MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ

Transkript

1 MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ LESNICK[ A DŘEVAŘSK[ FAKULTA ÚSTAV GEOINFORMAČNÍCH TECHNOLOGIÍ Porovn{ní přesnosti hybridní GPS + GLONASS a běžné GPS aparatury v podmínk{ch lesních porostů Bakal{řsk{ pr{ce Brno 2013 Ladislav Klv{ček

2 Čestné prohlášení Prohlašuji, že jsem bakal{řskou práci na téma: Porovn{ní přesnosti hybridní GPS + GLONASS a běžné GPS aparatury v podmínk{ch lesních porostů zpracoval sám a uvedl jsem všechny použité prameny. Souhlasím, aby moje bakal{řsk{ práce byla zveřejněna v souladu s 47b Zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách a uložena v knihovně Mendelovy univerzity v Brně, zpřístupněna ke studijním účelům ve shodě s Vyhláškou rektora MENDELU o archivaci elektronické podoby závěrečných prací. Autor kvalifikační práce se dále zavazuje, že před sepsáním licenční smlouvy o využití autorských práv díla s jinou osobou (subjektem) si vyžádá písemné stanovisko univerzity o tom, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity a zavazuje se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla dle řádné kalkulace. V Brně <<<<<<<<<<.. Ladislav Klv{ček

3 Autor: Ladislav Klv{ček Název: Porovn{ní přesnosti hybridní GPS + GLONASS a běžné GPS aparatury v podmínk{ch lesních porostů Title: Comparison of the accuracy of hybrid GLONASS + GPS and conventional GPS apparatus in forest conditions Abstrakt: Pr{ce se zabýv{ porovn{ním přesnosti a produktivity sběru geoprostorových dat prostřednictvím hybridní a běžné GPS aparatury v podmínk{ch vybraných lesních porostů na Školním lesním podniku Masarykův les Křtiny. Za tímto účelem byla vybr{na běžn{ GPS aparatura Trimble Pathfinder ProXH, kter{ zpracov{v{ pouze sign{ly glob{lního navigačního družicového systému NAVSTAR GPS, a hybridní aparatura Pathfinder ProXRT, která je schopna přijímat jak sign{ly systému GPS, tak i sign{ly glob{lního navigačního družicového systému GLONASS. Za účelem vlastního testov{ní byla sestavena aparatura skládající se z dvoufrekvenční antény Trimble Tornado, kter{ byla prostřednictvím rozbočovače sign{lu připojena k výše uvedeným GNSS přijímačům. Výhodou této sestavy je fakt, že oba dva GNSS přístroje získ{vají sign{l ze společné antény, což zajistí jejich naprosto shodné observační podmínky. Vlastní sběr dat byl uskutečněn na třech stanovištích s různými terénními a porostními podmínkami a na místě s optim{lními observačními podmínkami (střecha LDF). Doba observace na každém stanovišti byla zvolena na 1 hod. Ze zpracovaných výsledků bylo zjištěno, že příjem sign{lů z družic glob{lního navigačního družicového systému GLONASS při autonomním určov{ní polohy

4 ovlivnil přesnost spíše negativně. Přínos hybridního systému nastal pouze v jednom z případů, kdy se jednalo o stanoviště s nepříznivými observačními podmínkami vlivem konfigurace terénu. V takovém případě dovolovala podpora příjmu sign{lu ze systému GLONASS nepřetržité měření oproti ztr{tě sign{lu u běžného GPS přijímače. Po aplikaci postprocesních korekcí z virtu{lní referenční stanice sítě CZPOS na měřen{ data se obecně snížila výsledn{ RMS u obou přijímačů, ale vyšší počet přijímaných družic u hybridního přijímače se pozitivně projevil opět pouze na stanovišti s nepříznivými observačními podmínkami. Klíčov{ slova: les, GLONASS, GNSS, GPS, produktivita, přesnost Abstract: The work presents a comparison of the accuracy and reliability of collecting geospatial data by hybrid and conventional GPS apparatus in terms of selected forest locations at the SLP ML Krtiny. For this comparison, the chosen standard equipment was the Trimble GPS Pathfinder ProXH which processes signals only from the global satellite navigation system NAVSTAR GPS and the hybrid receiver Pathfinder ProXRT receiver, which is able to receive GPS signals and the signals of the global navigation satellite system GLONASS. For this purpose, a self-testing kit was designed consisting of a Trimble Tornado dual-frequency antenna, which was the connected to the GNSS receivers via a signal splitter unit. The advantage of this system is that both GNSS devices receive signals from a common antenna, ensuring that observational conditions are completely identical. Data collection was carried out at three sites with different terrain and forest conditions and on the spot with the best observational conditions (roof LDF). Observations were made for a period of one hour at each location.

5 The processed results revealed that the GLONASS system used in conjunction with the GPS system delivered less accurate results than expected. In only one instance did the hybrid system deliver accurate data; this was when observational conditions were particularly poor, due to forest conditions and terrain. In this case the GLONASS plus GPS system benefited from a continuous satellite signal, whereas the GPS system suffered from only intermittent satellite contact. After the application of post-processing correction through the virtual reference station network CZPOS the margin of error was generally reduced, resulting in a lower RMS for both receivers, but the higher number of satellite contacts with the hybrid system resulted in more accurate results only under especially poor environmental conditions. Key words: accuracy, forest, GLONASS, GNSS, GPS, productivity

6 Obsah 1 Úvod Cíl práce Literární přehled Globální navigační satelitní systémy (GNSS) Principy měření GPS Kosmický segment Řídicí segment Uživatelský segment GLONASS Kosmický segment Řídící segment Uživatelský segment Faktory ovlivňující přesnost GNSS GPS a GLONASS Řízení přístupu k signálu z družic (Selective Availability) Stav družic Poměr signál/šum (SNR) Vícecestné šíření signálu (multipath) Počet viditelných družic Parametr snížení přesnosti (DOP) Typ přijímače Platnost a přesnost efemerid Přesnost hodin na družicích Rozšiřující systémy GNSS GPS/GLONASS přijímače Praktické využití GNSS v lesním hospodářství Metodika práce Charakteristika porostních skupin vybraných stanovišť, porostní a terénní podmínky Specifikace použitého přístrojového vybavení... 40

7 4.2.1 Trimble Pathfinder ProXH Trimble Pathfinder ProXRT Anténní Technika Metodika měření První měření Druhé měření Třetí měření Výsledky Polohová přesnost autonomního a postprocesně zpracovaného měření První měření Druhé měření Třetí měření Produktivita měření v terénu Diskuze Závěr Summary Použitá literatura Seznam obrázků, tabulek, grafů... 63

8 Seznam použitých zkratek C/A Coarse Acquisition Hrubé určov{ní polohy CZEPOS Síť permanentních stanic GNSS České republiky DOP Dilution of Precision Rozptyl přesnosti FDMA Frequency Division Multiplex Access Fázová modulace GBAS Ground Based Augmentation Systems Rozšiřující systém GNSS GLONASS Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema Globální navigační družicový systém GNSS Global Navigation Satellite Systém Globální družicový navigační systém GPS Global Positioning Systém Globální polohový systém HDOP Horizontal Dilution of Precision Zhoršení horizontální přesnosti HP High Positioning Vysoká přesnost určení polohy LHE Lesní hospod{řsk{ evidence LHP Lesní hospod{řský pl{n NAVSTAR Navigation System using Time and Ranging Navigační systém s časovou a dálkoměrnou službou (GPS) PDOP Positional Dilution of Precision Zhoršení přesnosti určení polohy

9 RMS Root Mean Square Střední kvadratick{ chyba PRN Pseudo Random Noise Code Pseudonáhodný kód RTK Real Time Kinematic Metoda příjmu korekcí ze základnových stanic SBAS Satellite Based Augmentation Systems Rozšiřující systém GNSS SNR Signal noise ratio Poměr šumu v sign{lu SP Standard Positioning Standardní přesnost určení polohy ŠLP ML Školní lesní podnik Masarykův les Křtiny

