver & Processor Unit Navigačný počítač RTCM Radio Technical Commission

for Maritime Service Rádio – technická komisia pre námorné služby

RTK Real Time Kinematics Výpočet polohy v danom okamihu

SIM Subscriber Identity Module Karta slúžiaca na identifikáciu účastníka mobilnej siete

SMS Short Message Service Krátka textová správa SPS Standard Positioning Service Štandardná polohová služba SKPOS Slovenská priestorová

observačná služba využitia signálov GNSS

S-JTSK Štátna jednotná trigonomická katastrálna sieť

TDOP Time Dilution of Precision Faktor časového zníženia presnosti

TTFF Time-To-First-Fix Požiadavka na čas pre určenie prvého fixu

TCP Transmission Control Protocol Komunikačný protokol transportnej vrstvy

UMTS Universal Mobile Telephone System

Univerzálny mobilný telekomunikačný systém

VDOP Vertical Dilution of Precision Faktor vertikálneho zníženia presnosti

VHF Very High Frequency Veľmi krátke vlny VRS Virtual Reference Stations Virtuálne referenčné stanice WGS-84 World Geodetic System 1984 Svetová geodetická sústava

1984 WAAS Wide Area Augmentation

System Americký veľkoplošný rozšírený systém

SLOVNÍK TERMÍNOV

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE VIII

SLOVNÍK TERMÍNOV

Ambiguita

Neznámy počet celých vlnových dĺžok medzi družicou a prijímačom GNSS.

Azimut

Horizontálny uhol, ktorý je možné definovať ako uhol medzi severnou vetvou miestneho

poludníka a spojnice bod, kde stojím - zameraný bod. Azimut je meraný po smere hodinových

ručičiek, nadobúda hodnoty od 0 do 360 stupňov.

Efemerida

Vypočítaná poloha družice v danom čase, vysielaná užívateľovi v dátovej správe.

Internet

Verejne dostupný celosvetový systém vzájomne prepojených počítačových sietí, ktoré

prenášajú dáta pomocou prepínania paketov za použitia štandardizovaného Internet Protokolu

(IP) a mnohých ďalších protokolov.

Modem

Komunikačné zariadenie na prevod analógového signálu na digitálny a naopak. Názov

vznikol spojením dvoch slov: modulátor a demodulátor.

Orbita

Obežná dráha družice okolo Zeme.

Prijímač

Zariadenie umožňujúce príjem rádiových signálov.

Protokol

Súhrn postupov a pravidiel určujúcich činnosť výpočtového zariadenia alebo programového

systému.

Referenčná stanica

SLOVNÍK TERMÍNOV

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE IX

GPS prijímač umiestený v bode s presne známou polohou, ktorého programové vybavenie

umožňuje sledovať všetky viditeľné družice a počítať pre ne korekčné údaje.

Rover

Multikanálový a multifrekvenčný pohyblivý GNSS prijímač, anténa a rádiomodem

integrovaný do jednej kompaktnej jednotky.

Satelit

Umelá obežnica, družica.

Virtuálna referenčná stanica

Ide o miesto, kde sa nemusí nachádzať žiadna skutočná referenčná stanica, ale o nezávisle

zvolené miesto, napr. také, v ktorom sa aktuálne nachádza pohybujúci sa prijímač.

Zosilňovač

Elektronická súčiastka, alebo sústava elektronických súčiastok, ktorých úlohou je zvýšiť

amplitúdu premenlivého elektrického signálu.

1. ÚVOD

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE 1

1. ÚVOD

Súčasné lokalizačné (zväčša geodetické) technológie na báze globálnych navigačných

satelitných systémov (GNSS), terestrických laserových metód a digitálnej fotogrametrie

umožňujú s milimetrovou presnosťou určovať polohové zmeny bodov na povrchu Zeme.

Opakované merania GNSS prinášajú základné informácie o súčasnej kinematike zemského

povrchu globálneho a regionálneho charakteru a vytvárajú podklad pre tvorbu

geodynamických hypotéz v kontinentálnom a vnútroplatňovom meradle. Detailným

monitoringom pomocou GNSS, podporeným aplikáciou terestrických geodetických metód, sa

získava podklad pre lokálny výskum geologických faktorov životného prostredia, pre tvorbu

modelov pretvorenia horninového prostredia, dynamiky pohybov skalných zárezov, štúdium

vplyvu zvetrávania hornín a zmien režimov hladín podzemných vôd [22].

Geografické informačné systémy (GIS) sú prostriedkom integrácie, analyzovania a

zobrazovania rôznych typov geografických a priestorových údajov. Tradičné riadiace

informačné systémy (databázy) nie sú schopné analyzovať zdroje nachádzajúce sa v

rozľahlých geografických oblastiach. GIS poskytuje jednoduchý integrovaný mechanizmus

archivovania, analyzovania a mapovania priestorových informácií, teda informácií životne

dôležitých pre také priemyselné odvetvia ako je napr. naftový priemysel, plynárenský

priemysel, baníctvo, lesné hospodárstvo, železnice, pôdohospodárstvo, ako i pre vlastníkov

pôdy, vrátane miestnych a regionálnych orgánov štátnej správy.

Charakteristiky prenosových geografických informačných systémov s GPS, v ktorých

je možné v reálnom čase presne určiť polohu objektov na zemi, môžu byť integrované do

súboru dát GIS pomocou satelitných senzorov, komunikácia s ktorými sa zabezpečuje cez

ručný vreckový prístroj. Pretože táto technológia je čím ďalej bežnejšia, dôjde v najbližších

rokoch k vzrastu v zbere informácií o geopriestore.

Technológia GPS využívaná v reálnom čase na palube lietadla sa môže použiť na

letecké prieskumné práce, napr. v národných parkoch na zhotovovanie leteckých snímok s

veľkou rozlišovacou schopnosťou s presnými informáciami o určení polohy. Využívajú sa

počítačové stereotechnológie so špeciálnymi zariadeniami, ktoré pomáhajú generovať

ortografické obrazy (digitálne obrazy ortogonálne preskenované) pomocou stereografie.

Vykonáva sa tiež trojrozmerné modelovanie povrchu a vizualizácia pre účely štúdií o

nebezpečných odpadoch.

1. ÚVOD


GPS sa používa i na určovanie súradníc prenosných povrchových prívodov vody a

hraníc vodných nádrží. S cieľom čo najefektívnejšie vydávať regulačné povolenia v rámci

rôznych environmentálnych programov sa GPS používa na zber súradníc zariadení a

objektov, ktoré majú príslušné povolenie. Ide napríklad o podniky vypúšťajúce odpad do

povrchových vôd, podzemných vôd, do ovzdušia, skladujúce nebezpečný odpad na mieste

alebo v podzemných skladovacích cisternách. V budúcnosti by sa malo úsilie zamerať na

získavanie informácií o polohe miest s aktuálnym vypúšťaním, ktoré môže nepriaznivo

ovplyvniť štátne prírodné zdroje.

Environmentálne monitorovacie programy využívajú GPS na získavanie súradníc pre

monitorovacie stanice po celej krajine. Programy monitorovania stavu vody poskytujú

súradnice vzorkových staníc v rámci jestvujúcej siete monitorovania kvality vody a z nich

bude vytvorená nová sieť v hydrologickom prostredí. Programy ochrany proti žiareniu

vykonávajú zber súradníc pre vzorkové stanice a monitorujú úroveň radiácie v rôznych

vzdialenostiach od dvoch jadrových elektrární nachádzajúcich sa v krajine. Program

prírodných zdrojov má zámer využívať GPS aj v lesnom hospodárstve, vrátane mapovania

oblasti výskytu určitých druhov stromov. Programy ochrany ohrozených druhov budú

vykonávať zber údajov o miestach výskytu ohrozených druhov, ako aj mapovanie oblastí s

rozhodujúcim výskytom rastlín a zveri [1].

2. GNSS


2. GNSS

GNSS (Global Navigation Satellite System) je organizačný koncept, ktorý by mal

zaistiť spoluprácu GPS s ďalšími družicovými a pozemskými segmentami podporujúcimi

všetky formy navigácie. V súčasnej dobe existujú dva družicové systémy, ktoré sú všeobecne

a prakticky bez obmedzenia použiteľné vo väčšine odborov ľudskej činnosti: americký systém

GPS a ruský systém GLONASS. Tretí systém - európsky Galileo - je vo fáze prípravy.

Systém GPS je bezplatne prístupný každému, kto vlastní GPS prijímač [22].

2.1 NAVSTAR GPS Prvý existujúci systém na určovanie polohy a presného času NAVSTAR GPS bol

vyvíjaný armádou USA od roku 1973. Prvá družica tohto systému bola vypustená v roku

1978 a spolu s ďalšími desiatimi slúžila na testovanie a prípravu systému. V roku 1995 bola

dokončená operačná fáza systému, pozostávajúca z 24 družíc. Od tej doby sa udržiava v

činnosti minimálne 24 družíc, obvykle však viacej. Podmienka je, aby v ktoromkoľvek čase a

akomkoľvek mieste bolo možné prijímanie signálu z minimálne štyroch družíc. GPS bol

pôvodne vyvíjaný armádou USA ako vojenský systém, avšak v roku 1981 bol sprístupnený v

obmedzenej miere pre verejnosť. V roku 1983 bol použitý na riešenie prvých geodetických

úloh. Od roku 1987 bola do koncepcie rozvoja systému zabudovaná požiadavka na vývoj

nevojenských aplikácií. Obmedzenie pre civilný sektor spočívalo v tom, že bola úmyselne

znížená presnosť určenia polohy, tzv. Selective Availability. Táto funkcia však bola zrušená

2. mája 2005, a odvtedy je možné plnohodnotne využívať signál GPS. GPS sa člení na tri

základné segmenty:

• vesmírny segment,

• riadiaci segment,

• užívateľský segment.

2.1.1 Základné segmenty Vesmírny segment

2. GNSS


Vesmírny segment tvoria družice, ktoré sú

rozmiestnené nad povrchom Zeme vo výške

približne 20 230 km. Nachádzajú sa v šiestich

dráhových rovinách so sklonom i=55°. V

každej dráhe sa nachádzajú štyri družice, v

niektorých dráhach sa nachádza aj piata, tá

slúži ako aktívna záloha, prípadne na

testovacie účely. Sklon dráh ku rovníku je

55°. Obežná doba družice je 12h hviezdneho

času, to znamená, že rovnaká konfigurácia

nastane po 11h58m slnečného dňa. Dráhy

družíc sú takmer kruhové, excentricita je rádu

0,01. Presnú časovú základňu vytvárajú rubídiové a céziové atómové normály, ktoré sú

umiestnené na družiciach. Základná frekvencia je 10,23 MHz, a z nej sa odvádzajú dve nosné

frekvencie L1 a L2 v L-pásme rádiových vĺn, na ktorých sú vysielané pseudonáhodné kódy

C/A, P a navigačná správa. Väčšina civilných prijímačov dokáže spracovať iba C/A kód.

Signály vysielané na frekvencii L1 sa označujú ako signály tzv. štandardnej polohovej

služby (Standard Positioning Service - SPS), frekvencia L2 je využívaná na tzv. presnú

polohovú službu (Precise Positioning Service - PPS). Pri SPS je definovaná požadovaná

presnosť pre pravdepodobnosť 95% horizontálne do 100 m, vertikálne do 156 m, presnosť

určenia času do 167 ns. Pri PPS sú tieto hodnoty takéto: horizontálna presnosť do 17,8 m,

vertikálna presnosť do 27,7 m a presnosť určenia času do 100 ns. Doteraz boli vypúšťané 3

typy družíc:

• družice Bloku I - vývojové typy,

• družice Blokov II a IIA - družice pre prvú operačnú fázu,

• družice Bloku IIR - družice pre doplnenie systému.

Vývoj nových družíc sa nezastavil, plánuje sa typ Blok III, ktorého družice by mali

mať dlhšiu životnosť a poskytovať vyššiu presnosť merania pseudovzdialenosti a času.

Riadiaci segment

Riadiaci segment pozostáva z pozemných monitorovacích a vysielacích centier, ktoré

sú rozmiestnené rovnomerne po povrchu Zeme a majú za úlohu:

• nepretržite monitorovať a riadiť činnosť družicového systému,

• určovať systémový čas GPS,

Obr. 2.1 Obežné dráhy satelitov [2]

2. GNSS


• predpovedať dráhy družíc a chod hodín na družiciach,

• pravidelne obnovovať navigačnú správu pre každú družicu.

Dnes, po modernizácii, pozostáva riadiaci segment z 12 pozemných sledovacích a

vysielacích staníc, pričom hlavné riadiace a výpočtové centrum sa nachádza v Colorado

Springs v USA. Toto hlavné centrum spracúva údaje zo všetkých monitorovacích centier a

z nich získava dráhové elementy družíc, korekcie atómových hodín a tvorí navigačnú správu.

Navigačná správa sa spätne vysiela do družíc. Poloha družíc sa určuje v systéme WGS-84 [8].

Obr. 2.2 Riadiaci segment GPS [3]

Užívateľský segment

Pod pojmom užívateľský segment dnes rozumieme všetky typy zariadení, ktoré sú

konštruované na príjem a spracovanie GPS signálu. Toto je veľmi rozsiahla skupina zariadení,

ktorú môžeme rozdeliť na nasledujúce tri základné časti:

• prijímače na navigáciu - vojenskú a civilnú,

• prijímače na geodéziu a geografické informačné systémy,

• prijímače na časovú synchronizáciu.

Vývoj na trhu s týmito zariadeniami ide neustále dopredu, hlavným trendom nových

zariadení je miniaturizácia a multifunkčnosť. Pri geodetických prístrojoch sa dodáva k

hardvéru aj špeciálny softvér na spracovanie meraní. Systém GPS sa neustále vyvíja, či už ide

o modernizáciu pozemných centier, či vývoj nových družíc a v neposlednom rade vývoj

užívateľských zariadení a aplikácií. So systémom GPS sa počíta najmenej do roku 2030 [8].

2. GNSS


2.1.2 Signály vysielané družicami GPS Každá družica kozmického segmentu GPS nesie na svojej palube veľmi presné

atómové hodiny, ktoré slúžia ako generátor základnej frekvencie f0= 10,23 MHz pre signály

vysielané družicami. Vysielané signály majú odvodenú frekvenciu od tejto základnej. Bolo

pamätané aj na to, aby sa eliminovali relativistické efekty na šírenie signálu. Vysielacie

frekvencie sú zatiaľ dve, s označením L1 a L2, ale v nastupujúcej generácii družíc bude

zabudovaná ešte tretia frekvencia L3. Ďalej sú tieto základné frekvencie modulované

diaľkomernými kódmi. Týmto kódom sa hovorí PRN (PRN – angl. Pseudo Random Noise).

Prehľad vysielacích frekvencií a ich modulácií vyzerá takto:

Obr. 2.3 Schéma odvodzovania frekvencií jednotlivých signálov GPS –

prerušovane sú vyznačené civilné signály pripravované v rámci modernizácie [8]

• Frekvencia L1 (1 575,45 MHz, vlnová dĺžka 19 cm) modulovaná dvoma PRN kódmi. P-kód

(P-code; angl. Precision), ktorý je vojenský a môže byť zašifrovaný (potom sa označuje Y-

kód) a hrubý/dostupný alebo tiež C/A kód (angl. Coarse/Acquisition alebo C/A code). Ďalej

je tu binárny kód navigačnej správy, kódovaný na základe fázových posunov nosných vĺn.

• Frekvencia L2 (1 227,60 MHz, vlnová dĺžka 24 cm) modulovaná iba P-kódom (resp. Y-

kódom), avšak výhľadovo je počítané s C/A kódom. Ďalej sa tu prenáša navigačná správa.

C/A kód

2. GNSS


Tento kód je vysielaný každou družicou systému GPS a pre každú družicu je vždy

unikátny. Tieto kódy sú označované ako PRN kódy alebo tiež pseudonáhodné. Kód je

binárny, jeho dĺžka je určená tak, aby perióda opakovaného vysielania kódu bola presne 1 ms,

vlnová dĺžka kódu s touto periódou je približne 293 m.

P-kód

Ide opäť o binárny kód, avšak oveľa dlhší ako C/A kód. Je vysielaný s frekvenciou f0

= 10,23 MHz a jeho dĺžka meria 38,058 týždňa. Existuje ale iba jeden, a preto je rozdelený do

sedemdenných sekvencií a každá z družíc vysiela v jednom týždni inú sekvenciu kódu ako

ostatné, aby došlo k odlíšeniu družíc na základe prijímaných signálov. P-kód umožňuje

presnejšie meranie ako C/A kód vďaka svojej vyššej frekvencii a dĺžke a tiež vďaka tomu, že

je vysielaný na oboch frekvenciách L1 a L2, čo zmenšuje ionosférické vplyvy (chyby).

Y-kód

Tento kód je zašifrovaný P-kód. Ide opäť o PRN kód, ktorý môžeme použiť namiesto

P-kódu. Rovnice na dekódovanie Y-kódu sú utajené a výhradne pre vojenské potreby USA.

Faktom je, že v súčasnej dobe systém GPS vysiela Y-kód takmer nepretržite.

V rámci modernizácie systému GPS sa počíta s tým, že bude zavedená nová nosná frekvencia

L5 s frekvenciou 1 176,45 MHz a na nej namodulovaný F-kód, čo by mal byť kód veľmi

podobný P-kódu, ale prístupný verejnosti.

Navigačná správa

Pre vyriešenie úlohy určenia polohy prijímača pri meraní treba poznať čo najpresnejšie

polohy družíc (efemeridy) použitých pre meranie, aby bolo možné trilateráciou určiť polohu

prijímača. Tiež treba zaistiť užívateľovi informácie o stave systému. Preto je na nosnej

frekvencii modulovaná i navigačná správa. Jedna navigačná správa platí po dobu štyroch

hodín a obsahuje tieto časti:

• čas vysielania začiatku správy;

• keplerovské efemeridy družice - určujú polohu družice na obežnej dráhe Zeme s

presnosťou cca 3,5 m;

• údaje umožňujúce presne korigovať čas vysielania družice - napomáhajú pri opravách

chýb hodín družice a upresňujú čas odvysielania PRN kódu;

2. GNSS


• almanach - obsahuje menej presné údaje o ostatných družiciach systému GPS, ich polohe,

stave a pod. Tieto údaje potom pomáhajú pri plánovaní merania (aby bolo v danom teréne

nad horizontom dostatočné množstvo družíc), rýchlejšej inicializácii prístroja alebo pri

jednoduchšom vyhľadávaní dostupných družíc počas meraní;

• koeficienty ionosférického modelu - ide o preddefinovaný matematický model ionosféry,

ktorý môžeme využiť pre výpočet opráv. Nepodáva však tak dobré výsledky ako meranie na

dvoch frekvenciách;

• stav družice (angl. health) a ďalšie systémové údaje.

