1. Základy geoinformatiky|Jiří Šmída
Základy geoinformatiky
Téma 5: Globální navigační a polohové systémy (GNSS)
Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci

2. Obsah přednášky
1. Určování polohy, navigace
2. Určování polohy a navigace pomocí
družic
3. GPS
4. Pojmy GNSS
5. Aplikace
2
Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci

3. Přednáška na Slideshare.net/jirsm/
3
Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci

4. 1. Určování polohy, navigace
GNSS

5. Navigační systémy jako disciplína
geoinformatiky
 technologie družicových navigačních a
polohových systémů
 umožňují určovat polohu a navigovat za
jakéhokoliv počasí, celý den a „kdekoliv“
 vývoj od 50. let 20. století
 GPS – GLONASS – GALILEO
 1 mil. přijímačů/rok
 10 mld. USD/rok
5

6. Určování polohy a navigace
 potřeba člověka určovat svou polohu
 potřeba dostat se efektivně z místa na místo po
předem určené trase = navigace
 prostředků primitivní navigace využíváme
každodenně
 efektivní prostředky navigace prodělávaly vývoj
 úhlová měření – radiové navigační systémy
 pozemní vysílače – družicové systémy
6

7. Určování polohy
 určování polohy = procesy a technologie
používané pro stanovení polohy bodů v prostoru
 polohu lze určit základními způsoby:
 přímým měřením
 nepřímým měřením
7

8. Určování polohy nepřímým měřením
 polohu určujeme na základě vyhodnocení
měření jiných veličin než jsou souřadnice
 úhloměrná měření
 dálkoměrná měření
 kombinace
8

9. 2. Určování polohy a navigace pomocí družic
9

10. Navigace
 vedení dopravního prostředku po předem vytyčené trase
 do 20. stol. výhradně námořní doprava
 navis (loď) + agere (přemísťovat, směřovat)
 základní metody jsou založeny na matematických a
fyzikálních principech:
 navigace podle orientačních bodů
 navigace podle hvězd
 navigace výpočtem
 radiová navigace
 inerciální navigace
10

11. Navigace
 podle duhu dopravy lze vymezit
 námořní navigaci
 navigaci pod vodní hladinou
 pozemní navigaci
 leteckou navigaci
 kosmickou navigaci
 oblast aplikace má svá specifika:
 prostředí
 rychlost pohybu
 rozměrnost
 volnost pohybu
11

12. Určování polohy a navigace pomocí družic
 využití fyzikálních principů, rádiových vln
 radiové navigační systémy (radiomajáky a uživatelská
zařízení)
 radiomajáky ve vesmíru
 globální družicové navigační systémy (Global Navigation
Satellite Systems, GNSS)
12

13. Zájem…
 jaké jsou důvody vysokého počtu uživatelů GNSS:
 relativně vysoká polohová přesnost
 schopnost určovat i rychlost
 dostupnost signálu
 standardní služby zdarma
 dostupnost ve špatném počasí
 24 hodin denně
 3D
13

14. Principy rádiového určení polohy
 metoda úhloměrná
 metoda dopplerovská
 metoda dálkoměrná
 metoda založená na měření fáze nosné vlny
 základní podmínky: znalost přesné polohy radiomajáku
14

15. Obecná struktura GNSS
 systém GPS tvořen třemi segmenty
 kosmickým
 řídícím
 uživatelským
 pro správnou funkčnost systému jsou potřeba všechny
 přesný čas je základním předpokladem
15

16. 3. GPS
16

17. Počátky systému
 70. léta 20. stol.: vývoj družicových navigačních systému
v USA a SSSR
 družicové pasivní dálkoměrné systémy
 70. léta: SSSR, GLONASS (Globalnaja Navigacionnaja
Sputnikovaja Systema)
 17/12 1973: USA, rozhodnutí o budování systému GPS
(NAVSTAR), sjednocení vývoje
 1974: vypuštěny 1. družice (Timotion  NTS-1, NTS-2)
17

18. Počátky systému
 12/1993: počáteční operační stav (Initial Operational
Capability – IOC), obsazeno všech 24 pozic, družice
fungují bezchybně, poskytují standardní polohovou
službu, změny oznamovány 48 hod. předem
 17. 7. 1995 – dosaženo plného operačního stavu 
období rutinního provozu
 budování rozšiřujících systémů pro šíření diferenčních
korekcí
18

19. Základní znaky systému GPS
 vojenský systém s rozsáhlým civilním využitím
(spravován ministerstvem obrany USA)
 desítky miliónů uživatelů
 příčiny masivního rozšíření:
 relativně vysoká přesnost
 určování rychlosti a času
 dostupnost signálu kdekoliv (na povrchu, na moři, ve vzduchu, v
blízkém kosmickém prostoru)
 standardní služba civilním uživatelům přístupná zdarma
 pracuje za každého počasí 24 hod./denně
 polohu je možné určovat v 3D prostoru
 přijímač je cenově dostupný
19

