Vědeckotechnický sborník ČD

Transkript

1 Vědeckotechnický sborník ČD č. 10/000

2 Pavel Zvěřina Využití GPS a jiných geodetických metod pro měření v oblasti stavby a údržby tratí Klíčová slova: GPS, družicový navigační systém, traťové hospodářství, geodetická měření, prostorová poloha koleje. 1. Úvod V oblasti traťového hospodářství se stále častěji setkáváme s požadavky na přesná, rychlá a ekonomická geodetická měření. Mnohdy je velmi obtížné rozhodnutí zda ta či ona geodetická metoda je tou nejvhodnější metodou a zda požadovaná přesnost bude dostačující. Naopak přílišná přesnost může být zbytečná a bude na úkor rychlosti a ekonomičnosti měření. Rozhodování o vhodné geodetické metodě je současně ovlivňováno přístrojovým vybavením a nezbytně nutnými pomůckami zajišťujícími potřebnou kvalitu měření. V oblasti traťového hospodářství se většinou setkáváme s měřením polohovým a měřením výškovým. Výsledkem polohových měření bývá obvykle stanovení souřadnic X a Y a výsledkem výškových měření souřadnice Z. Podle přístrojového vybavení můžeme stanovit všechny tři souřadnice měřeného objektu v jednom okamžiku, což je někdy nesporná výhoda nebo dokonce požadavek. V současnosti nám taková měření umožňují elektronické totální stanice a stanice GPS.. Družicový navigační systém Družicový navigační systém globálního určování polohy GPS (Global Positioning System) se také označuje NAVSTAR (Navigation System using Time and Ranging navigační systém využívající měření času a vzdáleností) a pracuje na principu jednosměrného dálkoměru. Měřenou veličinou je doba šíření signálu z družicové antény k přijímací anténě. Tento naměřený čas je převáděn pomocí rychlosti šíření signálu na vzdálenost. Doc. Ing. Pavel Zvěřina, CSc., nar Absolvent VUT v Brně. Ústav železničních konstrukcí a staveb, Stavební fakulta, Vysoké učení technické v Brně, Veveří 95, BRNO, Česká republika. Tel.: (+40-5) , zkzve@fce.vutbr.cz, vedoucí ústavu, zabývá se teorií železničních konstrukcí, projektováním a stavbou železničních tratí a stanic. 1

3 Tento radionavigační systém, který je svázán s družicemi, umožňuje určit polohu přijímače v trojrozměrných souřadnicích a jeho rychlost v reálném čase. GPS je schopen poskytovat údaje nezávisle na počasí, 4 hodin denně po celý rok. Družice vysílají signály, které jsou přijímány přijímači a zpracovávány pro měřické nebo navigační účely. Každá družice je vybavena přijímačem, vysílačem, atomovými hodinami, procesory a řadou přístrojů, které slouží pro navigaci nebo jiné vojenské účely (kupř. pro detekci výbuchů jaderných náloží). Družice přijímá, zpracovává a uchovává informace předávané pozemními anténami (GA). Družice sleduje stav vlastních systémů, koriguje svou dráhu raketovými motorky a podává o těchto skutečnostech informace do řídícího centra. Stabilizace a uchování družice na dráze se zajišťuje prostřednictvím setrvačníků. Palubní baterie jsou dobíjeny dvěmi slunečními články o ploše 7,5 m. Družice vysílá signály pro uživatele v podobě složitého signálu, který je tvořen řadou koherentních kmitočtů. Každá družice vysílá zprávy o své poloze a přibližné polohy ostatních družic systému. Přesný čas a přesné kmitočty vysílaných frekvencí zajišťují cesiové nebo vodíkové oscilátory (původně to byly rubidiové oscilátory). Stabilita oscilátorů je až za 4 hodin. Technologie určování polohy s využitím GPS je oproti klasickým geodetickým metodám velmi úsporná a efektivní. Nezávisí totiž na vzájemné viditelnosti bodů (tato je nezbytná pro úhlová a délková měření) a nezávisí na denní nebo noční době. V případě, že se pro měření využije více přijímačů, zvyšuje se i produktivita práce (proti triangulaci až 5 krát). Přesnost měření je závislá na mnoho faktorech a orientačně se udává pro souřadnicové rozdíly x, y, z ± (1 cm D km ) azimut ± (1" + 5 " ). D km GPS poskytuje běžné výsledky v souřadnicích vztažených k Světovému geodetickému systému z roku 1984 WGS 84 (World Geodetic System). Výsledky lze převést do běžné kartografické projekce.

4 I když má dnes systém GPS rozsáhlé civilní využití, byl vyvinut a je dodnes spravován Ministerstvem obrany USA. GPS je tvořen třemi základními segmenty: kosmickým, řídícím a uživatelským. Kosmický segment je tvořen soustavou družic, rozmístěných systematicky na oběžných drahách a vysílajících navigační signály. Plná konstelace GPS sestává z 4 družic na šesti oběžných drahách ve vzdálenosti cca km od zemského povrchu tak, aby z každého místa na Zemi bylo vidět 8 satelitů pokud úhel pozorování není z jakýchkoliv příčin zúžen. Toto uspořádání poskytuje uživatelům potřebný signál kdekoliv na Zemi. Řídící segment (z pozemních řídících středisek) aktualizuje údaje obsažené v družicových navigačních zprávách. Vysílá údaje o efemeridách (přesných oběžných drahách) a údaje o nastavení hodin na jednotlivé družice. Tyto družice pak vysílají signály do uživatelských GPS přijímačů. Uživatelský segment se skládá z GPS přijímačů, uživatelů a vyhodnocovacích postupů. GPS přijímače provedenou na základě přijatých signálů z družic výpočty polohy, rychlosti a času. To nám například umožňuje: a) absolutní určování polohy (možnost lokalizace polohy na mapě). Souřadnicová síť systému WGS zobrazená na mapě, umožňuje určit polohu pomocí ručního navigačního přístroje GPS. Přijímač GPS využívá přesný čas a informaci o poloze vysílané satelity pro výpočet polohy. Soustava satelitů umožňuje získat souřadnice polohy kdekoliv a kdykoliv na Zemi. Pro určení polohy lze použít pouze jednu přijímací aparaturu a postačí získat informace ze tří satelitů. Vzdálenosti družicepřijímač jsou určovány pomocí pseudovzdáleností. Přesnost určení polohy je 100 až 150 metrů a ve výšce 00 metrů k absolutní poloze na zemi. Tato přesnost je využitelná např. v námořní a letecké dopravě. Při použití přijímače s C/A kódem lze určit polohu v tzv. standardním režimu (Standard Positioning Service) řádově 10 metrů a při přesném režimu (Precise Positioning Service) s využitím ještě P kódu je dosahovaná přesnost v metrech. Tyto pracovní režimy jsou využitelné např. v silniční dálkové kamionové dopravě a pro navigaci v osobních automobilech ve městech a v regionech. 3