Štruktúra navigačnej správy je znázornená na obr. 2.4

Obr. 2.4 Štruktúra navigačnej správy

2.1.3 GPS prijímač Prijímače GPS sú súčasťou užívateľského segmentu GPS. Ich hlavnou úlohou je

spracovávať signály vysielané družicami tak, aby na výstupe poskytovali užitočnú

informáciu. Základnou podmienkou je presná poloha prijímača a presný čas merania. Z týchto

dvoch údajov môžeme odvodiť veľa ďalších veličín, ako je rýchlosť pohybu, trajektória atď.

Prijímač GPS tvoria tri základné bloky:

• anténa,

• navigačný prijímač,

• navigačný počítač.

2. GNSS


Anténa je zásadná pre čo najpresnejšie určenie nameraných veličín. Vzhľadom k

tomu, že družice vysielajú pomerne slabé signály, patrí medzi jej dôležité parametre citlivosť,

odolnosť voči rušeniu a odfiltrovanie odrazených signálov. U geodetických antén, kde

zároveň požadujeme vysokú presnosť merania, sa sledujú i parametre polohy a stability

fázového centra antény. V neposlednom rade ide tiež o cenu antény. Navigačný prijímač slúži

na spracovanie signálov prijatých anténou. Na základe týchto spracovaní sa určujú

pseudovzdialenosti a obsah navigačnej správy. Tu nastáva niekoľko problémov a jednotlivé

prijímače sa od seba líšia práve tým, ako tieto problémy riešia. Pre správne určenie polohy

treba merať na viac družíc, a preto je vhodné, aby prijímač mal viac vstupných kanálov.

Podľa tohto kritéria sú prijímače rozdelené na:

• jednokanálové - u týchto prijímačov nemôžeme prijímať signály z viac družíc, preto treba

rýchlo medzi nimi prepínať. Prijímač vždy identifikuje pomocou PRN kódu družicu,

uskutoční merania a začne vyhľadávať ďalšie. Tento spôsob nie je príliš efektívny a

neprináša dobré výsledky;

• viackanálové - majú dostatočný počet prijímacích kanálov (u dnešných geodetických

prijímačov bežne okolo osem až dvanásť, v súčasnosti už aj 72), a tak môžu prijímať signál

z viac družíc naraz. Meranie je vďaka tomu omnoho rýchlejšie, spoľahlivejšie a presnejšie,

pretože je možné určovať nadbytočné údaje. Tieto prijímače umožňujú meranie i za

sťažených podmienok;

• hybridné - sú síce vybavené iba niekoľkými vstupnými kanálmi, ale ich počet nie je

dostatočný. Preto je využívané opäť prepínanie medzi jednotlivými družicami na jednom

kanáli. Tento spôsob predstavuje akúsi strednú cestu medzi predchádzajúcimi dvoma

spôsobmi [8].

Obr. 2.5 Štruktúra GPS prijímača

2. GNSS


Navigačný počítač spracováva namerané dáta a určuje na ich základe aktuálnu polohu

prijímača, čas GPS a ďalšie veličiny.

Všeobecné dáta, ktoré môžeme získať z GPS prijímača: zemepisnú šírku (X polohu),

dĺžku (Y polohu), výšku (Z polohu), rýchlosť, dátum a čas.

2.1.3.1 Kalmanov filter a jeho matematický model Účelom Kalmanovho filtra je odhadnúť stav systému z meraní, ktoré obsahujú

náhodné chyby. Spracovaním signálov v GPS prijímači pri použití Kalmanovho filtra sa

dosahuje vyššia spoľahlivosť a väčšia presnosť merania.

Pre vyhladenie cesty a odstránenie šumu musíme použiť nejaký matematický model.

Kalmanov filter je určitým zobecnením metódy najmenších štvorcov a s výhodami ho

môžeme použiť pri štúdiu dynamických procesov, kedy výsledky spracovania meraní

môžeme získať v reálnom čase. Pre výpočet treba použiť rekurentný spôsob riešenia, ktorý

pracuje s modelom:

)(.)1.()( nwnnx Γ+−Φ=

kde: x(n) je stavový vektor (výslednej hodnoty) v n-tej epoche,

Φ je transformácia medzi časovými úsekmi,

x(n–1) je stavový vektor v predchádzajúcej epoche,

Γ vyjadruje časový interval medzi časovými úsekmi,

w(n) je šum (neistota) systému predstavujúca vplyv náhodných chýb merania,

pre ktorý platí, že stredná hodnota šumu E(w(n))= 0 a kovariančná matica šumu Qs=Ε(wwT) je

diagonálna.

Vektor merania v epoche n môžeme napísať ako

l(n)=A⋅x(n)+v(n)

kde: A je matica plánu (matica derivácií stavového vektora),

v je šum (náhodné chyby) merania.

Kovariančná matica šumu vektorov merania Ql = W (vvT) je taktiež diagonálna, z čoho vyplýva, že

jednotlivé merania sú navzájom nezávislé.

Pre strednú hodnotu najpravdepodobnejšej hodnoty stavového vektora

min))(ˆ)(()(ˆ 2 →− nxnxEplatínx .

Vlastný výpočet prebieha v dvoch krokoch:

1) predikcia – na základe stavového vektora z predchádzajúcej etapy sa odhadne jeho podoba v etape

nasledujúcej

)1(.)(ˆ −Φ=− nxnx ,

2. GNSS


a to isté i pre jeho kovariančnú maticu. T

sT QnQnQ ΓΓ+Φ−Φ=− ..).1(.)( .

Ak nepredpokladáme zmenu stavového vektora medzi časovými úsekmi (napríklad pohyb), je matica

Φ = Ε, čo platí i pre maticu Γ, pokiaľ je časový interval medzi všetkými časovými úsekmi

konštantný.

2) update – na predikciu sa aplikujú uskutočnené merania a určia sa správne hodnoty stavového

vektora a jeho kovariančné matice:

[ ]

[ ] 1).(..).()(

)(.).()()()(ˆ.)().()(ˆ)(ˆ

−−−

−−

−−

+=

−=

−+=

lTT QAnQAAnQnK

nQAnKnQnQnxAnlnKnxnx

kde: l(n) sú skutočné merania,

Ql je kovariančná matica uskutočneného merania.

Pre maticu K(n) platí, že čím je meranie presnejšie, tým sú prvky matice K(n) väčšie a majú tak väčší

vplyv na nasledujúcu predikciu.

Vyššie uvedené vzťahy platia iba vtedy, ak je medzi meraním a stavovým vektorom lineárny

vzťah. Pokiaľ tak nie je, neobsahuje vektor l priamo meranie, ale iba ich hodnoty redukované o

predom odhadnutú hodnotu merania l0 (redukcia je pre celý výpočet rovnaká). Vďaka tomu bude i

stavový vektor x obsahovať iba prírastky a nie celé hodnoty.

Praktický výpočet bude potom urobený takto:

Zvolíme hodnoty x0, Qo (kovariančné matice stavového vektora), Qs (kovariančné matice šumu) a Ql

(kovariančné matice merania) [20].

1. časový úsek

predikcia

Ε=ΓΦ+=ΓΓ+ΦΦ=

==−

−

,....)1(

0)1(

00

0

sT

sT QQQQQ

dxdx

update

[ ]

[ ]

xlA

QAQAAQK

QAKQQdxAlKdxdx

lTT

∂∂

=

+=

−=

−+=

−−−

−−

−−

1).1(..).1()1(

)1(.).1()1()1()1(.)1().1()1()1(

2. časový úsek

2. GNSS


predikcia

sQQQdxdx

+=

=−

−−

)1(2)1()2(

update

[ ]...

)2(.)2().2()2()2( −− −+= dxAlKdxdx

V Matlabe som vytvoril program, ktorý testuje vplyv veľkosti použitých charakteristík

presnosti na vlastnostiach Kalmanovho filtra (príloha 1). Výsledky sú uvedené v grafickej

podobe. Program testuje rôzne vopred dané presnosti vopred danej polohy prijímača (nereálne

malé hodnoty stredných chýb vs. hodnoty odpovedajúce skutočnej presnosti) a rôzne hodnoty

šumu.

2.1.4 Faktory ovplyvňujúce presnosť GPS systému Okrem presnosti, ktorá je dosiahnutá z princípu merania pomocou GPS, sú tu ešte iné

faktory, ktoré v konečnom výsledku ovplyvňujú meranie. Ide prevažne o tieto faktory:

• riadenie prístupu k signálom z družíc (Selective Availability) - možnosť Ministerstva

obrany USA zaviesť systematickú chybu GPS. V súčasnej dobe je toto opatrenie mimo

prevádzky;

• stav družíc - v družiciach je zabudovaný systém automatickej kontroly technického stavu.

V prípade, že niektoré zo zariadení dôležitých pre správny chod systému GPS neplní dobre

svoju funkciu, je družica označená ako nezdravá a prijímače ju vyradia z merania. Tiež je

takto označovaná družica, ktorá nie je presne na svojej stanovenej obežnej dráhe, napríklad

v dôsledku umiestňovania novej družice, v prípade manévrovania s družicou, v prípade

zavádzania nových korekcií hodín atď.;

• pomer signál/šum - signály vysielané družicami GPS sú pomerne slabé. Preto sú veľmi

citlivé na rušivé vplyvy, ktoré vnášajú šum do užitočného signálu. Zdroje šumu sú napríklad

vegetácia, terénne prekážky, zdroje elektromagnetického vlnenia, nadzemné rozvody

elektrickej energie atď.;

• viaccestné šírenie signálu - signál šírený družicami nemusí doraziť k prijímaču vždy

priamou cestou. Môže sa po ceste odraziť od objektov v okolí prijímača. Potom dochádza k

interferencii medzi týmto priamym signálom a odrazeným a k následnej chybe merania.

Záleží na schopnostiach antény, ako dokáže tento vplyv eliminovať;

2. GNSS


• počet viditeľných družíc - pre meranie je dôležité prijímať signál aspoň zo štyroch družíc,

pokiaľ je možné ich sledovať, viac nie je meranie ohrozené stratou signálu niektorej z nich.

Ak ide o fázové meranie, je väčší počet nameraných signálov z rôznych družíc vhodný pre

určovanie diferencií, a tým k spresňovaniu merania;

• geometrické usporiadanie viditeľných družíc - meranie pomocou GPS poskytuje výrazne

horšie výsledky, pokiaľ sú použiteľné družice relatívne príliš blízko pri sebe alebo v zlej

geometrickej konfigurácii vzhľadom k prijímaču. Vplyvom chyby synchronizácie hodín nie

sú vzdialenosti namerané k jednotlivým družiciam presné, ale zaťažené chybou, ktorá

spôsobí, že prijímač vzhľadom k družici neleží na sfére, ale v priestore rozdielov dvoch

gulí. Takto je to u každej z použitých družíc. Ak urobíme prienik všetkých týchto

priestorov, zistíme, že meraný bod neleží v jednoznačnom prieniku. Potom už záleží na tom,

ako je priestor tohto prieniku veľký, aby sme určili, akou chybou ovplyvní naše meranie.

Toto môžeme matematicky vyhodnotiť. Z tohto dôvodu bol zavedený parameter zníženia

presnosti DOP (angl. Dilution of Precision). DOP je definovaný ako pomer strednej chyby v

súradnici, v polohe, v čase apod. ku strednej chybe σ0 merania sprostredkujúcej veličiny. Je

zavedených niekoľko druhov týchto parametrov. Všeobecne platí, že čím menšia hodnota

parametrov DOP, tým presnejšie je meranie. Parametrov DOP je niekoľko, každá meraná

veličina má iný parameter:

GDOP = (σx2 + σy

2 + σz2 + c2. σT

2)1/2 / σ0 geometrický

PDOP = (σx2 + σy

2 + σz2)1/2 / σ0 polohový

HDOP = (σx2 + σy

2)1/2 / σ0 horizontálny

VDOP = σz / σ0 vertikálny

TDOP = c.σT / σ0 časový

kde σi sú stredné chyby súradníc. Súradnicové osi sú v tomto prípade definované tak, že osi

x a y sú umiestnené do vodorovnej roviny, os z do zvislice voči prijímaču;

• typ prijímača - podľa účelu, na aký využívame prijímač GPS, je i odvodená chyba, s ktorou

je možno s týmto prijímačom merať. Geodetické prístroje vyžadujú centimetrové presnosti,

preto musia byť schopné používať fázové merania, mať väčší počet vstupných kanálov,

kvalitnú anténu atď. Navigačné prístroje majú naopak presnosť omnoho horšiu, preto

môžeme niektoré veci obmedziť a používať iba kódové meranie a pod. U geodetických

prístrojov je dôležitá kvalitná anténa so stabilným fázovým centrom, dobrou schopnosťou

prijímať slabé signály z družíc a schopnosťou potlačiť rušivé vplyvy;

2. GNSS


• plánovanie merania - GPS merania sú citlivé na geometrické usporiadanie družíc a na

tienenie signálu (napríklad objektom, vegetáciou alebo terénom). Preto je na niektorých

miestach možnosť merať iba v určitú dennú dobu. Existujú špecializované programy, ktoré

sú schopné približne určiť polohu družíc na danom mieste v danú dobu, a tým zlepšiť

meranie. Ďalším faktorom sú i atmosferické podmienky pri meraní. Napríklad za búrky sú

presné merania GPS prakticky nemožné;

• platnosť efemeríd - pre správne určenie polohy prijímača je nutné vo výpočte používať čo

najpresnejšie a najaktuálnejšie dostupné efemeridy družíc. Tie môžeme získať rôznymi

spôsobmi z navigačnej správy družice alebo z internetových stránok prevádzkovateľa GPS.

Môžeme získať i efemeridy z almanachu v navigačnej správe alebo pomocou rôznych

softvérov na ich výpočet. U týchto efemeríd nemôžeme zaručiť ich platnosť, pretože by

mohlo dôjsť ku zmenám v kozmickom segmente GPS, ktoré v nich nie sú podchytené;

• presnosť efemeríd - efemeridy družíc systému GPS sú priebežne určované riadiacim

segmentom. Tieto efemeridy sú potom nahrávané na družice a nimi sú vysielané

užívateľom. Také efemeridy majú rádovo decimetrovú presnosť. Môžeme získať i

efemeridy presnejšie, a to na zvláštnu žiadosť u prevádzkovateľa systému. V celom systéme

avšak neexistuje kontrolný mechanizmus, ktorý by detekoval prípadné chyby v efemeridách

vysielaných družicami (napríklad vplyvom zlyhania družice alebo výpočtom v riadiacom

centre atď.), a preto je nutné toto overiť inak, napríklad dvojitým zameraním bodov;

• presnosť hodín na družiciach - družice síce majú na palube atómové hodiny, ale ich

presnosť nie je dostatočná. Naviac sú opravované riadiacim centrom, preto opäť hrozí

zlyhanie ako v prípade efemeríd;

• vplyv iónosféry a troposféry - tieto chyby sa označujú ako iónosférická a troposférická

refrakcia. Vplyv ionosférickej refrakcie môžeme vylúčiť použitím merania na dvoch

frekvenciách, pretože je priechod signálu ionosférou frekvenčne závislý. Tiež pri meraní

dvoma prijímačmi môžeme tento vplyv eliminovať použitím diferencií. Troposférickú

refrakciu môžeme veľmi presne modelovať a existujú na to špecializované softvéry;

• chyba hodín prijímača - táto chyba je riešená ako neznáma pri určovaní polohy;

• spôsob merania a vyhodnocovania - pri použití špeciálnych techník merania

a vyhodnocovania môžeme výrazne zlepšiť presnosť merania. Ide o relatívne spôsoby

merania, diferenciálnu metódu merania alebo DGPS, metódu RTK, metódu virtuálnych

referenčných staníc VRS alebo použitím pseudodružíc. Ďalším parametrom vyhodnotenia

GPS merania je použitá výpočtová metóda. Dnes sú už tieto metódy implementované

pomocou špecializovaných softvérov. Je ale nutné používať kvalitný a preverený softvér.

2. GNSS


Ďalší vplyv na presnosť má i transformácia meraných veličín do národných referenčných

systémov;

• hrubé chyby - akékoľvek chyby obsluhy prijímača, či chyby v samotnom prístroji alebo

použití softvéru [8].

Obr. 2.6 Ukážka rezu objemu vymedzenými guľovými plochami pri

dobrej a zlej geometrii usporiadania družíc [8]

2.1.5 Opatrenia na dosiahnutie vysokej presnosti Výsledná efektívna hodnota chyby určenia polohy je daná súčinom:

• smerodajnej odchýlky chyby merania vzdialenosti družice – užívateľ,

• člena, ktorý reprezentuje konfiguráciu družíc, tzv. PDOP (Positional Dilution

of Precision).

Z hľadiska presnosti je žiadúce merať vzdialenosti ku všetkým družiciam v jedinom

okamžiku. Taký príjem je možný, pokiaľ signál od rôznych družíc spracovávame paralelne v

rôznych kanáloch viackanálového prijímača.

Ďalšie zlepšenie presnosti určenia polohy je možné použitím ďalších nezávislých

snímačov polohy, ich výstupné údaje sú zavedené do Kalmanovho filtra. Takýmito snímačmi

môžu byť napr. dopplerovský merač traťovej rýchlosti alebo inerciálny navigačný senzor.

Môžeme použiť i ďalšie navigačné prostriedky, napr. i výškomery a presné atómové hodiny.

2.2 Diferenčný GPS Významné zvýšenie presnosti určovania polohy v reálnom čase sa dosahuje použitím

diferenčných metód merania. Diferencia údajov odmeraných dvoma blízkymi prijímacími

stanicami je zaťažená podstatne menšími chybami ako samostatne odmerané údaje. Pri týchto

meraniach je potrebné satelitný systém doplniť o pozemné majáky (referenčné stanice),

ktorých presné zemepisné súradnice sú známe. Do určitej vzdialenosti je potom možné

určovať opravy k polohe používateľa (automobil, lietadlo, loď). Pomocou satelitného systému

2. GNSS


sa určí poloha lietadla ako aj poloha majáka. Keďže poloha majáka je presne známa, vieme

stanoviť opravy, ktoré sa vyšlú do palubného počítača v lietadle a spresnia jeho polohu určenú

satelitným systémom.

