4. PRAKTICKÉ VYUŽITÍ GPS

Transkript

1 ANOTACE Cílem této práce bylo zaměřováním cestní sítě v arboretu pomocí systému NAVSTAR GPS (Global Positioning System) a porovnání s digitální katastrální mapou- DKM. Práci jsem rozdělil do dvou částí a to teoretické a praktické. Ke zpracování dat jsem použil programy MapSource (dodáván spolu s přístrojem Garmin), Transform a Microstation 95. V práci jsem se zaměřil v jakých podmínkách a s jakou přesností pracoval GPS přijímač GARMIN GPSMAP 60 CS. Výsledky jsou uspořádány v tabulkách a grafech. Soubory na přiloženém CD jsou ve formátech *.doc, *.xls, *.txt, *.dgn ANNOTATION The goal of this bachelor s thesis is surveying a path system in an arboretum using the NAVSTAR GPS (Global Positioning System) and its comparison with a digital estate plan. The thesis is divided into the theoretical and practical part. I used the MapSource programme (provided with the device Garmin), Trasform and Microstation 95 for processing the data. I focused on the conditions and accuracy of the GPS GARMIN GPSMAP 60C/CS receiver. The outcomes are ordered in charts and graphs. The enclosed CD contains files in *.doc, *.xls, *.txt and *.dgn format. 4

2 OBSAH: Teoretická část: 1. DRUŽICOVÝ SYSTÉM GPS 7 2. HISTORIE GPS PRINCIP GPS Kosmický segment Frekvence družic PRN kódy C/A kód P kód Navigační zpráva Subframy První subframe Efemeridy Čtvrtý subframe Pátý subframe Řídící segment Uživatelský segment Základní části přijímače PRAKTICKÉ VYUŽITÍ GPS Vojenské účely Zemědělství Letectví Životní prostředí Záchranný systém Železniční doprava Volný čas Vesmírné projekty Pozemní doprava Zeměměřičství, mapování Čas CHYBY PŘI MĚŘENÍ GPS GEODETICKÉ METODY MĚŘENÍ GPS SYSTÉM Rychlá statická metoda (pseudostatická metoda) Statická metoda Metoda stop and go Kinematická metoda RTK- real time kinematic Diferenční metoda 26 Praktická část: 7. POPIS PŘÍSTROJE GPS POSTUP PŘI ZAMĚŘOVÁNÍ PŘEVOD DAT DO FORMÁTU *.TXT TRANSFORMACE DAT DO SYSTÉMU JTSK Protokol transformace VYHODNOCOVÁNÍ PŘESNOSTI V MICROSTATION Výsledky měřené přesnosti Vliv zastínění vegetace na zaměřování ZÁVĚR 41 5

3 Seznam tabulek: Tab.č.1 - Seznam identických bodů pro výpočet 31 Tab.č.2 - přesnost měření 35 Tab.č.3 Množství zastíněných bodů. 36 Tab.č.4 - Průměrná odchylka v zastíněných oblastech 37 Seznam grafů: Graf č.1 - Graf přesnosti měření. 35 Graf č.2 Zastínění vegetací Graf č.3 Srovnání vlivu zastínění. 38 Graf č.4 Závislost odchylky na stanovišti 39 Seznam příloh: Příloha č.1 Digitální katastrální mapa Příloha č.2 - Seznam bodů (souřadnice JTSK, výška, odchylka) Příloha č.3 CD (obsahuje data ve formátech *.doc, *.txt, *.dgn, *.xls) 6

4 TEORETICKÁ ČÁST 1. DRUŽICOVÝ SYSTÉM GPS Systém NAVSTAR - GPS (Navigation Satelite Timing and Ranging Global Positioning System - oficiální název) stojí na vrcholu dlouhodobého vývoje rádiových navigací. Stal se její nejmodernější metodou, která pro svou činnost využívá soustavu navigačních družic, obíhajících Zemi na základě přesně určených podmínek a nepřetržitě vysílajících datové informace. GPS Pracuje na principu jednosměrného dálkoměru. Měřenou veličinou je doba šíření signálu z družicové antény k přijímací anténě. Tento čas je poté převeden na vzdálenost pomocí znalosti rychlosti šíření elektromagnetického signálu. Tento systém umožňuje určit trojrozměrnou polohu přijímače a jeho rychlost v reálném čase. 7

5 2. HISTORIE GPS Vznik satelitních navigačních systémů se datuje do druhé poloviny 20. století. U jejich zrodu stály především armádní zájmy. V roce 1960 započalo US-NAVY s umísťováním družic systému TRANSIT na oběžnou dráhu. Hlavním úkolem tehdy bylo určování polohy plavidel. Tento systém byl v roce 1964 uvolněn i pro civilní použití a nyní slouží zejména majitelům civilních jachet. Postupem času byl projekt TRANSIT následován řadou dalších systémů. Nejpoužívanějším a nejrozsáhlejším se stal Globální polohový systém NAVSTAR - GPS. Obr.č.1 - Družice bloku IIA Počátky vývoje GPS spadají do roku 1973, kdy byla zahájena první fáze, zahrnující vypuštění 4 pokusných družic a kdy se také rozběhl vývoj uživatelských zařízení. Do roku 1979, začátku druhé vývojové fáze, bylo vypuštěno celkem 11 družic. V této fázi byla současně vybudována pozemní řídící střediska a počet družic se zvýšil na 24. V prosinci 1993 bylo poprvé dosaženo trojrozměrného zaměřování. Rok 1995 se stal významným mezníkem - došlo k oficiálnímu vyhlášení plné operační způsobilosti systému. V současné době jsou na oběžné dráze již družice třetí generace, čtvrtá je naplánována k vypuštění v roce 2006 a pátá se nachází ve fázi projektování. Technologie GPS byla na počátku využívána jen jako přesný vojenský lokalizační a navigační prostředek sledování pozic vojenských jednotek, zaměřování 8