10 ÚVOD 1 ÚVOD Mapová díla a určov{ní polohy jsou lidstvu zn{mé již od starověku, kdy se člověk začal rozvíjet, přivlastňovat území, bojovat s jinými národy a stěhovat se z místa na místo. Jde prakticky o způsob komunikace, kter{ ulehčuje orientaci v prostoru a nabízí širší pohled na svět. Z poč{tku se využívalo pouze prostoru dvojrozměrného pro orientaci pohybu na souši, či na moři. Rozvojem techniky a vyn{lezem létacích strojů vznikla potřeba pro určov{ní polohy i v prostoru trojrozměrném. Člověk tedy začal tvořit mapov{ díla, která se postupem času vyvinula až do dnešní podoby map, jak je dnes známe. Pro orientaci, určení polohy, na mapě se využív{ několika metod, které lze rozdělit na přímé a nepřímé. Metodou přímého měření se dan{ poloha zjistí odměřením vzdáleností od některých známých objektů. U nepřímého měření se poloha určí odvozením z jiných veličin. Jelikož je přímé měření při větších vzd{lenostech velmi n{ročné až nemožné, je v současné době využív{no přev{žně měření nepřímé. Určov{ní polohy nepřímým měřením se provádí pomocí úhlového, d{lkoměrného, nebo kombinovaného měření. Lze při něm využít různé fyzik{lní principy, jako např. dnes masivně rozšířené měření pomocí elektromagnetických vln. Tento princip využívají všechny dnešní glob{lní navigační družicové systémy (GNSS), jako je např. americký GPS NAVSTAR (Global Positioning System Navigstion System using Time and Ranging), ruský GLONASS (Global naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema) a zatím nedokončený evropský GNSS GALILEO, nebo čínský BEIDOU/COMPAS. Podmínkou úspěšného měření těmito systémy je přím{ viditelnost na družice obíhající Zemi. Takové podmínky ale nenast{vají vždy a všude. Např. 11

11 ÚVOD v podmínk{ch lesních porostů je situace značně zhoršov{na porostem samotným, terénním reliéfem a svahovou orientací. Tyto zhoršené podmínky se dají do jisté míry vykompenzovat nastavením parametrů přijímače, delší observací, podporou rozšiřujících systémů GNSS, nebo příjmem sign{lů několika GNSS najednou (tzv. hybridní GNSS). Velký technologický pokrok dnes proniká do všech hospod{řských odvětví, lesnictví nevyjímaje. Zpracov{ní a evidence dat se děje pomocí informačních systémů, které zpřehledňují a ulehčují pr{ci. Přijíman{ data jsou proto nejčastěji v elektronické podobě. Použív{ní GNSS systémů je tedy nasnadě. Daly by se využít ke snadnější orientaci v lese, pro vyznačov{ní důležitých krajinných prvků, při vytv{ření nového LHP, prov{dění těžby atd. Otázkou je do jaké míry lze tento systém uplatňovat, což z{visí na přesnosti, rychlosti a produktivitě měření. 12

12 CÍL PRÁCE 2 CÍL PRÁCE Cílem práce je zjistit, zda zpracov{ní sign{lů z více než jednoho glob{lního navigačního družicového systému u hybridních GNSS přijímačů ovlivní přesnost, případně produktivitu sběru geoprostorových dat pod vybranými zapojenými lesními porosty. 13

13 LITER[RNÍ PŘEHLED 3 LITERÁRNÍ PŘEHLED 3.1 GLOBÁLNÍ NAVIGAČNÍ SATELITNÍ SYSTÉMY (GNSS) Globální navigační satelitní systémy (GNSS) jsou schopny v globálním měřítku nepřetržitě poskytovat informace o přesném čase a poloze v prostoru. Tyto informace jsou získávány zpracováním signálů vysílaných z družic GNSS obíhajících Zemi po známých oběžných drahách (JANATA, 2011) PRINCIPY MĚŘENÍ Určování vzdáleností přijímače od družic lze provádět na základě: kódových měření, fázových měření, dopplerovských měření. Přestože nic nebrání tomu, aby kterákoliv z těchto měření byla použita pro určování polohy, v praxi se k tomuto účelu používají jen první dvě. Třetí se využívá především při stanovování rychlosti pohybu přijímače (RAPANT, 2002) Kódová měření Základním principem GNSS je určování vzdáleností mezi přijímačem a družicemi. Běžně se k tomuto účelu využívají tzv. dálkoměrné kódy vysílané jednotlivými družicemi. Dálkoměrné kódy jsou zjednodušeně řečeno přesné časové značky, které umožňují přijímači určit čas, kdy byla odvysílána kterákoliv část signálu vysílaného družicí. Přijímač pracuje tak, že ve vstupním signálu přicházejícím z antény identifikuje dálkoměrný kód příslušné družice, zjistí čas odeslání a přijetí jedné 14

14 LITER[RNÍ PŘEHLED sekvence kódu a ze zjištěného časového rozdílu ti určí vzdálenost mezi přijímačem a družicí di dle jednoduchého vztahu di = ti. c, kde c = rychlost šíření radiových vln. Vzhledem k tomu, že hodiny přijímače nejsou zcela synchronní se systémovým časem družicového navigačního systému, je časový rozdíl ti zatížen určitou chybou hodin přijímače. Při výpočtu vzdálenosti di proto neurčíme skutečnou vzdálenost přijímače od družice, ale jen tzv. zdánlivou vzdálenost (RAPANT, 2002). Při určování polohy předpokládáme, že jak hodiny na družici, tak i hodiny v přijímači jsou synchronní s časem celého systému. Tato podmínka je však splněna jen na straně družice, protože každá je osazena několika velice přesnými atomovými hodinami, které udržují její čas v co největší shodě se systémovým časem. Navíc řídicí segment trvale monitoruje chod hodin družic a do navigační zprávy každé družice vkládá nezbytné korekce umožňující opravit její čas na systémový. Přijímač je z cenových i praktických důvodů vybaven jen krystalem řízenými hodinami, které rozhodně nejsou schopné zajistit shodnost času přijímače se systémovým časem. Údaje o nezbytné opravě času přijímače jsou tedy neznámé a musí se určit výpočtem (RAPANT, 2002). Čas přijímače je br{n jako zd{nlivý a je proto potřeba vypočítat nezn{mý časový posun hodin T vůči systémovému času. M{me tedy čtyři nezn{mé, souřadnice X, Y, Z určující polohu a časový posun hodin T. Jedinou možností, jak zjistit všechny 15

15 LITER[RNÍ PŘEHLED neznámé, je měřit zd{nlivé vzd{lenosti přijímače min. ke čtyřem družicím a počítat s nimi jako se soustavou čtyř rovnic o čtyřech nezn{mých. r1 = r2 = r3 = r4 = - c T - c T - c T - c T Na levé straně rovnic jsou zdánlivé vzdálenosti přijímače k jednotlivým družicím r, tak jak byly naměřeny. X, Y a Z jsou souřadnice přijímače, které chceme určit; xi, yi a zi jsou souřadnice jednotlivých družic v době měření zdánlivých vzdáleností (získáme je výpočtem z údajů obsažených v navigačních zprávách jednotlivých družic); c je rychlost světla a T je neznámý posun hodin přijímače oproti systémovému času, který chceme rovněž určit. Tyto rovnice musí být řešeny simultánně tak, aby přijímač mohl přímo poskytovat výstup v souřadnicích (RAPANT, 2002) Fázová měření F{zov{ měření jsou oproti kódovým založena na odlišném principu. Vůbec nepracují s dálkoměrnými kódy, nýbrž zpracovávají vlastní nosné vlny. Zjednodušeně lze říci, že při fázových měřeních přijímač spočítá počet vlnových délek nosné vlny nacházejících se mezi přijímačem a družicí. Tento počet se skládá jednak z celočíselného násobku nosných vln, který se dost obtížně určuje, a jednak z desetinné části, kterou je přijímač naopak schopen určit relativně velmi přesně. Fázová měření proto vykazují určitou nejednoznačnost rovnající se počtu celých vlnových délek nosné vlny, které se nacházejí mezi přijímačem a družicí na počátku 16

16 LITER[RNÍ PŘEHLED měření (proto se někdy označuje také termínem celočíselná nejednoznačnost). Pro určování celočíselné nejednoznačnosti byla vypracována celá řada postupů umožňujících její stanovení buď při následném zpracování, nebo i přímo v reálném čase. Jakmile jednou přijímač počáteční hodnotu celočíselné nejednoznačnosti určí, je již schopen průběžně sledovat změny fázového posunu a počtu celých vln, a tím i vlastní polohu, resp. její změny (v případě mobilních stanic). Přijímač tedy udržuje hodnotu počáteční celočíselné nejednoznačnosti a k ní připočítává celý počet vlnových délek s desetinnou částí vlnové délky, o které se změnila vzdálenost mezi přijímačem a družicí od počátku měření (tento počet může být kladný i záporný). Pokud v důsledku oslabení signálu z nízko letící družice nebo v důsledku zastínění antény (omylem rukou, jízdou v tunelu nebo podjížděním pod mostem, zastíněním stromy nebo domem apod.) dojde k přerušení sledování nosné vlny, dojde k tzv. fázovému skoku a přijímač již není dále schopen počítat vlnové délky, o které se změnila vzdálenost mezi přijímačem a družicí. V praxi to znamená, že přijímač musí začít nový cyklus měření od určení aktuálního fázového posunu až po nové určení počáteční hodnoty celočíselné nejednoznačnosti na počátku nového měření. Pomocí fázových měření můžeme určovat vzdálenost mezi družicemi a přijímačem s přesností až na milimetry (RAPANT, 2002) Dopplerovská měření Měření využív{ dopplerovského efektu, tj. zjišťuje změny frekvence u pohybujícího se zdroje nebo přijímače sign{lu. Z této informace lze zjistit rychlost vzdalov{ní či přibližov{ní přijímače a družice. Po doplnění dalších údajů (aktu{lního orbitu družice, časových značek<) lze dopočítat polohu na Zemi. 17

17 LITER[RNÍ PŘEHLED 3.2 GPS Jedn{ se o velice využívaný globální polohový družicový systém, který spravuje ministerstvo obrany USA. Je schopný měřit polohu a čas nepřetržitě, za jakýchkoliv povětrnostních podmínek kdekoli na Zemi. Vývoj tohoto systému započal již v 70. letech 20. stol. a pokračuje do dnešní doby. Současně se do systému vypouštějí družice šesté generace, družice Bloku IIF, které vysílají již tři p{sma navigačních sign{lů L1, L2, L5, které jsou (s určitým omezením) přístupny i civilním uživatelům. GPS je tvořen třemi základními segmenty, které rozeznáváme i u ostatních GNSS: kosmickým, řídicím, uživatelským. 18

18 LITER[RNÍ PŘEHLED KOSMICKÝ SEGMENT Obr. 1: Kosmický segment systému GPS. Zdroj: DEFENSE INDUSTRY DAILY, Kosmický segment je tvořen soustavou družic rozmístěných systematicky na oběžných drahách a vysílajících navigační signály (viz Obr. 1). Celý systém byl původně projektován na 24 družic. (JANATA, 2011). V současné době (duben, 2013) systém využív{ 30 operačních družic. Družice obíhají ve výšce km nad povrchem Země v šesti po 60 posunutých téměř kruhových drahách. Sklon těchto drah vůči rovníku je 55. Oběžná doba družic je 12 hvězdných hodin (11 hod. a 58 min.), což znamená, že ze stejného místa na Zemi je družice následující den pozorovatelná o 4 minuty dříve. Toto uspořádání garantuje, že na kterémkoliv místě na Zemi jsou trvale dostupné signály z minimálně čtyř družic po celých 24 hodin. Ve většině případů je však viditelných více družic, v ideálním případě až 12 (RAPANT, 2002). 19

19 LITER[RNÍ PŘEHLED Sign{ly vysílané družicemi GPS Každý signál vyslaný družicí GPS je kombinací nosné vlny, dálkoměrného kódu a navigační zprávy. Vytváření signálu, který je vysílaný, probíhá v celé řadě kroků. Vychází se při tom z faktu, že veškeré složky signálu jsou odvozovány násobením a dělením základní frekvence, jejíž hodnota je f0 = 10,23 MHz. Družice vysílají signály na dvou nosných frekvencích. Frekvence L1 (1575,42 MHz, vlnová délka 19 cm) je modulována dvěma dálkoměrnými kódy reprezentovanými tzv. pseudonáhodnými šumy (Pseudo Random Noise PRN). Jedním z nich je přesný nebo též P kód (Precision nebo P-code), který může být pro vojenské účely zašifrován (a pak se označuje Y-kód) a druhým je hrubý/dostupný nebo též C/A kód (Coarse/Acquisition nebo C/A code), který není šifrovaný. Druhá frekvence označovaná L2 (1227,60 MHz, vlnová délka 24 cm) je taktéž modulována P-kódem a civilním L2C kódem, který je vysíl{n od spuštění bloku II R-M. Většina civilních přijímačů užívá pro měření pouze C/A kód. Do družic bloku II F je implementována další nosná frekvence L5 (1176,45 MHz), která je určena pro civilní využití tam, kde je třeba garantovat kvalitu polohovací služby natolik, aby bylo možno ihned rozpoznat a eliminovat chybu části nebo celku systému (např. navigace v letectví). Využívá mezinárodně rezervované pásmo pro letectví. Skládá se z bit dlouhých kódů vysílaných 10,23 Mbps, tedy frekvencí 1 ms (RAPANT, 2002). C/A kód - Jedná se v podstatě o pseudonáhodnou posloupnost 1023 nul a jedniček, která je svým charakterem blízká šumu (tzv. PRN kód), ale je jednoznačně definovaná. Každá družice má přidělenu přesně svoji vlastní posloupnost nul a jedniček - svůj vlastní C/A kód. Družice jsou pak identifikovány svým PRN číslem, unikátním identifikátorem každého dálkoměrného kódu. C/A kód má frekvenci 1,023 MHz, což vzhledem k jeho délce znamená, že se celá sekvence nul 20

20 LITER[RNÍ PŘEHLED a jedniček opakuje každou milisekundu. C/A kód moduluje nosnou frekvenci L1 a L2. Rovnice pro dekódování C/A kódu jsou všeobecně známé a nejsou tajné, takže tento kód je běžně přístupný pro civilní aplikace. Proto je tento kód používán civilními přijímači pro navigaci a mapování. C/A kód je tedy základním signálem pro standardní polohovou službu (RAPANT, 2002). Od bloku II R do provozu, vysílají tyto a n{sledující generace družic signály na nosných vlnách L3 které podávají informace o detekci vysokoenergetických zdrojů. Slouží k monitorování balistických střel a pro včasné upozornění před možnou hrozbou jaderných útoků na území USA. Další vysílané p{smo L4 je využív{no pro měření ionosférické refrakce, tedy zjištění velikosti vlivů ionosféry na měření. Posledním v dnešní době vysílaným frekvenčním pásmem je L5. Toto frekvenční p{smo je mezin{rodně rezervov{no pro letectví. Sign{l je dvakr{t tak výkonný jako vysílaný sign{l L2C, může proch{zet přes větší přek{žky a také nést větší množství dat. Přijímače využívající všechny tří sign{ly (C/A, L2C, L5) by měli dos{hnout větší přesnosti měření, než v tuto chvíli umožňuje dvoufrekvenční přijím{ní sign{lu. Navigační zpr{va Pro určování polohy přijímače GPS je nezbytné znát přesnou polohu vysílající družice v době odeslání dálkoměrného kódu. Ta se počítá na základě parametrů její dráhy, které sama družice vysílá ve formě tzv. navigační zprávy. Navigační zpráva obsahuje nejen parametry oběžné dráhy dané družice, ale i celou řadu dalších údajů (HRDINA et al., 1996): čas vysílání počátku zprávy, přesné keplerovské efemeridy družice, 21

21 LITER[RNÍ PŘEHLED údaje umožňující přesně korigovat čas vysílání družice, almanach, koeficienty ionosférického modelu, stav družice atd ŘÍDICÍ SEGMENT Spravuje a zajišťuje spr{vný chod celého glob{lního navigačního systému. Družice jsou denně monitorov{ny a aktualizov{ny, pomocí korekčních zpr{v se opravují vzniklé chyby hodin a efemerid, popř. se prov{dí manévrov{ní družic UŽIVATELSKÝ SEGMENT Uživatelský segment se skládá z GPS přijímačů, uživatelů a vyhodnocovacích nástrojů a postupů. GPS přijímače provedou na základě přijatých signálů z družic předběžné výpočty polohy, rychlosti a času. Pro výpočet všech čtyř neznámých (X, Y, Z a T) je zapotřebí přijímat signály alespoň ze čtyř družic. Přijímače jsou používány pro navigaci, určování polohy, měřictví, určování přesného času, ale i pro jiné účely (JANATA, 2011). N{ležitosti uživatelského segmentu budou rozvedeny v kapitole uživatelský segment GNSS GLONASS. 22

22 LITER[RNÍ PŘEHLED 3.3 GLONASS Jedná se o obdobu amerického vojenského GNSS NAVSTAR-GPS. Systém je taktéž schopný měřit polohu a čas nepřetržitě, za jakéhokoliv počasí kdekoliv na Zemi. Je spravován ruskými kosmickými silami pro potřeby ruské vl{dy. V minulosti byl projekt velice podfinancov{n a využití navigačního systému bylo omezené až nemožné. Moment{lně je však díky obnovenému financov{ní plně funkční s pl{nem dalších modernizací. Většinu kosmického segmentu tvoří družice druhé generace (Uragan M), které vysílají polohové signály dvou nosných vln L1 a L2. Č{st těchto poskytovaných sign{lů je volně přístupn{ veřejnosti. Jako u GNSS GPS i u systému GLONASS je struktura tvořena třemi základními segmenty: kosmickým, řídicím, uživatelským. 23

23 LITER[RNÍ PŘEHLED KOSMICKÝ SEGMENT Obr. 2: Kosmický segment systému GLONASS. Zdroj: SAHIN et al., 2005 Projekt byl konstruován na 24 družic rozmístněných ve třech oběžných drahách se sklonem 64,8 k rovníku, které jsou od sebe posunuté o 120 (viz Obr. 2). Dráhy jsou téměř kruhové, s výškou km a dobou oběhu 11 hod. a 15 min. Obdobná sestava družic se zopakuje po 17 obletech Země, což nastává po 8 dnech. První družice tohoto systému byla vypuštěná v r Jednalo se o první blok družic, který měl však relativně krátkou životnost, asi 2-5 let. Druhá generace družic zahájila provoz v roce 2003 a jejich životnost byla prodloužena na 7 let. Od roku 2011 jsou vypouštěny družice třetí generace, které mají životnost prodlouženu na 10 let. (GREWAL et al., 2001) V současné době (duben 2013) je systém plně funkční s 24 operačními navigačními družicemi v kosmickém segmentu. 24

24 LITER[RNÍ PŘEHLED Signály vysílané družicemi GLONASS Jako GPS i GLONASS vysílá v nynější době na dvou f{zových vlnách a to L1 a L2. Souč{stí každé vlny jsou vysílané kódy SP (Standart Precision) a HP (High Precision). SP (Standart Precision) navigační kód standardní přesnosti je posloupnost 511 nul a jedniček opakující se co 1 ms. Jeho frekvence je 0,511 MHz. Jedn{ se o PRN kód. Volně přístupný civilním uživatelům. Vysíl{n je na frekvenci L1 a L2. (LIBERDA, 2011) Dalším je pak navigační signál vysoké přesnosti (High Precision Navigation Signal - HP), který je přenášen na obou nosných frekvencích L1 a L2 a je obdobou P-kódu systému GPS. Jedná se o pseudonáhodnou posloupnost nul a jedniček vysílanou frekvencí 5,11 MHz, jejíž původní délka bitů je zkrácena tak, aby se sekvence opakovala co 1 s. - všechny družice opět vysílají stejnou sekvenci. S navigačním signálem vysoké přesnosti je rovněž přenášena navigační zpráva. Ta se však od předešlé poněkud liší a informace o ní doposud nebyly publikovány. Základní frekvencí systému je 5,11 MHz, na ni jsou modulovány uvedené signály a navigační zpráva. Přenos dat z více družic k jednotlivým uživatelům je řešen frekvenční modulací (FDMA), která je pro GNSS netypická, protože přináší problémy s interferencemi mezi kanály a vyžaduje rezervované širší vysílací pásmo L1 PT ( MHz) nebo L2 PT ( MHz). Princip je takový, že družice vysílají na několika rozdílných kmitočtech, které jsou zvoleny v pásmech s minimálním vlivem meteorologických jevů. Podle specifického kmitočtu pak přijímač jednoznačně identifikuje jednotlivé družice. Pseudonáhodný kód je pak pro všechny družice shodný (RAPANT, 2002). 25

25 LITER[RNÍ PŘEHLED ŘÍDÍCÍ SEGMENT Složky řídícího segmentu jsou rozmístěny pouze po území Ruské federace. Takto uspořádaný kontrolní a řídicí segment je jistou nevýhodou systému GLONASS, neboť každá družice je zhruba 16 hodin denně mimo dosah kontrolního a řídicího segmentu. Tím je ztíženo monitorování stavu družic a snížena je i přesnost určování efemerid. Proto jsou družice druhé generace (GLONASS-M) schopny vzájemné komunikace a tím i monitorování, což umožní zajistit kontrolu integrity systému i po dobu, kdy jsou družice mimo přímý dosah pozemního řídicího komplexu (RAPANT, 2002) UŽIVATELSKÝ SEGMENT Uživatelský segment tvoří přijímače, uživatelé a postupy měření. Počet dostupných typů přijímačů je omezený a počet výrobců se počítá řádově v jednotkách. V poslední době je řada přijímačů postavena na technologii, která umožňuje zároveň zpracovávat GLONASS i GPS signál. GNSS přijímač Přijímač GNSS je uživatelským zařízením, přijímá a zpracovává signály GNSS a na výstupu poskytuje polohu, čas a případně i rychlost pohybu. Přijímač GNSS tvoří tři základní funkční bloky (HRDINA et al., 1996): anténa, navigační přijímač, navigační počítač 26

26 LITER[RNÍ PŘEHLED Anténa Je nezbytnou souč{stí GNSS přijímače. Její parametry výrazně ovlivňují kvalitu získaných sign{lů a tím i celkový výkon přijímače. Kvalitní antény eliminují přijím{ní odražených sign{lu tzv. multipath. Mohou být jedno nebo více frekvenční. Navigační přijímač Navigační přijímač zpracovává signály přijaté anténou a vybírá z nich signály vysílané jednotlivými družicemi. Jejich zpracováním získává zdánlivé vzdálenosti k těmto družicím a data tvořící z jejich navigační zprávy. Navigační přijímač tvoří (HRDINA et al., 1996): vstupní jednotka, časov{ z{kladna, kter{ navigační přijímač řídí (krystalem řízené hodiny), jeden nebo více měřicích přijímačů (někdy též označovaných jako vstupní kanály). Navigační počítač Navigační počítač zpracovává data získaná měřícími přijímači a vyhodnocuje z nich aktuální polohu přijímače, aktuální čas GPS, případně rychlost pohybu přijímače a provádí další požadovaná zpracování, jako je transformace polohy do požadovaného souřadnicového systému, zavádění diferenčních korekcí apod. (RAPANT, 2002). 27