Termínom diferenčný GPS alebo skrátene DGPS sa spravidla označujú systémy, ktoré

využívajú predovšetkým meranie oneskorenia kódu. Tieto systémy dosahujú presnosť okolo 1

metra a sú určené hlavne na navigáciu. Na rozdiel od väčšiny geodetických metód umožňujú

určovať polohu v reálnom čase a ak dôjde v dôsledku straty signálu k prerušeniu merania,

potom okamžite po obnovení príjmu sú schopné obnoviť meranie s plnou presnosťou. V

geodetických aplikáciách sa touto metódou dosahujú milimetrové presnosti.

2.3 GLONASS Obdobne ako americký GPS sa aj GLONASS člení na vesmírny, riadiaci a užívateľský

segment. Vyvíjal sa od konca sedemdesiatych rokov v bývalom Sovietskom zväze ako

reakcia na vývoj GPS. Dnes vo vývoji pokračuje Ruská federácia.

2.3.1 Základné segmenty systému Vesmírny segment

Projekt plne obsadenej konštelácie družíc pozostáva z 24 družíc rozmiestnených v

troch dráhových rovinách, so sklonom 64,8° ku rovníku, ktoré sú od seba posunuté o 120°.

Dráhy sú takmer kruhové, s výškou 19 100 km a dobou obehu 11h25min. Rovnaká

konštelácia družíc sa zopakuje po 8-mych hviezdnych dňoch, t.j. 17-tich obletoch družíc. Prvá

družica bola vypustená v roku 1982, odvtedy bolo postupne vypustených 85 družíc. Ich

nevýhodou je relatívne krátka životnosť, asi 2 – 5 rokov. V roku 2001 bolo aktívnych asi 8

družíc. Plná konfigurácia bola aktívna v roku 1996, odvtedy systém postupne degraduje.

Základná frekvencia pre GLONASS je 5,0 MHz a z nej sa odvádzajú nosné frekvencie v

pásme L1 a L2. Každá družica má pridelenú svoju vlastnú frekvenciu, na základe ktorej ju

možno jednoznačne identifikovať. Pseudonáhodné modulačné kódy sú pre všetky družice

rovnaké. Navigačná správa sa generuje každých 30 minút.

Riadiaci segment

Riadiaci segment sa kompletne nachádza na území Ruska. Hlavné kontrolné centrum

sa nachádza v blízkosti Moskvy, ostatné sú rozložené na území Ruska. Tieto centrá

monitorujú všetky viditeľné družice a určujú ich polohu a korekcie hodín k UTC(SU).

2. GNSS


Obnova navigačných údajov sa vykonáva dvakrát za deň. Súradnice sa vzťahujú

k referenčnému systému PZ-90. Nakoľko sú monitorovacie centrá rozmiestnené len na území

Ruska, tak je každá družica asi 16 hodín denne mimo dosah akéhokoľvek centra. Táto

nevýhoda sa prejavuje znížením presnosti určovania efemeríd.

Užívateľský segment

Užívateľský segment tvoria prijímače, užívatelia a postupy merania. Pretože je

budúcnosť systému GLONASS nejasná, počet typov prijímačov je veľmi obmedzený.

Prijímače vyrábané v Rusku sú robustnej konštrukcie, určené hlavne pre vojenské použitie.

Novšia generácia prijímačov je postavená na technológii integrovaných obvodov a má

možnosť spracovávať aj GPS signál. Umožňujú kódové aj fázové merania.

2.4 Navigačný systém GALILEO Začiatkom deväťdesiatych rokov zvažovala Európska únia svoj postoj k vytvoreniu

vlastného polohového systému. Bola vypracovaná analýza existujúcich navigačných

systémov a možnosti ich využitia pre Európu. Na jej základe bolo uvažovaných viacero

variantov. Prvý variant, ktorý je označovaný ako EGNOS, alebo GNSS-1, spočíval v

orientácii na existujúce systémy GPS a GLONASS, v ich dobudovaní a spoločnom využívaní.

Systém EGNOS sa začal budovať, ale pretože sa začal klásť veľký význam na to, aby to bol

systém nezávislý od akéhokoľvek štátu a armády, pristúpilo sa k druhému variantu, GNSS-2.

V tomto období sa ešte nehovorilo konkrétne o systéme Galileo, ale cieľ bol vybudovať

vlastný civilný navigačný systém. Dňa 17. júna 1999 vydala Európska dopravná rada ETC

(kolektívny orgán európskych ministrov dopravy), na odporúčanie Európskej únie (EU) a

Európskej vesmírnej agentúry (ESA) rozhodnutie, na základe ktorého sa začalo s prípravnou

fázou projektu Galileo. Do vývoja bolo zapojených veľa spoločností a vedeckých inštitúcií s

cieľom definovať základné časti tohto projektu. Táto prípravná fáza pozostávala z viacerých

projektov:

• GALA – definuje celkovú štruktúru a architektúru,

• GEMINUS – vznikla na podporu služieb definovaných Galileom,

• INTEG – na integrovanie systému EGNOS do Galilea,

• SAGA – na podporu štandardizácie systému Galileo,

• GalileoSat – na definíciu vesmírneho segmentu systému,

• GUST – na špecifikáciu a certifikáciu prijímačov pre systém Galileo,

2. GNSS


• SARGAL – možnosť využitia záchranného systému SAR pomocou družíc Galileo.

Ako nutné požiadavky pre projekt boli vyšpecifikované požiadavky na presnosť v

určení polohy s polomerom pod 10 m v 95% času, každú sekundu. Požiadavka na čas pre

určenie prvého fixu TTFF (Time to-first-fix) menej ako 15 sekúnd. Garancia presnosti času

33 nanosekúnd s 95% istotou. Celosvetová dostupnosť systému má byť nepretržitá v 99,7%

času. Vybudovanie kompletného systému Galileo a spustenie do komerčnej prevádzky sa

plánuje v roku 2010 - 2011, a celý projekt bude pozostávať z troch fáz:

• definícia systému (2003 - 2006),

• vývoj systému (2006 - 2008),

• rozmiestnenie a komerčná prevádzka (2009 - 2010, resp. 2011).

2.4.1 Definícia systému Na základe projektov, ktoré vznikli v prípravnej fáze, za účasti členských štátov EU a

súkromných investorov, vznikol obraz budúceho systému.

Dve hlavné úlohy, ktoré bolo treba zosúladiť, boli:

� pod vedením ESA bolo treba preveriť a zistiť systémové požiadavky a koncepciu systému a

bolo treba vykonať predbežné zhodnotenie návrhu systému,

� definovať služby a užívateľský prístup k systému, z časti verejne financovaným sektorom a

z časti ESA. Sem patria:

• architektúra lokálnych komponentov a prispôsobenie systému potrebám užívateľa,

• spolupráca Galilea a iných systémov (GNSS, GSM/UMTS …),

• koordinácia a ochrana frekvencií používaných Galileom,

• štandardizácia a certifikácia,

• definícia právneho a regulačného rámca.

2.4.2 Vývoj systému Fáza vývoja a overovania teoretických predpokladov obsahuje podrobný popis a

následnú výrobu a stavbu viacerých prvkov sústavy: družice, pozemné stanice, užívateľské

prijímače. Toto bude vyžadovať vypustenie prototypov družíc a vybudovanie časti

pozemských monitorovacích centier a infraštruktúry. Zároveň bude možný vývoj prijímačov a

testovanie pridelených frekvencií, ktoré boli pridelené Medzinárodným telekomunikačným

úradom. Táto fáza je riadená spoločnosťou Galileo Joint Undertaking, resp. GNSS

Supervisory Authority (GSA). Financovanie bude realizované z verejných zdrojov.

2. GNSS


2.4.3 Rozmiestnenie a komerčná prevádzka Fáza rozmiestnenia družíc na orbity bude závislá na predchádzajúcom overovaní a

testovaní, ale predpokladá sa postupné vypúšťanie družíc na obežné dráhy plynule od roku

2007 a posledná družica má byť vypustená a systém sprístupnený pre verejné používanie v

roku 2009 – 2010, resp. 2011. Financovanie tejto časti projektu bude realizované z verejných

aj súkromných zdrojov. Po spustení projektu majú byť náklady hradené iba z príjmov za

poskytované služby.

2.4.4 Architektúra systému Z architektúry vyplýva, že systém Galileo sa bude skladať zo štyroch hlavných súčastí,

tzv. komponentov:

• globálny komponent – zahrňuje kozmický a pozemný riadiaci segment;

• regionálny komponent – bude poskytovať nezávislé informácie o integrite signálov

Galilea. Tieto informácie budú prístupné regionálnemu poskytovateľovi tejto

služby a budú šírené prostredníctvom špeciálnych autorizovaných kanálov. Týchto

kanálov je v systéme Galileo definovaných 8, to znamená že na svete môže byť

definovaných až 8 nezávislých regiónov s vlastným monitorovaním integrity;

• lokálny komponent – má za úlohu ďalej skvalitňovať služby poskytované

regionálnymi komponentmi;

• užívateľský komponent - hlavný dôraz je kladený na to, aby mali prijímače

konkurencieschopný výkon a náklady porovnateľné s ostatnými systémami. Ďalej

je to potreba prispôsobenia sa k novým potrebám užívateľov a možnosť

multimodálneho využitia (to znamená možnosť spracovávať viacero rôznych

signálov spolu).

2.4.5 Globálny komponent Globálny komponent zahrňuje vesmírny a pozemný segment. Vesmírny segment

systému Galileo bude pozostávať z 30 družíc v troch pravidelných obežných dráhach. V

každej dráhe bude 10 družíc, z toho jedna bude aktívna záloha. Sklon dráh družíc voči

rovníku bude 56°, čo zabezpečí dobrý príjem signálu aj v severských častiach Európy.

Družice sa budú pohybovať vo výške približne 23 616 km nad povrchom Zeme. Jedna

perióda bude trvať 14h 4min a konfigurácia sa zopakuje raz za 10 dní. Táto konfigurácia je

nazvaná Walkerova, a je špeciálne optimalizovaná pre Európu.

2. GNSS


Pozemný riadiaci segment pozostáva z nasledujúcich súčastí:

• 5 TT&C staníc (Tracking, Telemetry & Command), ktoré budú mať za úlohu

komunikáciu s družicami,

• 9 ULS staníc (Up-link Stations) - tieto vysielacie stanice budú vysielať do družíc

navigačné správy,

• približne 30 staníc GSS (Galileo Sensor Stations), ktoré budú preberať signály z

družíc pre kontrolu integrity a časovej synchronizácie, budú rovnomerne

rozmiestnené po povrchu Zeme,

• 2 pozemných monitorovacích centier GCC (Ground Control Centres),

• ďalších lokálnych segmentov pre miestne rozšírenie integrity, presnosti,

dostupnosti a kontinuity signálu, závislé od vyžadovaných podmienok.

2.4.6 Lokálny komponent Bude poskytovať, kde to bude potrebné, zvýšený výkon systému a možnosť

kombinácie Galilea s inými systémami GNSS, pozemnými polohovými systémami a

komunikačnými systémami na miestnom základe. Na šírenie informácií budú využívané

predovšetkým existujúce pozemné komunikačné systémy. Toto umožní ďalšie zvýšenie

presnosti a integrity v okolí letísk, prístavov, veľkých vodných nádrží a v husto zastavaných

oblastiach. Vzhľadom na štyri kategórie služieb Galilea budú vytvorené tieto miestne prvky:

• presné navigačné prvky (Local Precision Navigation Elements); budú poskytovať

signály miestnych diferenčných korekcií (napr. vysielaním dát prostredníctvom

rádia, alebo GSM),

• navigačné prvky s vysokou presnosťou (Local High-Precision Navigation

Elements); budú zabezpečovať signály miestnych diferenčných dát;

• navigačné prvky s miestnou podporou (Locally Assisted Navigation Elements);

môžu byť použité na jedno-, alebo dvojcestnú komunikáciu (napr. pomocou GSM

alebo UMTS) ako pomoc pre používateľov prijímačov pri určovaní polohy

v ťažkých prírodných podmienkach;

• miestne rozšírenie navigačných prvkov (Local Augmented-Availability Navigation

Elements). Miestne stanice vysielajúce podobný signál ako satelity Galilea, tzv.

pseudolity sa použijú tam, kde bude potrebné zvýšiť dostupnosť ľubovoľnej

služby Galilea v definovanom priestore. Zvýšenie presnosti nastane zlepšením

geometrie spôsobeným vhodným umiestnením pseudolitu.

2. GNSS


2.4.7 Družice Galilea Družice Galileo patria do skupiny minisatelitov, s rozmermi cca 2,7m x 1,2m x 1,1m

dosiahnu hmotnosť približne 625 kg. Plánovaná životnosť družíc je 12 rokov. Na obežnú

dráhu budú vynášané raketami Ariane5 (každý jeden let dopraví na obežnú dráhu 8 družíc) a

Sojuz (vynesie 2 družice za jeden let). Rakety umiestnia družice priamo na strednú obežnú

dráhu.

2.4.8 Služby systému Návrh štruktúry a typov základných služieb bol základnou úlohou projektu. Tento

proces trval niekoľko rokov a prvá technická dokumentácia bola hotová na začiatku roku

2001. Bola nazvaná High Level Mission Definition, v preklade Definícia úloh vysokej

priority (HLD). V nej bol aj zoznam a rozsah pridružených služieb. Tento dokument bol

voľne rozšírený, prejednávaný a pripomienkovaný všetkými zúčastnenými stranami a

členskými štátmi. Druhá verzia tohto dokumentu bola pripravená v apríli 2001 na základe

pripomienok k prvej verzii. Nasledujúce uznesenie Rady Európskej komisie z 26. marca

2002, na základe najnovších vývojových trendov a pripomienok vývojárov a odbornej

verejnosti, vydalo poslednú zjednotenú verziu tohto dokumentu. V ňom je zadefinovaný:

• zoznam služieb, ktoré bude Galileo poskytovať,

• kvalitatívne charakteristiky služieb,

• technické charakteristiky služieb.

Galileo bude poskytovať služby vo viacerých úrovniach zabezpečenia, od voľne

prístupných až po služby štátnych záujmov s najvyšším zabezpečením.

• Open Service – OS - (verejná služba) – voľná, základná služba pozostáva z kombinácií

voľných frekvencií, ktoré budú bez poplatkov. Umožní určovanie polohy a času aj pomocou

iných GNSS systémov. Hlavné využitie sa predpokladá v mobilných telefónoch a v

prenosných osobných počítačoch, to znamená služba pre širokú verejnosť. Je porovnateľná

s GPS, ale s vyššou presnosťou a spoľahlivosťou;

• Safety of Life Service – SoL - (služba „bezpečného života“) – dopĺňa základnú službu, bude

poskytovaná s vyššou presnosťou. Jej využitie bude najmä pre aplikácie, ktoré musia mať

zabezpečený kvalitný signál, ako sú letecká a námorná doprava. Poskytuje informáciu

účastníkovi, keď zlyhá integrita signálu, do 6 sekúnd kdekoľvek na svete. Bude mať

zabezpečenú certifikáciu a garanciu;

2. GNSS


• Commercial Service – CS – (komerčná služba) – poskytuje lepší výkon, vyššiu presnosť a

väčšie množstvo informácií ako základná služba. Je využiteľná pre komerčné

a profesionálne účely, na vývoj profesionálnych aplikácií. Bude spoplatnená, umožní

prístup k dvom signálom s vysokou prenosovou rýchlosťou;

• Public Regulated Service – PRS - (služba obmedzená pre verejnosť) – poskytuje najvyššiu

presnosť, hlavne pre národné a nadnárodné záujmy, predovšetkým v oblasti bezpečnosti

(civilná ochrana, ochrana štátnej bezpečnosti, polícia, záchranný systém, neverejné

telekomunikačné siete). Bude prístupná iba pre autorizovaných užívateľov, signály budú

kódované, odolné voči rušeniu;

• Search and Rescue Service – SaR - (pátracia a záchranná služba) – bude slúžiť pre

záchranné systémy, bude v nej možné vysielať a prijímať núdzové signály, a na zlepšenie

medzinárodného záchranného systému COSPAS – SARSAT (systém, ktorý využíva satelity

a pozemské centrá na záchranné a pátracie operácie). Služby sú navrhnuté tak, aby

zabezpečili požiadavky väčšiny užívateľov, či už pôjde o lepšie pokrytie mestských štvrtí,

čo umožní kvalitnejšiu osobnú a automobilovú navigáciu v mestách, alebo satelitnú

navigáciu v budovách, tuneloch (v kombinácii s lokálnymi komponentmi systému), alebo

služby spojené s mobilnými telefónmi, založené na identifikácii pozície volajúceho

účastníka. Garancia špecifických parametrov systému (dosiahnuteľnosť, presnosť) umožní

napr. sledovať ukradnuté automobily, monitorovanie prepravy tovaru, atď. [1].

3. MONITOROVANIE POMOCOU GNSS



Pri monitorovaní deformácií systém pozostáva z dvoch druhov pozemných staníc. Je

to hlavná (riadiaca) stanica a sieť monitorovacích staníc. Monitorovacie stanice, ktorých

súradnice sú určované pomocou GPS, vysielajú tieto súradnice telemetricky do riadiacej

stanice. Tá spracováva prijaté informácie, vyhodnocuje ich a môže ich aj graficky

vizualizovať. Vzdialenosť každej monitorovacej stanice od riadiacej je zobrazená v reálnom

čase – akonáhle dôjde k prekročeniu dovolených zmien, vedie to k zaznamenaniu výstrahy.

Počet monitorovacích staníc závisí od veľkosti sledovaného územia, stavby, resp.

konštrukcie. Dosahovaná presnosť je v subcentimetrovej oblasti. Možné aplikácie: hrádze,

priehrady, sopečné masívy s predpokladanými erupciami, skládky odpadu, svahy ohrozené

zosuvmi pôdy, mosty a pod.

Využitie v poľnohospodárstve:

V poľnohospodárstve sa používajú prijímače GPS inštalované napríklad na žacích

strojoch, resp. obilných kombajnoch. Zariadenie zaznamenáva polohu a výnos obilia v danom

mieste. Záznam sa môže po spracovaní vložiť do iného zariadenia, ktorého súčasťou je opäť

prijímač GPS a ktoré ovláda práškovacie vozidlo. Zariadenie riadi hnojenie pozemku tak, aby

sa zlepšil výnos. Pri poľnohospodárskych aplikáciách sa vyžaduje vysoká presnosť, preto je

potrebné použiť DGPS.

Údaje o polohe získavané v priebehu pracovného procesu umožňujú kombináciu

rôznych požiadaviek na použitie hnojív a ochranných látok rastlín menej nákladným

spôsobom.