20. Struktura systému GPS
 systém GPS tvořen třemi segmenty
 kosmickým
 řídícím
 uživatelským
 pro správnou funkčnost systému jsou potřeba všechny
 přesný čas je základním předpokladem
20

21. Kosmický segment GPS
 GNSS se liší počtem družic a
parametry oběžných drah
 soustava 24 družic
 systematické rozmístění
 6 oběžných drah
 na každé 4 družice
 stálá poloha vůči Zemi
 sklon 55 stupňů k rovníku
 20 200 km
 oběžná dráha polovina siderického dne (11
hodin 58 minut)
 cíl – dostupnost signálu ze 4 družic
kdykoliv, kdekoliv
 v ideálním případě až 12 21

22. Kosmický segment GPS
 v rámci projektu GPS doposud vyvinuto 6
generací družic
 Navigation Technology Sattelites (NTS)
 Navigation Development Sattelites, Blok I
 Blok II
 Blok IIA
 Blok IIR
 Blok IIF
 plánuje se Blok III
22

23. GPS IIA
GPS IIR
GPS IIR
GPS III
23
GPS IIR
zdroj: http://www.lockheedmartin.com/products/GPS/

24. Kosmický segment GPS
 družice mají plánovanou životnost 3
roky, skutečnost je jiná
 družice Bloku IIR prům. životnost 7,8 let
 atomové hodiny (césiové, rubidiové)
 GPS počítač
 generátor dálkoměrného kódu (PRN)
 přijímač/vysílač
 solární panely
 raketové motory
24

25. Řídící segment GPS
 úkol: aktualizovat údaje obsažené v navigačních
zprávách vysílaných družicemi kosmického segmentu
 efemeridy – přesné údaje oběžných drah
 soustava 5 pozemních monitorovacích stanic (Monitoring
Stations – Havaj, Kwajalein, Diego
García, Ascension, Colorado Springs)
25

26. Řídící segment GPS
26

27. Uživatelský segment GPS
 tři funkční bloky:
 anténa
 navigační přijímač
 navigační počítač
 antény od nejlevnějších používaných pro příruční
přijímače pro běžné použití
 po vysoce přesné vhodně pro geodetická měření
 anténa vykazuje míru: citlivosti, odolnosti vůči rušivých
signálům
27

28. Uživatelský segment GPS
 navigační přijímač – zpracovává signály přijaté z
družic
 zpracovává navigační zprávy
 vypočítává vzdálenost k družicím
 přijímač tvoří: vstupní jednotka, časová základna
(krystalem řízené hodiny), měřící přijímač
 podle počtu měřících přijímačů rozlišujeme přístroje
jedno- a vícekanálové
 čím více přijímačů, tím je přístroj schopen sledovat
více družic současně
 výhody: přijímač rychleji vyhledává družice a je tak rychleji
připraven určovat svou relativní polohu
 polohu určuje přesněji
 polohu určuje i v husté vegetaci 28

29. Uživatelský segment GPS
 navigační počítač – zpracovává data získaná měřícími
přijímači
 vyhodnocuje aktuální polohu, aktuální čas GPS
 stanovuje rychlost, příp. další zpracování
 transformace souřadného systému
 zavádění diferenčních korekcí
29

30. 30

31. Signály vysílané družicemi GPS
 každý signál vysílaný družicí GPS kombinací
 nosné vlny
 dálkoměrného kódu
 navigační zprávy
 vysílání na dvou nosných frekvencích:
 1575,42 MHz, 19 cm = L1
 1227,60 MHz, 24 cm = L2
 L1: Standard Positioning Service (SPS)
 dálkoměrné kódy přesný (P-code, Precision) a
hrubý/dostupný (C/A code, Coarse/Acquisition)
 P-kód může být šifrován (Y-kód)
 L2: Precise Positioning Service (PPS)
 pouze P-kód (resp. Y-kód), umožňuje měřit zpoždění signálu
při průchodu ionosférou 31

32. Selektivní dostupnost
 SA (Selective Availability)
 náhodně vnášená chyba do C/A kódu
 snižuje přesnost na 100 m
 lze ji odstranit (zmírnit) pomocí diferenčních korekcí (na 1
m)
32

33. Určování absolutní polohy přímo v terénu
 přímo v terénu lze určit polohu pomocí zdánlivých
vzdáleností získaných z kódových měření
 kódová měření: základní principem určování vzdáleností
mezi přijímačem a družicemi pomocí dálkoměrných kódů
 dálkoměrné kódy = přesné časové značky ve vysílaném
kódu
 umožňují zjistit čas, kdy byla kterákoliv část kódu
odvysílána z družice
33