5 b) relativní určování polohy. Poloha bodu se určuje vzhledem k referenčnímu bodu, jehož geocentrické souřadnice jsou známy. V tomto případě je třeba uskutečnit simultánní měření dvěma přístroji. Toto řešení má primární význam v geodézii a v železničním stavitelství, protože umožňuje určit délku základny (vektoru) s milimetrovou přesností a využívá se diferenciálních fázových měření. Obě metody, absolutní i relativní, lze využít jak pro statické tak i kinematické určování polohy. Při statickém určování polohy je přijímač po dobu měření vzhledem k zemskému povrchu v klidu. Při kinematickém měření je anténa stanice GPS vzhledem k zemskému povrchu v pohybu. Přesnost statických metod a rychlost kinematických měření přispěla k vývoji kombinovaných technologií rychlého určování polohy. Jsou to metody Rychlá statická metoda (Fast static) a Stop and Go (zastav, změř a pokračuj). Rychlá statická metoda je podobná klasické statické metodě. Doba měření je ale výrazně kratší, poněvadž zkrácení observační ( nastavovací ) doby je umožněno technologií rychlého určování ambiguit (počet celých period mezi satelitem a přijímačem). Pro tuto metodu musí být dvoufrekvenční přijímač s P kódem a výhodná konfigurace družic. Optimální je podle vlastních měření 5 až 6 družic s výškou 15 o nad horizontem. V místech zaclonění družic (v hlubokých zářezech, tunelech nebo pod mostními objekty) nelze metody využít přestože druhý nezbytně nutný přijímač (stanice GPS) je na referenčním bodě o známých souřadnicích a po celou dobu měření přijímá družicové signály. Vzdálenost mobilního přijímače (stanice GPS), kterým se uskutečňují vlastní měření na určovaných bodech, má být do 15 km v okruhu zvoleného referenčního bodu. Metoda Stop and Go se řadí mezi nejrychlejší způsoby měření, která umožňuje určovat souřadnice podrobných bodů avšak s nižší přesností. Pro určení ambiguity před začátkem měření se využije buď měření v kinematickém režimu na koncových bodech známé výchozí základny, nebo se využívá výměny antén mezi dvěmi blízkými přijímači (5 až 10 metrů) za předpokladu, že přijímače přijímají signál minimálně ze čtyř družic a po dobu inicializace nedošlo k přerušení příjmu signálu. Na výchozím bodě zůstává referenční přístroj a druhý přístroj se přemísťuje na podrobné body. Anténu lze pochopitelně přenášet, ale i převážet na železničním vozíku nebo i automobilem avšak nesmí dojít k přerušení signálu čímž se ukončí měření (přijímač zvukovým signálem oznámí přerušení spojení). Měřič se 4

6 musí vrátit na poslední bod, kde byla splněna podmínka příjmu a vykoná nové měření. Pak může pokračovat na další body. Kinematický způsob měření lze využít pro určování dráhy pohybujícího se tělesa, na kterém je umístěn mobilní přijímač. Druhý přijímač je na bodě o známých souřadnicích. Pak se hovoří o kontinuální metodě. Oba přijímače musí permanentně přijímat družicové signály. Mobilní přijímač musí na počátečním bodě sledované dráhy vykonat statické měření (zahrnuje několik dvouminutových sérií příjmu družicového signálu) pro zjištění výchozích souřadnic a pro určení počáteční ambiguity. Po volbě požadovaného časového intervalu, v kterém se bude určovat poloha mobilního přijímače (od 0,5 s výše) bez zastavení nad určovaným bodem, je možné zahájit měření. Rychlost, s kterou se přijímač pohybuje, se může použít k posouzení přesnosti měření. 1. Možnosti využití GPS v oblasti traťového hospodářství Obecně široká možnost využití GPS se v traťovém hospodářství zužuje zatím prakticky do následujících možností: 1. Sledování polohy kolejového vozidla v železniční síti a jeho rychlosti. Navádění traťových strojů pro prostorovou úpravu koleje. 3. Stanovení absolutní prostorové polohy koleje. 4. Prostorového určení směru a velikosti deformací železničních objektů 5. Sběru dat pro jednotlivé GIS železniční infrastruktury v DGPS. První z možností je již rozpracovávána pro podmínky ČD projekt, jehož zadavatelem je MDS (S05/510/801 Inteligentní systém určení polohy vozidel na principu GPS ), u některých vyspělých železničních drah je již aplikována. Druhá možnost je novinkou, kterou se zabývá Ústav železničních konstrukcí a staveb Vysokého učení technického v Brně. 5

7 Obě možnosti jsou v konfiguraci DGPS (Differential Global Positioning System). Slovo diferenční znamená, že systém koriguje chybu určení polohy diferenční metodou. K tomu slouží přesná referenční stanice, jejíž poloha je známa s velkou přesností a tato stanice neustále monitoruje polohu satelitů a jejím výstupem je korekční referenční signál. V praxi to znamená, že chyby v měřených pseudovzdálenostech ke stejným družicím dvěmi, nepříliš vzdálenými přijímači, jsou silně korelované. Této skutečnosti se využívá k významnému zvýšení přesnosti v určování polohy uživatelských přijímačů. Systém sledování polohy kolejového vozidla je navíc v konfiguraci I-DGPS, což znamená invertované DGPS. Signály od přijímače GPS umístěného na kolejovém vozidle, tak korekční referenční signál se přivádějí do řídícího centra. Tím je celý systém jednoduší, bezpečnější a výrazně levnější než druhý systém. Přesný údaj o poloze vozidla má větší význam v řídícím centru než pro obsluhu vlastního vozidla. Do řídícího centra může být posílán signál o poloze každého kolejového vozidla vybaveného přijímačem GPS (lokomotivy, koncové vagóny vlaku, traťové stroje a vozidla pro údržbu), nebo údaje o pohybu pracovních skupin či samostatných měřičů v koleji (jsou-li tito pracovníci vybaveni přijímači GPS RTK měření) pro zvýšení jejich bezpečnosti, pro projekty vyžadující řešení v terénu v reálném čase, nebo je-li požadován rychlý sběr dat. Přenos dat lze realizovat pomocí radiových vln na různých frekvencích nebo lze využít i telefonní sítě s přenosovou rychlostí od 9,6 kb/s. Vyšší frekvence umožňuje vyšší přenosovou rychlost (nejvýhodnější je pásmo VKV, které je i vhodné pro přenášení rádiového datového systému RDS). Do řídícího centra se dále přivádí referenční korekční signál z referenční stanice. Tyto signály se zpracovávají speciálním programem na počítači jehož výsledkem je chyba v určení polohy každé jednotky GPS snížena na hodnotu několika desítek centimetrů až jednoho metru. Kromě polohy lze pomocí GPS měřit rovněž rychlost, zrychlení a směr pohybu kolejového vozidla a v souvislosti s GIS (Geografický Informační Systém), kdy detailní průběh tratě je uložen v paměti palubního počítače to znamená, že zmíněná přesnost určení polohy (zvláště při přejezdu výhybek do jiné koleje ve staničním zhlaví) je dostatečná. Důležitá je rovněž doba odezvy, která je kritická z hlediska bezpečnosti. Například běžný GPS přijímač poskytuje údaje o poloze každé sekundy (při rychlosti 60km/h je to po téměř 6