6 cílů, apod.), v 80. letech 20.století americká vláda rozhodla o jeho uvolnění i pro civilní účely. Poté došlo k mohutnému rozšíření technologie GPS do všech oblastí lidské činnosti. Od roku 1996 je globální polohový systém na základě rozhodnutí prezidenta USA kontrolován vládním výborem IGEB (Interagency GPS Executive Board), jehož úkolem je sledování vývoje systému a jeho usměrňování v souladu se zájmy národní bezpečnosti. Kromě toho IGEB provádí i dohled na zajištění dostupnosti GPS pro celosvětové mírové využití (vědecké i komerční) a podporuje mezinárodní spolupráci v této oblasti. 9

7 3. PRINCIP GPS (Uvádí na < - Co to je GPS? Historie a úvod do problematiky) Systém GPS je tvořen třemi segmenty : kosmickým, řídícím a uživatelským. 3.1 Kosmický segment Kosmický segment GPS představují družice umístěné na šesti kruhových drahách se sklonem 55 k rovině rovníku, vzdálené km od povrchu Země a pohybující se rychlostí km/h. Za jeden den uskuteční každá družice dva oběhy kolem Země (jeden oběh trvá 11 h 58 min), proto je další den na stejném místě oběžné dráhy vždy o 4 minuty dříve. Každá ze šesti drah má pět pozic pro umístění družic, z čehož plyne, že za současné konfigurace je maximální možný počet družic GPS na oběžné dráze roven počtu třiceti kusů. Pozice č. 5 je u každé dráhy záložní, k dosažení FOC (Full Operational Capability - plné operační způsobilosti) postačuje 24 funkčních družic. Obr.č.2 - Znázornění drah družic Nejmodernější družice GPS v současnosti umístěné na oběžné dráze představují Bloky IIR a IIF. Výroba začala v roce 1997 a poslední družice typové řady IIR byla vypuštěna 6. listopadu Firmou Lockheed Martin bylo vyrobeno třináct družic, ale 10

8 na oběžné dráze jich pracuje jen dvanáct. První družice byla ztracena při neúspěšném startu 17. ledna Životnost družic Bloku IIR byla plánována na 10 let, některé ze strojů ale úspěšně tuto hranici překonaly. Největší změny oproti předchozímu Bloku IIA jsou: zlepšení odstínění před kosmickým zářením, zvětšení zásob paliva pro raketové motory a přeprogramovatelný palubní počítač. Nejdůležitější je ale schopnost samostatného fungování družice bez zásahu z pozemního řídícího střediska. Družice Bloku IIR spolu dokáží komunikovat, sledovat svoje pozice a korigovat své dráhy. Tato schopnost však zatím nemůže být využita, protože všechny družice by musely být typu Blok IIR. Zatím je možno u Bloku IIR využít jen schopnost 180ti denního samostatného provozu bez provádění korekcí z pozemního řídícího centra, podobně jako u družic Bloku IIA. Družice Bloku IIR byly na oběžnou dráhu vyneseny raketou Delta II z letecké základny na mysu Canaveral. Na nejnovější družice bloku IIF získala v roce 1996 kontrakt firma Boeing-North American. Smlouva byla uzavřena na 30 kusů, životnost by měla dosáhnout 15 let. Obr.č.3 - Družice bloku IIR Obr.č.4 - Družice bloku IIR Obr.č.5 - Družice bloku IIF 11

9 3.1.1 Frekvence družic Srdcem každé družice jsou velmi přesné atomové hodiny. Na palubě jsou troje až čtvery, s cesiovým nebo rubidiovým oscilátorem. Starají se o dlouhodobou frekvenční stabilitu vysílaného signálu. Tímto způsobem je vytvářena základní frekvence L pásma o hodnotě 10,23 MHz. Jejím vynásobením hodnotami 154 a 120 vznikají nosné frekvence signálů L1 = 1 575,42 MHz a L2 = 1 227,60 MHz. Nosná vlna je modulována fázovou modulací, tzn. že kdykoliv dojde ke změně vysílaného binárního kódu, posune se zároveň její fáze o polovinu vlnové délky PRN kódy Pro modulaci nosné vlny se používá několik pseudonáhodných, tzv. PRN kódů. Tento kód moduluje nosnou vlnu signálu GPS a je pro každou družici jedinečný. Představiteli PRN kódů jsou například kódy C/A nebo P(Y), které zajišťují přijímači GPS jednoznačnou identifikaci družice vysílající daný kód C/A kód C/A kód vzniká kombinací výstupů ze dvou registrů tak, že výsledná hodnota je výsledkem jejich binárního součtu. Je modulován pouze na nosné vlně L1 a není šifrován, čímž je umožněn jeho příjem i neautorizovaným uživatelům (autorizovaný uživatel má přístup k vojenským kódům GPS. Hlavně to jsou ozbrojené složky USA a jejich spojenců. V bezpečných" zemích je přístup k vojenským kódům povolen i pro civilní geodetické účely). Horizontální přesnost určení polohy pomocí C/A kódu se pohybuje v řádech jednotek metrů. C/A kód je 1023 bitů dlouhý a je vysílán frekvencí MHz, tzn., že je opakován každou tisícinu sekundy P kód P kód je modulován na obou nosných vlnách L1, L2 a je určen pouze pro autorizované uživatele. Dvě frekvence používané k měření umožňují odstranění 12