Pri použití GPS je východiskovým bodom odhad výnosov z polí, ktorý umožňuje

vypracovanie mapy výnosov, ako aj vypracovanie analýzy jednotlivých plôch poľa s

rovnakým potenciálom výnosov.

Príbuznou aplikáciou je presná navigácia a on-line kontrola, prípadne je možné

použitie vozidiel bez vodičov.

V nadväznosti na informácie o odoberaní živín, údaje o počasí, analýzy pôdnych živín

a údaje z pôdnych máp sú tieto informácie základom pre prognózu potrebného množstva

osiva a hnojiva presne podľa miestnych špecifík.



Využitie DGPS je dôležité teda pri stanovovaní výnosov, mapovaní, monitorovaní

počasia a pôdy a riadení distribúcie organického a minerálneho hnojiva.

Sledovanie zveri

Prijímač GNSS vybavený zdrojom energie a zvyčajne telemetrickým zariadením sa

upevňuje na telo zvieraťa za účelom získavania údajov o mieste výskytu zvierat. Vďaka

použitiu ďalšieho doplnkového zariadenia môžu byť vysielané i iné relevantné údaje

(zdravotný stav zveri a pod.). V závislosti od aplikácie a veľkosti zvieraťa môže byť

informácia vysielaná telemetrickým zariadením do centrálnej databázy v reálnom čase alebo

periodicky, aby sa redukovala spotreba energie. Všetky informácie je možné archivovať na

vhodnom zariadení a spracovávať údaje následne, po opätovnom zajatí zveri.

Vysielané údaje o mieste výskytu zveri v kombinácii s elektronickou mapou alebo

geografickým informačným systémom môžu byť teda využité na odhad smerovania zveri,

preferenčného miesta výskytu, prekonaných vzdialeností a pod. Týmto spôsobom je vlastne

možné získať informácie o správaní sa a zvykoch zveri.

Využitie v geodézii a pri mapovaní

Satelitné polohové systémy priniesli úplne novú kvalitu aj do tejto oblasti. Aplikácie v

oblasti geodézie a mapovania sa líšia predovšetkým v nárokoch na presnosť určovania polohy

[1].

3.1 Systémy včasného varovania K zlepšeniu záchranného systému prispeli nové technológie pre vysielacie

a komunikačné systémy. Tieto nové technológie sú navrhované na to, aby oznamovali

nebezpečenstvo pomocou mnohých druhov prenosových prostriedkov.

Poskytovanie efektívnej záchrannej signalizácie pre všetky oblasti regiónu bude

požadovať komplexný systém vytvorený z viacerých subsystémov. Toto bude nutné kvôli

širokej škále rizík, senzorových zariadení, informovaniu administratívy, dostupných

doručovacích prostriedkov, úmyslu príjemcu, požadovanej akcie, skorej požiadavky. Vo veľa

prípadoch sú rôzne požiadavky pre prípad signalizácie v nepredvídanej udalosti. Následkom

toho žiadny systém nebude plniť všetky potreby.



Efektívny záchranný výstražný systém sa skladá z viacerých súčastí. Jednou z

najdôležitejších je prenosová cesta, t.j. spôsob doručenia správy. Možno použiť viacero

komunikačných alternatív, vrátane:

• vysielania rádia a TV,

• káblovej televízie,

• internetu,

• telefónov bunkovej a digitálnej osobnej komunikačnej služby (PCS),

• vysielania družíc,

• pagerov,

• štandardného telefónu,

• NOAA poveternostného rádia (NWR),

• mobilnej satelitnej služby (MSS) a pod.

Bezdrôtové alternatívy varovného doručenia sú nevyhnutné pre prípad núdze z

viacerých dôvodov, najdôležitejším je možnosť doručovať výstražné správy ľuďom vo

všetkých typoch situácií. Bezdrôtové prostriedky sú výhodné pre prípad kritického ohrozenia

signalizácie.

Zatiaľ čo vysielané bezdrôtové prostriedky majú veľa výhod pre prípad núdzovej

signalizácie, majú tiež svoje nevýhody. Jednou z nich je nedostatok perfektného RF pokrytia

žiadaného systému. Preto sa pokrytie a spoľahlivosť systému zväčšujú využitím väčšieho

množstva komunikačných prostriedkov.

Záchranné výstražné systémy požadujú, aby boli zlučiteľné s novými technológiami a

neboli príliš závislé na starých technológiách. V súlade s touto myšlienkou je dôležité pre

nový systém použiť digitálne formáty správy. Naviac musia byť nové systémy flexibilné

a rozšíriteľné.

Schopnosť presne varovať špecifické oblasti je základom pre predchádzanie

problémom pri varovaní verejnosti. S GPS technológiou a schopnosťou, aby posielala

výstražné správy, ktoré obsahujú precízne zemepisné súradnice ohrozenej oblasti je tento

zámer uskutočniteľný. Varovné správy môžu byť vysielané všetkým prijímačom v oblasti

pokrytia rôznych vysielačov. Prijímače by filtrovali správy na základe informácií o umiestení

prijímača. Iba tie vo vnútri ohrozeného regiónu by takto alarmovali užívateľa o hroziacom

nebezpečenstve. Týmto spôsobom môžu byť ľudia selektívne informovaní o aktuálnom

nebezpečenstve. Táto technika by zlepšila efektivitu systémov niekoľkými spôsobmi. Správy



môžu vysielať nielen kde je nebezpečie, ale tiež predísť zablokovaným cestám s ľuďmi, ktorí

potrebujú opustiť oblasť ohrozenia.

Varovný systém založený na umelých regiónoch môže vykazovať niekoľko

problémov. Hranice týchto regiónov sa môžu meniť. Toto môže mať za následok významné

konfiguračné kontrolné problémy a nakoniec môže spôsobiť nežiadúci zmätok. Veľa ľudí pri

varovaní nemusí vedieť, v ktorom regióne sa práve nachádzajú. To je zvlášť významné

napríklad pre turistov. Tieto regióny nemusia mať správnu veľkosť a tvar pre danú špecifickú

hrozbu. Záchranná signalizácia by preto mala uvažovať s GPS prijímačmi na určenie

zemepisnej polohy.

Významné administratívne a zákonné prekážky a nástrahy súvisia s naliehavým

prípadom signalizácie. Niektoré z týchto signalizácií môžu byť minimalizované rozvíjaním

systému, ktorý poskytuje správu výstrahy nasmerovanú z monitorovacej oblasti ("senzorová

oblasť"), snímajúcej dáta o blížiacej sa nežiadúcej (nebezpečnej) zmene prostredia.

Signalizácia by mohla byť použitá pri zemetraseniach, ohňoch, pri tsunami, tornádach,

pri situáciách s nebezpečnými nákladmi (HAZMAT), terorizme, biologickej vojne, záplavách,

ľadovej búrke, hurikáne, prepuknutiu ochorenia, vulkánoch, silných vetroch, dopravných

nešťastiach väčšieho rozsahu a iných nepredvídateľných udalostiach [19].

3.2 Určovanie priestorovej polohy Pri použití špeciálnych techník merania a vyhodnocovania môžeme výrazne zlepšiť

presnosť merania. Ide o relatívne spôsoby merania, diferenciálnu metódu merania, metódu

virtuálnych referenčných staníc VRS alebo použitím pseudodružíc. Ďalším dôležitým

momentom pri vyhodnocovaní GPS merania je použitá výpočtová metóda. Dnes sú už tieto

metódy implementované pomocou špecializovaných softvérov. Je ale nutné používať kvalitný

a preverený softvér. Nezanedbateľný vplyv na presnosť má i transformácia meraných veličín

do národných referenčných systémov.

Dôležitou výhodou GPS je presnosť. Prirodzená presnosť GPS prijímača môže byť

využitá alebo naopak degradovaná. Zvýšená môže byť dôkladným spracovaním, degradovaná

môže byť akceptovaním významných zdrojov chýb. Nasledujúci zoznam obsahuje tri kritické

techniky ako dôkaz centimetrovej alebo dokonca milimetrovej presnosti v určení polohy:

1 Práce s dvoma či viacerými prijímačmi. Základná idea diferenciálneho GPS (DGPS) je

určiť rozdiely v polohe miesto určenia absolútnej polohy. Chyby spôsobené

prijímačmi sa vylúčia, pokiaľ použijeme diferenčnú metódu.



2 Opakovať meranie. Postupnosť meraní má významne menší rozptyl ako jednotlivé

meranie. Ak sa prijímač pohybuje, Kalmanov filter môže vysvetliť zmeny stavov

rovnako ako nové meranie.

3 Odhad všetkých zdrojov chýb v uskutočnených meraniach.

Obr. 3.1 Určovanie priestorovej polohy [4]

3.2.1 Určovanie absolútnej polohy Pomocou kódových alebo fázových meraní môžeme určovať vzdialenosti na družice.

Absolútna poloha prijímača je potom odvoditeľná z týchto nameraných dĺžok. Ide nám

o polohu v 3-D priestore, preto potrebujeme tri namerané dĺžky, pretnutím ktorých získame

polohu v priestore. Tieto dĺžky sú zaťažené rôznymi druhmi chýb. Pri absolútnom určovaní

polohy môžeme eliminovať chybu synchronizácie hodín. Opravu hodín na družiciach zaisťuje

riadiaci segment, preto zostáva otázkou iba oprava hodín prijímača ∆T voči systémovému

času. Tento časový posun spôsobí chybné určenie vzdialenosti na družici (určíme iba

pseudovzdialenosti). Chyba dĺžok je rovná c.∆T. Preto sa dĺžky nepretnú v jednom bode, ale

iba určia v priestore oblasť, kde sa bude daný bod vyskytovať. Je preto nutné ∆T určiť a

vykonať opravu. Máme tak štyri neznáme X, Y, Z a ∆T. Treba zaviesť ďalšiu rovnicu do

sústavy a tak určiť štvrtú pseudovzdialenosť k ďalšej družici. Výsledná sústava potom vyzerá

takto:

TczZyYxXr

TczZyYxXr

TczZyYxXr

TczZyYxXr

∆−−+−+−=

∆−−+−+−=

∆−−+−+−=

∆−−+−+−=

.)()()(

.)()()(

.)()()(

.)()()(

24

24

244

23

23

233

22

22

222

21

21

211



Premenné ri znamenajú namerané pseudovzdialenosti. X,Y,Z sú súradnice prijímača,

xi, yi, zi sú súradnice družíc, ∆T je chyba v synchronizácii hodín a c je rýchlosť svetla.

Neznáme, ktoré určujeme, sú súradnice prijímača a ∆T.

Takto získame súradnice v systéme WGS-84. Prevod týchto súradníc do iných,

väčšinou národných systémov, sa musí realizovať až následne. Presnosť absolútneho určenia

polohy nie je príliš vysoká a je silne ovplyvnená atmosférou i ďalšími poruchami. Jej hodnota

je udávaná rádovo v metroch.

3.2.2 Určovanie diferenčnej (relatívnej) polohy Princíp relatívneho určovania polohy sa používa pri geodetických úlohách. Tu však

ide o určovanie polohy na základe sledovania diaľkomerných kódov. Pri tomto spôsobe

určovania polohy nie sú merané absolútne polohové súradnice, ale určujeme polohu

vzhľadom k pevnému známemu bodu, na ktorom je umiestnená ďalšia GPS aparatúra. Tá je

nazývaná referenčná. Referenčná aparatúra tiež určuje svoju pozíciu absolútne, a tým že

pozná svoje správne súradnice, môže určiť opravné korekcie súradníc získaných z

absolútneho merania. Tieto korekcie sú buď v reálnom čase odovzdávané do prijímača

používaného na meranie, alebo sú použité až pri následnom spracovaní merania na pracovisku

(angl. postprocessing). Táto metóda predpokladá, že podmienky merania sú pri oboch

používaných prístrojoch rovnaké a merania sú potom zaťažené rovnakými chybami, ktoré sa

formou korekcií opravia. Touto metódou môžeme dosiahnuť presnosť až niekoľko decimetrov

pri kódových meraniach a milimetrovú presnosť pri fázových meraniach.

3.2.2.1 Postprocessing Pri sieti referenčných staníc nie je nevyhnutné, aby tieto stanice vysielali korekčné

údaje v reálnom čase (ak nie sú určené na navigáciu). V tom prípade stačí, aby bola každá

referenčná stanica pripojená k počítaču PC a telefónu, vybavenému službou nazývanou BBS

(prenos dát po telefóne), prípadne je možné využiť internet. Potom sa každý užívateľ môže

ľahko spojiť s touto službou a preniesť si korekčné údaje pre časový úsek, kedy uskutočňoval

meranie. Potom už len stačí spoločne spracovať dáta namerané v teréne a dáta z referenčnej

stanice a získať tak potrebné výsledky [11].

3.2.2.2 RTK



Osobitnou formou relatívnych kinematických meraní je kinematická metóda v

reálnom čase - RTK (Real Time Kinematics). Prístrojové vybavenie pozostáva z jedného

referenčného, nepohybujúceho sa prijímača a druhého pohybujúceho sa prijímača. Oba

prijímače uskutočňujú simultánne fázové merania. Podstatné je, že medzi prijímačmi je trvalé

rádiové spojenie prostredníctvom modemov. Vzhľadom na množstvo údajov určených na

prenos musí mať modem vysokú prenosovú rýchlosť (min. 19 200 baudov).

Princíp RTK spočíva v okamžitom prenose odmeraných údajov z referenčného

prijímača prostredníctvom rádiového spojenia do pohybujúceho sa prijímača. Tento má v sebe

zabudovaný softvér na spracovanie fázových meraní, takže hneď po inicializácii sa z meraní

prijatých z referenčného prijímača a z vlastných meraní môžu tvoriť diferencie a uskutočniť

celkové spracovanie relatívneho určovania polohy s využitím vysielaných efemeríd.

Oneskorenie spracovania je len niekoľko sekúnd po meraní, takže ide prakticky o

prácu v reálnom čase. Inicializácia sa uskutočňuje výlučne metódou OTF, pričom stačí

meranie počas 30 sekúnd. Po inicializácii meranie môže pokračovať buď spojite na stále sa

pohybujúcom prijímači, alebo sa prijímač na krátky okamih zastaví na meranom bode. Ak sa

príjem signálu preruší, treba znova určiť ambiguity metódou OTF. Spoľahlivosť RTK závisí

najmä od výkonu rádiového modemu zabezpečujúceho spojenie referenčného a pohybujúceho

sa prijímača. Alternatívnou možnosťou je spojenie prijímačov prostredníctvom siete GSM.

Merania metódou RTK možno uskutočniť dvoma metódami:

• statické meranie v reálnom čase: najlepšie výsledky sa dosiahnu, ak meranie na

bode trvá niekoľko minút. Výsledné súradnice sú priemerom meraní z intervalu,

počas ktorého bol prijímač na určovanom bode. Polohová presnosť sa udáva podľa

vzťahu: 5mm + 2ppm.b, kde b je vzdialenosť medzi referenčným a pohybujúcim

sa prijímačom;

• kinematické meranie v reálnom čase: pohybujúci sa prijímač plynule mení svoju

polohu, registrujú sa okamžité súradnice. Záznam súradníc môže byť v intervale

0,1 s až niekoľko desiatok sekúnd. Polohová presnosť sa udáva podľa vzťahu 10

mm + 2 ppm.b.

Softvéry pre metódu RTK poskytujú okrem možnosti práce v geocentrickom systéme

(súradnice X, Y, Z alebo B, L, H na elipsoide WGS-84) aj prácu v rovinnom systéme s tým,

že majú možnosť voľby kartografického zobrazenia. Okrem toho majú aj zabudovanú

možnosť určenia transformačných parametrov na základe merania identických bodov.

Súčasťou výsledku merania, ktorý sa indikuje na displeji pohybujúceho sa prijímača, sú

okrem rovinných súradníc vo zvolenom súradnicovom systéme aj výšky (elipsoidické, alebo v



prípade znalosti priebehu geoidu aj nadmorské), ako aj charakteristiky presnosti určenia

okamžitej polohy.

3.3 Základné princípy merania

Dnes sú budované družicové polohové systémy pasívneho charakteru. Prijímač určuje

svoju vzdialenosť z vysielania jednotlivých družíc kozmického segmentu. Svoju polohu

určuje pretínaním. Merané vzdialenosti môžeme určovať na základe:

• kódových meraní,

• fázových meraní,

• dopplerovských meraní (tento spôsob sa v GPS bežne nevyužíva).

3.3.1 Kódové meranie Kódové merania sa využívajú pri určovaní vzdialenosti medzi prijímačom a družicami

pomocou diaľkomerných kódov vysielaných jednotlivými družicami. Tieto kódy slúžia ako

presné časové značky umožňujúce určiť čas, kedy bola odvysielaná ktorákoľvek časť signálu.

Prijímač príchodom signálu identifikuje diaľkomerný kód príslušnej družice, zistí čas

odoslania a prijatia jednej sekvencie kódu. Z toho určí časový rozdiel ∆ti a vzdialenosť medzi

prijímačom a družicou di podľa vzťahu:

ctd ii .∆=

kde c je rýchlosť šírenia rádiových vĺn.

Hodiny (časová základňa) prijímača nie sú celkom synchrónne s časom systémovým,

hodnota ∆ti je zaťažená chybou hodín prijímača. Tým je spôsobené to, že neurčíme výpočtom

skutočnú vzdialenosť, ale tzv. zdanlivú vzdialenosť (angl. pseudorange). Pri odvodení reálnej

dosiahnutej presnosti pre kódové meranie berieme do úvahy, že frekvencia diaľkomerných

kódov je v úrovni jednotiek megahertzov pre frekvenciu L1 a desiatok megahertzov pre

frekvenciu L2. Vlnové dĺžky odpovedajúce týmto frekvenciám sú 300 m, resp. 30 m. Reálne

dosiahnuteľná presnosť merania sa udáva v rozsahu 1 - 2 % vlnovej dĺžky a tak vychádza

reálne dosiahnuteľná presnosť v prvom prípade 3 až 6 m, v druhom prípade 0,3 až 0,6 m. Ide

však o chybu spracovania diaľkomerného kódu, ďalšie chyby ako je prostredie, nepresnosti

hodín a pod. tu nie sú započítané.

3.3.2 Fázové meranie



Zatiaľ čo pri kódových meraniach sa snažíme získať informáciu namodulovanú na

nosnú vlnu vysielanú družicou, pri fázových meraniach spracovávame samotnú nosnú vlnu.

Snažíme sa počítať počet vlnových dĺžok medzi prijímačom a družicou, ktorá vysiela signál.

Zostáva tu ešte časť posledného kmitu vlny, tú sme schopní určiť s dostatočnou presnosťou

priamo v prijímači. Problém sa nám tým zmenší ale iba na určovanie počtu celých vlnových

dĺžok. Tento pojem sa nazýva celočíselná nejednoznačnosť (angl. ambiguity). Pre riešenie

nejednoznačnosti (neznámeho počtu vlnových dĺžok medzi družicou a prijímačom) existuje

celý rad metód a pracovných postupov. Konkrétne riešenie je závislé od druhu a kvality

používaného vybavenia a jeho riadiaceho softvéru. Ak je však už určená nejednoznačnosť, je

prijímač schopný sledovať zmeny vo fáze nosnej vlny, a tým i prípadnú zmenu svojej polohy

a z toho odvoditeľné ďalšie veličiny, napr. rýchlosť, trajektóriu a iné. Pokiaľ sa preruší

plynulé sledovanie nosnej vlny, dôjde k tzv. fázovému skoku a prijímač už nie je schopný

ďalej sledovať a určiť svoju polohu. Musia sa opätovne určiť celočíselné nejednoznačnosti.

Výpadok nastáva v dôsledku zatienenia signálu (terénnou prekážkou, vegetáciou, obsluhou)

alebo v dôsledku iného priveľkého oslabenia signálu a jeho straty v šume. Presnosť fázového

merania je závislá od vlnovej dĺžky spracovávanej nosnej vlny. Opäť sa dá predpokladať

chyba spracovania signálu v prijímači cca 1 - 2% vlnovej dĺžky. Vlnová dĺžka je rovná rádovo

niekoľko málo desiatok centimetrov. Na základe toho môžeme povedať, že presnosť určenia

vzdialenosti medzi prijímačom a družicou bude rádovo milimetrová.

3.3.3 Dopplerovské meranie V dôsledku relatívneho pohybu družice voči prijímaču sa priebežne mení frekvencia

prijímaného signálu (dopplerovský posun frekvencie je meraný na nosnej vlne). Tento

frekvenčný posun je po určitú dobu meraný a potom je na základe získaných údajov

vypočítaná zmena radiálnej vzdialenosti medzi družicou a prijímačom. Poloha prijímača

potom môže byť vypočítaná z týchto rozdielov vzdialeností. Toto meranie môžeme síce

využiť na určenie polohy, ale skôr sa využíva na určovanie rýchlosti, akou sa prijímač

pohybuje [8].

3.4 Referenčné stanice

Referenčná stanica je GPS prijímač umiestený v bode s presne známou polohou,

ktorého programové vybavenie umožňuje sledovať všetky viditeľné družice a počítať pre ne



korekčné údaje. Situácia však nie je tak jednoduchá, pretože korekcie by mali byť určené na

základe rovnakej konštelácie družíc s rovnakým DOP, ktorú používa pre meranie vzdialený

prijímač, aby bola splnená podmienka rovnakých chýb. Referenčné stanice boli najskôr

budované na báze presných prijímačov GPS, vybavených počítačom so špeciálnym

programovým vybavením pre výpočet diferenčných korekcií v reálnom čase. Tieto korekcie

potom boli publikované prostredníctvom vysielača alebo prostredníctvom služby BBS, v

súčasnej dobe prostredníctvom internetu.

Užívateľské prijímače musia mať k dispozícii korekcie pre všetky družice, ktorých

signály môžu prijímať. Prijímač referenčnej stanice preto musí byť schopný prijímať signály

všetkých viditeľných družíc. Z toho vyplýva, že tento prijímač by mal byť napr. pre systém

GPS dvanásťkanálový (teoreticky viac ako 12 z plánovaného počtu 24 družíc nemôže byť

súčasne nad horizontom).

Postupom času sa konštrukcia referenčných staníc vyvinula do oveľa

komplikovanejšej podoby. Dnešné špičkové referenčné stanice sú konštruované ako

redundantné, s externými hodinami [11].

Obr. 3.2 Štruktúra klasickej DGPS referenčnej stanice

3.4.1 Referenčná stanica Trimble R8

Obr. 3.3 Integrovaná RTK/PP zostava značky Trimble, model R8 [5]



V ľavej časti obr. 3.3 je ilustrovaná referenčná stanica pre merania v reálnom čase

(RTK merania) umiestnená na statíve (s detailným záberom na GPS prijímač R8 v strede), ku

ktorej už nie je nutné nič pripájať, obsahuje totiž všetko na to, aby fungovala ako samostatná

referenčná stanica GPS na merania v reálnom čase a postprocessing (PP): dvojfrekvenčný

GPS prijímač s internou pamäťou (schopný merania nového GPS signálu L2C) a GPS anténu,

vysielací rádiomodem a internú batériu.

V pravej časti obr. 3.3 je mobilný GPS prijímač (s rovnakými technickými

parametrami ako referenčná stanica) s kontrolnou jednotkou (poľným počítačom), ktorá je

schopná komunikovať s GPS prijímačom bezkáblovou technológiou BlueTooth.

Súčasťou celého RTK/PP systému je aj prenosná a odnímateľná kontrolná jednotka

(poľný počítač) ACU (Attachable Control Unit), obr. 3.4

Obr. 3.4 Prenosná kontrolná jednotka (poľný počítač) ACU pre GPS RTK/PP

ACU je v podstate od GPS prijímača nezávislý poľný počítač s operačným systémom

Windows CE, s farebným dotykovým displejom, so 64 MB RAM pamäťou a 128 MB resp.

512 MB pevným diskom. Má zabudovanú komunikačnú technológiu BlueTooth. S

nainštalovaným softvérom Survey Controller umožňuje kompletné ovládanie procesu

RTK/PP meraní a komplexné geodetické výpočty.

S kontrolnou jednotkou ACU a so softvérom Survey Controller je možné v rámci

jedného projektu spoločne registrovať nielen merania GPS, ale aj terestrické observácie

klasickými totálnymi stanicami a nivelačné merania, ktoré je potom možné komplexne

spracovať. V priebehu merania je v prípade potreby možné registrovať aj popisné informácie



(atribúty) o meraných objektoch vo formátoch vhodných pre geografický informačný systém

(GIS).

Na tomto mieste je vhodné poznamenať, že GPS merania v reálnom čase (RTK)

automaticky určujú priestorové trojrozmerné (3D) súradnice meraných objektov. Tretím

parametrom je nadmorská výška, ktorú je možné určiť na úrovni presnosti technickej

nivelácie vďaka zabudovaným modelom rôznych geoidov priamo v aplikačných softvéroch,

ktoré sú štandardnou súčasťou RTK/PP zostáv.

Žiaľ, veľmi kvalitný celoslovenský model geoidu svojou presnosťou spoľahlivo

dosahujúci (v kombinácii s geodetickými GPS meraniami) úroveň presnosti technickej

nivelácie (t.j. jeho použitie v kombinácii s geodetickými GPS meraniami by úplne

eliminovalo potrebu technickej nivelácie), nie je slovenskej geodetickej komunite

využívajúcej GPS technológiu komerčne dostupný (a veľmi pravdepodobne ani známy), čo je

určite jedným z najväčších problémov slovenskej geodézie, nad ktorým by mali kompetentné

inštitúcie pouvažovať.

Avšak v prípade existencie funkčnej GPS infraštruktúry ponúka model R8 (RTK GPS

prijímač) aj alternatívny spôsob komunikácie s riadiacim strediskom permanentných staníc

GPS (okrem rádiomodemu) a tým je interný modul GSM s internou GSM SIM kartou (obr.

3.5), ktorý eliminuje potrebu pripojenia externého GSM telefónu k GPS prijímaču [5].

Obr. 3.5 Interná GSM SIM

karta integrovaná v GPS

RTK prijímači, model R8 [5]

3.5 Metóda VRS (virtuálne referenčné stanice) Určovanie polohy pomocou RTK s GPS je jedna z najviac používaných lokalizačných

techník s vysokou presnosťou, hoci efekty z iónosféry a troposféry s vytvárajúcimi

systematickými chybami v prvotných dátach čiastočne obmedzujú jej používanie. Prakticky

to znamená, že vzdialenosť medzi roverom – prijímačom a jeho referenčnou stanicou má byť

dosť malá, aby pracovali efektívne.

V niektorých krajinách existuje GPS sieť referenčných staníc a poskytuje dáta

individuálnym účastníkom. Pre RTK, kvôli potrebe malých vzdialeností medzi referenčnou



stanicou a roverom, potrebujú byť referenčné stanice siete veľmi husto rozmiestnené.

Niektoré stanice štátnej siete nie sú husto rozmiestnené na poskytovanie kompletného

pokrytia RTK. Situácia je horšia počas obdobia veľkej slnečnej aktivity.

Použitie sietí referenčných staníc namiesto jednej referenčnej stanice dovolí

poskytovateľovi možnosť redukcie chýb. To umožní užívateľovi nie veľmi zvýšiť

vzdialenosť, ale zvyšuje to spoľahlivosť a znižuje RTK nastavovací čas. Opravy chyby v sieti

môžu byť prenesené do rovera v dvoch možných režimoch:

1. pomocou virtuálnej referenčnej stanice. Tento mód vyžaduje obojsmernú

komunikáciu. Základná výhoda tohto módu je to, že využíva existenciu RTCM

a CMR štandardov implementovaných do všetkých hlavných geodetických roverov –

prijímačov a tak je kompatibilný s existujúcim hardvérom;

2. pomocou vysielajúceho režimu, v ktorom opravy chýb spôsobené atmosférickými

a orbitálnymi efektami sú prenášané v špeciálnom formáte, čo vyžaduje zmeniť

hardvér rovera – prijímača alebo implementáciu ešte jedného hardvéru na zmenu

neštandardného formátu na štandard RTCM pred jeho použitím.

Obr. 3.6 Koncept virtuálnej referenčnej stanice [6]

Návrh virtuálnej referenčnej stanice (VRS) je založený na sieti referenčných staníc

trvalo spojených dátovými spojmi s kontrolným centrom. Počítač v kontrolnom centre

neustále zhromažďuje informácie zo všetkých prijímačov a vytvára pevnú databázu

regionálnej oblasti opravy.

To sa využíva na vytvorenie VRS, umiestnenej iba niekoľko metrov od miesta, kde je

situovaný nejaký rover spolu s nespracovanými dátami. Rover analyzuje a vyhodnocuje dáta



a používa ich, ako by pochádzali z reálnej referenčnej stanice. Výsledné zlepšenie výkonu

RTK je dynamické.

Realizácia VRS myšlienky do funkčného riešenia systému je v nasledujúcich

prípadoch. Najprv potrebujeme najmenej tri referenčné stanice spojené so sieťovým serverom

cez komunikačné linky.

Obr. 3.7 Sieťový náčrt VRS

GPS rover odosiela svoju približnú pozíciu do kontrolného centra, čo je riadené cez

GPS sieť. Pritom sa používa komunikácia mobilného telefónu na posielanie štandardu

NMEA. Tento prenosový reťazec sa nazýva GGA. NMEA formát bol vybraný, pretože je

dostupný na väčšine prijímačov.

Obr. 3.8 Prenos NMEA správy z VRS do

sieťového servera

Kontrolné centrum akceptuje pozíciu a odpovedá poslaním RTCM korekčných dát do

rovera. Len čo sú prijaté, rover vypočíta vysokú kvalitu DGPS riešenia a akceptuje pozíciu.

Rover potom vyšle svoju novú pozíciu do kontrolného centra.



Obr. 3.9 Korekčný sieťový prenos RTCM

správy do VRS

Sieťový server hneď prepočíta nové RTCM korekcie tak, že sa objavia prichádzajúce

zo stanice vedľa rovera. Rover posiela späť dáta cez sieť GSM. Pre DGPS riešenie je presnosť

v tolerancii ± 1m.

Pomocou konceptu VRS sa vysoko zlepšuje presnosť určovania polohy, podobne ako

pri RTK [7].

3.6 Sieť referenčných staníc DGPS Táto metóda našla v praxi široké uplatnenie. Po celom svete sa budujú siete

permanentných referenčných staníc, ktoré uľahčujú a spresňujú používanie systému GPS.

Permanentná sieť je zložená z prijímačov GPS umiestnených trvale na známom bode

a nahradzuje druhý pristroj, ktorý by inak užívateľ musel vlastniť a obsluhovať počas merania

a tým vlastné meranie zefektívňujú a zlacňujú. Ďalšou funkciou permanentných staníc je

kontrola integrity systému GPS. Pokiaľ niektoré družice vysielajú zlé údaje, sú stanice

schopné tieto chyby identifikovať a upozorniť mobilný meriaci prístroj, aby danú družicu

vylúčil z merania.

Kameňom úrazu pri sieťach referenčných staníc býva ich hustota pokrytia daného

priestoru. Referenčná stanica musí určovať korekcie v takom istom prostredí, v akom je

mobilný prijímač, aby bolo možné splniť predpoklad korelácie medzi diferenciami. Tu je

rozdiel medzi poskytovaním korekcií pre fázové a pre kódové meranie. Pre kódové merania

sú použiteľné korekcie do vzdialenosti okolo 200 km, pre fázové meranie je táto vzdialenosť

okolo 40 až 50 km.

Siete referenčných staníc môžu byť vybudované rôznymi spôsobmi. Tie sú zhrnuté do

troch modelov:



• Centralizovaný model - systém tvoria jednotlivé referenčné stanice, ktoré nie sú navzájom

prepojené. Existuje iba centrálna (alebo tiež riadiaca) referenčná stanica, ku ktorej sú

ostatné stanice pripojené. Dáta zbierané referenčnými stanicami sú na nich čiastočne

archivované a odovzdávané ďalej do riadiacej stanice. Tá zaisťuje kompletnú správu dát a

archiváciu zo všetkých pripojených staníc. Je schopná ich spracovať a napríklad predikovať

presnejšie efemeridy. Nazbierané dáta je potreba distribuovať ďalej, a preto je hlavná

stanica vybavená komunikačným rozhraním s užívateľmi systému, najčastejšie pomocou

internetu.

• Distribuovaný model - referenčné stanice v tomto systéme sú prepojované medzi sebou tak,

aby si susedné stanice mohli vymieňať observačné dáta medzi sebou. Každá z referenčných

staníc uskutočňuje vlastnú správu dát a zároveň má k dispozícii aj dáta z okolia, a je

schopná na základe týchto informácií spresňovať poskytované korekcie. Dlhodobú

archiváciu dát poskytuje regionálna riadiaca stanica. Tá je vďaka dátam z jej podriadených

staníc schopná spresňovať pozorovanie napríklad výpočtom kvalitnejších efemeríd ako

poskytuje sám systém GPS. Distribúcia korekcií užívateľom prebieha na báze regionálnych

staníc. Tento systém je spoľahlivejší ako centralizovaný, pretože nekladie toľko úloh na

jedinú stanicu.

• Hybridný model - referenčné stanice sú spojené s regionálnou stanicou, kam iba

odovzdávajú dáta. Ostatné potrebné funkcie ako komunikácia s užívateľom, spracovanie a

archivácia dát sú riešené v regionálnej riadiacej stanici (rovnako ako pri distribuovanom

modeli). Za optimálny je považovaný distribuovaný model.

Metóda DGPS je pomocná a zlepšuje presnosť iných použitých metód. Jej hlavný

prínos je v oblasti sprístupnenia a zefektívnenia GPS merania. Pokiaľ sieť referenčných staníc

má pokryť súvislé územie, treba vhodne určiť maximálnu možnú vzdialenosť medzi

referenčnými stanicami v tejto sieti. Vzdialenosť od referenčnej stanice je určená aj limitnými

parametrami týchto metód. Napríklad pri rýchlej statickej metóde je to 30-40 km. Pri použití

výkonných systémov RTK by vzdialenosť referenčných staníc mohla byť i väčšia. Záležalo

by na tom, ako výkonnú máme RTK aparatúru. Pokiaľ by bola schopná merať vektory až do

30 km, mohla by byť vzdialenosť referenčných staníc 60 km. Pokiaľ by to bolo viac, nemuseli

by byť zmieňované metódy pre meranie vôbec použiteľné, alebo by mohlo dôjsť k zhoršeniu

presnosti, či k predĺženiu inicializačných časov metód.

Systém takýchto permanentných GPS staníc je ovládaný riadiacim softvérom v

riadiacom centre, ktorý na základe približnej polohy registrovaného užívateľa, ktorá je



odoslaná do riadiaceho centra napr. pomocou GSM telefónu z lokality merania, vypočíta

virtuálnu referenčnú stanicu (reálne neexistujúcu) z najbližších reálnych referenčných staníc a

vzhľadom na jej polohu (súradnice) mu generuje a posiela korekčné údaje [8].

3.6.1 Európska sieť referenčných staníc EUREF Podľa novej štruktúry IAG (Medzinárodná asociácia geodézie), prijatej na valnom

zhromaždení IUGG (Medzinárodná únia geodézie a geofyziky) v roku 2003 v Sappore, je

EUREF - európsky referenčný rámec súčasťou IAG Komisie 1- Referenčné systémy, v

podrobnejšom členení Subkomisie 1.3 - Regionálne referenčné rámce. EUREF bol založený v

roku 1987 na valnom zhromaždení IUGG vo Vancouveri.

EUREF sa zaoberá definovaním, realizáciou a údržbou Európskeho referenčného

rámca - jednotnej geodetickej infraštruktúry pre presné georeferencovanie v celej Európe

(napr. určovanie 3D-polohy, geodynamika, presná navigácia, GIS, atď.) so zameraním sa na

priestorovú aj výškovú zložku, v úzkej spolupráci s IAG a EuroGeographics (konzorcium

národných mapovacích a katastrálnych organizácií).

EUREF vyvíja celý rad aktivít vzťahujúcich sa k založeniu a údržbe Európskeho

terestrického referenčného systému ETRS 89 a Európskeho vertikálneho referenčného

systému EVRS. Od roku 1995 ako kľúčový nástroj na údržbu ETRS 89 slúži sieť

permanentných staníc rozmiestnených po celej Európe EUREF - permanentná sieť EPN,

kontinuálne prijímajúca signály z družicových systémov NAVSTAR GPS a GLONASS.

3.6.2 SKPOS: Slovenská priestorová observačná služba využitia signálov

GNSS Permanentná služba globálnych navigačných satelitných systémov je sieť

kooperujúcich staníc, ktorá spracúva a v reálnom čase poskytuje geocentrické súradnice na

presnú lokalizáciu objektov a javov.

SKPOS má dva základné druhy služieb:

1. pre reálny čas (RTK) sú to 2 typy služieb:

SKPOS-dm,

SKPOS-cm.

2. pre post-reálny čas, dodatočné spracovanie údajov (postprocessing):

SKPOS-mm VS; údaje z virtuálnej referenčnej stanice,



SKPOS-mm RS; údaje z vybranej referenčnej stanice.

Služby pre reálny čas sa poskytujú cez internet prostredníctvom štandardu NTRIP

(Networked Transport of RTCM via Internet Protocol) vo formáte RTCM (Radio Technical

Commission for Maritime) 2,3 resp. 3,0 alebo formáte CMR/CMR+ (Compact Measurement

Record): pre postprocessing prostredníctvom štandardu využívajúceho Hypertext Transfer

Protocol HTTP/1.1, resp. FTP vo formáte RINEX 2.11.

Referenčné stanice odosielajú údaje do Národného servisného centra prostredníctvom

funkčnej rezortnej virtuálnej privátnej siete VPS-WAN. V NSC sa v sekundových intervaloch

počítajú plošné korekcie na spresňovanie priestorovej polohy v reálnom čase. Tieto sa

prostredníctvom internetu (NTRIPcaster) poskytujú koncovým používateľom na využitie v

reálnom čase [9].

Obr. 3.10 Rozmiestnenie SKPOS referenčných staníc [10]

4. KOMUNIKAČNÉ RIEŠENIE GPS S VYUŽITÍM SIEŤOVÝCH APLIKÁCIÍ



4.1 Protokoly využívané navigačnými systémami Prijímače dnes predstavujú obrovský zdroj dát. Problémom sa môže stať, ako dostať

namerané dáta z daného prijímača do programu pre vyhodnotenie merania. Prijímače často

používajú svoje vlastné formáty. Jedinou cestou, ako situáciu vyriešiť, je vytvorenie

štandardov pre dátovú komunikáciu s GPS prijímačom.

Štandard RTCM vznikol v oblasti DGPS pre spojenie dvoch prijímačov pri meraní

v diferenčnom móde. Druhý štandard vznikol pre oblasť výstupu dát z GPS prijímačov a nesie

označenie RINEX. Tretí štandard definuje všeobecne rozhranie medzi jednotlivými

elektronickými prístrojmi používanými v lodnej doprave a jedna jeho časť definuje aj

rozhranie, ktoré musí spĺňať GPS prijímač, aby ho bolo možné bez problémov integrovať s

inými elektronickými zariadeniami. Ide o štandard NMEA 0183.

4.1.1 Protokol RTCM V roku 1983 požiadal Inštitút pre navigáciu USA (angl. U.S. Institute of Navigation –

ION) Rádiotechnickú komisiu pre námorné služby (angl. Radio Technical Commission for

Marine Services – RTCM) o vypracovanie odporúčaní na prenos diferenčných korekcií pre

užívateľov GPS. RTCM je neziskový orgán založený v roku 1947 s mandátom skúmať a

hodnotiť technické problémy vzťahujúce sa k námornej telekomunikácii. Vedenie sídli vo

Washingtone a členovia sú prakticky zo všetkých sektorov námorníctva, vrátane vládnych

agentúr, lodiarskeho a rybolovného priemyslu, výrobcov a vzdelávacích a výskumných

inštitúcií.

ION v reakcii na túto žiadosť ustanovil RTCM komisiu č. 104 s názvom „Diferenčná

GPS služba Navstar“ (angl. Special Committee No. 104, “Differential Navstar GPS Service“)

s poverením vypracovať odporúčanie, ktoré uľahčí implementáciu prenosu diferenčných

korekcií a bude zahrňovať definíciu dát, minimálne časy medzi prenosmi, veľkosť a protokoly

dátového segmentu, dátové jednotky, rozsahy a rozlíšenia. Ďalej mala táto komisia pripraviť

odporúčanie pre možnú implementáciu dátového komunikačného kanála. Pritom mala táto

komisia mať na zreteli potreby nielen námorníctva, ale i ostatných užívateľov.

Odporúčanie vyššie zmienenej komisie obsahovalo zatiaľ návrh usporiadania

pseudodružice. Pseudodružica bola vnímaná ako špeciálna DPGS služba, zahrňujúca prenos



diferenčných korekcií na frekvencii L1, prípadne v jej blízkosti. Užívateľom by sa

pseudodružica javila ako ďalšia družica, ktorej signál by bol spracovávaný priamo

prijímačom GPS. Tým by bola eliminovaná potreba špeciálneho dátového kanála pre prenos

korekcií. Naviac k výhodám klasickej služby DGPS by toto usporiadanie zvyšovalo

spoľahlivosť systému tým, že by poskytovalo ďalšiu možnosť merania zdanlivej vzdialenosti.

Každopádne išlo o predbežný návrh, vyžadujúci dôkladne testovanie, aby nedošlo k

ohrozeniu vlastnej funkcie systému GPS.

Štandard RTCM SC-104 definuje pri odovzdávaní dát binárny formát. Základným

stavebným blokom je správa alebo rámec, pozostávajúci z rôzneho počtu 30- bitových slov.

Každé slovo obsahuje jeden alebo niekoľko parametrov s tým, že niektoré parametre môžu

prekračovať rozhranie medzi slovami. Pre prenos dát sa využíva prvých 24 bitov, zvyšných 6

bitov je využitých pre zabezpečenie, umožňujúce detekovať a prípadne i opravovať chyby v

dátach vzniknutých pri ich prenose. Ako použitá dĺžka slova, tak i algoritmy použité pre

zabezpečenie Hammingovým kódom sú rovnaké ako v prípade navigačnej správy.

4.1.2 Protokol RINEX Tento štandard bol pôvodne vytvorený na Inštitúte astronómie Univerzity v Berne ako

formát pre odovzdávanie dát medzi inštitúciami participujúcimi na projekte vytvorenia

celoeurópskej presnej geodetickej referenčnej siete, realizovanom v máji 1989.

Na Šiestom medzinárodnom geodetickom sympóziu o určovaní polohy pomocou

družíc, konanom v Las Cruces v Novom Mexiku v apríli 1989 sa zišli autori tohto štandardu s

autormi ďalších, vtedy používaných štandardov s cieľom dohodnúť sa na používaní iba

jediného z nich. Podarilo sa im rýchlo dosiahnuť zhodu, takže ešte v rámci tohto sympózia

oznámili, že RINEX bude jediným uznávaným štandardom a zahájili práce na jeho presnej

špecifikácii. Posledné korektúry prebehli v apríli 1993. Od tej doby bol tento štandard

akceptovaný všetkými hlavnými výrobcami GPS prijímačov. Títo výrobcovia dnes dodávajú

ku svojim prijímačom programy pre prevod nameraných dát do tohto formátu. Rovnako

výrobcovia programového vybavenia pre následné spracovanie zabudovali do svojich

programov moduly umožňujúce načítať dáta v tomto formáte.

Tento formát je textový, dĺžka riadku je max. 80 znakov, aby sa uľahčilo prehliadanie

na obrazovke. Boli definované tri typy súborov:

• súbor obsahujúci namerané dáta,

• súbor obsahujúci navigačné správy,



• súbor obsahujúci meteorologické dáta.

Dnes je platný štandard RINEX verzia 3.01.

4.1.3 Protokol NMEA Štandard pre propojovanie námorných elektronických zariadení NMEA 0183 (angl.

NMEA 0183 – Standard for Interfacing Marine Electronic Devices) bol vypracovaný

americkou Národnou asociáciou pre námornú elektroniku (angl. National Marine Electronic

Association – NMEA). Tá začiatkom 80. rokov pociťovala potrebu existencie obecného

štandardu, definujúceho rozhranie pre prepojovanie námorných elektronických zariadení,

ktorý by umožňoval jednoduchšie implementovateľnú a spoľahlivú dátovú komunikáciu

medzi týmito zariadeniami a navigačnými a komunikačnými systémami. GPS prijímače boli

do tohto štandardu rovno zaradené a výrobcovia na to reagovali tak, že začali svoje prijímače

vybavovať komunikačným kanálom vyhovujúcim tomuto štandardu. Vzhľadom k tomu, že

definícia rozhrania pre prijímače GPS bola dostatočne všeobecná, stala sa nakoniec široko

užívanou i mimo oblasť námorných aplikácií.

Štandard definuje jednosmernú sériovú asynchrónnu komunikáciu medzi prijímačom -

zdrojom dát a iným zariadením (napríklad počítačom) - príjemcom dát. Komunikácia

prebieha iba v textovom móde. Dáta sú z prijímača odosielané v podobe textových viet,

ktorých dĺžka môže byť až 82 znakov. Jednotlivé vety môžu obsahovať almanach GPS, údaje

o stave družíc, určenú polohu, hodnoty DOP a zoznam viditeľných družíc, atď. [11].

4.1.4 Internetový protokol NTRIP Ntrip je navrhnutý na šírenie dát diferenčných korekcií, alebo iných typov dátových

tokov GNSS, smerom k užívateľom pomocou internetu tak, aby bolo možné súčasné

pripojenie viac klientov. Ntrip nie je obmedzený iba na klasické siete, ale umožňuje

bezdrôtový internetový prístup pomocou mobilných IP sietí ako napríklad GSM, GPRS,

EDGE alebo UMTS.

Ntrip sa skladá z troch programových častí: NtripClient, NtripServer a NtripCaster.

NtripCaster je v skutočnosti HTTP server, zatiaľ čo NtripClient a NtripServer vystupujú ako

HTTP klienti. Schéma systému je na obrázku 4.1.

NtripSource - generuje dátové toky;

NtripServer - prenáša dátové toky zo zdroja do NtripCastera;



NtripCaster - hlavná časť systému;

NtripClient - prenáša dátové toky z požadovaného zdroja pomocou DataCastera;

Obr. 4.1 Schéma systému Ntrip

NtripSource

NtripSource alebo dátový zdroj je, čo sa týka dát, vstupným bodom systému. Ide o

zdroj GNSS dát, ktorý je spravidla tvorený GNSS prijímačom. Výstupom z GNSS prijímača

môžu byť napríklad diferenčné korekcie RTCM-104 určené na spresnenie meraní. V systéme

Ntrip môže byť (teoreticky) súčasne pripojených ľubovoľné množstvo dátových zdrojov.

Každý zdroj je jednoznačne určený svojím identifikátorom (tzv. mountpoint), ktorý je tvorený

postupnosťou znakov. Dĺžka identifikátora je obmedzená na 100 znakov, ale odporúča sa

používať iba štyri znaky nasledované jednociferným číslom (napr. VSBO0).

NtripServer

NtripServer je server, ktorý sprostredkováva klientom prenos GNSS dát z dátového

zdroja do NtripCastera. Dáta získané napríklad zo sériového rozhrania GNSS prijímača sú

pomocou TCP/IP spojenia a protokolu HTTP prenášané do NtripCastera. Každý NtripServer

musí mať priradené heslo pre daný typ dátového zdroja, bez ktorého nie je možné dátový

prenos uskutočňovať. Heslo pre príslušný identifikátor (mountpoint) priraďuje administrátor

spravujúci NtripCaster.

NtripClient

NtripClient je klientský program, ktorý je využívaný na strane užívateľov ku

sprístupneniu GNSS dát niektorého z dátových zdrojov.



NtripCaster

NtripCaster je základný HTTP server, ktorý čaká na požiadavky od klientov (t.j.

NtripClient a NtripServer) na určitej adrese a porte. Na základe HTTP správ rozoznáva, či ide

o NtripServer, alebo NtripClient a zahajuje prijímanie, resp. odosielanie dát.

4.1.4.1 Komunikácia NtripServer - NtripCaster

Komunikácia NtripCaster - NtripServer je realizovaná pomocou TCP/IP a HTTP

protokolov, ktoré sú rozšírené o správu typu "SOURCE" a stavový kód "ERROR – Bad

Password". NtripServer vytvorí spojenie na príslušnú IP adresu a port a zašle správu typu

"SOURCE", v ktorej uvedie svoj identifikátor a heslo, ktoré mu bolo pridelené

administrátorom.

Po prijatí správy (SOURCE) NtripCaster overí heslo, pokiaľ je správne, NtripCaster

odošle správu ICY 200 OK a zaháji príjem dátového toku. Pokiaľ je heslo neplatné, odpovie

správou ERROR - Bad Password a automaticky ukončí spojenie. Správa <STR-string> je

voliteľná a používa sa na určenie toho, že sú do NtripCastera zasielané parametre zdrojovej

tabuľky.

Obr. 4.2 Štruktúra správy NtripServer

4.1.4.2 Komunikácia NtripCaster - NtripClient



V prípade NtripClienta odpovedajú požiadavky HTTP správam, bez rozšírenia. Klient

zaháji komunikáciu tak, že zašle požiadavky GET s uvedením identifikátora príslušného

dátového zdroja.

NtripCaster na požiadavku klienta odpovie v závislosti od existencie požadovaného

zdroja dát. Pokiaľ daný identifikátor existuje, NtripCaster vráti správu ICY 200 OK a zaháji

prenos GNSS dát. V opačnom prípade (pokiaľ identifikátor v zdrojovej tabuľke neexistuje),

vráti správu SOURCETABLE 200 OK nasledovanú vlastnou zdrojovou tabuľkou.

Užívateľovi potom stačí poznať adresu a port príslušného DataCastera. Na základe

požiadavky na neexistujúci dátový zdroj dostane zdrojovú tabuľku, ktorú si môže uložiť pre

ďalšie využitie.

Na základe informácií zo zdrojovej tabuľky spravovanej NtripCasterom sú

NtripClienti schopní zistiť požadované informácie o všetkých dostupných zdrojoch dát.

NtripClient môže novú získanú tabuľku uložiť do pamäti (na disk) a pri ďalšom dopyte ju

použiť, alebo sa môže pri každom pripojení dožiadať aktuálnej tabuľky, z ktorej získa

potrebné údaje.

Pri zaslaní požiadavky, v ktorom je uvedený neplatný identifikátor (napr. získaný zo

starej zdrojovej tabuľky), alebo je identifikátor vynechaný, dôjde automaticky zo strany

NtripCastera k zaslaniu aktuálnej zdrojovej tabuľky.

Obr. 4.3 Štruktúra správy NtripClient

4.1.4.3 Zdrojová tabuľka SOURCE-TABLE V rámci NtripCastera je spravovaná zdrojová tabuľka (source-table), ktorá obsahuje

informácie o dostupných dátových zdrojoch (NtripSource), sieťach a NtripCasteroch, ktoré sa

na požiadanie zasielajú NtripClientom.



V zdrojovej tabuľke môžu byť záznamy popisujúce tri typy informácií:

STR – dátové toky;

CAS – NtripCastery;

NET – siete dátových tokov.

Ich štruktúra je rozšíriteľná na prípadné nové vzniknuté typy správ. Nové správy môžu

byť staršími NtripClientami ignorované. Všetci NtripClienti musia byť schopní dekódovať

správy typu STR. Dekódovanie správ typu CAS a NET je voliteľnou súčasťou klientov.

Záznamy tabuľky sú poskytované vo forme textu, pričom jeden záznam odpovedá

jednému riadku. Jednotlivé polia tabuľky sú oddelené znakom ";". V prípade, že sa

bodkočiarka objaví ako súčasť dát, musí byť uzavretá do úvodzoviek. Počet dátových polí nie

je obmedzený. Posledné dátové pole je typu <misc>, t.j. rôzne [12].

4.2 Sieťový prenos protokolu RTCM cez Internet protokol NTRIP Protokol NTRIP umožňuje šírenie korekcií z referenčnej stanice pre rôznych klientov

cez definovanú komunikačnú techniku. Mobilní užívatelia používajú túto techniku na

mapovanie GIS aplikácií. Musia však používať príslušný hardvér s GPRS telefónom na

pripojenie cez internet.

Aktuálne sú dve možnosti posielania korekcie chýb. Môže to byť ovládané priamo

z jednej samostatnej referenčnej stanice alebo pomocou všetkých pozorovacích referenčných

staníc použitých v sieti. Ich dáta môžu byť šírené ďalej do centrálnej jednotky (server) na

ďalšie spracovanie pred vysielaním. V oboch prípadoch NTRIP protokol poskytuje ideálny

prostriedok na transport dát.

Obr. 4.4 Prenos RTCM korekcií cez Internet

Obrázok 4.4 ukazuje klasický prípad mobilného používania v teréne. Užívateľ je

pripojený k internetu cez GPRS modem (mobilný telefón) pomocou príslušného softvéru.



DGPS dátové korekcie sú posielané z PC servera cez pevné internetové spojenie do

rovera mobilnou rádiovou cestou [13].

NTRIP služobný koncept

Dôležitá aplikácia Ntrip je profesionálne prepojenie DGNSS siete alebo RTK služby.

Poskytujú korekcie v reálnom čase k tomu, aby redukovali korekcie chyby menej ako 1 m

alebo dokonca 1 cm v prípade RTK služieb.

Obr. 4.5 Profesionálny koncept Ntrip DGNSS služieb

Prípad Ntrip konceptu pre profesionálne služby je ukázaný na obrázku 4.5.

Komunikácia medzi účastníckymi prvkami systému prechádza cez Internet. Autonómne

referenčné stanice vysielajú cez NtripServery a DSL spojenia ku NtripCasterom. RTCM

generátor znovu získa tieto dáta na to, aby odvádzal korekcie. Tieto korekcie sú potom

prenesené späť do NtripCastera. NtripClienti žiadosť RTCM výsledkov z NtripCastera

odovzdávajú do rovera prijímača.

Pre profesionálne služby je nevyhnutné nepretržité monitorovanie všetkých prvkov

sústavy. Dostupnosť internetu, celkovej hardvérovej platformy a softvérového elementu musí

byť preverovaná pravidelne. Monitorovanie môže byť uskutočňované pozorovaním všetkých

dátových tokov distribuovaných NtripCasterom. V prípade poruchy sú dátoví dodávatelia

spolu s užívateľmi informovaní ihneď prostredníctvom emailu alebo SMS správy.

Monitorovanie môže byť zabezpečené externým softvérovým nástrojom v internete,

nezávisle na iných prvkoch sústavy [14].

5. SYSTÉM SLEDOVANIA POHYBU ZVIERAT



V päťdesiatych rokoch minulého storočia sa začínajú prvé pokusy s využitím

telemetrie na účely monitorovania správania sa voľne žijúcich zvierat. V priebehu

nasledujúcich desaťročí sa telemetrické VHF systémy vyvinuli natoľko, že ich bolo možné

využívať na sledovanie pohybu a správania sa veľkých zvierat priamo vo voľnej prírode.