8 17 metrech jízdy vozidla). Je tedy zřejmé, že pro vyšší rychlosti vozidel se bude vyžadovat doba odezvy nižší. Dalším problémem jsou místa, kde není zajištěn příjem od satelitů (především v tunelech, pod mostními objekty a podle vlastních zkušeností v hlubokých zářezech, při okolní vysoké zástavbě nebo i při příliš hustém a vysokém okolním porostu) a tím znemožněno určení polohy vozidel se může kombinovat DGPS s inerciálními systémy. Princip spočívá v odvození polohy vozidla z otáčení náprav, měřičů zrychlení či gyroskopů. Jedná se o tzv. dead reckoning, tj. mrtvé počítání. Druhá možnost - navádění traťových strojů pro prostorovou úpravu koleje je poněkud odlišná. Signál od GPS jednotky umístěné na traťovém stroji se současně se signálem z referenční stanice přenášejí do řídícího centra (pokud toto řídící centrum není přímo stanovištěm referenční stanice). Následně je přenášen korekční signál na vozidlo, jeho poloha se upřesňuje přímo na vozidle a tato přesná poloha se následně vysílá zpět do řídícího centra. Vhodnou variantou by bylo umístění referenční stanice GPS na zajišťovací značce v blízkosti upravovaného úseku tratě. Tomuto účelu mohou posloužit vybudované pilony s hlavicemi pro osazení stanic GPS (např. traťový úsek prvého železničního koridoru Brno Česká Třebová), které jsou od sebe vzdáleny cca km a jejichž souřadnice X, Y, Z jsou přesně určeny. Se stejným záměrem v jiných lokalitách byla zajištěna stabilizace ocelovými pažnicemi, zapuštěnými do hlubokého vrtu, vylité betonem a opatřené centračním šroubem. Ve stavební praxi však došlo v několika případech k porušení jejich polohy. Na stavbách tratí u DBB, pravděpodobně ze stejného důvodu, budují dokonce takovéto body s podzemní stabilizací. Další a zřejmě výhodnější a přesnější možností je umístění referenční stanice na vybudovaných pilonech podle předchozího (krátká délka vektoru) a umístění mobilního přijímače na speciálním vozíku. Tento mobilní přijímač by před traťovým strojem (například strojní podbíječka) načetl údaje o geometrickém uspořádání koleje (průběh směru a průběh výšky koleje) a hlavně údaje o prostorové poloze koleje vzhledem k zajišťovacím značkám a vzhledem k projektované prostorové poloze osy koleje. Po bleskovém výpočtu a korekcích může vysílat signály traťovému stroji tak, jak je tomu například u metody dlouhé tětivy. Dalším zpřesněním metody může být následující postup: mobilní přijímač načte stejným způsobem údaje o koleji v mezistožárovém úseku. V místě průsečíku spojnice stožárů trakčního vedení s osou koleje budou dopředu stanoveny souřadnice projektované 7

9 polohy osy koleje. Mobilní přijímač GPS zjistí skutečnou polohu koleje v tomto bodě, softwarově se provedou korekce a následně vyšlou pokyny pro práci stroje s tím, že v příslušném mezistožárovém úseku bude kolej upravena do absolutní prostorové polohy tak, jak je dána projektem. Celý cyklus se dále opakuje. Tento druhý systém navádění traťových strojů pro prostorovou úpravu koleje nabízí nové možnosti pro stanovení aktuálního geometrického uspořádání koleje železničních drah a její prostorové polohy, zvláště pak pro stavbu a přejímku, ale i pro provoz a údržbu. Třetí možností je stanovení absolutní prostorové polohy koleje. Vezmeme-li v úvahu neustále se zvyšující rychlosti na železnici, pak i nepatrná změna v prostorové poloze koleje může mít nepříjemné následky. Kolejový rošt je namáhán silami vyvolanými teplotními změnami a provozními účinky. Ze zkušenosti víme, že tyto síly vyvolávají napětí která mají tendenci se někde vybít. Většinou dojde k prostorovému posunu kolejového roštu. Obdobou je prostorový posun kolejového roštu při práci strojních podbíječek i při zachování geometrických parametrů koleje. Tím vzniká situace, kdy například měřicím vozem vyhodnotíme geometrické uspořádání koleje (směr, podélná výška a sklon koleje) jako vyhovující, ale prostorová poloha koleje, (která je zahrnuta pod geometrickými parametry koleje a je definovaná jako množina bodů osy koleje jednoznačně určených v projektu polohopisnými souřadnicemi a nadmořskou výškou ) je jiná než projektovaná. Železniční provoz pak může být ohrožen tím, že není dodržen volný schůdný a manipulační prostor, že pevné stavby a zařízení zasáhnou do průjezdného průřezu, že u dvou a vícekolejných tratí nebude dodržena osová vzdálenost kolejí. Okamžitým měřením stanicí GPS určíme odchylku od projektované prostorové polohy koleje bez dalšího nutného ověřování polohy vztažných bodů. Určité problémy však tato metoda přináší, ale o jejich eliminaci je psáno v následující kapitole o experimentálních měřeních. Čtvrtou možností je prostorové určení směru a velikosti deformací (vektoru deformace) železničních objektů. Opakovaným určením souřadnic X,Y,Z téhož bodu v časové ose tj. po týdnech, měsících nebo letech můžeme určit prostorově směr a velikost posunu (deformace) bodu a při opakovaných měřeních i trend kvantitativní či kvalitativní. Příkladem může být změna polohy kolejového roštu vlivem deformací konstrukčních vrstev tělesa železničního spodku, posuny opěr železničních mostů, vliv účinků traťových mechanizmů (zhutňovačů, vibrátorů) na stabilitu konstrukce pražcového podloží. 8

10 1. Přesná nivelace Další z geodetických metod měření využitelných v oblasti traťového hospodářství je nivelace geometrická (vedle nivelace trigonometrické, tachymetrické či barometrické), která používá nivelační přístroj se záměrnou přímkou urovnanou do vodorovné roviny. Podle dosahované přesnosti výsledku měření, hodnocené střední kilometrovou chybou m o (tj. střední chybou, připadající na 1 km nivelované vzdálenosti) je to vedle klasické technické nivelace ( m o = 7,5 mm) ještě nivelace přesná ( m o =,5 mm) a nivelace velmi přesná ( m o = 1, mm). K dosažení uvedených přesností musí být použit odpovídající nivelační přístroj, nivelační latě a také postup měření. Technická nivelace je charakterizována jako nivelační měření pro běžné technické účely, při kterém se užívají nivelační přístroje technické popř. stavební a obyčejné nivelační latě. Přesná nivelace je charakterizována dosahovanou vyšší přesností naměřených výsledků se střední kilometrovou chybou mo, která se pohybuje v rozmezí,5 až 1, mm. Aby této přesnosti bylo dosaženo, bývá použita souprava pro přesnou nivelaci skládající se z nivelačního kompenzátorového přístroje ( např. ZEISS NI 007), dvou invarových nivelačních latí a měřického slunečníku. Vysokým požadavkům na přesnost byla také přizpůsobena technologie měření. Přesná nivelace se provádí zásadně geometrickou nivelací ze středu. Nejdříve se každý nivelovaný oddíl nebo úsek rozměří tak, aby obsahoval sudý počet nivelačních sestav k vyloučení chyby z nestejných počátků nivelace (např. podle čísel pražců tak, jak jsou uváděny v dispozičním plánu každé výhybky). Délky záměr volíme v souladu s geodetickými zásadami v rozmezí 5 m až 35 m podle sklonu terénu tak, aby záměra byla minimálně 0,5 m nad terénem (aby se zabránilo vlivu refrakce) a minimálně 0,8 m od horního konce latě (kdy se neuplatni vliv případně nesvislé polohy latě). Nivelační sestava například pro stanovení podélné výšky kolejnicového pásu (která je definována jako bokorysný průmět temene kolejnicového pásu) se rozměří tak, že na hlavě kolejnice nad každým šroubem upevnění na příslušném pražci se vyznačí bod na nepojížděné hraně hlavy kolejnice. 9

11 Měření v nivelační sestavě má tento průběh. Pro postavení přístroje se volí pevná místa. Po horizontaci přístroje podle alhidádové libely se zacílí na lať postavenou na zaměřovaném bodě (nejdříve na příslušných fixech) a urovnanou do svislé polohy krabicovou libelou. Klínová ryska záměrného kříže se nastaví na levou stupnici na lati. Působením mikrometrického šroubu přivedeme klínovou rysku na nejbližší dílek stupnice. Před odečtením se znovu přesvědčíme, zda nivelační libela se nevychýlila z urovnané polohy a teprve potom provedeme první čtení na lati. Potom jemnou ustanovkou alhidády posuneme dalekohledem tak, aby klínová ryska záměrného kříže se promítla na pravou stupnici na lati. Mikrometrickým šroubem nastavíme klínovou rysku na nejbližší dílek latě a po kontrole nivelační libely přečteme čtení na pravé stupnici. Zapisovatel ověří, zda rozdíl obou čtení dává konstantní laťový rozdíl (např ). Jestliže je větší než ###, opakuje se čtení na levé i pravé stupnici přístroje. Podle geodetických zásad musíme ověřit, zda poloha přístroje se během měření nezměnila. Proto musí být vždy prováděno zaměření na fixní body a to před měřením v daném úseku a po měření. Jestliže se lišilo druhé čtení od prvního čtení o více než ### dílky (například po průjezdu těžkého nákladního vlaku při postavení stroje v blízkosti koleje) opakuje se měření celé sestavy. Jestliže byl nesouhlas malý (menší než ### dílky), utvoříme z poslední a předcházející záměry aritmetický průměr. Teprve když je ověřena správnost měření v nivelační sestavě, může být pokračováno v měření dalšího úseku. Zpracování výsledků měření se provádí zavedením oprav podle geodetických rovnic. Opravená převýšení se potom vyrovnávají podle zásad metody nejmenších čtverců. Aby bylo možno dosáhnout žádané přesnosti, je třeba vyloučit nebo alespoň omezit zdroje chyb při měření a to zejména : - chybu v odhadu desetin dílku nebo v zacílení na dílek,- chybu z urovnání záměrné přímky kompenzátorem, - chybu z urovnání krabicové libely na lati, - chybu z nepřesného osazení latě na měřený bod, - chybu z vlivu teplotních změn na přístroj, - chybu ze změny výšky přístroje v průběhu měření, - chybu ve změně výšky fixních bodů. 10

12 Většina nastíněných chyb majících vliv na přesnost měření byla při našich experimentálních měření v koleji v průběhu měření, ale i v jednotlivých etapách měření důsledně sledována a eliminována. Jako příklad uvádím, že k eliminování chyby z nepřesného osazení latě na měřený bod, byl zkonstruován speciální nosič invarové latě s hrotem upevněným ve spodní části latě tak, aby nasazování latě na měřený bod nabylo plošné, ale bodové.. Experimentální měření v terénu Metoda GPS byla naším pracovištěm ve spolupráci s Ústavem geodézie na železnici použita poprvé. V rámci jiných úkolů souvisejících se stabilitou a spolehlivostí geometrických parametrů koleje byly zaměřeny pokusné úseky v různých lokalitách ČD (Havlíčkův Brod, Libice, Nymburk aj., kolej v přímé, v oblouku, ve stoupání, ale i na náspu či v zářezu). Kolejnicové pásy byly pomocí vlastní metodiky označeny, očíslovány a proměřovány totální geodetickou stanicí TOPCON GTS 6a a přesnou nivelací ZEISS Ni 007. Zjištěné údaje o geometrických parametrech koleje a její prostorové poloze byly neocenitelnými informacemi pro stanovení přesnosti měření metodou GPS. Pro účely experimentu s GPS bylo nutno sestrojit speciální vozík. Toto zařízení umožňuje pohyb přimontované antény GPS po temeni kolejnice, její přesnou centraci a horizontaci. K centraci slouží rysky na boku vozíku a k horizontaci kovový profil tvaru T, kterým je možno vozík naklánět do kolmého směru. V podélném směru se anténa horizontuje při inicializaci stavěcími šrouby na trojnožce vozíku. Kontroler aparatury byl na dlouhém kabelu, aby obsluha nerušila příjem družic. Byly použity kombinované technologie určování polohy bodů a to jak Rychlá statická metoda, tak Stop and Go. V poslední fázi experimentu byl prováděn kinematický způsob měření, tedy aplikace kontinuální metody. Jako referenční byly použity dva přijímače osazené na bodech A a B, které byly umístěny na začátku a konci pokusného úseku. Naměřené údaje se zaznamenávaly v paměti kontroleru aparatury. Pro měření bylo použito 3 aparatur GPS System a zpracování dat z kontroleru aparatur GPS probíhalo po přetažení pomocí kabelu do PC ve firemním softwaru SKI v... proto, že přejímá data ve vnitřním formátu přístroje. Program SKI se skládá z několika programových bloků, které jsou řazeny za sebou v logickém sledu výpočtu Configuration 11

13 (nastavení konfigurace), Preparation (plánování měření), Project (správa dat), Import (přenos měřených dat), Data Processing (početní zpracování dat), Compute (vlastní výpočet), View/Edit (prohlížení a editace), Adjustment (vyrovnání), Datum/Map (transformace), Utilities (aktualizace SW vybavení senzoru a kontroleru) a Help (nápověda). Početní zpracování dat (Data Processing) je vlastní výpočetní modul, který vyhodnocuje měřená GPS data a poskytuje výstupní údaje v systému WGS 84. V našem případě byly výsledné souřadnice WGS transformovány vždy do místní souřadnicové soustavy s osou X v přímce bodů AB. Ze souřadnic získaných metodami GPS, totální stanicí TS a přesnou nivelací PN bylo možné ověření velikosti odchylek při použití transformačních metod a analýz. Protože cílem experimentu bylo i srovnání daných metod, byly výsledky jednotlivých měření zpracovány tak, aby hodnoty názorně ukazovaly vzájemné diference metod na jednotlivých bodech. 3. Přesnost a technické parametry Přesnost je jedním z nejobtížnějších požadavků systému jak pro sledování polohy kolejového vozidla v železniční síti (pravděpodobnost určení polohy vozidla s GPS musí být větší než 0,99999), tak pro navádění traťových strojů pro prostorovou úpravu koleje, ale i pro stanovení absolutní prostorové polohy koleje či určení deformací.technické parametry uváděné jednotlivými renomovanými výrobci GPS (WILD, LEICA, TRIMBLE, TOPCON) jsou přibližně shodné a záleží především na typu stanice pro jaký účel bude použita a způsobu měření. Například přijímač Garmin GPS 38 TM, který je určen jako pomůcka pro orientaci v přírodě nebo na moři má přesnost určení polohy ± 0 až 100 m, doba nutná k získání potřebných dat je cca minuty a který má velikost mobilního telefonu (15,6 x 5,1 x 3,1 cm) lze pořídit za 10 tisíc korun. Jiným příkladem je jednofrekvenční přijímač GPS TOPCON GP-SX1, který při měření Post processing v módu Statická & Rychlá statická metoda má udávanou horizontální přesnost 5 mm + 1 ppm a vertikální přesnost 10 mm + ppm (při krátké délce vektoru do 10 km) a v módech Stop & Go, Kontinuální kinematická metoda je horizontální přesnost 0 mm + ppm a vertikální přesnost 40 mm + ppm při krátké délce vektoru a křížové dipólové anténě, ale při anténě Microstrip jsou již hodnoty poloviční. Při měření Real time kinematic v módech Stop & Go a Kontinuální kinematická metoda je horizontální přesnost 10 mm + 1

14 ppm a vertikální přesnost 0 mm + ppm. Inicializace je menší než 15 sekund na známém bodě nebo inicializačním pásu. Vyžaduje RTK volbu a FS/ kontrolér se softwarem a vhodný datový rádio/modem. Výkon měření v reálném čase je funkcí počtu sledovaných satelitů, délky určovaného vektoru, multipath, přesnosti pozice referenčního přijímače a různých vlivů prostředí. Takovéto typy stanic jsou pochopitelně podstatně dražší a pohybují se v cenových relacích od 500 tisíc korun výše. 4. Závěr Experimentální měření metodou GPS bylo na železnici naším pracovištěm provedeno poprvé a tudíž není možnost porovnání výsledků s větším, statisticky přijatelným souborem. Střední jednotková chyba vypočtená z regresní analýzy pravoúhlých transformovaných GPS souřadnic byla m o = 0,0118 m. Pro tentýž kolejnicový pás a metodu TS byla m o = 0,0343 m. V jiném zkušebním úseku byly hodnoty m o = 0,0304 m a m o = 0,094 m, přičemž se jednalo o zdeformované oblouky s poloměry pod 300 m. Výškové odchylky se pohybovaly v rozmezí ± 0,010 m a nepřekročily mez ± 0,05 m od přesné nivelace.mohu konstatovat, že v současnosti při využití všech možností zpřesnění, která nám dávají metody měření a vlastní stanice GPS je možné dosáhnout polohopisné přesnosti ± 0,00 m až ± 0,006 m a ve výškové poloze ± 0,05 m až ± 0,009 m.podle ČSN Konstrukční a geometrické uspořádání koleje železničních drah a její prostorová poloha, Část : Stavba a přejímka, provoz a údržba: - absolutní polohová odchylka osy koleje (SKa) od její projektované polohy nemá být při přejímce dokončených prací před zahájením trvalého provozu v přímé koleji větší než ± 0,015 m a v oblouku větší než ± 0,00 m, přičemž absolutní polohová odchylka SKa je definována jako odchylka osy koleje od její projektované polohy, nezatížená chybami ve vytyčení hlavních bodů trasy!!, - absolutní výšková odchylka nivelety temene nepřevýšeného kolejnicového pásu (VKa) od její projektované nadmořské výšky nemá při přejímce dokončených prací před zahájením trvalého provozu v koleji překročit hodnoty pro RP4 a RP3 (Rychlostní pásma) + 0,005 m a - 0,010 m, pro RP a RP1 + 0,010 m a - 0,015 m v hlavních kolejích a v ostatních kolejích pro RP4 a RP3 + 0,010 m a - 0,010 m, pro RP a RP1 + 0,010 m a - 0,00 m, 13

15 - provozní odchylky prostorové polohy koleje od její projektované polohy, které nemají být za provozu překročeny jsou pro RP4 a RP3 ± 0,05 m (SKa) a + 0,00 m, - 0,030 m (VKa), pro RP a RP1 jsou ± 0,030 m (SKa) a + 0,00 m, - 0,050 m (VKa). Z uvedeného je zřejmé, že v daném rozsahu přesnosti lze metodu GPS na železnici použít spolehlivě pro určení D souřadnic a při kombinaci s PN metodou spolehlivě i pro 3D, samozřejmě s omezením lokalit, kde to nebude umožňovat sama metoda GPS. Nepopiratelnou výhodou je určení WGS souřadnic a ne jen souřadnic v místní souřadnicové soustavě a přenos těchto dat a informací do GIS, který se stane nepostradatelnou součástí technického rozvoje. Experimentální měření a práce byly provedeny v rámci řešení výzkumného záměru fakulty s reg.č. CEZ: J/98: s názvem Teorie, spolehlivost a mechanismus porušování staticky a dynamicky namáhaných stavebních konstrukcí. Literatura:[1] Švábenský, O., Fixel, J., Weigel, J.: Základy GPS a jeho praktické aplikace. Akademické nakladatelství CERM, s. r. o. Brno 1995[] Zvěřina, P.: Výzkumné zprávy z měření v rámci CEZ. VUT Brno, 1999 [3] Firemní literatura a prospekty V Brně, březen 000 Lektoroval: Ing. Pavel Loskot hlavní geodet ČD ČD DDC O7 14

16 1 Aleš Filip, Lubor Bažant, Hynek Mocek Vlakový polohový lokátor na principu GPS/GNSS pro zabezpečovací techniku Klíčová slova: GPS, DGPS, GLONASS, GNSS-1, GNSS-, GALILEO, APOLO. 1. Inteligentní vlaky Očekává se, že začátek nového století přinese několik nových konceptů s cílem zvýšit bezpečnost a produktivitu práce na železnici a též kvalitu služeb pro její zákazníky. Tyto koncepty jsou převážně založeny na pronikání telekomunikačních a informačních technologií do prostředí železnice. Jedním z těchto konceptů je vybudovat systémy pro zabezpečení a řízení vlaků pokud možno nezávislé na zařízení umístěném podél tratí. Cílem těchto konceptů je přenést proces rozhodování a řízení z dispečerských center i na vozidla a vytvořit takzvané distribuované inteligentní systémy řízení vlaků. Jinými slovy je třeba dát vozidlům jistý stupeň inteligence.v konečném výsledku by měl tento koncept znamenat nižší investiční a provozní náklady, což učiní železnice více konkurence schopné vzhledem k ostatním druhům dopravy. Klíčovým prvkem tohoto konceptu je vlakový polohový lokátor založený na satelitní navigaci, který je schopen určit polohu vlaku kdykoliv a kdekoliv na trati s požadovanou přesností, dostupností, integritou risku a ostatními důležitými parametry týkajících se bezpečnosti. Současné samostatné satelitní systémy GPS a GLONASS nesplňují tyto přísné požadavky bezpečnosti. Ani integrace kombinovaných přijímačů GPS/GLONASS s inerciálními navigačními systémy (INS) tyto požadavky nesplňuje. Avšak vhodným kandidátem pro tyto aplikace se jeví evropský navigační systém GALILEO (GNSS-), který má být vytvořen během let Evropská komise, ESA, UIC a další organizace tyto záměry velmi podporují. Tento článek je příspěvkem k definici požadavků z hlediska bezpečnosti na systém GALILEO vzhledem k jeho budoucímu použití v aplikacích kritických z hlediska bezpečnosti na železnici. Pro experimenty týkající se určování polohy kolejových vozidel byly využity komerčně dostupné přijímače GPS/GLONASS, aby byla demonstrována jejich možná použitelnost v zabezpečovací technice. Dosažené experimentální výsledky byly detailně analyzovány s ohledem na záměry evropských organizací použít GALILEO v zabezpečovací technice a systémech pro řízení vlaků. Ing. Aleš Filip, CSc. - VUT Brno (1983), ČVUT Praha (1988), University of Tokyo, Institute of Industrial Science ( ), ČD SŽT, vedoucí laboratoře. Dr. Ing. Lubor Bažant - ČVUT Praha (199), ČVUT Praha (1999), ČD SŽT (1996), systémový specialista. Ing. Hynek Mocek - ČVUT Praha (1996), Technická univerzita Liberec (1997), ČD SŽT (1997), SW specialista.

17 Satelitní navigace pro zabezpečovací techniku.1. Potřeby železnice V současné době mnoho dodavatelů informačních a telekomunikačních technologií nabízí železničnímu průmyslu relativně levné samostatné nediferenční systémy pro určení polohy vlaků na principu GPS. Jsou určeny především pro regionální jednokolejné trati za účelem zvýšení bezpečnosti. Dodavatelé obvykle obhajují své obchodní návrhy s následnou argumentací. Přesnost několika desítek metrů (30 m v 95% času) zmíněného systému je dostatečná pro zastavení vlaku v případě potencionálního nebezpečí na trati mezi železničními stanicemi. I když je poloha vlaku dočasně nedostupná v důsledku ztráty signálu GPS, je systém schopen si zapamatovat poslední polohu před vjezdem do oblasti bez signálu GPS. Takto je dispečer schopen odhadnout úsek trati, na které se vlak nachází. Navzdory těmto argumentům mnoho železničních operátorů tyto návrhy odmítá. Proč? Jsou si totiž vědomi toho, že na trati jsou obvykle i nějaké železniční stanice. A dispečer musí vědět, na které ze staničních kolejí se vlak nachází. Současná zabezpečovací technika a postupy garantují tyto funkce na jistém stupni bezpečnosti, přestože jsou mnohdy zabezpečovací zařízení zastaralá a překonaná. Výše uvedené komerčně dostupné GPS systémy na určování polohy vlaků nejsou schopny s vysokou pravděpodobností ( %) rozlišit, na které z paralelních tratí se vlak nachází. Kromě toho integrita, dostupnost, čas výstrahy a další parametry důležité z hlediska bezpečnosti jsou zcela opomíjeny. Je zřejmé, že i provozovatel satelitního navigačního systému musí garantovat takové parametry systému, které jsou důležité pro bezpečnost na železnici. Tato služba však doposud nebyla železnici nabídnuta. Proto tyto systémy nemohou být v žádném případě použity pro zabezpečení jízdy vlaků. Nicméně, v současné době jsou komerčně dostupné kvalitní diferenční přijímače GPS, včetně inerciálních senzorů. Proto v těchto počátečních fázích výzkumu a vývoje může být vlakový polohový lokátor testován nezávisle na současném zabezpečovacím zařízení jako součást tzv. dispečerských nástrojů. Tato strategie na rozdíl od předcházející je pro mnoho železničních provozovatelů již přijatelná. Je žádoucí, aby satelitní aplikace týkající se bezpečnosti na železnici byly vyvinuty dříve, než bude uveden do provozu systém GALILEO, tj. před rokem Detekce směrování vlaků na výhybce Nejdůležitější funkcí vlakového lokátoru je jeho schopnost poskytnout velice spolehlivé informace o okamžité poloze vlaku během jeho směrování na výhybce. Dva základní modely detekce směrování vlaku jsou zkoumány v další části. Dvourozměrný model, který se týká určení polohy ve dvou dimenzích a dále jednorozměrný model, jenž pro účely detekce směrování využívá informaci o směrovém úhlu. Je zřejmé, že tyto informace musí být v budoucnu poskytovány systémem s architekturou fail-safe.

18 3..1 Dvourozměrný model Výrobci přijímačů GPS obvykle specifikují horizontální přesnost GPS přijímačů pomocí veličiny drms (drms- distance root mean square), která představuje úroveň pravděpodobnosti od 95 do 98 %, v závislosti na geometrii satelitního systému, typu rozptylu naměřené polohy, atd. Tabulka 1: Přesnost přijímače GPS drms vzhledem k 5 drms. Přesnost (drms)[m] Přesnost (5drms)[m] Například pro GPS přijímače s přesností jednoho metru ( drms) je možné odvodit následující tři vztahy: 3 drms přesnost +/-1.5 m v přibližně 99.7 % času, 4 drms přesnost +/-.0 m přibližně v % času, 5 drms přesnost +/-.5 m v přibližně % času. Přesnost, která odpovídá 5drms, je uvažována jako minimální hodnota pro účely detekce směrování vlaků s dostatečnou pravděpodobností. Tabulka č. 1 představuje vztah mezi přesnostmi specifikovanými pomocí drms a 5 drms pro různé diferenční přijímače. Minimální osová vzdálenost mezi paralelními kolejemi je 3,8 metru. Obvyklá osová vzdálenost se ve stanicích pohybuje mezi 4,5 až 5 metry. Proto se zdá, že určení polohy vozidla pomocí satelitů by mělo splňovat přísné požadavky a rozlišit s velkou pravděpodobností, na které ze dvou paralelních kolejí se vlak nachází. Nicméně, je nutné dodat, že přesnost 1 metr ( drms) může být dosažena za následujících podmínek: dobrá viditelnost satelitů (6 nebo více), dobrá geometrie satelitů nad horizontem (PDOP menší než 1,5), přijímač musí pracovat v diferenčním módu, apod. V případě běžně dostupných a levných diferenčních přijímačů, jež dosahují přesnosti metrů (drms), je zřejmé, že dvourozměrný model nemůže být použit pro určení směrování vlaku. Aby mohl být použit GPS přijímač s horší přesností (přesnost 10 metrů při drms), byl ve zprávě [1] navrhnut jednorozměrný model... Jednorozměrný model Jednorozměrný model je založen na myšlence, že se vlak pohybuje pouze po určených kolejích. Vykolejení se pochopitelně nepovažuje za běžný stav. Znamená to, že vlak jezdí po předem známé trajektorii (předem vyměřené např. s centimetrovou přesností) a může změnit směr svého pohybu jedině na přesně známých místech výhybkách. Protože přijímače GPS poskytují jako výstupní informaci kromě polohy též směrový úhel pohybu, byl tento směrový úhel navržen jako základní informace pro detekci přechodu z jedné koleje na druhou. Ze všech známých situací změny směru vlaku je nejtěžší detekovat přechod vozidla mezi dvěma paralelními kolejemi. Minimální délka trati, která se může použít pro určení směrování mezi dvěma paralelními kolejemi, je přibližně 30 m. Podél tohoto relativně krátkého úseku trati musí přijímače GPS a senzory INS dát odpověď, jestli vlak přejel z jedné koleje na druhou, nebo ne. Níže uvedené experimentální výsledky dávají odpověď, který z modelů je více přijatelný pro použití v zabezpečovací technice a jaká přesnost GPS přijímače je vyžadována.

19 4 3 Metody ověřování Aby bylo možné ověřit výše uvedené předpoklady a požadavky týkající se satelitní detekce směrování a určení polohy vlaků, je důležité přesně určit skutečnou polohu kolejového vozidla a to s velkou přesností, nezávisle na určování polohy pomocí satelitů. Toto je velmi důležité, protože potom vlakový polohový lokátor může být testován jak na úsecích trati s dobrým příjmem signálu od GPS satelitů, tak i na úsecích trati s horším příjmem GPS signálu, nebo dokonce žádným signálem. Metodika ověřování, která je navržena v tomto článku, je založena na interpolaci přesně zaměřených úseků trati za použití analytických matematických vzorců. Okamžitá poloha vozidla na zkušební trati je počítaná v reálném čase na základě informace o ujeté vzdálenosti poskytované odometrem. Referenční poloha je počítána v souřadnicích x, y. Obr. 1: Analytický popis zkušební trati. oblast s dobrým příjmem signálu od navigačních satelitů x 10,y10 c x c y R x,y 3 3 x,y 4 4 x,y 6 6 x,y 5 5 jednoduchá výhybka křižovatková výhybka oblast s omezeným příjmem signálu od navigačních satelitů tři paralelní koleje y 0,0 x x,y 7 7 x,y 9 9 d 3, x y 3, 3, ϕ 3, R 1 ϕ 3 ϕ c 1x c 1y Legenda: x,y i i...zaměřené body na ose koleje d i,j... ujetá vzdálenost měřená odometrem R i...poloměr traťového oblouku c c... střed traťového oblouku ix iy R 1 x y,3,3 d,3 ϕ,3 x,y d,1 dozadu x y,1,1 ϕ 1 x y 1, 1, dopředu d 1, x,y 1 1 Na obr. 1 je schematicky uvedena mapa zkušební trati. Zkušební trať je rozdělena na řadu úseků, které jsou interpolovány přímkami a oblouky kružnic. Vzorce, které interpolují referenční dráhu pro směr jízdy dopředu a dozadu, jsou uvedeny v Dodatku. Je nutné připomenout, že z důvodu jednoduchosti jsou uvedené vzorce odvozeny pro nulový sklon trati. Při skutečném měření na trati je nutné do vzorců začlenit závislost na klesání popř. stoupání, abychom se vyhnuli zavedení chyb do výpočtu polohy. Jestliže je skutečný tvar trati více komplikovaný (jako například na výhybkách), může být trať rozdělena na větší počet úseků, které je možné aproximovat pomocí polynomů. Ve mnoha případech jsou postačující polynomy třetího stupně. U interpolované osy koleje může být dosažena přesnost +/- cm.

20 5 Aby při počítání polohy vozidla bylo možné přejít od jednoho souboru vzorců k druhému, je nutné na trať umístit značky, jejichž poloha je známá (určena s chybou +/- cm). Z důvodů dalšího snížení chyby výpočtu polohy způsobené chybou měření ujeté vzdálenosti, je možné na trať nainstalovat další značky a tak rozdělit zkušební úsek do více segmentů.v případě ověřování detekce směrování vlaku na výhybkách nejsou potřebné žádné další značky. Navržená metodika je použitelná pro všechny tvary trati včetně různých typů výhybek. Její přednost spočívá v možnosti nepřetržitého počítání referenční trajektorie v reálném čase s dostačující přesností: méně než +/-5 cm v příčném směru a méně než +/-0 cm v podélném směru. Kromě toho může být výpočet referenční trajektorie synchronizován s přesnými hodinami GPS přijímače. Potom jsou změřené a spočítané referenční polohy (v souřadnicích x, y) poskytovány ve stejném čase. Pro detailní ověření parametrů vlakového lokátoru je tato skutečnost velmi důležitá. 4 Zkoušky V minulosti uskutečnilo specializované pracoviště SŽT řadu zkoušek určení polohy na principu diferenční metody pomocí kombinovaných GPS/GLONASS přijímačů. K tomu byly použity různé typy kolejových vozidel. Praktická zkušenost vyplývající z těchto zkoušek je následující. Pro sledování viditelnosti satelitů podél trati, ověření protokolů a formátů dat mobilní radiové sítě, pozorování vlivu provozních podmínek včetně podmínek klimatických a elektromagnetického rušení jsou nutné dlouhodobé provozní testy na trati o délce několika desítek kilometrů. Na druhou stranu, pro vývoj, detailní a rychlé laboratorní ověření funkce jednotlivých subsystémů vlakového lokátoru jsou výhodnější krátké úseky tratě s výhybkami, nepřevyšující délku několika kilometrů. 4.1 Dlouhodobé provozní ověřování Pro účely dlouhodobých provozních zkoušek satelitního sledování polohy vlaku vybavilo pracoviště SŽT diferenčním GPS lokátorem elektrickou lokomotivu řady (obr.). Lokátor sestává z diferenčního přijímače G-1 firmy Ashtech (přesnost 90 cm drms v 95% času) a z radiomodemu 150 MHz/19, kbs s vysokofrekvenčním výkonem 5 W. Lokomotiva je také vybavena optoelektronickým odometrem, který je v současné době používán pro zkoušky vlakového lokátoru na principu GNSS/INS. Tyto zkoušky provádí pracoviště SŽT v rámci mezinárodního projektu APOLO a národních projektů GAČR a MŠMT. Lokomotiva je řazena do osobního vlaku, který jezdí denně na elektrifikované trati Pardubice- Hradec Králové-Choceň s celkovou délkou kolejí asi 100 km. Osa tratě byla vyměřena za použití diferenčního kombinovaného (GPS/GLONASS ) přijímače GG-4 s následným zpracováním naměřených dat pomocí programového balíku WINPRISM. Chyba zaměření osy koleje se většinou pohybovala v rozmezí +/- 3 cm. Na některých úsecích trati s horším příjmem signálu od GPS satelitů byla dosažena přesnost +/- 0 cm. Zbytek trati nemohl být zaměřen vůbec v důsledku velmi špatného příjmu signálu GPS. Proto byly použity klasické mapy trati s přesností +/- 0 cm od SŽG Praha. Trať byla pokryta radiovou sítí s časovým dělením (TDMA), která sestává z osmi základnových stanic firmy RACOM. Architektura této sítě je uvedena na obr. 3. Síť slouží pro obousměrný přenos dat mezi lokomotivou a laboratoří SŽT a je určena výhradně pro potřeby výzkumu a vývoje pracoviště SŽT. V současné době není na ČD dostupná žádná jiná digitální radiová síť.

21 6 Z dnešního pohledu se zdá být vhodným kandidátem pro účely satelitního určování polohy kolejových vozidel digitální radiová síť GSM-R, zejména s ohledem na mezinárodní použití. (a) (b) Obr. : Polohový lokátor DGPS instalovaný na elektrické lokomotivě : (a) anténa na střeše vozidla, (b) lokátor v kabině předešlý prototyp. Pro korigování systematických chyb v poloze přijímá palubní přijímač G-1 korekční signál RTCM-104 vysílaný z referenční stanice GG-4 (GPS+GLONASS). Tato stanice je umístěná v laboratoři SŽT v Pardubicích. Vlakový lokátor vysílá zpět do laboratoře zprávy NMEA-183 GGA. Zpráva GGA obsahuje informace o poloze lokomotivy, počtu přijatých GPS satelitů, Obr. 3: Radiová síť pro zkoušky vlakového lokátoru. žst. Hradec Králové nádražní věž (výška 40 m) Třebechovice pod Orebem žst. Pardubice Laboratoř inteligentních systémů km 13 km 8 km 8 km radiová digitální síť TDMA, 19, kbs/ 150.5MHz/ 5 W Týniště nad Orlicí Borohrádek Čermná nad Orlicí 5 km 1 km nádraží - hotel (výška 30 m) 0 V/ 50 Hz Zdroj Nabíječka 1 V ss 11 km Choceň Klíč: Umístění radiových základnových stanic podél zkušební tratě. Záložní baterie 1 V ss zdroj odolný proti výpadku elektrické energie

22 7 PDOP, stáří korekcí a další údaje. Lokátor na vlaku může být dálkově konfigurován prostřednictvím radiové sítě a tudíž mohou být do laboratoře vysílány i jiné údaje. Všechna data jsou zaznamenávána v laboratoři a zpracovávána off-line. 4. Laboratorní zkoušky Protože je elektrická lokomotiva začleněna v osobnímu vlaku, není možné z důvodu bezpečnosti modifikovat hardware a software vlakového polohového lokátoru za provozu. To je jedině možné při provozním ošetření a údržbě lokomotivy. Aby bylo možné provádět častější zásahy do hardware a software vlakového lokátoru souvisejícími s vývojovými pracemi a laboratorními zkouškami, SŽT používá i další vozidla, na které lze vlakový lokátor instalovat jako přenosné zařízení. Jedná se zejména o dieselová vozidla MUV-69 a DGKU a dále speciální Obr. 4: Speciální elektrický kolejový vozík pro laboratorní zkoušky. lehký elektricky poháněný vozík (viz. obr. 4). Lehký kolejový vozík je poháněn elektrickým motorem s výkonem 750 Wattů a je dálkově ovládán RC ovladačem pracujícím v pásmu 35 MHz. Tento vozík je využíván pro zkoušky lokátoru na méně frekventované vlečkové trati Nemošická jižní v Pardubicích. Tato vlečková trať byla pokryta korekčním signálem RTCM-104 pro kódové měření (zpráva typu 1,31) a dále korekčním signálem pro velmi přesné měření RTK (zpráva typu 18,19). V té časti vlečkové tratě, kde se nachází traťový oblouk o délce cca 600 m v hlubokém zářezu, lze velmi obtížně přijímat signál od navigačních satelitů. Na druhé straně dobrý příjem navigačních satelitů je v místě výhybek a na navazujícím tříkolejném úseku. Zatímco zastíněná část trati je využívána zejména ke zkouškám lokátoru na principu GPS/INS, otevřená část byla využita ke zkouškám detekce směrování vozidla na výhybkách pomocí kombinovaného přijímače GPS/GLONASS, což je popsáno v části 5.

23 8 Osa této trati byla vyměřena pomocí dvou kombinovaných diferenčních přijímačů GPS/GLONASS umístěných na speciálním tříkolovém kolejovém vozíku. Zaznamenaná data z těchto dvou přijímačů a z přijímače referenčního byla následně zpracována programem WINPRISM. Tímto způsobem bylo možné zaměřit trať v otevřeném úseku s chybou nepřevyšující +/- cm. Zastíněná část trati v oblouku byla vyměřována podobně. Měření bylo však nutné několikrát opakovat s cílem vyloučit nahodilé chyby měření v důsledku příjmu nedostatečného počtu satelitů. Kromě toho bylo možné umístit antény přijímačů GPS/GLONASS i na konstrukcích mostu a parovodu nacházejících se nad zářezem. Tedy v místě s příjmem dostatečného počtu satelitů. Body na ose trati byly promítnuty směrem nahoru do bodů vyměřovaných přijímači GPS/GLONASS na uvedených konstrukcích. Tímto způsobem bylo možné dále zmenšit chybu měření. Tak byly všechny uvedené úseky trati včetně výhybek zaměřeny s přesností +/-3 cm a interpolovány matematickými vzorci, jak je popsáno v části Měřící zařízení Kolejový měřící vozík na obr. 4 je vybaven dvěma odometry, jak je zřejmé z uspořádání experimentu na obr. 5. Jeden odometr je určen k výpočtu referenční polohy měřícího vozíku nezávisle na satelitní navigaci. Druhý slouží ke zkouškám fúze dat ze senzorů vlakového lokátoru. Okamžitá diferenční poloha a směr pohybu jsou měřeny prvním přijímačem GG-4. Druhý přijímač GG-4 pracující v přesném modu RTK (+/- cm) poskytuje další informace o poloze, ovšem jenom v otevřeném úseku tratě. Tato informace je důležitá pro ověření schopností určení směru u přijímačů GPS/GLONASS. Podobně, další informace o směru jsou poskytovány laserovým gyroskopem KVH s optickým vláknem. Referenční signál RTCM-104 je Satelity GPS/GLONASS/GNSS referenční přijímač DGPS/RTK radiomodem PC č.1 záznam dat radiová síť TDMA 150 MHz, 19. kbs korekční signál RTCM-104, poloha, směr a další údaje odometr č.1 odometr č. 1 pulsů na otáčku DGPS/RTK přijímač č.1, kódový mód paměť 4 MB DGPS/RTK přijímač č. RTK mód paměť 0 MB radiomodem ujetá dráha pro fůzi dat ujetá dráha pro výpočet ref. trajektorie COM 1 poloha (kódový mód) a směr poloha RTK mód a směr COM 1 RTCM-104 COM 1 Lokátor na principu GPS/INS PC č. výpočet trajektorie a řízení pohybu vozidla PC č.3 měření a záznam údajů gyroskop s optickým vláknem laboratoř Obr. 5: Uspořádání experimentu. kolejový vozík