10 ionosférických a troposférických refrakcí, což zajišťuje velmi přesné určení polohy - geodetické přístroje GPS pracují s přesností v řádech milimetrů. Stejně jako C/A není P kód šifrován. Je vytvářen kombinací bitových sekvencí dvou registrů. První sekvence je opakována každou 1,5 s a vzhledem k frekvenci 10,23 MHz, má délku 1, bitů, druhá sekvence je o 37 bitů delší. Jejich kombinací vzniká kód o délce 2, bitů a to určuje dobu opakování P kódu na přibližně 266,4 dne. Celá délka kódu je rozdělena na 37 částí. Každé družici je na jeden týden přidělena jedna z částí P kódu, čímž je docíleno rozdílných PRN kódů. Vždy o sobotní půlnoci, kdy pro GPS začíná nový týden, dochází zároveň i ke změně vysílané části kódu. Bez použití režimu A-S (AntiSpoofing je způsob ochrany vojenského P kódu GPS před případným podvržením nebo zneužitím nepřítele) není P kód nijak šifrován a není tak zaručena jeho stoprocentní autentičnost a integrita. Z tohoto důvodu je režim A-S neustále zapnut a místo P kódu je vysílán šifrovaný Y kód. Klíčem k jeho rozluštění je W kód, podporovaný pouze v autorizovaných přístrojích, které z Y a W kódů vytvoří P kód použitelný pro navigaci. P kód tedy získáme pouze v případě, známe-li tajný W kód. S tím však pracují pouze vojenské přijímače. (Uvádí na - Co to je GPS? Historie a úvod do problematiky) Navigační zpráva Posledním typem kódu vysílaného družicemi je navigační zpráva. Obsahuje informace o telemetrii, dráze jednotlivých družic a nejrůznější korekční data. Je vysílána frekvencí 50 Hz, její délka je bitů a skládá se z pěti částí (subframů), každé po 300 bitech. Jednotlivé subframy jsou tvořeny desítkou třicetibitových slov. První v každém subframu je telemetrické slovo TLM, nesoucí synchronizační vzor a diagnostické zprávy. Za ním následuje slovo HOW (hand-over word), které kromě identifikačních údajů subframu a nejrůznějších indikátorů nese i časovou hodnotu TOW (time of week) platnou pro začátek dalšího subframu. Hodnota TOW představuje počet časových úseků dlouhých 1,5 sekundy uplynulých od začátku týdne GPS. 13

11 Obr.č.6 - Znázornění dat navigační zprávy Subframy Obsahují navigační data, ale najdeme zde i nejrůznější vojenská data, kontrolní údaje, data o stavu družic, informace o stavu ionosféry a další údaje. Zatímco první tři subframy navigační zprávy jsou pro každou družici unikátní, data ze čtvrtého a pátého subframu jsou u všech družic stejná První subframe První subframe navigační zprávy obsahuje údaje o týdnu GPS, stavu družice (jinak také SV - Space Vehicle) a další parametry jako například odhad zpoždění vysílaného signálu nebo kontrolní údaje atomových hodin Efemeridy Druhá a třetí část jsou vyhrazeny pro vysílání efemerid Efemeridy jsou součásti navigační zprávy pro GPS obsahující velmi přesná data o poloze dané družice. Jsou vytvářeny Hlavním řídícím střediskem GPS, které je průběžně vypočítává na základě sledování drah družic pozemními stanicemi. Přibližně jednou za hodinu je aktualizované vysílá jednotlivým družicím, které je zahrnují do svých navigačních zpráv. Platnost efemerid trvá nanejvýše čtyři hodiny. 14

12 Čtvrtý subframe Čtvrtý subframe je rezervován především pro vojenské údaje, kromě nich však obsahuje data o stavu ionosféry a provizorně i almanach. nejnovějších družic, které přesahují počet tvořící FOC - Full Operational Capability (Plná operační způsobilost globálního polohového systému GPS). Ta byla vyhlášena 17. července 1995, po dosažení počtu 24 družic Bloku II a IIA na oběžné dráze a jejich důsledném testování. Almanach je jednou ze složek signálu GPS - součást navigační zprávy. Obsahuje méně přesná data o poloze družic GPS. Aktualizován je jednou za šest dnů. Všechny družice vysílají stejný almanach, který nese data o poloze všech družic GPS na oběžné dráze Pátý subframe Poslední subframe navigační zprávy tvoří almanach pro nejdéle sloužících 24 družic. Pro určení dvojrozměrné polohy (nejčastěji zeměpisná délka a šířka) postačí příjem signálu z min. tří družic (výpočet tří pseudovzdáleností), pro určení trojrozměrné polohy (navíc výška) minimálně ze čtyř družic. Příjem menšího počtu družic znemožňuje výpočet polohy, vyšší počet družic naopak určení polohy dále zpřesňuje. 3.2 Řídící segment Řídící segment tvoří soustava pěti monitorovacích stanic, čtyř pozemních vysílačů a Hlavního řídícího střediska. Monitorovací stanice jsou umístěny rovnoměrně po obvodu Země, většinou blízko rovníku. Hlavní řídící středisko sídlí na Schrieverově letecké základně v Colorado Springs v Coloradu. Monitorovací stanice: 1. Hawai (Tichý oceán) 2. Ascension Island (jižní Atlantik) 3. Diego Garcia (v Indickém oceánu) 4. Kwajalein (v Tichém Oceánu) 5. Colorado Springs (USA) - Hlavní řídící středisko 15

13 Rozmístění stanic umožňuje denně navázat tři spojení mezi každou družicí a pozemní anténou. V současné době se tyto informace předávají jednou denně. Pozemní vysílače jsou umístěny na ostrovech: 1. Ascension 2. Diego Garcia 3. Kwajalein 4. Havaj Obr.č.7 - Rozmístění pozemního segmentu na Zemi Obr.č.8 - Areál základny Colorado Springs 16

14 Obr.č.9 - Monitorovací stanice na Havaji Hlavním úkolem řídícího segmentu je sledování drah družic a stavu jejich atomových hodin. Stará se o provádění korekcí v dráze letu i vysílaném signálu družic a zajišťuje synchronizaci atomových hodin. V době zapnuté selektivní dostupnosti bylo úkolem kontrolního segmentu zajistit pomocí modifikace družicového signálu požadovanou míru degradace přesnosti určení polohy. Dále je kontrolní segment zodpovědný i za nejrůznější provozní opatření, z nichž nejdůležitější jsou správa a údržba stávajících družic (například změny oběžných drah a pozic družic, stahování vysloužilých družic z oběžné dráhy, aj.) a podílí se i na přípravě vypouštění nových družic. 3.3 Uživatelský segment Uživatelský segment se skládá z GPS přijímačů jednotlivých uživatelů, umožňujících přijímat signály z družic a získávat z nich informace o své poloze a čase. Uživatelský segment tvoří pasivní přijímače (pasivní proto, že pouze přijímají signály a data z družic. Důvodem vzniku pasivního systému bylo především to, aby nemohly být přijímače zaměřeny nepřítelem ) schopné přijímat a dekódovat signály z družic. Jejich provoz není spojen s žádnými poplatky za využívání služby. Díky tomu, že přijímače nemusí komunikovat s družicemi, je systém GPS schopen obsloužit neomezený počet uživatelů. 17

15 3.3.1 Základní části přijímače 1. Anténa ta je pevně spojena s přijímačem, nebo oddělena. Signály se přenášejí kabelem. Z důvodů slabého signálu, které družice vysílají, je součástí antény předzesilovač. 2. Radiofrekvenční jednotka zpracovává přijaté signály (na jedné nebo dvou frekvencích). Důležitý je počet kanálů určených pro příjem signálu z družic. Každý kanál přijímá signály po celou dobu, kdy je družice nad horizontem. Hlavní částí radiofrekvenční jednotky je oscilátor, který generuje referenční signály a filtry pro eliminaci nežádoucích frekvencí. 3. Mikroprocesor řídí celý přijímací systém, umožňuje interaktivní komunikaci a programování přijímače. Po zapnutí přijímá signály a v reálném čase řeší navigační úlohu měřením pseudovzdáleností. 4. Komunikační jednotka zajišťuje styk přijímače s uživatelem. Zobrazuje aktuální informace o činnosti přijímače. Pomocí kláves se vkládají do přijímače doplňkové údaje (číslo bodu, název bodu, poznámka ) 5. Paměť uchovává měřené veličiny pro následné zpracování v PC. 6. Zdroj napětí 18

16 4. PRAKTICKÉ VYUŽITÍ GPS 4.1 Vojenské účely Zařízení pro příjem GPS jsou integrovány do letadel, tankerů, lodí i ponorek, tanků i pozemní vojenské techniky. Kromě navigačních aktivit je systém využíván k označování cílů a navádění raket, je součástí vzdušné podpory a montuje se i do chytrých" zbraní. 4.2 Zemědělství Satelitní navigace pomáhá zemědělcům k vyšší produktivitě a účinnosti stávajících metod obdělávání půdy. Mnoha uživatelům slouží k řízení speciálních postupů, zejména při aplikací chemických a průmyslových hnojiv. Navigace také poskytuje lokální data o pozemcích a je možné z ní vyčíst například zamoření polí plevelem nebo onemocnění pěstovaných kultur. 4.3 Letectví Satelitní navigace je v leteckém průmyslu využívána v mnoha oblastech. Navigační systémy letadel pomáhají při řízení téměř všech manévrů, která jsou letadla nucena provádět. Jedná se o pomoc při vzletu i přistávání, stroje jsou pod neustálou GPS kontrolou i během svého pobytu ve vzduchu, trasy letadel jsou předem pevně naplánovány a jejich dodržování je pod neustálou kontrolou. Důvodem je jednak bezpečnost provozu, jednak i jeho ekonomika. Absolutní výhodou systému GPS je i kontrola polohy letadel nad oceánem, která by jinak nebyla z pozemních vysílačů možná. Letadla jsou pod kontrolou nejen ve vzduchu. Hustota provozu na letištích se natolik zvýšila, že bylo nutné vyvinout pozemní systémy řízení pohybu letadel, které využívají ke své činnosti soustavu GPS. Velkou výhodou je možnost využití systému v jakýchkoliv povětrnostních podmínkách, ve dne i v noci.. 19

17 4.4 Životní prostředí Satelitní navigace umožňuje vyhodnocovat přesné informace o přírodních jevech, které probíhají na velkých plochách. Tímto způsobem je možné předpovídat rychlost postupu lesních požárů, vzdušných vírů a jiných nebezpečných jevů a chránit tak životy i majetek na dotčených územích. Námořní doprava - Satelitní navigace poskytuje výjimečnou přesnost a velký potenciál pro námořníky a manažery v námořní dopravě. Za zmínku stojí nejen využití pro navigaci při cestách oceány, ale také zmapování a označení nebezpečných míst, mělčin, a podobně. Rybářské flotily využívají satelitní systém k přesnému navedení do oblastí s optimálním výskytem ryb a za jeho pomoci jsou schopny i mapovat cesty migrace ryb. Rychlý přístup k informacím o přesné pozici, rychlosti a kurzu šetří čas i palivo a zefektivňuje práci i cestování. 4.5 Záchranný systém Satelitní navigace se rychle stává standardem i v jednotkách záchranného systému. Možnost rychlého určení místa nehody, požáru nebo ztroskotání lodi nebo letadla a následná schopnost být na toto místo rychle naveden se stává novou cestou pro zlepšení a zefektivnění práce výše uvedených složek. 4.6 Železniční doprava Většina železničních soustav je provozována na jednokolejných tratích. Precizní znalost polohy vlaků pomáhá předcházet nehodám, zachovává plynulost dopravy a minimalizuje nákladná zpoždění, způsobená kontrolami zajištujícími bezpečný vjezd na volnou trať. Satelitní navigace také poskytuje zvukové signály a informace o důležitých uzlech nebo železničních přejezdech. Monitoruje tak pohyb vozidel a zajišťuje bezpečnost provozu. Současné technologie umožňují také plně automatizovaný provoz vlaků. 20

18 4.7 Volný čas Technologie satelitní navigace pomohla překonat mnoho utrpení a rizik, které byly do té doby s aktivním využíváním volného času spojeny. Přenosné přijímače umožňují absolvovat cesty v neznámých oblastech s pocitem jistoty, bez obav ze ztráty orientace. Jsou využívány k určování polohy, směru, rychlosti, vzdáleností a času. Outdooroví nadšenci jsou za pomoci GPS ve dne i v noci schopni přesně dosáhnout vytčeného cíle a vrátit se na místo určení aniž by bloudili nebo se vystavovali zbytečnému nebezpečí. V současné době je v prodeji celá řada aplikací, které umožňují nejen poznat svou aktuální polohu, s jejich pomocí je možné podrobně naplánovat trasu cesty včetně začlenění různých zájmových bodů. Stále se také zvyšuje počet uživatelů, kteří využívají GPS při hraní her, speciálně založených na satelitní navigaci. S pojmy jako je Geocaching, Degree Confluence Points nebo GPS-Drawing 4.8 Vesmírné projekty satelitní navigace oživuje a posiluje vesmírný výzkum a operace prováděné ve vesmírném prostoru. Pomáhá také řídit a kontrolovat polohu satelitů na oběžné dráze. Využitím speciálních algoritmů budou již brzy satelity schopny navádět se automaticky čímž se usnadní provoz pozemních řídících středisek. Rakety a kosmické lodě budoucnosti budou schopny startovat, pracovat na oběžné dráze a poté se vrátit na Zemi pod neustálým řízením a kontrolou satelitním navigačním systémem. 4.9 Pozemní doprava Schopnosti satelitní navigace, umocněné informačními technologiemi a moderními systémy řízení pomáhají při řešení všech činností, týkajících se plánování pozemní dopravy. Jsou využívány ke sledování pohybu a polohy vozidel, k plánování nejefektivnějších tras a mohou se stát zdrojem výnosů, plynoucích z asistence při provozování integrovaného systému dopravy. 21

19 4.10 Zeměměřičství, mapování Satelitní navigace je využívána jak k zodpovězení jednoduchých otázek týkajících se plánování, tak k přesnému stanovování linií nebo komplexních věcí při výstavbě infrastruktury v urbanistických centrech. Pomocí této revoluční technologie jsou dva lidé během krátkého času schopni získat velké množství kontrolních bodů, důležitých pro přesné zakládání staveb. Zakládání a mapování systému pozemních cest i železničních tratí může být také prováděno na základě této mobilní platformy a významně ušetřit čas i peníze Čas Díky přesnosti atomových hodin, používaných v družicích je satelitní navigační systém využíván k synchronizaci hodin a mnoha událostí po celém světě. Čas atomových hodin je extrémně přesný, jeho odchylky dosahují hodnot nanosekund. Je tak přesný, že jsou na něm závislé i společnosti, pro které hraje přesné načasování událostí životně důležitou úlohu. Například světové investiční a bankovní společnosti se denně spoléhají na přesnost systému z důvodu celosvětově simultánního provádění finančních transakcí. 22

20 5. CHYBY PŘI MĚŘENÍ GPS Měření GPS jsou ovlivněna chybami náhodnými a chybami systematickými. Chyby se dělí do tří skupin. Chyby způsobené družicí: Chyba efemeridy (pokud není počítána jako neznámý parametr) Systematická chyba hodin Excentricita fázového centra antény Variace fázového centra antény Chyby způsobené atmosférou: Troposférická refrakce Ionosférická refrakce Chyby způsobené přijímačem (rotací Země): Variace fázového centra antény Systematická chyba hodin Relativistický efekt (oscilátor přijímače rotuje společně se Zemí) 23

21 6. GEODETICKÉ METODY MĚŘENÍ GPS SYSTÉM (Použito z Vitásková, J., Staňková, H.: Návody na meření s GPS, Brno: MZLU 2004, ISBN ) Rychlá statická metoda (pseudostatická) Statická metoda Metoda stop and go Kinematická metoda RTK- real time kinematic Diferenční metoda 6.1 Rychlá statická metoda (pseudostatická metoda) Doba observace dosahuje řádově několika minut, což je umožněno technologií rychlého určování ambiguit *. Metoda vyžaduje dvoufrekvenční přijímač a výhodnou konfiguraci družic (5-6 družic s elevací vyšší než 15 0 ). Napočtu družic je závislá doba observace, potřebná k určení přesné polohy. Metoda se realizuje dvojicí přijímačů a měření lze uskutečnit v okruhu 15 kilometrů od zvoleného referenčního bodu. Použití této metody je vhodné pro zhušťování základních i podrobných bodových polích a budování prostorových sítí nižší přesnosti. 6.2 Statická metoda Tato metoda spočívá v současné observaci nejméně dvou aparatur po dobu 30 minut až po dobu několika dnů. Jeden přístroj je umístěn na zmámeném (již zaměřeném) bodě, druhý je na bodě, jehož souřadnice chceme měřit. Měření je časově nejnáročnější, ale také nejpřesnější. Používá se pro speciální práce s maximální požadovanou přesností ( budování polohových základů, regionální geodynamika,...) Při delších základnách vykazuje metoda mnohem přesnější výsledky než metody klasické geodézie. Měřit lze základny do délky až 30 Km s přesností na centimetry. * Ambiguita Neznámý počet celých cyklů v rovnicích fázových pozorování. Pro určování ambiguit je vypracována řada metod, které se liší podle doby měření na stanovisku. 24

22 6.3 Metoda stop and go Je obdobná rychlé statické metodě, přijímač však nepřestává měřit ani při přesunu mezi jednotlivými podrobnými body. Pouze na prvním bodě je potřeba setrvat tak dlouho, dokud není možné vyřešit ambiguity. Přijímač který se pohybuje musí být nastaven v kinematickém režimu, přijímač na referenční stanice může pracovat jak v kinematickém tak statickém režimu. Na měřených bodech je možno měření zkrátit na několik sekund za předpokladu, že během přesunu nedošlo ke ztrátě signálu (pak metoda přechází v rychlou statickou metodu) Metoda stop and go se používá pro určování souřadnic podrobných bodů. 6.4 Kinematická metoda Měření se provádí dvěma přijímači. Oba musí být po dobu měření napojeny na stejnou čtveřici družic. Při ztrátě signálu je potřeba se vrátit na poslední známý bod. Tento způsob měření je vhodný jen pro měření do vzdálenosti 10 Km od referenční stanice. Metoda rozlišuje dvě technologie měření: 1. Kinematická metoda s inicializací - Podobná metodě stop and go s tím rozdílem, že po počáteční inicializaci (vyřešení ambiguit) provádí pohybující se přijímač měření v krátkém časovém kroku. Při ztrátě signálu během měření je potřeba opakovat inicializaci. 2. Kinematická metoda bez inicializace Pokouší se odstranit nutnost opakovat inicializaci při ztrátě signálu. Tato metoda vychází z předpokladu, že ambiguity je možno určit na základě přesných kódových měření i při pohybu přijímače. 6.5 RTK- real time kinematic Jedná se o nejnovější metodu měření. Využívá radiového přenosu korekcí fázových měření od referenčního k pohybujícímu se přijímači. Při tomto způsobu měření jsou kladeny zvýšené nároky na technické vybavení. Metoda nachází uplatnění při určování souřadnic bodů podrobných bodových polí a podrobných bod, především pak při vytyčování. 25

23 6.6 Diferenční metoda Použitím této metody se dosahuje zvýšení přesnosti určování polohy v reálném čase. Lze dosáhnout až centimetrové přesnosti. DGPS diferenciální GPS byl donedávna způsob jak zmírnit dosah záměrné chyby systému SA. Zrušením systému SA se zájem o DGPS zmenšil, ale i tak tato metoda má mnoho uživatelů a nezaniká. Využívá se měření dvěma přijímači, které mají rozlišné úlohy. Jeden se označuje jako referenční, druhý jako mobilní. Princip diferenčního GPS spočívá ve tvoření diferencí mezi měřením, čímž dochází eliminaci některých chyb systému. Aby bylo možné diferenci vytvořit, je třeba mít k dispozici druhé měření a z něj vypočtené korekce. Diferenciální GPS je základním principem měření v geodézii. Tento způsob se používá především v navigaci a sledování dopravních prostředků, v zemědělství a lesnictví. 26

24 PRAKTICKÁ ČÁST 7.POPIS PŘÍSTROJE GPS (Data získána na < Arboretum jsem zaměřoval GPS aparaturou GARMIN GPSMAP 60C/CS. Přístroj patří mezi turistické GPS. GPS : - Přijímač: 12 kanálový, paralelní, WASS/EGNOS kompatibilní (Umí přijímat i signály z korekčních satelitů) - Autolokace: 5 min. - Studený start: 45 sec. - Teplý start: 15 sec. - Přepočet pozice: 1x za vteřinu - Přesnost GPS: 7-10 metrů (WAAS/EGNOS 2-3 metry) - Přesnost v určení rychlosti: 0.2 km/hod. - Anténa je vestavěná čtvercová helixová - Cena přístroje se pohybuje v rozmezí Kč (K datu duben, 2006) - S přístrojem lze zaměřovat jak bod po bodu s možností průměrování, tak i kontinuálně. Obr.č.10 - GARMIN GPSMAP 60C/CS 27

25 8.POSTUP PŘI ZAMĚŘOVÁNÍ K dispozici jsem měl jeden přijímač GPS GARMIN GPSMAP 60C/CS. Měření tedy probíhalo v reálném čase. Při zaměřování cestní sítě jsem se zabýval všemi betonovými cestami Zaměřoval jsem oba okraje cesty a to pokud bylo možné přímo naproti sobě. Na každém bodě jsem provedl tolik měření dokud se odchylka na displeji znatelně neustálila. Prováděl jsem minimálně 20 měření. V značné části okolí měřených bodu byl signál rušen stromy a křovím. Tato měření vykazovala nestálé hodnoty a mnohem větší odchylky a kolísání. Proto bylo zapotřebí na stanovišti provézt větší počet měření. V zásadě jsem ale nepřekračoval interval 60 sekund tedy zhruba kolem 50ti měření, to už byly hodnoty z větší části ustálené. Měření rovinných úseků jsem prováděl přibližně po dvaceti metrech. Kruhové oblouky jsem měřil pomocí tří bodů a to začátek, vrchol a konec oblouku. 28

26 Na snímku je vidět jak stromy lemují cestu a v pravé horní části je zřejmé silné zahuštění vegetací. To bylo pravděpodobně častou příčinou ztráty signálu, na určitých místech. (Snímek jsem získal na Obr.č.11 - Letecký snímek jižní části arboreta MZLU 29

27 9. PŘEVOD DAT DO FORMÁTU *.TXT Data získaná přijímačem Garmin bylo potřeba přesunout do PC, aby mohly být dále zpracovány. Pro převod dat z přijímače do PC jsem použil program MapSource(dodáván spolu s přístrojem Garmin). Přenos se uskutečňuje pomocí USB rozhraní. Abych mohl s daty dál pracovat, bylo nutné je zeditovat do formátu, který je podporován programem Transform. V programu MapSource jsem musel nastavit správný formát bodu. Obr.č.12 Program MapSource Popis obrázku číslo 12: V levé části snímku jsou importované body z přijímače. V pravé části snímku je mapa znázorňující mnou naměřené body. 30

28 Formát uložených dat v přijímači Garmin byl následující: Waypoint dubna -06 8:50:51 N E m Symbol & Name Unknown Waypoint interní označení bodu v přístroji 001 vlastní číslo bodu 25-DUB-06 8:50:51 datum a čas, kdy byl bod změřen N vlastní souřadnice bodu, zeměpisná šířka. Písmeno N určuje, že jde o severní šířku E vlastní souřadnice bodu, zeměpisná délka. Písmeno E určuje, že jde o východní délku 250 m výška nad referenčním elipsoidem systému GPS. Symbol & Name přímo při měření je možné ke každému bodu přiřadit jméno, nebo kód bodu Z programu MapSource jsem celý seznam souřadnic vyexportoval do textového souboru Body.txt. Pro další práci v programu Transform bylo zapotřebí data upravit v textovém editoru do formátu který umí program správně přečíst. Bylo nutné odstranit přebytečné informace tak, aby zbylo pouze číslo bodu, zeměpisná šířka bez písmena N, zeměpisná délka bez písmena E a výška nad elipsoidem. Všechny hodnoty jsou odděleny pouze mezerou. Tvar tohoto zápisu byl následující:

29 10. TRANSFORMACE DAT DO SYSTÉMU JTSK Pro transformaci ze zeměpisných souřadnic jsem použil program TRANSFORM (Obr.č.12). V první fázi bylo nutné, abych importoval editovaný seznam souřadnic. Dále jsem importoval seznam identických bodů. Jedná se o body sítě DOPNUL.Body poskytl vedoucí bakalářské práce Ing. Miroslav Matějík Ph.D. Z těchto bodů jsem pro transformaci vybral 8 bodů, které jsou nejblíže k dané lokalitě. Tab.č.1 - Seznam identických bodů pro výpočet číslo bodu Y ( JTSK ) X ( JTSK ) φ ( zem. šířka ) λ ( zem. délka ) , , ' 56,38220" 16 32' 01,05530" , , ' 02,80970" 16 21' 25,91560" , , ' 47,19500" 16 48' 51,57440" , , ' 51,48200" 16 54' 36,13850" , , ' 48,33980" 16 30' 30,28500" , , ' 24,14850" 16 15' 55,97720" , , ' 21,61240" 16 53' 02,51750" , , ' 29,20080" 16 48' 25,11750" Po zvolení identických bodů jsem již mohl provést samotnou transformaci. Zvolil jsem rovinnou transformaci se změnou měřítka. Tento typ transformace potřebuje nejméně 2 identické body pro výpočet a lze ji použít pouze pro převod ze systému ETRS89 do S-JTSK.Vlastní transformace se spustí klávesou F6. Nejprve se zobrazí dialog pro výběr typu transformace s měřítkem popř. bez měřítka (pokud není u identických bodů zadána výška, je umožněn výpočet pouze bez měřítka!). Dále je možné vybrat použití kvazigeoidu pro transformaci výšek. Implicitně je použití kvazigeoidu nastaveno. Dalším parametrem, který lze definovat, je poloměr pro Jungovu dotransformaci [v km]. Implicitně je nastavena hodnota 6 km, kterou lze samozřejmě libovolně změnit. Pokud není hodnota zadána, není Jungova dotransformace na transformované souřadnice aplikována. Dialog rovněž nabízí možnost zobrazení protokolu transformace, opět implicitně nastaveno. 32

30 Po stisknutí tlačítka OK resp. klávesy ENTER dojde ke spuštění výpočtu. Průběh výpočtu je možné sledovat pomocí ukazatele ve spodní části databáze bodů. V průběhu výpočtu není možné provádět žádné úpravy databáze bodů, databáze identických bodů ani seznamu bodů pro výpočet. Probíhající výpočet je možné kdykoliv ukončit. Transformované body jsem vyexportoval do seznamu souřadnic ve formátu *.txt a dále překopíroval do *.doc Protokol transformace Rovinná transformace souřadnic ETRS89 => S-JTSK Varianta se změnou měřítka Výšky redukované o převýšení geoidu: ANO (Poloměr oblasti pro Jungovu dotransformaci: 0,0 km) Pokles M0 o 31,28% při vypuštění ident, bodu M0=0,06068 [m] Transformační parametry: Posuny: X0=-0,0347 Y0=6,7867 Rotace: A1=0, A2=-0, Souřadnice těžiště: X= ,1638 Y=626393,2100 Posuny těžiště ident, bodů: dx=0,038 dy=0,112 Redukce umístění nad Bessel, el,: -1,222 0,708-0,243 [m] Střední posun výšek: -0,001 [m] Protokol obsahuje informace o konfiguraci transformace. Dále je zobrazena střední chyba transformace M0 [cm]. Pokud je pro transformaci použito více jak dva identické body, je uveden identický bod, jehož vypuštěním se dosáhne snížení střední chyby o uvedený počet procent ze zobrazené hodnoty střední chyby. Dále jsou uvedeny vypočtené transformační parametry, souřadnice těžiště identických bodů použitých při výpočtu (v systému S-JTSK) a posun tohoto těžiště aplikací vypočtených 33

31 transformačních parametrů. Další informace zobrazuje hodnoty redukcí umístění transformovaných souřadnic S-JTSK nad Besselovým elipsoidem. Vzhledem k tomu, že výpočet výšek se během transformace provádí odděleně od transformace souřadnic, je navíc uvedena střední hodnota posunu výšek. Obr.č.13 Program Transform Popis obrázku č. 13: Na levé straně je nahrán seznam bodů určených pro transformaci do systému JTSK. Na pravé straně v první tabulce jsou importovány vybrané identické body. V druhé tabulce se nachází všechny identické body. Zhruba vprostřed obrázku jsou vidět souřadnice bodu v ETRS89 (souřadnice s přijímače GPS) a výška.. Hned pod těmito souřadnicemi jsou již přepočítané souřadnice v S-JTSK (tyto souřadnice jsem dále porovnával s DKM) 34

32 11. VYHODNOCOVÁNÍ PŘESNOSTI V MICROSTATION 95 K vyhodnocení přesnosti zaměřování jsem použil program Microstation 95 (Obr.č.14). Do programu jsem importoval souřadnice zaměřených bodů v JTSK. Body jsem následně pospojoval a porovnal s DKM. Jelikož by bylo těžké v digitální katastrální mapě přesně stanovovat na které pozici jsem souřadnice bodů naměřil, zvolil jsem tedy metodu nejbližšího možného místa měření. V programu Microstation jsem označil krajní linii cesty DKM a spojil kolmicí s bodem. Délku této kolmice jsem považoval za odchylku. Obr.č.13 Program Microstation 95 V tabulce č.3 jsou shrnuta data, která ukazují kolik bodů se vlezlo do určité odchylky a jaké je jejich procentuální zastoupení. 35

33 Tab. č.2 - přesnost měření odchylka množství bodů Množství bodů v % do 0,5 m Do 1 m Do 2 m Do 3 m Do 4 m Do 5 m Do 6 m Do 7 m Do 8 m Nad 14 m 3 3 Přesnost měření Procenta bodů , < Odchylka v metrech Graf č.2 - Graf přesnosti měření v metrech. Graf znázorňuje jaké procento zaměřených bodů se vešlo do určité odchylky 36

34 Tři body vykazují nepřesnost vyšší jak 14 metrů. Jedná se o body 149(17,5m), 150(17,9m) a 177(14,11m). Body 149 a 150 jsou v oblasti pokrytou vegetací zhruba z 50%. To by ovšem nemělo mít až tak velký vliv. Naopak bod 177 je v oblasti pokryté vegetací z 90% což by mohlo být příčinou, nicméně na okolní body to nemělo tak velký vliv. Budovy ani jiná zařízení, která by mohla vyvolávat vícecestné šíření signálu zde nebyla v blízkosti. Tyto tři body proto považuji za nereprezentativní z neznámých důvodů. Při posuzování přesnosti je také vhodné vzít v úvahu přesnost DKM, se kterou jsem naměřená data srovnával. Kresba cestní sítě má kód kvality 6 (kresba vznikla digitalizací grafických map v měřítku 1:1000) Cestní síť je tedy určena se střední souřadnicovou chybou ± 21 cm Výsledky měřené přesnosti Řada bodů cestní sítě nebyla v DKM znázorněna, proto jsem pro statistiky použil z celkového počtu 162 bodů pouze 115 bodů. Počet vyhodnocovaných bodů Průměrná odchylka 2,5m Nejmenší naměřená odchylka 0,00 m Největší naměřená odchylka 17,9 m 11.2 Vliv zastínění vegetací na zaměřování. Tabulka ukazuje procentuelní zastínění vegetací při zaměřování bodů. Zastínění vegetací od 0 do 30% jsem nepovažoval za rozhodující, proto jsou body sloučeny. Tab.č.3 Množství zastíněných bodů Zastínění vegetací 0-30% 40% 50% 60% 80% 90% 100% celkem Počet bodů

35 Zastínění vegetací 6; 4% 12; 8% 30; 19% 7; 5% 67; 42% 0-30% 40% 50% 60% 80% 90% 100% 15; 10% 18; 12% Graf č. 2 Zastínění vegetací (První číslo uvádí počet bodů, druhé procentuální část z celku) Přehled průměrné přesnosti v závislosti na zastínění vegetací: Tab.č.4 - Průměrná odchylka v zastíněných oblastech Zastínění Průměrná odchylka 0-30% 2,47 40% 1,79 50% 0,62 60% 2,92 80% 2, % 1,76 38

36 Srovnání vlivu zastínění 6 5 Odchylka v metrech Počet bodu Graf č.3 Srovnání vlivu zastínění 0-30% a % Zastínění 0-30% Zastínění % Aby se obě křivky daly dobře porovnat, seřadil jsem odchylky od nejmenší k největší bez jakéhokoli ohledu na číslo bodu. Křivky znázorňují počet bodů, které zastupují příslušnou odchylku v metrech. Z grafu je zřejmé, že body ve více zastíněné části vykazují dokonce nečekaně menší odchylky. To mohlo být způsobeno rozdílným počtem satelitů v době měření. 39

37 Závislost odchylky na stanovišti Odchylka v metrech Číslo bodu Graf č.4 Závislost odchylky na stanovišti Data (body) jsou v tomto případě seřazeny dle čísla bodu a to od prvního naměřeného bodu po poslední naměřený bod. Na grafu je tedy dobře vidět, v kterých místech měly body celkově větší odchylky a v kterých místech se jednalo spíše o anomálie. 40

38 12 ZÁVĚR Cílem mé práce bylo zaměření cestní sítě v arboretu. K zaměření jsem použil GARMIN GPSMAP 60 CS. Naměřené hodnoty jsem porovnal s DKM a odhalil nepřesnosti. I když sem vzal v úvahu nižší přesnost (± 21 cm ) DKM se kterou jsem data srovnával, tak některé body byly vychýleny od cesty v DKM o několik metrů. Obecně se dá říci, že body které jsem zaměřil vykazovaly nepřesnost od 0m do 8m. Odchylky zaměřených bodů jsem zprůměroval a výsledkem byla průměrná odchylka 2,5m. Výrobce udává 2-3m a tak jsem jejich tvrzení úspěšně ověřil v praxi. Vzhledem k tomu, že jsem zaměřoval v arboretu a tudíž velká část zaměřovaných bodů byla stíněna vegetací, rozhodl jsem se srovnat jak moc velký vliv toto stínění mělo. Podle výsledků, které jsou uvedeny výše je zřejmé, že stínění vegetací asi moc velkou roli v rušení signálu nehrálo. Dokonce průměrné hodnoty bodů v oblasti silně zastíněné mají menší odchylky než body na volném prostranství. Vícecestné šíření signálu jsem vyloučil, jelikož jsem v okolí zaměřených bodů neshledal objekty, které by jej mohly způsobovat. Vyšší přesnost v zastíněných oblastech tedy mohla být způsobena detekováním vyššího počtu družic než u bodů, které jsem v jiném čase naměřil na nezastíněných plochách. Domnívám se, že využití výše zmíněného přijímače GPS je podle uvedených výsledků nevhodné pro přesnější zaměřování. Vhodný je ovšem pro mapování krajinných prvků. Průměrná odchylka 2,5m je dostačující. Tato odchylka jde samozřejmě snížit opakovaným měřením a měřením metodou diferenční pomocí dvou přijímačů. Měření pomocí GPS je velmi rychlé a tak se za krátkou dobu dá zmapovat větší množství bodů na rozsáhlém území. Pokud vezme v úvahu i stále klesající ceny ručních GPS přijímačů, které se ke květnu 2006 pohybují od Kč, jedná se o cenově dobře dostupnou a v rámci možností i přesnou variantu. Zaměřování metodou GPS má již dnes širokou základnu uživatelů a můžeme počítat s jejím rozšiřováním. 41

39 13. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY [ 1 ] Hofmann Wellenhof, B. - Lichtenegger, H. and Collins J.: GPS, Theory and Practice. Springer-Verlag Wien, New York 1992 [ 2 ] Vejražka, F.: Současnost a budoucnost diferenčních metod určování polohy pomocí navigačních družic. In: Geoinfo, č. 4/2000, s. 6-9 [ 3 ] Vitásková, J., Staňková, H.: Návody na měření s GPS, Brno: MZLU 2004, ISBN [ 4] Švábenský, O., Fixel, J., Weigel, J.: Základy GPS a jeho praktická aplikace, FAST VUT Brno 1995, ISBN Internetové odkazy:,

40 Mé poděkování patří vedoucímu bakalářské práce, Ing Miroslavu Matějíkovi PhD. Za konzultace a připomínky. Dále pak děkuji Ing. Šilerovi z firmy Geoprofi s.r.o. za poskytnutí digitální katastrální mapy. A v neposlední řadě MZLU za zapůjčení GPS přijímače a umožnění přístupu k potřebným programům. 43