34. Určování absolutní polohy přímo v terénu
 ve vstupním signálu, přicházejícím z antény identifikuje
dálkoměrný kód příslušné družice
 zjistí čas odeslání a přijetí jedné sekvence kódu
 ze zjištěného časového rozdílu Δti určí vzdálenost mezi
přijímačem a družicí di
 dle jednoduchého vztahu
di = Δti . c
c je rychlost šíření radiových vln
34

35. Určování absolutní polohy přímo v terénu
 hodiny přijímače nejsou zcela synchronní se systémovým
časem družicového navigačního systému (GPS), časový
rozdíl Δti je zatížen určitou chybou hodin přijímače
 zjišťujeme zdánlivou vzdálenost (pseudorange)
35

36. Určování polohy a času přístroji GPS
 předpokládejme nepřítomnost chyb (časové, náhodný
šum, další)
 jedno měření  přijímač se nachází někde na kulové
ploše se středem v družici a s poloměrem r1 rovným
vypočtené vzdálenosti
36

37. Určování polohy a času přístroji GPS
 provedením dalších dvou měření zpřesňujeme  bod
musí ležet současně na více kulových plochách
37

38. Určování polohy a času přístroji GPS
 prakticky problémy v synchronizaci hodin
38

39. Určování polohy a času přístroji GPS
 posun hodin oproti systémovému času je známý  je
možné jej dodatečně korigovat
 není známý časový posun hodin přijímače ΔT vůči
systémovému času
 vypočtené hodnoty upravíme o hodnotu c. ΔT
39

40. Určování polohy a času přístroji GPS
40

41. určování relativní polohy
 diferenční měření
 lze přímo v terénu nebo postprocesing
 založeno na kódových měření referenčního přijímače
 umístěn na bod o známých souřadnicích
 lze dosáhnout zpřesnění 1 m
 WAAS, EGNOS
41

42. Faktory ovlivňující přesnost GPS
 úroveň přesnosti dosažitelná při použití vhodného technického
a programového vybavení a pracovních postupů
 zatížení náhodnými a systematickými chybami
 stovky metrů až milimetry (dle použitého vybavení, metodě
měření, vlastnostech prostředí, způsobu vyhodnocování
měření)
 chyby lze z výsledku měření odstranit:
 A: přímým odečtením chyb z měření (složité matematické modely vzniku
a chování chyb (korekce hodin družic, korekce efemerid, korekce vlivu
ionosféry)
 B: použití vhodné metodiky měření (např. diferenční měření)
42

43. Další faktory ovlivňující přesnost GPS
 dostupnost – rozsah, ve kterém je systém dostupný uživatelům
 integrita – schopnost monitorovat výkon
 spolehlivost
 cena
43

44. Zdravá/nezdravá družice
 družice pracují téměř nepřetržitě od svého umístění na
oběžnou dráhu s výjimkou periodické údržby
 údržba césiových hodin (každého 1/2 roku):
dopumpování plynové trubice (asi 18 hod.)  družice je
v tomto čase označena jako nezdravá
 korekce oběžné dráhy – manévr, kterým se družice
umisťuje zpět na určené místo oběžné dráhy (k vychýlení
dochází vlivem změn gravitačního pole Země), nezdravá
asi 12 hod.
44

45. GLONASS
45
Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci

46. GLONASS
 ГЛОНАСС - ГЛОбальная НАвигационная
Спутниковая Система
 Global Navigation Satellite System
 pasivní dálkoměrný družicový navigační
systém
 Ruské kosmické síly
 Koordinační vědecké informační
centrum Kosmických sil Ruské federace
46

47. GLONASS – aplikace
 řízení a zvýšení bezpečnosti letecké a
námořní dopravy
 geodézie a kartografie
 monitorování pozemní dopravy
 synchronizace času mezi odlehlými
místy
 ekologický monitoring
 vyhledávací a záchranné služby
47

48. GLONASS – historie
 vývoj původně pro účely sovětské armády (navigace
a zaměřování balistických střel)
 vývoj na základě poznatků ze systému Cikáda
 1976: vývoj
 1982: vyneseny první družice (více než 70 družic)
 9/1993: oficiální uvedení do provozu
 1995–96: kompletní konstelace
 2001: 7 zdravých družic
 spolupráce s Indií
48

49. GLONASS – vývoj
49

50. Kosmický segment
 GNSS se liší počtem družic a
parametry oběžných drah
 soustava 24 družic
 systematické rozmístění
 3 oběžných drah
 na každé 6 družic
 kruhové dráhy
 sklon 64,8 stupňů k rovníku
 19 100 km
 oběžná dráha 11 hodin 15 minut
50