27 LITER[RNÍ PŘEHLED 3.4 FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ PŘESNOST GNSS GPS A GLONASS Přesnost měřené polohy může být velice proměnliv{ od desítek mm do stovek metrů, to z{visí na mnoha faktorech ŘÍZENÍ PŘÍSTUPU K SIGNÁLU Z DRUŽIC (SELECTIVE AVAILABILITY) Selektivní dostupností (Selective Availibility S/A) se nazýv{ z{měrné zav{dění proměnlivých chyb do sign{lů vysílaných družicemi systému GPS, které m{ za n{sledek zhoršení přesnosti určov{ní polohy až k horní povolené mezi pro standardní polohovou službu (tj. do 100 m horizont{lně). (JANATA, 2011) S/A bylo vypnuto v květnu roku STAV DRUŽIC Každ{ družice obou systémů je nepřetržitě kontrolov{na řídícím segmentem. I družice samotné komunikují mezi sebou, a tak se navzájem kontrolují. Při prov{dění údržby nebo manévrov{ní je družice označen{ jako neoperující a aktivně se na měření nepodílí POMĚR SIGNÁL/ŠUM (SNR) Tento poměr je mírou obsahu užitečných informací v sign{lu a jeho šumu. Pokud tento poměr kles{, znamen{ to, že se užitečné informace postupně ztr{cejí v šumu. Sign{ly z družic jsou relativně slabé, a pokud je šum okolního prostředí příliš silný, pak se měření st{vají méně přesn{. (JANATA, 2011) Prahová maska tohoto parametru je na některých přijímačích nastavitelná. Můžeme tak přijímat i sign{ly s velkým poměrem šumu, kde výhodou může být získ{ní sign{lů z většího počtu družic. 28

28 LITER[RNÍ PŘEHLED VÍCECESTNÉ ŠÍŘENÍ SIGNÁLU (MULTIPATH) Sign{ly vysílané družicemi se mohou k přijímači dostat až odrazem od různých povrchů či předmětů. Takový sign{l nese chybné informace a zhoršuje měření. Tento vliv se dá eliminovat zvoleným typem antény POČET VIDITELNÝCH DRUŽIC Každý GNSS přijímač je schopen určovat 3D polohu při min. počtu 4 viditelných družic. Měření není možné, jakmile n{m okolní prostředí nebo nedostatečný počet družic br{ní získ{ní sign{lu pr{vě ze 4 a více družic PARAMETR SNÍŽENÍ PŘESNOSTI (DOP) Kvalitu geometrického uspoř{d{ní družic je možné matematicky ohodnotit. Použív{ se k tomu z{kladní parametr nazvaný snížení přesnosti (angl. Dilution of Precision DOP), který je jednoznačným indik{torem kvality určení polohy resp. času. Je výsledkem výpočtu, který bere v úvahu relativní polohu každé družice vzhledem k ostatním. Na z{kladě jeho hodnoty je možné předpovědět přesnost poloh určených s tímto uspoř{d{ním. Nižší hodnota DOP napovíd{, že dané uspoř{d{ní umožňuje určovat polohu a čas s vyšší přesností. (RAPANT, 2002) TYP PŘIJÍMAČE Obecně platí, že čím je dražší přijímač, tím je také přesnější. Z{leží tedy, k jakému účelu přijímač použív{me. V případě geodetických měření, kde je zapotřebí velik{ přesnost, musí být přístroj vybaven kvalitnějšími přístrojovými prvky, což se většinou může odrazit i na ceně. 29

29 LITER[RNÍ PŘEHLED PLATNOST A PŘESNOST EFEMERID U GNSS GPS se efemeridy na každé družici aktualizují každé 2 hodiny, platnost těchto efemerid je 4 hod. Jde tedy o velice přesná a aktuální data obsahující informace a předpovědi o přesných drahách družic PŘESNOST HODIN NA DRUŽICÍCH Družice jsou vybaveny atomovými hodinami, cesiovými nebo později dodávanými rubidiovými. I když jsou hodiny velice přesné (zpoždění 3s za milion let), musí se neust{le synchronizovat, protože tu vznikají nesrovnalosti času družic a času na Zemi, např. vlivem zpomalování rotace Země (asi 1 s za rok) a dilatace času. I chyba několik nanosekund způsobí polohovou chybu v ř{du metrů Vliv ionosféry a troposféry Tyto chyby se označují jako ionosférická a troposférická refrakce. Vliv ionosférické refrakce lze eliminovat použitím měření na dvou frekvencích, např. L1 a L2, protože průchod signálu ionosférou je frekvenčně závislý. Také použitím diferencí při měření dvěma přijímači lze tento vliv eliminovat. Troposférickou refrakci lze velmi přesně modelovat a existují na to specializované softwary. (JANATA, 2011) 30

30 LITER[RNÍ PŘEHLED 3.5 ROZŠIŘUJÍCÍ SYSTÉMY GNSS Jedná se o systémy rozšiřující GNSS. Uživateli poskytují např. korekce polohy, které mohou výrazně zpřesnit měření. Korekce je možné získat pro oba GNSS GPS i GLONASS a to přímo při měření (v re{lném čase), nebo n{sledně po měření (postprocesně). SABAS (Satellite Based Augmentation Systems) - jedná se o systém geostacion{rních družic a pozemních monitorovacích stanic, které vyhodnocují stav kosmického segmentu GNSS a stav ionosféry. Zjištěné informace jsou posíl{ny s malým zpožděním formou korekcí k uživatelům. Globální SBAS: OMNISTAR, STARFIRE, STARFIX Regionální SBAS: WAAS (US), EGNOS (EU), MSAS (JP), GAGAN (IN), CWAAS (CA), SNAS (CN) GBAS (Ground Based Augmentation Systems) - je systém pozemních referenčních stanic. Každ{ stanice je vlastně bod o zn{mých souřadnicích, který přijím{ družicové sign{ly. Uživateli posíl{ korekce vypočtené z odchylky měřené a skutečné polohy. Uživatel může data přijímat dodatečně až po provedeném měření tzv. postprocessing, nebo přímo v re{lném čase. Odchylky jsou na každém místě jiné, a tak tu vznik{ potřeba sítě referenčních stanic. V České republice takovouto síť provozuje mimo jiné např. Český úřad zeměměřičský a katastrální pod názvem CZEPOS, kde jsou nabízeny různé služby: Služba DGPS (diferenční GPS) - korekce poskytované z jednotlivých stanic CZEPOS; Služba RTK (kinematika v re{lném čase) - korekce poskytované z jednotlivých stanic CZEPOS; tato aplikace nevyžaduje korektní stav 31

31 LITER[RNÍ PŘEHLED síťového řešení a uživatelům nahrazuje jejich vlastní z{kladnovou stanici umístěnou na bodě o zn{mých souřadnicích v ETRS-89; Služba RTK-PRS - korekce vypočtené na z{kladě síťového řešení z tzv. pseudoreferenční virtu{lní stanice umístěné cca 5 km od stanoviště uživatele směrem k nejbližší referenční stanici; Služba RTK-FKP - korekce poskytované z nejbližší referenční stanice doplněné o plošné parametry vypočtené na z{kladě síťového řešení (metodou FKP - Flächenkorrekturparameter). (JANATA, 2011) 32

32 LITER[RNÍ PŘEHLED 3.6 GPS/GLONASS PŘIJÍMAČE V dnešní době se s rozvojem technologií začínají více využívat přijímače schopné přijímat signály z několika GNSS najednou, jako např. GPS + GLONASS, nebo i GPS + GLONASS + GALILEO. Hybridní přijímač GPS + GLONASS je schopen přijímat větší počet satelitních sign{lů díky využív{ní dvou GNSS, které poskytují větší počet a lepší rozmístění družic než při využití pouze jednoho GNSS systému. Tím poskytuje lepší měření v GPS-stíněných prostředích, například v městských zástavbách. Na zvýšení polohové přesnosti prostřednictvím přijímače využívajícího signály ze dvou různých GNSS existují různé n{zory. Odborníci jsou však jednotní v tom, že větší počet použitých GNSS sign{lů zvyšuje pravděpodobnost úspěchu určení polohy a z{roveň zvyšuje dostupnost signálu, který m{ vliv na produktivitu sběru dat. Např. z HDOP výpočtů bylo zjištěno, že přid{ním druhého systému GNSS k GPS může významně zlepšit kvalitu navigace. (BOCHKOVSKII et al., 2012) NEASSET et al., 2000 tvrdí, že přesnost měření při využití systémů GPS + GLONASS byla lepší než přesnost měření získan{ pouze ze systému GPS. Kromě toho kleslo zhoršení přesnosti určení polohy (PDOP). Pokud se braly družice systému GLONASS v úvahu spolu se družicemi systému GPS, došlo ke zlepšení (viz obr. č. 3). PDOP u GPS se pohyboval od 1,60 až 3,25 m s průměrem 2,13, zatímco PDOP se u hybridního GPS + GLONASS pohyboval mezi 1,20-2,50 s průměrnou hodnotou 1,60. 33

33 LITER[RNÍ PŘEHLED Obr. 3: Střední polohová odchylka pro GPS a GPS + GLONASS. Zdroj: NEASSET et al., 2000 Aktu{lnější studie s podobnou tématikou a zaměřením na oblast lesnictví se nepodařilo najít, proto bude zajímavé porovnat výsledky studií s výsledky této práce. 3.7 PRAKTICKÉ VYUŽITÍ GNSS V LESNÍM HOSPODÁŘSTVÍ Lesy České republiky se například prostřednictvím Odboru hospod{řské úpravy lesa Oddělení geografických informačních systémů zabývají možností využití GPS v podmínk{ch LČR od roku (VALENTA, SYS, 2010) Hlavní oblasti využití technologie v praxi odborného lesního hospod{ře (OLH) jsou dle výše uvedených autorů dvě navigace a měřictví. Oblast navigace, trasov{ní, určov{ní polohy je v lesnictví využiteln{ v logistice pohybu dřevní hmoty, obchodu se dřevem a inspekční činnosti. U LČR, s.p., je důležitější druh{ oblast, kterou je měřictví a mapov{ní. Konkrétně se jedn{ o pozemkovou evidenci, lesní hospod{řské pl{ny (LHP), lesní hospod{řskou evidenci (LHE), ochranu lesa, semen{řství, ochranu přírody, spr{vu drobných vodních toků a bezpečnost pr{ce. 34

34 LITER[RNÍ PŘEHLED Větrné kalamity (v posledních letech opakovaně nebývalého rozsahu) určily pořadí provozního ověřov{ní technologie GPS u LČR. Zaměřov{ní ploch holin je pak specifické dle způsobu vzniku holiny. (HAMÁK, 2010) Na konferenci s n{zvem Praktické využití Geografického informačního systému v lesnictví a zemědělství roku 2012, kterou uspoř{dala Mendelova univerzita v Brně, zmínila zpráva státního podniku Vojenské lesy a statky, že nasazení technologie GNSS v roce 2012 přineslo významný technologický posun v tvorbě vlastních grafických vrstev a výrazně zefektivnilo pr{ci při zakreslov{ní holin a výpočtu jejich ploch. Podnik využív{ GNSS technologií na dvou úrovních: 1. Úroveň GNSS přístroje s geodetickou přesností používají spr{vci majetku například pro zjištění rozdílu mezi zákresem hranice v katastru nemovitostí a skutečností, d{le pro zjištění průběhu hranic pozemků. 2. Úroveň GNSS přístroje s lesnickou přesností použív{ lesnický person{l, a to především pro vytv{ření grafické č{sti lesní hospod{řské evidence. (JUNEK, 2013) Využití GNSS se naskýt{ i v těžbě a dopravě dříví. V dnešní době je obvyklé, že se o tyto činnosti starají soukromé firmy, které mohou být dokonce specializované např. jen na odvoz dříví, nebo jen těžbu (harvestorové technologie). V takových případech by podrobn{ navigace velice zjednodušovala a urychlovala komunikaci jednotlivých subjektů. 35

35 METODIKA PRÁCE 4 METODIKA PRÁCE 4.1 CHARAKTERISTIKA POROSTNÍCH SKUPIN VYBRANÝCH STANOVIŠŤ, POROSTNÍ A TERÉNNÍ PODMÍNKY Stanoviště č. 3 Stanoviště č. 1 Stanoviště č. 2 Obr. 4: Situační mapa zájmové lokality a zvolených stanovišť. Zdroj: Mapy.cz 36

36 METODIKA PRÁCE Sběr dat v terénu probíhal na třech různých stanovištích nach{zejících se na území ŠLP ML Křtiny v porostech s vysokým zakmeněním. Tím bylo dosaženo co možn{ nejhorších podmínek pro příjem sign{lu z družic GNSS. Terénní reliéf stanoviště č. 1 a č. 3 je mírně svažitý. Zde by měl terén ovlivňovat měření jen nepatrně. Typ reliéfu stanoviště č. 2 je údolní, čili je zde velké terénní omezení ze dvou stran. Navíc se toto stanoviště nach{zí na lesní cestě, tj. na hranici několika porostních skupin. Stanoviště č. 1 Tab. 1: Souřadnice bodu stanoviště č. 1 Bod stanoviště Y X Z , ,45 498,23 Tab. 2: Porostní charakteristika stanoviště č. 1. Zdroj: LHP Porostní skupina Katastrální území Věk Zakmenění Dřevina - zastoupení Výška (m) Tloušťka (cm) 14A7 VRANOV BK MD HB DBZ BO SM LP DG

37 METODIKA PRÁCE Stanoviště č. 2 Tab. 3: Souřadnice bodu stanoviště č. 2 Bod stanoviště Y X Z , ,71 450,57 Tab. 4: Porostní charakteristiky stanoviště č.2. Zdroj: LHP Porostní skupina Katastrální území Věk Zakmenění Dřevina - zastoupení Výška (m) Tloušťka (cm) 14A11 VRANOV A9 VRANOV A10a VRANOV 95 8 SM BK MD BK MD SM BO BK MD DBZ SM BO

38 METODIKA PRÁCE Stanoviště č. 3 Tab. 5: Souřadnice bodu stanoviště č. 3 Bod stanoviště Y X Z , ,8 455,558 Tab. 6: Porostní charakteristika stanoviště č. 3. Zdroj: LHP Porostní skupina Katastrální území Věk Zakmenění Dřevina - zastoupení Výška (m) Tloušťka (cm) 20C5a VRANOV 44 9 SM Přesné souřadnice bodů byly převzaty od z{stupců z Ústavu geoinformačních technologií LDF Mendelovy univerzity v Brně. Při zaměřov{ní těchto bodů byly dodrženy všechny zásady a metodiky měření a zpracov{ní naměřených dat pro dosažení výsledků splňujících kritéria přesnosti pro určov{ní souřadnic bodového pole dle ČSN Stabilizace značek byla provedena pomocí plastových znaků (geoharponů). (JANATA, 2011) 39

39 METODIKA PRÁCE 4.2 SPECIFIKACE POUŽITÉHO PŘÍSTROJOVÉHO VYBAVENÍ Pro účely měření byla vytvořena sestava aparatur skládající se z přijímačů, PathfinderProXH a PathfinderProXRT, anténního rozbočovače, antény Trimble Tornado a stojanu s krabicovou libelou, na který byly všechny uvedené komponenty nainstalovány. Obr. 5: Fotografie sestav aparatur použitých pro měření TRIMBLE PATHFINDER PROXH Gps přijímač PathfinderProXH je profesion{lní měřičské zařízení firmy Trimble, využívané pro GIS. Díky dvoufrekvenčnímu měření a technologii H-Star je přístroj schopen měřit za optim{lních podmínek a observaci dlouhé minim{lně 2 min. s přesností větší než 30cm. Odchylku je možno ještě zmenšit použitím určité externí antény, prodloužením doby observace a použitím postprocesních korekcí, nebo korekcemi v re{lném čase až na 1 cm. 40

40 METODIKA PRÁCE Parametry příjmače Pathfinder ProXH Rozměry 10.6 cm 4.0 cm 14.6 cm, váha 0.53 kg; 12-kan{lový dvoufrekvenční GPS/DGPS přijímač, anténa a baterie integrovány v jediné kompaktní jednotce; TSIP a NMEA komunikace, RTCM vstup diferenčních korekcí; Bluetooth technologie pro bezkabelovou komunikaci; EVEREST technologie pro eliminaci odražených sign{lů; H-Star technologie pro přesnost do 30 cm (ide{lní pro aplikaci DGPS korekcí sítě CZEPOS); Vestavěný přijímač EGNOS diferenčních korekcí; Možnost volby řídící jednotky (pro účely měření byl uplatněn přístroj Trimble Juno ST, který byl s přijímačem propojen pomocí bezdr{tové komunikace Bluetooth); Možnost volby řídícího a GIS softwaru (standardně TerraSync a Pathfinder Office) TRIMBLE PATHFINDER PROXRT Profesionální GNSS přijímač využívaný v odvětví GIS. Přístroj je vybaven technologií H-Star a podporou region{lních SBAS. Oproti Předešlému ProXH je mimo možnost příjmu sign{lu GNSS GLONASS doplněn podporou globálního SBAS, konkrétně OmniStar. 41

41 METODIKA PRÁCE Parametry Pathfinder ProXRT Rozměry 24 cm x 12 cm x 5 cm, v{ha 1.55 kg; 72-kan{lový dvoufrekvenčníl1/l2 GPS plus L1/L2 GLONASS přijímač, anténa a baterie integrovány v jediné kompaktní jednotce; H-Star technologie, podporaomnistar HP (10cm), XP (20 cm), a VBS (1 m); DGPS r{diové připojení, NTRIP nebo VRS komunikace přes mobilní telefon, integrovaný SBAS; EVEREST technologie pro eliminaci odražených sign{lů; Možnost volby řídící jednotky (pro měření byl použit přístroj Trimble Nomad, který byl propojen s přijímačem pomocí sériového portu); Možnost volby řídícího a GIS softwaru (standardně TerraSync a Pathfinder Office) ANTÉNNÍ TECHNIKA Rozbočovač GNSS signálu Jestliže chceme porovnávat dva či více přístrojů, je nezbytné, abychom je porovn{vali při co nejpodobnějších podmínk{ch. Díky anténnímu rozbočovači lze těchto podmínek velice snadno dosáhnout. Toto zařízení slouží k rozdělení sign{lu pouze z jedné externí antény, tak se k přístrojům dost{v{ kvantitativně i kvalitativně téměř shodných sign{lů. 42

42 METODIKA PRÁCE Na trhu je několik zahraničních výrobců, kteří nabízejí od dvou po vícecestné pasivní rozbočovače sign{lu, kterým jejich frekvenční rozsah a impedanční charakteristika dovoluje využití v GPS technologiích, nebo jsou to zařízení sestrojen{ přímo za tímto účelem. (JANATA, 2011) V této pr{ci bylo použito dvoucestného (sign{l z jedné antény rozdělí do dvou přijímačů), sériově vyr{běného pasivního zařízení konstruovaného přímo pro zpracování GPS, Glonas, Galileo sign{lů. Výhodou tohoto zařízení oproti jiným rozbočovačům je jeho nízk{ ztr{ta sign{lu (0,4 db na 3,01 db plynoucích z principu rozbočení) a galvanicky oddělené vstupy. (JANATA, 2011) GNSS anténa Pro dosažení vyšší přesnosti měření byly přístroje vybaveny externí anténou Trimle TORNADO. Jedná se o externí dvoufrekvenční anténu, kter{ je schopn{ přijímat signály GNSS GPS, GLONAS a podpůrných SBAS. Vynik{ pokročilou technologií pro minimalizaci příjmu odražených sign{lů. Anténa se s GNSS přijímačem, popř. rozbočovačem sign{lu, propojuje pomocí koaxi{lního kabelu opatřeného příslušnými koncovkami. 4.3 METODIKA MĚŘENÍ Porovnávání přesnosti dvou přístrojů hybridní GPS + GLONASS a běžné GPS bylo prov{děno metodou známou jako test nulové základny (zore-baseline test). Na jednu anténu byly pomocí rozbočovače sign{lu napojeny přijímače Pathfinder ProXH a Pathfinder ProXRT. Princip měření f{zový, nebo kódový byl u obou přístrojů nastaven na automatickou volbu, kdy si přístroj s{m volí, jakým způsobem bude polohu vypočít{vat. Nastavení prahových hodnot SNR, PDOP a prahového elevačního úhlu bylo shodně u obou přístrojů nakonfigurováno 43

43 METODIKA PRÁCE na produktivní sběr dat. Vlastní měření dále probíhalo autonomním způsobem, tzn. podpora rozšiřujících systémů jako např. SBAS nebyla zapnuta a nebyly zde použity ž{dné korekce v re{lném čase. Jediným rozdílem bylo, že přijímač Pathfinder ProXH zpracovával pouze signály systému GPS a přijímač Pathfinder ProXRT zpracovával signály z obou GNSS (GPS + GLONASS) z{roveň. Prahová hodnota PDOP = 20; Prahová hodnota SNR = 33; Prahov{ hodnota elevačního úhlu = 5; Kódový princip měření = GPS (C/A), GLONASS (SP); Interval záznamu 1 s PRVNÍ MĚŘENÍ Měření bylo provedeno na ŠLP ML Křtiny na třech stanovištích dne Vzhledem k tomuto datu nebyly už ž{dné listnaté stromy v porostech, ve kterých se měřené body nach{zely, olistěné. Průměrn{ teplota vzduchu se pohybovala kolem 10 C a obloha byla polojasn{, beze sr{žek Stav GNSS GPS a GLONASS Údaje o stavu obou navigačních systémů byly získ{ny z ruské federální vesmírné agentury Information-Analytical centre of positioning, navigation, and timing (IAC PNT). Souč{stí monitoringu je denní bulletin. Účelem tohoto bulletinu je posoudit z pohledu spotřebitele, skutečné možnosti využití každého satelitu pro zamýšlený účel pro každý jednotlivý den. Tabulka č. 1 prezentuje odhady některých všeobecných charakteristik provozu GLONASS a GPS pro konkrétní den, počet aktivních družic obou systémů, 44

44 METODIKA PRÁCE průměrnou směrodatnou odchylku, průměrnou polohovou chybu v rovině a výšce atd. (RUSSIAN SPACE AGENCY, 2012) Obr. 6: Stav kosmického segmentu GPS a GLONASS k Zdroj: RUSSIAN SPACE AGENCY Sestava aparatur byla umístěna na konkrétní bod o zn{mých souřadnicích a pomocí krabicové libely vycentrována do svislé polohy. Výška antény byla nastavena na 2 metry. Po umístění byly spuštěny oba dva přístroje. Z{znam měření se prov{děl až po 15 min., kdy měly oba přístroje načteny aktuální navigační zpr{vy a almanachy. Interval záznamu byl nastaven na 1s a doba observace byla 1 hod., což je 3600 surových z{znamů na jednom stanovišti (pokud přístroj přijím{ alespoň 4 družice GNSS po celou dobu měření). Uvedená metodika se opakovala na všech třech stanovištích (bodech) Zpracování dat Získaná data byla uložena do počítače pomocí programu Pathfinder Office určenému k administraci a kancel{řskému zpracov{ní naměřených dat z Trimble GNSS aparatur. Po exportu dat do formátu Shp. byla dále časově synchronizov{na za pomocí softwaru ArcMap a n{stroje join data. U všech měřených bodů byla n{sledně v aplikaci MS Excel vypočít{na střední kvadratick{ polohov{ horizontální a vertikální odchylka a to ke každému přístroji zvl{šť. Tím byla vyj{dřena přesnost 45

45 METODIKA PRÁCE určení polohy každého přístroje. Výpočet horizontální polohové odchylky byl proveden dle vzorce: p =, kde rozdíl skutečné a naměřené X souřadnice bodu, - rozdíl skutečné a naměřené Y souřadnice bodu. Tato odchylka byla vypočtena jednotlivě ke každému sekundovému z{znamu. Všechny vypočtené hodnoty byly n{sledně zprůměrov{ny pomocí druhé odmocniny ze střední kvadratické horizont{lní polohové odchylky tzv. RMS (Root Mean Square). RMSh =, kde - suma druhých mocnin horizontálních polohových odchylek, počet vypočítaných polohových odchylek. Pro výpočet střední kvadratické vertik{lní odchylky byl použit stejný vzorec: RMSv =, kde z rozdíl skutečné a naměřené výšky bodu. 46

46 METODIKA PRÁCE Další počítanou veličinou byla produktivita přístrojů po celkovou dobu měření na stanovišti 1,2,3, tedy procentu{lně zn{zorněný skutečný čas, po který přístroj skutečně měřil. Tato produktivita sběru dat byla vypočtena jako podíl času, po který přijímač skutečně měřil a prov{děl z{znamy, ku celkovému času observace. Dané výsledky byly zpracov{ny do přehledných grafů a tabulek opět v MS Excel. Výpočty byly prov{děny zvl{šť pro každé stanoviště. V první řadě byla zpracov{na data získaná přímo z řídících jednotek obou přijímačů. Tato data byla pořízena autonomním měřením a neobsahovala ž{dné diferenciální korekce. K další č{sti výpočtů byla zpracov{v{na data s aplikovanými postprocesními korekcemi. Korekce dat byla prov{děna opět pomocí programu Pathfinder Office. Pro korekci dat bylo využito virtu{lní referenční stanice sítě CZEPOS umístěné v blízkosti zájmových lokalit Další měření První měření n{m zajistilo více než naměřených polohových údajů k jednomu přijímači. Celkov{ doba observace na všech stanovištích však trvala jen okolo 3 hodin a takov{ doba observace by nebyla dostatečně obhajiteln{ pro vynesení jednoznačných z{věrů. Z toho důvodu bylo rozhodnuto, že budou provedena ještě další dvě měření, aby bylo možné výsledky prvního měření potvrdit, nebo vyvrátit. 47

47 METODIKA PRÁCE DRUHÉ MĚŘENÍ Druhé měření se prov{dělo na bodě o zn{mých souřadnicích umístěném na střeše Lesnické a dřevařské fakulty Mendelovy univerzity v Brně. Měření probíhalo dne , průměrn{ teplota byla kolem 1 C, obloha zatažen{ beze sr{žek. Oba přijímače měřili po načtení aktu{lního almanachu a navigační zpr{vy po dobu 3 hodiny 30 minut po jednosekundových záznamech. Důvodem měření mimo les bylo zjištění rozdílu naměřených dat obou přijímačů v ide{lních observačních podmínk{ch a porovn{ní přesnosti pod korunami stromů (ve zhoršených observačních podmínk{ch). Šlo tedy o zjištění, jak moc se podmínky lesních porostů projevují na velikosti polohových odchylek Stav GNSS GPS a GLONASS Obr. 7: Stav kosmického segmentu GPS a GLONASS k Zdroj: RUSSIAN SPACE AGENCY Zpracování dat Získaná data byla opět zpracov{na a časově synchronizov{na stejným způsobem, jako v případě prvního měření. N{sledně byla vypočít{na střední kvadratick{ horizontální a vertikální odchylka (RMS) a produktivita měření pro oba přijímače. 48

48 METODIKA PRÁCE TŘETÍ MĚŘENÍ Třetí měření bylo uskutečněno opět na ŠLP ML Křtiny dne Postupovalo se stejnou metodikou a byla využita stejn{ stanoviště (body) jako při prvním měření. I v tomto případě stejně jako v případě prvního měření byly listnaté stromy v porostech bez olistění. Průměrn{ teplota se pohybovala kolem 16 C, polojasno, beze sr{žek Stav GNSS GPS a GLONASS Obr. 8: Stav kosmického segmentu GPS a GLONASS k Zdroj: RUSSIAN SPACE AGENCY Zpracování dat Výstupy z třetího měření byly prov{děny stejným způsobem, jako u měření prvního pro každý přístroj a stanoviště zvl{šť s daty získanými prostřednictvím autonomního měření a daty opravenými posstprocesními korekcemi z virtuální referenční stanice sítě CZEPOS.. 49

49 VÝSLEDKY 5 VÝSLEDKY 5.1 POLOHOVÁ PŘESNOST AUTONOMNÍHO A POSTPROCESNĚ ZPRACOVANÉHO MĚŘENÍ PRVNÍ MĚŘENÍ Výsledky autonomního měření Graf 1: Horizontální RMS autonomního měření Graf 2: Vertikální RMS autonomního měření Výsledky dat upravených postprocesními korekcemi Graf 3: Horizontální RMS po korekci dat Graf 4: Vertikální RMS po korekci dat 50

50 VÝSLEDKY Z výše uvedených grafů č. 1-4 je patrno, že nejmenší polohovou odchylku, tedy chybu měření poskytl přijímač Pathfinder Pro XH, tedy přijímač přijímající jen signály amerického GNSS GPS. U postprocestě zpracovaných dat došlo obecně ke snížení celkové jak horizont{lní, tak i vertik{lní RMS a z{roveň na stanovišti č. 2 došlo k poklesu RMS u přijímače PathfinderProXRT oproti PathfinderProXH DRUHÉ MĚŘENÍ Graf 5: Horizontální a vertikální RMS dat autonomního měření a dat upravených korekcemi Měření za optim{lních observačních podmínek uk{zalo, že rozdíly polohové přesnosti u obou přístrojů se pohybují v ř{dech několika desítek centimetrů v případě autonomního určov{ní polohy. Po následné aplikaci postprocesních korekcí z dat virtu{lní referenční stanice sítě CZEPOS klesla výsledn{ RMS na ř{dově několik milimetrů, viz Graf č

51 VÝSLEDKY TŘETÍ MĚŘENÍ Výsledky autonomního měření Graf 6: Horizontální RMS autonomního měření Graf 7: Vertikální RMS autonomního měření Výsledky dat upravených postprocesními korekcemi Graf 8: Horizontální RMS po korekci dat Graf 9: Vertikální RMS po korekci dat Jak je možné z grafů č. 6 9 vyčíst přijímač Pathfinder Pro XH vykazuje opět přesněji naměřen{ data. Horší výsledky poskytl opět v jediném případě a to u korekcí upravených dat při měrení horizont{lní polohy na druhém stanovišti. 52

52 VÝSLEDKY Zaujímavé je také zjištění, že se na třetím stanovišti přesnost nameřené polohy u přístroje Pathfinder ProXRT po korekci velice zhoršila. 5.2 PRODUKTIVITA MĚŘENÍ V TERÉNU V grafu č. 10 a 11 můžete vidět produktivitu měřících přijímačů z prvního a třetího měření. Druhé měření prov{děné ze střechy budovy lesnické fakulty vykazovalo 100% produktivitu u obou přístrojů, proto zde tento graf chybí. Graf 10: Produktivita měření jednotlivých přístrojů prvního měření Graf 11: Produktivita měření jednotlivých přístrojů třetího měření Z grafů je patrné, že podmínky lesních porostů v kombinaci s nepříznivou konfigurací terénu negativně ovlivňují příjem GNSS sign{lu. U přijímače Pathfinder Pro XH docházelo v průběhu observací k výpadku měření z důvodu nedostatečného počtu viditelných družic. Oproti tomu přijímač Pathfinder ProXRT vykazoval 100% produktivitu téměř na všech stanovištích. Výše uvedené skutečnosti byly způsobeny navýšením celkového počtu viditelných družic o družice ze systému GLONASS. 53