Koncom sedemdesiatych rokov vzniká monitorovací systém ARGOS, ktorý umožnil

sledovať pohyb zvierat bez obmedzenia dosahu vysielačov. Táto skutočnosť umožnila

sledovať pohyb zvierat na ich migračných cestách. Presnosť sledovania polohy je v satelitnom

systéme Argos rozdelená do šiestich tried podľa tab.5.1.

Tab.5.1 Presnosť lokalizácie

Trieda 3 2 1 0 A B Z Presnosť [m] ≤150 150-350 350-1000 >1000

presnosť neurčená

presnosť neurčená

lokalizácia neplatná

V deväťdesiatych rokoch v súvislosti s vývojom energeticky úsporných a citlivých

GPS prijímačov sa značne zvýšila presnosť monitorovania polohy sledovaného jedinca. Údaje

o polohe sa uchovávali priamo v zariadení (tzv. archival tag) a neskôr sa vyčítavali, alebo na

ich prenos do sledovacieho strediska sa využívali RF komunikačné prostriedky, napríklad

satelitný systém Argos (tzv. satellite tag).

S rozšírením GSM technológií, zvýšením pokrytia signálom, zmenšením rozmerov

GSM modulov, znížením spotreby a zavedením nových služieb, napr. GPRS sa stretávame s

novou generáciou sledovacích zariadení, ktoré umožňujú ekonomické riešenia sledovania a

správania sa voľne žijúcich zvierat. Dnes sa stretávame s najrôznejšími variantmi sledovacích

zariadení od rôznych výrobcov. Ich riešenie vždy závisí od konkrétnych podmienok použitia,

ktoré determinujú vlastné technické riešenie [15]. V súčasnosti najznámejší výrobca zariadení

na sledovanie zvierat, fa Wildlife Computers, USA, sa napríklad orientuje najmä na

monitorovanie morských živočíchov (tulene, mrože, veľryby, žraloky, morské korytnačky),

vyvíja však aj miniatúrne prívesky (tags) i na monitorovanie pohybu vtákov (divých husí

a pod.). Okrem základného problému čo možno najnižšej spotreby energie vystupuje tu do

popredia i ďalšia závažná úloha: ako spoľahlivo umiestniť zariadenie na tele zvieraťa.

Podmienky ovplyvňujúce technické riešenie sledovacích systémov sú teda

predovšetkým tieto: minimálna hmotnosť sledovaného objektu, predpokladaná oblasť pohybu



zvieraťa a jej pokrytie signálom, požadovaná doba nepretržitého monitorovania, frekvencia

merania, požadovaná presnosť polohovania, maximálna prevádzková spoľahlivosť a mnohé

ďalšie.

5.1 Popis sledovacieho systému Sledovací systém navrhnutý na Fakulte riadenia a informatiky Žilinskej univerzity je

určený na sledovanie pohybu objektov s možnosťou informovania (vysielanie

prostredníctvom SMS správ na zvolené telefónne číslo, prípadne využitie služby GPRS)

stacionárnej stanice o aktuálnej polohe monitorovaného objektu. Úpravou programového

vybavenia je možné zvoliť rôzne režimy činnosti:

- periodické oznamovanie polohy po uplynutí zvoleného časového intervalu,

- oznamovanie po definovanej zmene polohy sledovaného objektu,

- periodické oznamovanie polohy len pri zaznamenanej pohybovej aktivite objektu,

- prípadne ľubovolná kombinácia predchádzajúcich možností.

Zostava sledovacieho systému odpovedá všeobecne prijatej koncepcii (navigačný modul,

komunikačný modul a riadiaci mikrokontrolér) a je uvedená na obr. 5.1.

Sledovací systém pozostáva z týchto základných častí:

- mobilné zariadenie SLSYS s autonómnym zdrojom energie,

- zariadenie SLSYS s výstupom na PC prostredníctvom sériovej linky,

- personálny počítač s príslušným programovým vybavením.

Obr. 5.1 Sledovací systém



5.2 Popis zariadenia SLSYS Zariadenie SLSYS sa skladá z piatich základných komponentov:

• GPS prijímač ORCAM GPS20SBC-TR100,

• GSM modul F3004CF-G20,

• riadiaci mikrokontrolér ATmega128L,

• akcelerometer ADXL202,

• ďalšie podporné obvody.

Obr. 5.2 znázorňuje blokovú štruktúru a komunikačné väzby medzi jednotlivými

komponentmi zariadenia SLSYS. Z uvedenej štruktúry je zrejmé, že OEM moduly GPS a

GSM komunikujú s riadiacim mikrokontrolérom (MCU) prostredníctvom sériovej linky s

prenosovou rýchlosťou 9600b/s. Doplnkové riadiace signály dovoľujú oba moduly v

ľubovoľnom čase prepnúť do vhodných režimov so zníženým príkonom a opätovne ich

aktivovať. Táto skutočnosť umožňuje užívateľovi voliť rôzne stratégie prevádzky zariadenia

tak, aby celková spotreba bola minimálna. Modul GSM je doplnený o držiak SIM karty.

USART1 MCU je alternatívne využívaný na pripojenie zariadenia k personálnemu počítaču

prostredníctvom sériovej linky (SL PC) - konektor K5. Na uvedené prepojenie je potrebné

použiť špeciálny prepojovací kábel s konverziou úrovní TTL3V/RS232. Poznamenajme, že

pri prepojení zariadenia SLSYS s PC bude sériová komunikácia s modulom GPS nefunkčná.

Táto skutočnosť v zásade neovplyvní oblasti použitia, pretože ak zariadenie pracuje

autonómne, komunikačný kanál je modifikovaný pre prenos dát GPS-MCU. Ak zariadenie

pracuje ako periféria PC (prijíma/vysiela informácie z/do mobilných zariadení), potom je

otvorený komunikačný kanál MCU-PC. Modul GSM je s výnimkou programovania

riadiaceho mikrokontroléra vždy pripojený na MCU.



Obr. 5.2 Bloková schéma zariadenia

Programovanie MCU, pamäte FLASH, prípadne EEPROM sa realizuje

prostredníctvom konektora PGM (K1). Zariadenie je doplnené o snímač aktivity sledovaného

objektu. Snímač aktivity je realizovaný pomocou dvojosového akcelerometra ADXL202,

ktorý sa vypína/zapína prostredníctvom užívateľského programu. Podobne aj snímač teploty

je možné vypnúť/zapnúť pomocou programových prostriedkov. Pre prípadné ďalšie rozšírenie

(napr. ovládanie zámku obojku) je zariadenie doplnené o výkonový spínač, ktorý dovoľuje

spínať záťaž 30V/5A.

5.2.1 GPS modul Na sledovanie aktuálnej pozície monitorovaného objektu sa využíva OEM modul GPS

ORCAM GPS20SBC. Prijímač je vyvinutý na báze čipovej sady SiRFStarII/LP. Podporuje

štandardne funkcie WAAS, EGNOS a DPGS.

Základná charakteristika modulu:

• nízka spotreba,

• 12-kanálový GPS prijímač,

• podporuje štandardy WAAS, EGNOS a D-GPS,

• využíva CPU ARM7TDMI,

• 4 Mbit pamäte FLASH,



• 1 Mbit pamäte RAM,

• 2 sériové rozhrania,

• podporuje NMEA a SiRF protokol,

• podporuje signál 1PPS.

Technická špecifikácia GPS modulu:

• Frekvencia L1: 1 575,42 MHz

• Počet kanálov 12

• Presnosť pozície 5m, 95%

• Dátum WGS-84

• Studený štart 45 s (typická hodnota)

• Teplý štart 38 s

• Rýchly štart 2-8 s

• Reakcia 0,1 s

• Napájacie napätie 3,15-5,5 V DC

• Napájací prúd 65 mA (maximálny)

• Anténa aktívna 3 V

• Sériové linky 2, TTL úrovne

• Protokol NMEA-0183 a SiRF binárny

• DGPS protokol RTCM SC-104

• Časové impulzy 1PPS, CMOS

• Teplotný rozsah -40 + 85 °C

5.2.2 GSM modul Na zabezpečenie komunikácie medzi dispečerským pracoviskom a mobilnými

sledovacími zariadeniami sa využíva GSM modul. Na základe posúdenia vlastností

dostupných OEM modulov bol vybraný GSM modem fy. MOTOROLA, G20 F30004CF.

Systém: EGSM: 900/1800 MHz

GSM: 850/1900 MHz

Rozmery: 45,2 x 24,4 x 6,7 mm

Váha: 11,9 g

Prevádzková teplota: -20 až +70°C

Pracovné napätie: 3,0 až 4,2 V



Spotreba: <2,5 mA @DRX9 (idle mode)

Tx výkon: 0,8 W/ 850 MHz

2W/ 900 MHz

1W/ 1800/1900 MHz

SIM karta: možnosť lokálneho pripojenia

32K SIM

1,8/3,0 V

Sériová linka: PR od 300 do 115 kb/s

autonastavenie prenosovej rýchlosti v rozsahu 300 až 115 kb/s

Dátový prenos GPRS: multislot, trieda 8

max. PR 85,6 kb/s

trieda B GSM 07.10

kódovacia schéma CS1-CS4

SMS: MO/MT text a PDU režimy

5.2.3 Riadiaci mikrokontrolér Vo funkcii riadiaceho mikrokontroléra sledovacieho systému je použitý 8-bitový

mikrokontrolér RISC ATmega128L. Vďaka 128 kB pamäti programu typu FLASH EPROM

je možné relatívne jednoduchým spôsobom meniť programové vybavenie sledovacieho

systému a tým modifikovať užívateľské vlastnosti zariadenia, prípadne rozšíriť oblasti

použitia. Mikrokontrolér ATmega128L okrem pamäte programu obsahuje 4 KB internej

pamäte SRAM a 4 KB internej pamäte EEPROM

5.2.4 Snímač aktivity Sledovacie zariadenie je doplnené o snímač aktivity, ktorý vyhodnocuje pohyb

sledovaného objektu na základe zmeny náklonu. Ako snímací prvok sa využíva 2-osový

akceleračný senzor ADXL202, pričom vyhodnotenie pohybovej aktivity sa realizuje v

riadiacom procesore na základe zmien napäťových úrovní na príslušných vstupoch ADC0 –

os X a ADC1 - os Y. Vlastnosti uvedeného snímača je možné tiež využiť na úsporu zdroja

energie zariadenia [15].

2-osový akceleračný snímač

Rozlišovacia schopnosť: 2 mg pri 60 Hz



Nízka spotreba: 0,6 mA

Nastaviteľná šírka pásma

Pracovné napätie: 3 až 5,5 V

Merací rozsah: +/- 2 g

Akceleračný snímač používa gravitačnú silu ako vstupný vektor, aby určil orientáciu

objektu v priestore. Snímač je najcitlivejší vtedy, keď je jeho citlivá os y kolmá ku gravitačnej

sile. V tejto polohe je jeho citlivosť na zmeny v sklone najväčšia. Keď je snímač orientovaný

na os y k zemi, je jeho merací rozsah +1 g.

Obr. 5.3 Pohľad zdola na snímač aktivity a jeho orientácia meracieho rozsahu

Kalibrácia základných hodnôt ADXL202E/ADXL210

Počiatočná hodnota kompenzácie a konštanty pre ADXL202E vyžadujú pre aplikácie

ako sú sklonové merania príslušnú kalibráciu. Gravitačná sila je stabilná pre aplikácie s

malými hodnotami g.

Citlivosť tohto snímača môže byť určená dvoma meraniami. Pri kalibrácii meracia os

smeruje priamo k zemi. Merací rozsah 1g je uložený a senzor je obrátený o 180° do rozsahu -

1g. Použitím dvoch ukazovaných údajov je citlivosť vypočítaná:

Meranie A = Výstup senzora aktivity orientovaná s osou y do +1g

Meranie B = Výstup senzora aktivity orientovaný s osou y do -1g

Citlivosť = [Meranie A – Meranie B] / 2g

Napríklad, keď +1g meranie (A) je 55% z činiteľa zaťaženia a -1g meranie (B) je 32%

činiteľa zaťaženia, potom sa citlivosť vypočíta takto:

Citlivosť = [55% – 32%]/2 g = 11,5%/g



Činitele zaťaženia sú tabuľkové hodnoty a sú závislé na pracovnom napätí senzora [18].

5.2.5 Antény V realizovanom prototype bola použitá kombinovaná anténa GSM/GPS s označením

2J420 so ziskom 26 dBi pri 3 V. Rozmery kombinovanej antény sú 97 x 28,2 mm.

5.3 Zhodnotenie systému Zariadenie SLSYS umožňuje sledovať polohu pohybujúceho sa objektu a aktuálne

informácie o polohe, čase a prípadné ďalšie informácie vysielať prostredníctvom SMS správ,

respektíve pomocou služby GPRS do dispečerského pracoviska, ktoré je tvorené prijímacou

stanicou a personálnym počítačom. Takto získané informácie sa budú v dispečerskom

pracovisku ďalej spracovávať na základe bližšej špecifikácie užívateľa. Odber zo zdroja,

ktorý je v uvedenej aplikácii kritický (pri prevádzke 1 rok by nemal priemerný prúd prekročiť

hodnotu 200 μA pri použití jedného lítiového článku) bude ovplyvnený stratégiou činnosti

zariadenia, ktorá závisí od požiadaviek užívateľa (frekvencia vysielania SMS správ, pokrytie

signálom, stratégia a frekvencia merania polohy a ďalšie požiadavky). V budúcnosti, za

predpokladu ďalšieho využitia zariadenia SLSYS, bude potrebné sústrediť sa na vývoj

efektívnych metód sledovania a vývoj programového vybavenia na strane riadiaceho

procesora zariadenia, ako aj dispečerského pracoviska. Taktiež by bolo potrebné realizovať

základné experimenty, ktoré umožnia vyhodnotiť použiteľnosť zariadenia v reálnych

podmienkach (intenzita GPS signálu v zalesnených oblastiach pri nevyhovujúcom počasí,

dostupnosť GSM sietí v odľahlých častiach územia a pod.). V poslednom období sa svetový

výrobcovia modulov GPS sústredili na vývoj prijímačov so zvýšenou citlivosťou pre „in-

door“ aplikácie, ktoré zásadne rozširujú možnosti využitia tejto technológie [15].

6. MONITOROVANIE VEĽKOROZMERNÝCH KONŠTRUKCIÍ



Monitorovanie konštrukcií veľkých inžinierskych stavieb ako sú priehrady, mosty

a výškové budovy je nevyhnutné pre ich ďalší rozvoj. Pod nadmerným preťažením podliehajú

takéto štruktúry deformáciám, potenciálne spôsobujú straty životov a majetku. Preto najmä

vodné nádrže požadujú periodickú monitorovaciu a dôkladnú analýzu svojho štrukturálneho

chovania, založenú na veľkej sade premenných, ktoré môžu súvisieť s deformáciami.

Deformácie v reálnej praxi tvoria najvýznamnejší sledovaný parameter veľkorozmerných

konštrukcií.

Ku deformáciám štruktúr prispieva niekoľko faktorov: najdôležitejší zo všetkých je

dôsledok meniacich sa zaťažení a pnutí vyvinutých v štruktúre vplyvom zmien okolitého

prostredia (napr. pohyby častí zemskej kôry a pod.).

Pohyby zemskej kôry môžu spôsobovať posuny v spojení s bodmi umiestnenými na

povrchoch veľkorozmerných konštrukcií a v ich najbližšom okolí. Ďalšie prispievajúce

(deformačné) faktory zahrňujú druh konštrukčného materiálu, sily vetra, zmeny teploty,

usadenie pôdy a kolísanie zaťaženia vplyvom dopravy.

V meraní efektu týchto síl sa výskumníci v súčasnosti stále viac zapodievajú

vysokopresným určovaním polohy pomocou GPS ako kritickým nástrojom v ich úsilí [16].

6.1 GPS anténový systém na priehrade Xiaowan Elektráreň Xiaowan na rieke Lančang v čínskej provincii Yunnan tvorí dvojito

klenutá, 292 metrov vysoká hrádza. So stavbou sa začalo v januári 2002 a ukončenie sa

plánuje do konca roku 2010. Strmé svahy v riečnom údolí (prírodné aj umelé) predstavovali

pre konštruktérov významný problém. Výdatné dažde a erózia mohli spôsobiť zosuv pôdy v

blízkosti hrádze. Na zníženie rizika zosuvu bolo aplikovaných niekoľko konvenčných riešení,

tradičného zememeračského vybavenia i špeciálnych geotechnických zariadení na

monitorovanie stability nebezpečných svahov. Na monitoring bolo tiež využité GPS.

Aby sme mohli plne pochopiť stabilitu a deformácie, ktoré by mohli spôsobiť zosuv,

používame zvyčajne niekoľko observačných bodov. V spomínanom území, aby bolo riziko

zosuvu adekvátne monitorované, bolo potrebné observovať 16 bodov na svahu s rozmermi

cca 300x500 m.

GPS poskytuje vyššiu presnosť, je vysoko automatizované a vyžaduje menej zásahov

užívateľa ako konvenčné techniky na monitorovanie stability svahov. GPS má však i



nevýhody - jednou z nich je vysoká cena spojená s umiestnením permanentnej GPS stanice na

každý observovaný bod. Elektráreň Xiaowan má veľmi veľa strmých svahov, preto

konvenčné monitorovacie metódy pomocou GPS tu narážajú na zásadný problém.

Pre túto nevýhodu bol vyvinutý nový prístup spočívajúci v pripojení viacerých antén

na rôznych bodoch k jedinému prijímaču. Bolo potrebné vytvoriť prepínač antén (GPS

multiple-antenna switch, GMAS) na spojenie medzi prijímačom a anténami a takto podstatne

znížiť cenu hardvérového vybavenia. Ďalšie technológie zahŕňajú nový elektronický prepínač

GMAS, bezdrôtovú komunikáciu GPRS a mikrozosilňovač.

6.1.1 Popis systému Na obrázku 6.1 je naznačený GPS anténový systém pre monitorovanie deformácií

svahov. Systém obsahuje tri hlavné časti: GPS GMAS so sústavou antén a nízkošumový

zosilňovač, riadiace centrum a GPRS bezdrôtový komunikačný systém. GMAS je jadrom

monitorovacieho systému deformácie svahov.

Prepínacie zariadenie

GMAS elektronické prepínacie zariadenie určené pre anténny GPS monitorovania

deformácií bolo patentované v roku 2002 v Číne. GMAS pripojuje osem antén k jedinému

GPS prijímaču. Prepínaním anténnej sústavy postupne prijímač monitoruje osem

samostatných bodov.

GMAS postupne prideľuje čas každej anténe. Hlavný parameter vložený do GMAS je

čas pridelený anténe v každom cykle merania. Prijímač vyhodnocuje štandardné

pseudovzdialenosti a zmeny fázy nosnej vlny pre každú anténu.



Obr. 6.1 GPS anténový systém pri monitorovaní deformácií

Pri prideľovaní času pre každú anténu sú k dispozícii dve voľby. Prijímač môže byť

pripojený k anténe pre jednu dobu GPS merania iba po dobu napríklad desiatich sekúnd a

potom pripojený k ďalšej anténe po poradí. Takto sa z každej antény vytvorí časový rad s

prídavnými dátami pridávanými vždy pri opätovnom pripojení antény. Táto voľba spôsobuje

sklzy cyklov v dátových radoch pri prepínaní GMAS z jednej antény do ďalšej. Známe

metódy detekcie a rekonštrukcie sklzu cyklu sa v tomto prípade nedajú použiť. Ak je však

rýchlosť deformácie monitorovaného objektu nízka, celočíselné ambiguity pre každú dobu

pozorovania (epochu observácie) môžu byť určené na základe predchádzajúcich známych

súradníc monitorovaných bodov.

Alternatívne môže zostať prijímač pripojený ku každej anténe po nastanovený časový

interval na získanie množstva časových dát z antény pred prepnutím do ďalšej antény. Pri

tejto druhej voľbe sa dáta z každej antény môžu spracovávať ako krátkodobé série použitím

štandardnej techniky dvojitého diferencovania s riešením počiatočnej ambiguity.

Pri monitorovaní deformácií je v závislosti od typu a charakteru monitorovaného

objektu niekedy dôležité časové nastavenie, t.j. rýchlosť prijatia a spracovania dát, aby sa čo

najskôr získalo upozornenie o pohybe antény. V iných prípadoch je dôležitejšia presnosť

merania. Preto si užívatelia musia vybrať vhodnú voľbu pre danú situáciu. V hydroelektrárni

Xiaowan bola kvôli vysokej presnosti merania zvolená druhá alternatíva.



Mikrozosilňovač

Antény boli ku GMAS pripojené pomocou koaxiálnych káblov, ale pre dĺžky káblov

platia reálne obmedzenia. Aj pri kábloch s malým tlmením sa pre dĺžky káblov omnoho

väčšie ako cca 30 m vplyvom tlmenia signálov znižuje odstup signál-šum pod prah

použiteľnosti. Straty v odstupe signál-šum pre dlhšie káble sa dajú prekonať pomocou

nízkošumových predzosilňovačov, alternatívne sa môžu použiť aj optické káble (vláknová

optika).

Rámcová požiadavka, t.j. dĺžka koaxiálneho kábla medzi GPS anténou a GMAS menej

ako 30 metrov, by vážne obmedzila monitorovaciu oblasť svahov priehrady v Xiaowan. Preto

boli pre GMAS vyvinuté nízkošumové mikrozosilňovače.

Maximálna vzdialenosť medzi anténou a GMAS je teraz väčšia ako jeden kilometer.

Tieto mikrozosilňovače sa pri monitorovaní prudkého svahu na vodnej elektrárni v Xiaowan

úspešne uplatnili.

Dátový spoj

Ako dátové komunikačné linky medzi riadiacim centrom a zónou svahu sa môže

použiť pevná telefónna linka, vyhradený dátový spoj, bezdrôtový globálny systém pre

mobilnú komunikáciu (GSM) a rádiové vysielače. Prudký svah v tejto štúdii je v nebezpečnej

oblasti. Kvôli nebezpečnému terénu a cene dátovej komunikácie bola v Xiaowan ako menej

nákladná a vhodnejšia zvolená GPRS komunikačná technológia.

GPRS je odlišné od staršieho Circuit Switched Data (čiže CSD), ktoré bolo zahrnuté v

GSM štandardoch pred Release 97 (z roku 1997, rok, v ktorom bol štandard zmrazený)

používaných v GSM telefónoch, kde starší systém vytvoril dátové spojenie, ktoré si vyhradilo

plnú rýchlosť dátového toku behom doby spojenia. GPRS je paketovo - prepínané, čo

znamená, že viacej užívateľov spoločne využíva rovnaký prenosový kanál a dáta sa prenášajú,

iba keď sú odosielané. Celková kapacita linky môže byť okamžite vyhradená tým užívateľom,

ktorí práve posielajú dáta v ktorejkoľvek chvíli, čo poskytuje vyššiu prístupnosť tam, kde

užívatelia posielajú alebo prijímajú dáta periodicky. Prezeranie webových stránok, prijímanie

e-mailov hneď ako prídu, chatovanie, to sú príklady, kde sa využíva občasný prenos dát a tak

je výhodou spoločné využívanie dostupnej kapacity.

6.1.2 Realizácia



Fyzické podmienky na vodnej elektrárni v Xiaowan sú v jej vonkajšom okolí

komplikované aj seizmicky, aj geologicky. Umiestnenie priehrady je však v relatívne

bezpečnej zóne so značnou stabilitou. Klenbová priehrada je navrhnutá tak, že spočíva

v hlbokom údolí tvaru V, tvorenom masívnymi horami na oboch brehoch, viac ako 1 000

metrov nad hladinou rieky. Stavba vyžaduje úpravu svahov, preto stabilita týchto príkrych

svahov v blízkosti priehrady súvisí s celým stavebným projektom.

Svah je približne 700 m vysoký a jeho stredný sklon je cca 40-45 stupňov. Na jeho

monitorovanie sa preto musí upriamiť zvýšená pozornosť.

6.1.3 Zhodnotenie systému Polohy všetkých monitorovaných bodov boli získané pomocou GPS dát

z monitorovacej zóny. Štandardné súradnice týchto bodov z tradičných geodetických techník

umožňujú porovnávať výsledky deformácií.

Sieť staníc pozostáva zo 16 monitorovacích staníc, rovnomerne rozložených na svahu

a 2 bázových staníc umiestnených v istej vzdialenosti od svahu. Observačná doba pre každú

anténu bola stanovená na 10 minút pri 15-sekundovom intervale záznamu. Pri konvečnom

monitorovaní GPS by bolo potrebných 18 prijímačov, avšak použitím odlišného prístupu a po

vyvinutí GMAS bolo možné v tejto štúdii použiť len 4 prijímače. Horizontálna zložka

polohovej chyby je menšia ako 3 mm a vo výške menšia ako 7 mm.

Výsledky implementácie diaľkovo ovládaného GPS monitorovacieho systému

založeného na GMAS v hydroelektrárni Xiaowan ilustrujú, že GMAS systém je stabilný a

môže poskytovať vysokú presnosť určovania polohy [17].

Prevádzkový stav monitorovacích staníc sa pritom prehľadne zobrazuje na monitore

v riadiacom centre, kde sa indikuje i správna činnosť každého kanála GMAS a korektný

prenos základných údajov (raw data) z jednotlivých bodov do centra. GMAS systém

predstavuje ekonomickú novú techniku pre monitorovanie deformácií objektov s veľkými

rozmermi.

7. ZÁVER


7. ZÁVER

Moja diplomová práca poukazuje na možnosti využitia globálnych navigačných

systémov v oblasti monitorovania životného prostredia.

Diplomovú prácu som rozdelil do niekoľkých častí. V úvodných kapitolách som sa

venoval popisu globálnych navigačných systémov a jeho rozdeleniu. Pri týchto systémoch je

najviac využívaný GPS a jej modifikácia DGPS. GPS rover pri meraní používa GPRS alebo

rádiomodem. Väčšina týchto prístrojov používa 20Hz určovanie polohy (dochádza tu ku

zníženiu presnosti). Pre vyššiu presnosť sa musí merať s 1 Hz, čo je nevyhnutné hlavne pri

vytyčovaní, alebo meraní za pohybu. Najnovší vývoj týchto prístrojov smeruje k rýchlemu,

efektívnemu a spoľahlivému nameraniu údajov a posielanie týchto údajov do riadiaceho

kontrolného centra. Predpokladom efektívneho monitorovacieho systému je použitie

spoľahlivého GPS prijímača, pomocou ktorého je možné lokalizovať sledovaný objekt

s presnosťou na jednotky metrov. Pri monitorovaní deformácií veľkorozmerných konštrukcií

by mala presnosť dosahovať centimetrové hodnoty. Okrem sieti referenčných staníc sa pri

tomto monitorovaní používa aj sieť totálnych staníc, ktoré sú kombináciou GPS techniky

a teodolitu (prístroj schopný merať vodorovné a zvislé uhly).

Koncepcia konkrétneho monitorovacieho systému (frekvencia vzorkovania, napájanie,

umiestnenie a typ snímacej antény, káblové prepojenia a pod.) bude závisieť od špecifických

požiadaviek reálnej praxe. Pri jednobodovom monitorovaní, napríklad vrcholu klenby

mostnej konštrukcie (most Apollo a pod.) sa najjednoduchším riešením javí zariadenie

pozostávajúce z viackanálového navigačného modulu s vysokou citlivosťou a možnosťou

príjmu a spracovania okrem základných signálov GPS i signálov DGPS (napr. 16-kanálový

modul TIM-LC fy U-blox), komunikujúceho prostredníctvom sériovej linky s riadiacim

mikrokontrolérom a pomocou sériového prepojenia MCU s modulom GSM/GPRS,

vysielajúceho signály o aktuálnej polohe monitorovaného bodu do riadiaceho centra. Pri

monitorovaní plochy s väčšími rozmermi, napr. erodovaných skalných brál (hrad Devín)

alebo nestabilných hradných múrov (Trenčiansky hrad, Spišský hrad a pod.) sa potreba

viacbodového snímania môže riešiť využitím programovo riadeného prepínača,

zabezpečujúceho pre jednotlivé antény umiestnené v kritických bodoch monitorovania

požadovaný časový multiplex.

8. ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY



[1] KEVICKÝ, D.; KALAŠOVÁ, A.: Satelitné navigačné systémy. Žilina: EDIS, 2004.

ISBN 80-8070-295-0.

[2] http://ocw.mit.edu/OcwWeb/Earth--Atmospheric--and-Planetary-Sciences/12-

215Modern-NavigationFall2002/CourseHome/index.htm

[3] http://gps.faa.gov/gpsbasics/controlsegment.htm

[4] FERIANC, D.; KLOBUŠIAK, M.; LEITMANNOVÁ, K.; PRIBUL, T; ŠALÁTOVÁ,

E.: Slovenská priestorová observačná služba GNSS.

http://www.gku.sk/slo/doc/SKPOS.pdf

[5] KALAFUT, M.: Najnovšie trendy v meračských technológiach GPS.

http://actamont.tuke.sk/pdf/2005/n2/10kalafut.pdf

[6] RIZOS, Ch.: Precise GPS Positioning: Prospects and Challenges.

http://www.gmat.unsw.edu.au/snap/publications/rizos_2001a.pdf

[7] LANDAU, H.; VOLLATH, U.; CHEN, X.: Virtual Reference Station Systems.

http://www.gmat.unsw.edu.au/wang/jgps/v1n2/v1n2pH.pdf

[8] VACEK, M.: Možnosti využití GPS v katastru nemovitostí. Diplomová práca.

http://gis.zcu.cz/studium/dp/2004/Vacek__Moznosti_vyuziti_GPS_v_katastru_nemovi

tosti__DP.pdf

[9] http://www.gku.sk

[10] OFÚKANÝ, M.; VOJTIČKO, A.: The Information Policy in the Sector of GCCA SR.

http://gis.vsb.cz/GIS_Ostrava/GIS_Ova_2005/Sbornik/cz/Referaty/ofukany.pdf

[11] RAPANT, P.: Družicové polohové systémy. VŠB - TU Ostrava, 2002

[12] HANSLIAN, J.: Sručné představení protokolu Ntrip.

http://gisak.vsb.cz/gportal/files/ntripdoc.pdf

[13] LENZ, E.: Networked Transport of RTCM via Internet Protocol (NTRIP) –

Application and Benefit in Modern Surveying Systems.

http://www.fig.net/pub/athens/papers/ts03/ts03_2_lenz.pdf

[14] WEBER, G.; DETTMERING, D.: Networked Transport of RTCM via Internet

Protocol (Ntrip) – IP-Streaming for Real-Time GNSS Applications.

http://igs.ifag.de/pdf/NtripPaper.pdf

[15] MIČEK J.: Systém sledovania pohybu zvierat.

http://klokan.vsb.cz/vyuka/mgit/doprava/medved.pdf

http://ocw.mit.edu/OcwWeb/Earth--Atmospheric--and-Planetary-Sciences/12

http://gps.faa.gov/gpsbasics/controlsegment.htm

http://www.gku.sk/slo/doc/SKPOS.pdf

http://actamont.tuke.sk/pdf/2005/n2/10kalafut.pdf

http://www.gmat.unsw.edu.au/snap/publications/rizos_2001a.pdf

http://www.gmat.unsw.edu.au/wang/jgps/v1n2/v1n2pH.pdf

http://gis.zcu.cz/studium/dp/2004/Vacek__Moznosti_vyuziti_GPS_v_katastru_nemovi

http://www.gku.sk

http://gis.vsb.cz/GIS_Ostrava/GIS_Ova_2005/Sbornik/cz/Referaty/ofukany.pdf

http://gisak.vsb.cz/gportal/files/ntripdoc.pdf

http://www.fig.net/pub/athens/papers/ts03/ts03_2_lenz.pdf

http://igs.ifag.de/pdf/NtripPaper.pdf

http://klokan.vsb.cz/vyuka/mgit/doprava/medved.pdf



[16] KULKARNI, M. N.; RADHAKRISHNAN, N.; RAI, D.: Deformation Studies of

Koyna Dam.

http://www.gpsworld.com/gpsworld/article/articleDetail.jsp?id=131748

[17] XIUFENG, H.; WENGANG, S.; YONGQI, Ch.; XIAOLI, D.: GPS Multiple-Antenna

System at Xiaowan Dam.


[18] Analog Devices: Low-Cost +-2g Dual Axis Accelerometer with Duty Cycle Output,

ADXL 202E, Analog Devices. Inc., 2000

www.sparkfun.com/datasheets/ADXL/ADXL202E_a.pdf

[19] Early Warning systems.

www.coe.int/T/DG4/MajorHazards/ressources/

doc/APCAT/2005/lisbonne2005/APCAT-2005-28-e-SysAlertePrec.pdf

[20] Kalmanův filtr.

http://rsc.hyperlinx.cz/cp1250/skola/ulohy_cvut.php

[21] PISCA, P.: Globálne navigačné systémy.

http://svf.utc.sk/kgd/skripta/gps/Globalne_navigacne_systemy.pdf

[22] KALAŠOVÁ, A.; KEVICKÝ, D.: Aplikácia satelitných technológií v

poľnohospodárstve.

http://www.fem.uniag.sk/mvd2006/zbornik/sekcia8/s8_kalasova_alica_34.pdf



http://www.sparkfun.com/datasheets/ADXL/ADXL202E_a.pdf

http://www.coe.int/T/DG4/MajorHazards/ressources/

http://rsc.hyperlinx.cz/cp1250/skola/ulohy_cvut.php

http://svf.utc.sk/kgd/skripta/gps/Globalne_navigacne_systemy.pdf

http://www.fem.uniag.sk/mvd2006/zbornik/sekcia8/s8_kalasova_alica_34.pdf

ČESTNÉ VYHLÁSENIE


ČESTNÉ VYHLÁSENIE

Vyhlasujem, že som zadanú diplomovú prácu vypracoval samostatne, pod odborným

vedením vedúceho diplomovej práce Ing. Júliusa Kotoča a používal som len literatúru

uvedenú v práci.

Súhlasím so zapožičiavaním diplomovej práce.

............................................ V Žiline 18. mája 2007 podpis

POĎAKOVANIE


POĎAKOVANIE

Touto cestou sa chcem poďakovať všetkým, ktorí odbornou alebo teoretickou

pomocou prispeli k vypracovaniu mojej diplomovej práce. Predovšetkým sa chcem

poďakovať vedúcemu diplomovej práce Ing. Júliusovi Kotočovi za odborné vedenie a ochotu

a pomoc pri vypracovaní diplomovej práce.

Poďakovanie patrí aj rodičom a ich podpore pri mojom štúdiu na vysokej škole.

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií

APLIKÁCIE NAVIGAČNÝCH SATELITNÝCH SYSTÉMOV PRI MONITOROVANÍ ŽIVOTNÉHO

PROSTREDIA

Prílohová časť

Rastislav TOMČÍK

2007

ZOZNAM PRÍLOH

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

ZOZNAM PRÍLOH

Príloha 1 Stručný popis simulácie v Matlabe

Príloha 2 Závislosť odchýlky od časového úseku merania

PRÍLOHA 1


Príloha 1 – Stručný popis simulácie v Matlabe

Súbor program.m

Pohybujúci sa bod R bol sledovaný pomocou geodetickej techniky a v 400 časových

úsekoch po jednej sekunde boli merané nasledujúce veličiny v troch variantách:

– dĺžky d1–R, d2–R,

– smernice σ1–R, σ2–R,

– uhly S3–R–2, S2–R–1 (bod R je vrcholom uhlov).

Presnosť meraných veličín je známa a charakterizovaná strednými chybami σ1 a σ2.

Okrem toho je známa i približná vopred daná poloha prijímača (rozdiel od skutočnej polohy 5

až 10 cm).

O pohybe bodu vieme, že po dobu 200 sekúnd bol bod nehybný a potom v čase t0 +

200 s došlo k rýchlemu posunu o 0 – 10 cm. Od tohto momentu sa bod už ďalej nepohyboval.

Program testuje vplyv veľkosti použitých charakteristík presnosti na vlastnostiach

Kalmanovho filtra. Výsledky sú uvedené v grafickej podobe. Program testuje rôzne vopred

dané presnosti vopred danej polohy prijímača (nereálne malé hodnoty stredných chýb vs.

hodnoty odpovedajúce skutočnej presnosti).

Obr. P1.1 Určovaný bod – R a známe body 1, 2

Súbor vst_data

Súbor obsahuje vstupné súradnice pohybujúceho sa bodu, vopred dané súradnice bodu

R a súradnice pevných bodov SS, ktoré sú načítané súborom program.m.

PRÍLOHA 1


Súbor dlzkaAB.m

V tomto súbore som definoval funkciu d, na výpočet dĺžky v rovine.

Súbor smernicaAB.m

Súbor vypočíta smernicu AB.

PRÍLOHA 2


Príloha 2 - Závislosť odchýlky od časového úseku merania

Obr. P.2.1 Závislosť odchýlky od časového úseku merania

Žilinská univerzita v Žilinediplom.utc.sk/wan/1357.pdf · rf radio frequency rádiový signál...

Documents