51. Kosmický segment, 2006
51

52. Kosmický segment, 2008
http://www.glonass-ianc.rsa.ru/pls/htmldb/f?p=202:20:18285471414431764960::NO:::
52

53. Kosmický segment
http://img477.imageshack.us/img477/6742/glonass7qd.jpg
53

54. Řídící segment
 pozemní řídící komplex
 kompletně situován na území bývalého SSSR
 Moskva – hlavní řídící centrum
 Ternopol, St.
Peterburg, Jenisejsk, Komsomolsk, Balkaš
 laserové měření vzdáleností
 nevýhoda – 16 hod mimo dosah
54

55. Pokrytí - dostupnost
http://www.glonass-ianc.rsa.ru/pls/htmldb/f?p=201:25:12748933938642558644
55

56. GPS/GLONASS
56

57. Galileo
 leden 1999: Evropská komise
doporučila, aby EU vybudovala
vlastní globální navigační systém
Galileo
 do jeho charakteristik patří, že má být plně kompatibilní
se systémy GLONASS a GPS, zároveň však i na obou
nezávislý Obr. 39. Družice GIOVE-A.
(zdroj: http://www.esa.int/)
57

58. Galileo
 Jeho služby budou poskytovány na třech úrovních:
 služba s otevřeným přístupem
(angl. Open Access Service, OAS) bude umožňovat určení
polohy, rychlosti pohybu a času a bude poskytována
uživatelům zdarma. Přesnost určení horizontální polohy bude
6 metrů.
 služba s kontrolovaným přístupem číslo jedna (angl.
Controlled Access Service number 1, CAS 1) bude určena pro
komerční a profesionální aplikace, pro které bude poskytovat
vylepšení některých služeb ve srovnání s OAS. Služba CAS 1
bude poskytována za úplatu.
 služba s kontrolovaným přístupem číslo dvě (angl.
Controlled Access Service number 2, CAS 2) bude zahrnovat
strategické aplikace (angl. Governmental Access
Service, GAS) a aplikace pro bezpečnost lidí (angl. Safety of
Life Access Service, SAS).
58

59. Compass Beidou
 COMPASS system – též Beidou-2
 Čína, vývoj nezávislého satelitního navigačního systému
 Beidou-1: 4 satelity, experiment
 cíl: 35 satelitů
 2 úrovně použití: civilní (zdarma) služba, armádní čínská
služba
 free service will have a 10 meter location-tracking
accuracy, will synchronize clocks with an accuracy of 50
ns, and measure speeds within 0.2 m/s.
 2007: 2 satelity
59

60. Pojmy
60

61. pojmy
 Almanach – informace o přibližné
pozici, charakteristikách drah, technickém stavu a číslech
všech družic GPS. Je obsažen v signálu každé
družice, přístroje GPS jej stahují ihned po jejich
spuštění, ukládají do své paměti a používají
k rychlejšímu nalezení spojení s dalšími družicemi GPS a
přesnému výpočtu polohy přístroje.
 Efemeridy – konkrétní a přesné informace o technickém
stavu, charakteru oběžné dráhy a poloze vysílané
každou z družic a přijímané přístrojem GPS.
61

62. pojmy
 POI (Points of Interest) – body zájmu – bodová
databáze nahrazující mapu u nemapových přístrojů GPS
(obr. 43).
 Routing – česky též trasování – funkce pro nalezení
optimální trasy mezi startem a cílem dle dalších
zadaných kritérií (zákaz použití placených silnic, polních
cest, stanovení povinných zastávek na cestě apod.);
obvykle se rozeznává trasa nejrychlejší a nejkratší.
62

63. pojmy
 Tracklog – záznam prošlé trasy, cesty
 WAAS (Wide Area Augmentation System) – systém
zpřesnění určení polohy a nadmořské výšky pomocí
opravného signálu šířeného nad vybranými částmi
povrchu Země geostacionárními družicemi a sítí
pozemních stanic
 Waypoint (trasový bod) – bod o přesných
souřadnicích, příp. s dalšími údaji (název, typ, nadmořská
výška, poznámka
63

64. Aplikace
64

65. Aplikace
 geomorfologický průzkum/výzkum
 doprava
 krizový management
 geodézie, mapování, GIS
 rekerační a sportovní aktivity
65

66. K samostudiu
 Rapant, P. 2005. Geoinformační technologie.
Vysokoškolská skripta. VŠB - TU, Ostrava.
66
Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci

67. děkuji za pozornost
jiri.smida@tul.cz
67
Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci