GNSS navigační systémy

VUTBR GNSS navigační systémy xmlade00, xsodom03 1.5.2012

Obsah 1. Úvod do GNSS [10]... 4 1.1 GNSS: kam nás dovedete?... 4 1.2 Přesnost nade vše... 4 1.3 Když jeden nestačí... 5 1.4 Co dokáží dnešní přístroje?... 5 2. Princip GNSS... 6 2.2 PRINCIP DRUŽICOVÉ NAVIGACE... 6 2.2.1 Metoda úhloměrná... 6 2.2.2 Metoda dopplerovská... 7 2.2.3 Metoda dálkoměrná (kódová)... 7 2.2.4 Metoda interferometrická... 8 2.2.5 Metoda založená na měření fáze nosné frekvence... 8 2.3 STRUKTURA A FUNKCE GNSS [1]... 9 2.3.1 Řídící segment... 10 2.3.2 Kosmický segment... 10 2.3.3 Uživatelský segment... 11 2.4 GNSS umožňuje:... 11 2.5 Standarty GPS pro předávání dat [2][9]... 12 2.5.1 RTCM SC-104... 12 2.5.2 NMEA-0183... 12 2.5.3 CMR/CMR+... 13 3. Přístupy zvyšující přesnost původních systémů [2]... 13 3.1 Průměrování [2]... 13 3.2 Statická měření[6]... 13 3.3 Diferenční GPS (DGPS) [1][2]... 13 3.3.1 Pozemní rozšiřující systémy... 15 3.3.2 Satelitní rozšiřující systémy... 18 3.4 Pseudodružice [2]... 19 4. Družicové polohové systémy... 20 4.2 GPS NAVSTAR [6]... 20 4.2.1 Konstelace družic [6]... 21 4.3 GLONASS [6]... 22 4.3.1 Popis systému... 23 2

4.4 GALILEO... 24 4.4.1 V čem Galileo vyniká nad ostatní navigační systémy? [7]... 25 4.5 Beidou/ Compass... 26 5. Porovnávání desek a modulů... 26 5.2 Srovnání OEM modulů a desek... 26 5.3 Srovnání dead-reckoning navigačních modulů... 32 6. Seznam citací... 34 3

1. Úvod do GNSS [10] 1.1 GNSS: kam nás dovedete? Globální navigační satelitní systémy (GNSS), kdo by je v dnešní době neznal? Zejména americký GPS systém nás jako dobrý společník již léta doprovází při cestách automobilem nebo na výletech v přírodě. Již dávno jsme vzali jeho služby za samozřejmé a velmi často se na něho spoléháme. Použití systému GPS je však mnohem širší než jen pro zábavu nebo navigaci. Velkou část nevojenských uživatelů také tvoří odborníci z nejrůznějších profesí, kteří systém potřebují ke své práci. Nabízí se řada otázek, jak se GPS systému daří a jaká je jeho budoucnost. Lze i nadále zpřesňovat určení své polohy? Co nabízí přístroje určené k práci, jež vyžaduje vysokou polohovou přesnost? GeoBusiness se pokusil nalézt svým čtenářům odpovědi nejen na tyto otázky. Velmi mnoho uživatelů má zafixován GNSS systém v paměti jako pouze ten jeden jediný a obvykle jediným mají na mysli americký systém GPS. Ano, je pravda, že je nejrozšířenější, nejpropracovanější a také nejvyužívanější, existují však i další, které nelze přehlížet. Zejména ruský navigační systém GLONASS nebo teprve budovaný evropský systém Galileo nás v budoucích letech bude zajímat stále více. Výčet satelitních navigačních systémů není v žádném případě konečný. Svůj systém buduje i Čína (Beidou/COMPASS), Japonsko (QZSS) nebo Indie (IRNSS). 1.2 Přesnost nade vše Přesnost GNSS systémů je jeden z nejdůležitějších faktorů, který zajímá všechny uživatele. Ovšem kartografické, geodetické a GIS aplikace vyžadují přesnost mnohem vyšší než aplikace určené běžnému uživateli. S přesností systému GPS je to ale trochu problematické. Nelze ji stanovit tak jednoduše jako například určit přesnost laserového dálkoměru. Do hry totiž vstupuje velké množství proměnných, přičemž některé z nich můžeme ovlivnit zcela, některé částečně, jiné vůbec. Jedním z faktorů, které běžný uživatel ovlivnit nemůže, je počet satelitů a typ přijímaných signálů. Ovšem i provozovatel systému se samozřejmě snaží zvyšovat přesnost například tím, že vypouští nové družice, či že zavádí nové navigační signály. Jedním z příkladů může být vypuštění prvního satelitu z nového bloku pod označením IIF americkou armádou. Oproti předcházejícím satelitům bude blok IIF vysílat na nové frekvenci L5, která je plánována jako takzvaná safety of life, tedy frekvence pro civilní použití, jež bude využívaná zejména pro aplikace na záchranu lidského života a v letectví. S příchodem družic IIF se předpokládá zvýšení výkonu a zdvojnásobení přesnosti. Pro běžné civilní použití v aplikacích GIS je mnohem důležitější civilní signál označovaný jako L2C, který už lze nějakou dobu přijímat. Zatímco většina turistických přístrojů dokáže přijímat 4

pouze navigační signál L1, profesionální GIS a geodetické GPS přístroje dokáží zachytit také signál právě na frekvenci L2. Tato frekvence je určena zejména pro vojenské účely, ale s příchodem satelitů z bloku IIR-M se vysílá také její civilní část. Pokud přístroj umí přijmout frekvenci L1 a L2, lze poměrně významně zvýšit přesnost ve výsledném určení polohy. Kolem roku 2014 se začnou vypouštět nové družice v rámci amerického systému GPS, které ponesou označení IIIA. Signál z těchto družic bude mít opět navýšen výkon a bude obsahovat nový civilní signál L1C. Tím se opět systém GPS posune kousek k bezproblémové navigaci i v morfologicky náročném terénu a bude také zajištěna lepší kompatibilita se systémem Galileo a GLONASS. 1.3 Když jeden nestačí Pokud pomineme navigační systémy Japonska, Indie a Číny, které nejsou v současné době pro Evropana příliš zajímavé, zůstává nám ve hře ruský GLONASS a evropský Galileo. Druhý jmenovaný už nás potrápil více než dost. Původní termín spuštění byl již v roce 2007. Po velkých ekonomických problémech, kdy se dokonce zdálo, že celý projekt bude zastaven, máme novou naději, že by celý systém mohl být operativní kolem roku 2014. V současné době jsou vypuštěny na oběžnou dráhu dvě družice. Mladší z nich, GIOVE-B, oslavila v dubnu 2010 dvouleté výročí svého putování hvězdnou oblohou. Galileo má však velký potenciál stát se úspěšným systémem, protože již od svého počátku není budován jako vojenský, ale jako systém čistě civilní. Se systémem GLONASS to již vypadá mnohem veseleji. V současné době operují ve vesmíru více než dvě desítky satelitů a existují přístroje, které dokáží zpracovávat dohromady signál jak z amerického, tak ruského systému. Právě doplnění amerického GPS o ruský GLONASS otevírá velké možnosti využití GPS v aplikacích, ve kterých je hlavním požadavkem přesnost. Zkombinovat signály obou systému není v žádném případě jednoduchá záležitost, protože každý z nich je postaven na jiném principu a využívá jiné parametry zemského tělesa. Zatímco americký GPS používá známý systém WGS-84, ruský využívá systém PZ-90. Oba systémy, tj. GPS i GLONASS, můžeme doplnit o systém EGNOS, který vylepšuje vlastnosti GPS systému v Evropě. Provozovatelem systému je Evropská kosmická agentura a s pomocí několika desítek pozemních stanic a několika geostacionárních družic lze přesnost polohy významně zvýšit. 1.4 Co dokáží dnešní přístroje? Dnešní moderní přístroje používané pro mapování do GIS se spíše podobají výkonným polním počítačům než malé krabičce určené pro navigaci. Špičkové přístroje všech velkých výrobců dokáží přijímat signál nejen z amerického systému, ale současně také ze systému GLONASS. Většina z nich je již také připravena na evropský Galileo, přestože navigační 5

systém Galileo ještě zdaleka není v provozu. Jeho standardy a frekvence jsou ale již veřejně známy, a proto mohou být zahrnuty i do nových produktů. Již od roku 2000 Topcon nabízí svým zákazníkům přístup ke všem dostupným satelitním systémům. Tedy k systémům GPS a GLONASS. Více znamená lépe. Velmi významným pomocníkem v boji s přesností se staly diferenční korekce. Data jsou získávána z referenčních stanic na základě porovnávání jejich správné polohy s polohou určenou pomocí signálů GNSS. V České republice patří mezi nejznámější síť CZEPOS, spravovaná Českým úřadem zeměměřickým a katastrálním a síť Trimble VRS Now od stejnojmenné společnosti. Špičkové přístroje využívají diferenční korekce s pomocí metody RTK (Real Time Kinematic), kdy zpracování a příjem korekcí probíhá v reálném čase. Již dlouhou řadu let se GPS přístroje používají v civilní oblasti. Za tu dobu urazily velký kus cesty, během které došlo k významnému zlepšení v určování polohy z desítek metrů až na centimetry. Další zpřesňování celého systému bude samozřejmě probíhat i nadále ve všech oblastech. Dojde k vypuštění nových navigačních satelitů s novými navigačními signály, výrobci budou stále vymýšlet nové a citlivější čipy a zcela jistě budou vznikat nové metody pro další zpřesňování celého systému. Již dnes lze při správné kombinaci metod a postupů dosáhnout centimetrové přesnosti. S velkým úspěchem se GPS systémy používají při výstavbě silnic, zaměřování budov nebo obnově katastrálního operátu. Problémem však stále zůstává navigace v uzavřených objektech nebo pod silným vegetačním krytem. Neustále se zvyšující výkon jednotlivých frekvencí a zvyšující se citlivost přijímačů však učiní i tento problém jen dočasnou záležitostí. Nakonec však bude záležet jen na nás, jak s touto silnou technologií naložíme. 2. Princip GNSS Družicové navigační systémy patří k tzv. globálním systémům, tj. systémům, které s několika málo majáky umožňují určovat polohu kdekoli na Zemi. Hlavní předností globálních navigačních systémů je, že určují polohu v souřadném systému, který je společný pro celou zeměkouli, a tedy umožňují globálně koordinovat změnu polohy všech objektů vybavených příslušným navigačním zařízením. 2.2 PRINCIP DRUŽICOVÉ NAVIGACE Při určování polohy zpracováním signálů se používají následující metody: [3] 2.2.1 Metoda úhloměrná Z objektu, jehož polohu je třeba určit, zaměřujeme družicí a určujeme její elevační úhel. Geometrickým místem bodů s tímto úhlem je kužel s vrcholem v místě družice. Provedeme-li další měření ke stejné (v jiném čase) nebo jiné družici, určíme jiný kužel. Průsečnice kuželů 6

s povrchem Země, příp. s výškovou hladinou, v níž se objekt nachází, se protínají v bodě, v němž je objekt. Určením těchto průsečíků určíme polohu objektu. Uvedená metoda patří k prvým metodám družicové navigace. Vyžaduje zaměřovat družice směrovými anténami, je málo přesná a obtížně se realizuje. 2.2.2 Metoda dopplerovská Družice pohybující se po oběžné dráze vysílá signál mající stabilní kmitočet fv. Signál přenáší časové značky vysílané v okamžicích t i, t i+1, t i+2, a vzdálené o časový interval T = t i+1 - t i. Signál přijímaný uživatelem má v důsledku Dopplerova jevu kmitočet f p, který se liší od fv. Přijímaný signál je spolu se signálem oscilátoru s kmitočtem f o veden do směšovače. Výstupní signál směšovače má rozdílový kmitočet f o - f p. Jeho periody počítá čítač, který je spouštěn a zastavován po sobě následujícími přijatými časovými značkami. 2.2.3 Metoda dálkoměrná (kódová) Systémy určují polohu uživatele z jeho vzdáleností d i od jednotlivých navigačních družic (obr. 2). Měření vzdáleností je převedeno na měření dob τ di, které jsou potřebné k tomu, aby signály vyslané z družic dosáhly uživatelova přijímače. Známe-li souřadnice družic (x i, y i, z i ), můžeme polohu uživatele (x, y, z) určit jako řešení soustavy tří rovnic pro tři neznámé Obrázek 1 Princip dálkoměrné metody určování polohy Dálkoměrné metody lze rozdělit na aktivní a pasivní. Aktivní dálkoměrné systémy Tyto systémy pracují způsobem dotaz - odpověď. Uživatel, jehož polohu určujeme, musí být vybaven tzv. odpovídačem. Řídicí stanice systému (pozemní) vyšle dotaz, jehož součástí je identifikační značka uživatele. Dotaz šířený prostřednictvím družic uživatel rozpozná 7

a odpovídač uživatele na dotaz odpoví. Odpověď je prostřednictvím družic předána zpět řídicí stanici. Ta vyhodnotí zpoždění odpovědí předaných různými družicemi a vypočítá z nich a ze známé polohy družic polohu uživatele. Nevýhodou tohoto systému je, že je nutné, aby uživatel byl rádiově aktivní (problémy s utajením uživatele při vojenském použití) a dále, že může dojít k přetížení systému. Pasivní dálkoměrné systémy Družice vysílají signály a uživatel zjišťuje čas jejich příjmu. Z doby τ di, která uplynula mezi vysláním a příjmem signálů určuje vzdálenosti di k družicím. Z nich a z polohy družic určí uživatel svou polohu. Polohu družic zjistí buď z vysílání pozemních stanic, nebo samotných družic. Ty buď vysílají přímo svou polohu, nebo (nejčastěji) jen parametry svých drah. Z parametrů drah uživatel vypočítá souřadnice družic. 2.2.4 Metoda interferometrická Tyto systémy se někdy také nazývají jako diferenciální. Přijímač má dvě antény umístěné na společné základně a vzdálené od sebe d. Měřme první anténou zdánlivou vzdálenost D 1i k i - té družici a současně druhou anténou zdánlivou vzdálenost D 2i ke stejné družici (obr. 2). Potom lze určit úhel, který svírá základna se spojnicí střed základny družice ( ) Pomocí tří takto stanovených úhlů a polohy družic lze určit orientaci základny v prostoru. Obrázek 2 Interferometrické měření 2.2.5 Metoda založená na měření fáze nosné frekvence Přijímač měří rozdíly fází nosné vlny signálů přijímaných od jedné družice dvěma anténami umístěnými na základně dlouhé d. Jde v podstatě o metodu stejnou jako v předchozím 8

případě, avšak měříme jinou veličinu (obr. 3). Celý počet n period nosné musíme určit jinou metodou, kterou měření inicializujeme. Úhel, který svírá základna se směrem k družici je ( ( )) Měření se vyznačuje značnou přesností, protože jednak eliminuje chyby způsobené družicí a šířením signálu (obě antény měří ke stejné družici, chyby na obou anténách se uplatňují stejně a vyruší se), jednak na krátkých vlnových délkách odpovídá malé změně vzdálenosti velká změna fáze nosné, kterou lze pak přesně změřit. Obrázek 3 Interferometrické měření na nosné 2.3 STRUKTURA A FUNKCE GNSS [1] Globální navigační satelitní systém je obecný název zahrnující systémy GPS, GLONASS, GALILEO a další podobné systémy, sloužící k určování polohy bodů na Zemi. Závaznou zkratkou pro tento název je GNSS (Global Navigation Satellite System). Globální označuje, že tento systém je použitelný v každém čase a jakémkoliv místě na zeměkouli. Je nezávislý na počasí, noční či denní době, nebo zda je přijímač v klidu či pohybu. Navigační určuje zeměpisnou orientaci na Zemi a satelitní napovídá, že se jedná o systém využívající umělé družice Země. Struktura všech stávajících i připravovaných systémů pracuje na stejném principu a liší se jen v detailech. Tuto strukturu lze tedy všeobecně rozdělit do třech základních skupin: 9

2.3.1 Řídící segment Monitoruje funkce družice a získané údaje předává v navigační zprávě do paměti družic. Operační systém (OCS Operational Control System) se skládá z jedné hlavní řídící stanice, z pěti monitorovacích a tří pozemních řídících stanic. Monitorovací stanice jsou vybaveny přesnými časovými normály a přijímači P kódu a vytvářejí síť pro určování palubních efemerid a pro modelování chodu družicových hodin. Monitorovací stanice neustále přijímají signály ze všech družic systému. Tyto uchovávají a předávají do hlavní stanice MCS. Monitorovací stanice (Δ) jsou na: Hawaii (Tichý oceán), Ascension Island (jižní Atlantik), Diego Garcia (Čakogské ostrovy v Indickém oceánu), Kwajalein (Marshallovo souostroví v Tichém oceánu) a Colorado Springs v USA viz obrázek 2.2. 2.3.2 Kosmický segment Aktivní družice systému GPS jsou umístěny na šesti rovnoměrně rozložených drahách, jejichž rektascenze výstupních uzlů se liší o 60. Dráhy družic jsou kruhové s nominální výškou 20 183 km a mají sklon k rovníku 55. Oběžná doba družic je 12 hvězdných hodin, tudíž konstelace družic se opakuje pro dané stanoviště jednou za den. Vzhledem k času UTC se družice urychlují o přibližně čtyři minuty za den. Konstelace družic zajišťuje všude na Zemi v každém okamžiku pokrytí 4 a 8 družicemi s elevací nad 15. Další družice jsou na oběžných drahách v záloze, aby mohly případně nahradit poškozené nefunkční družice. Vypuštění další družice na oběžnou dráhu se předpokládá pouze v případě, že by přestaly fungovat více jak tři družice. Každá družice je vybavena přijímačem, vysílačem, atomovými hodinami, procesorovou jednotkou, zdroji elektrické energie a řadou přístrojů, které slouží pro navigaci nebo jiné vojenské účely (např. pro detekci výbuchů jaderných náloží aj.) Konstrukce družic prošla vývojem, postupně se vypouštěly družice bloků I, II, IIA, IIR, IIR-M. Posledním vývojovým typem je družice IIF s novou frekvencí L 5, připravován je typ III (po r. 2012). Družice přijímá, zpracovává a uchovává informace předávané prostřednictvím pozemních antén (GA). Sleduje stav vlastních systémů, koriguje svoji dráhu raketovými motorky a podává o těchto skutečnostech informaci do hlavního centra. Družice je vybavena záložními prvky. Stabilizaci a uchování družice na dráze se zajišťuje prostřednictvím setrvačníků. GPS družice vysílají pro uživatele složitý signál, který je tvořen řadou koherentních kmitočtů viz Tabulka 1 Složky GPS satelitního signálu. Každá družice vysílá zprávy o své poloze a přibližné poloze ostatních družic systému. Přesný čas a přesné kmitočty vysílaných frekvencí zajišťují cesiové, rubidiové nebo vodíkové oscilátory. Stabilita těchto oscilátorů je 1.10-11 až 1.10-13 za 24 hodin. 10

Tabulka 1 Složky GPS satelitního signálu 2.3.3 Uživatelský segment Pro příjem a zpracování GPS signálů byly vyvinuty speciální přijímače. V současné době existuje mnoho typů komerčních přijímačů. Podle využití se rozlišují přijímače: Navigační (vojenské i civilní) Geodetické Přijímače pro časovou synchronizaci Přijímač GPS je tvořen anténou, radiofrekvenční jednotkou, mikroprocesorem, komunikační jednotkou, pamětí a zdrojem napětí. Hlavní částí je radiofrekvenční sekce (RF). Důležitou součástí přijímače je anténa. Musí umožňovat příjem signálu ze všech směrů viditelné části oblohy. Je třeba odstínit odrazy, ke kterým může dojít během cesty signálu od družice k anténě. Odrazy většinou nastávají v blízkosti přijímače. Tento jev se označuje jako multipath a je částečně eliminován spodním krycím talířem antény. Po odstranění multipath efektu se využívá polarizace signálu. Zatímco přímý signál GPS je pravotočivě polarizovaná vlna, odražený signál je polarizován levotočivě. Moderní antény dokáží tento vliv podstatně redukovat. Některé geodetické antény jsou opatřeny soustavou prstenců (choke-ring), které zamezují příjmu odražených vln v blízkosti antény. 2.4 GNSS umožňuje: navigaci na zemském povrchu, na moři i ve vzduchu přenášení přesného času určení parametrů rotace Země (EOP) určování 3D polohy, rychlosti a přesného času na Zemi a v její blízkosti zjišťování údajů o zemské atmosféře (meteorologie) aj. GNSS technologie měření je dnes již samozřejmostí pro mnoho oborů lidské činnosti. Náklady na pořízení GPS přijímače jsou v dnešní době velice nízké. Tato technologie oproti ostatním geodetickým metodám je velice levná a rychlá a pomocí dalších systémů pro 11

zpřesnění polohy i velice přesná. Výhodou je, že není potřeba vzájemné viditelnosti bodů (terestrická a úhlová měření). 2.5 Standarty GPS pro předávání dat [2][9] GPS přijímače jsou dnes již velmi rozšířené a představují obrovský zdroj dat. Problém však může nastat při přenosu dat z přijímače jednoho výrobce do vyhodnocovacího programu, který je od druhého výrobce. Přijímače mohou mít svoje vlastní blíže nespecifikované formáty. Z tohoto důvodu byly vytvořeny standardy pro datovou komunikaci GPS zařízení. 2.5.1 RTCM SC-104 RTCM SC-104 (The Radio Technical Commission for Marine Services Special Committee 104) byl vytvořen Institutem pro navigaci USA. Protokol je určen pro přenos korekčních dat GNSS pro real-time DGPS. RTCM SC-104 definuje pro přenos dat binární formát. Základní částí je zpráva (rámec), který se skládá z různého počtu 30ti bitových slov. Dnes běžně používanou alternativou k RTCM SC-104 je protokol CMR/CMR+. Standardy RTCM se liší typem korekcí, které je možno při využití vybraného typu přenášet: RTCM v2.0 (DGPS) podporuje pouze real-time DGPS. Standard neobsahuje informace o fázových měřeních a proto jej nemůžeme použít pro RTK aplikace. Přesnost měření polohy je kolem 1 metru. RTCM v2.1 (v2.0 + RTK GPS) rozšířuje verzi 2.0 o korekce fázových měření. Umožňuje tedy práci s RTK aplikacemi. RTK aplikace jsou zde ale omezeny jen na systém GPS NAVSTAR. RTCM v2.2 (v2.1 + GLONASS) umožňuje navíc šíření korekcí systému GLONASS, ale není kompatibilní s v2.1, jelikož neobsahuje některé zprávy. RTCM v2.3 (v2.2 + definice GPS antény) k verzi 2.2 přidává informace o typu antény referenční stanice. RTCM v3 (v2.2 + RTK sítě a GNSS) jedná se o nový standart, který byl navržen s novou strukturou, jako efektivní alternativa k verzi 2.x se zájmem o RTK aplikace s využitím RTK sítí a pro GNSS. RTCM v3.1 (v3 + RTK sítě) rozšiřuje verzi 3 o možnost přenášet plošné korekce RTk sítí a signál L2C a L5 pro GPS. 2.5.2 NMEA-0183 Protokol NMEA-0183 byl vytvořen americkou národní asociací pro námořní elektroniku (angl. National Marine Electronics Association) kvůli standardizaci sériové komunikace námořních komunikačních zařízení. Data jsou posílána ve formě vět. Existují 3 základní typy vět: Věty mluvčího (Talker sentenses). Talker je identifikován kódem a předává data ve standardizované podobě. Proprietární věty (Proprietary sentenses). 12

Dotazovací věty (Query sentenses). Těmito větami posluchač (listener) posílá talkeru informace, která data od něj požaduje. Předávaná data jsou již upravená a neobsahují surová data. Při využití tohoto protokolu nelze provádět žádný druh běžně známých korekcí pomocí post-processingu! 2.5.3 CMR/CMR+ Compact Measurment Record (CMR) vyvinula firma Trimble a je to jediný původně komerční protokol, který je hojně rozšířen i ostatními výrobci GPS přístrojů. 3. Přístupy zvyšující přesnost původních systémů [2] Určení přesnosti měření je závislé na mnoha faktorech, jako je počet viditelných družic, typ přijímače, vliv atmosféry, způsob měření a vyhodnocení, přesnost hodin družice až po úmyslné chyby v signálu. K určení polohy musí přijímač přijímat signály minimálně od 4 družic. Od čím více družic signál přijímá, tím přesněji určí polohu. Ionosféra obsahuje vysoký počet ionizovaných částic, které mohou za určitých podmínek ovlivnit přesnost ve vertikálním směru až do velikosti chyby 30m. Naštěstí je vliv ionosféry závislý na kmitočtu procházejících vln. Vliv lze eliminovat měřením na různých frekvencích (L1, L2). 3.1 Průměrování [2] Zpřesňování polohy průměrováním bylo vyvinuto již před dlouhou dobou. Tato metoda zpřesňování není závislá na diferenčních korekcích, což je její velkou výhodou. Můžeme tedy měřit jediným přijímačem, ale době měření se tím značně prodlužuje. Princip měření a zpracování je docela jednoduchý, v bodě, kde chceme změřit polohu, provedeme vícehodinové měření s frekvencí vzorkování 1 sekunda. Z naměřených dat vypočteme průměr. Praktické výsledky ukázaly, že po 5 hodinách měření se již přesnost určení polohy bodu dále příliš nejlepší. 3.2 Statická měření[6] Potřebujeme-li určení bodu s vysokou přesností srovnatelnou s geodetickými metodami, využijeme statickou metodu. Princip spočívá v měření trvajícím několik minut až několik hodin. Toto měření nám zajistí přesnost v řádů centimetrů až milimetrů. Polohu zjistíme až následným vyhodnocením (postprocesingem), které zahrnuje i korekce v době měření. 3.3 Diferenční GPS (DGPS) [1][2] Výrazného zpřesnění polohy lze dosáhnout opravou pomocí referenčních stanic (angl. base station). Princip diferenční GPS je, že do předem určených bodů s přesně známou polohou umístíme referenční stanice a porovnáváme naměřenou polohu s referenční. Získané 13

korekce přeneseme například rádiovým signálem do přijímače. Přijímač vyhodnotí korekci a upřesní svoji polohu. Vyhodnocování probíhá v reálném čase tzv. RTK (angl. Real Time Kinematics). Využitelný dosah referenčních stanic se udává do 400 km. S narůstající vzdáleností klesá přesnost korekce. Přesné určení polohy závisí také na době od získání korekce. Obrázek 1 Struktura klasické referenční stanice [3] Referenční stanice [2] Referenční stanice je tvořena GPS přijímačem umístěným na přesně známé poloze, který je schopen sledovat všechny viditelné družice, pro které počítá korekce. Tyto korekce následně vysílá do svého okolí. Výpočet korekcí, ale není jednoduchý. V důsledku rozdílných poloh družic se korekce musí přizpůsobit DOP pro vzdálený přijímač. Referenční stanice jsou konstruovány pro nepřetržitý provoz při jakémkoli počasí. Chceme-li pokrýt souvislé území, je nutné rozmístit referenční stanice do strategických míst. V dnešní době vývoj referenčních stanic dospěl do mnohem komplikovanější podoby. Dnešní referenční stanice jsou koncipovány jako redundantní s externími špičkovými hodinami. Zpřesnění polohy [3] Korekce polohových souřadnic Korekce polohových souřadnic je z hlediska náročnosti výpočtu korekcí a následně jejich využití jednodušší. Polohové informace jsou zjistitelné od jakéhokoli přijímače. Tato metoda má ale dvě hlavní nevýhody. Pro korektní fungování této metody musíme zajistit, aby referenční stanice i přijímač přijímali signál od stejných družic. To není vůbec jednoduché, v důsledku nerovností terénu a zástavby. Druhým problémem je zajištění aktualizací efemerid. Přijímač může získat nové efemeridy v jiném časovém rozpětí a zároveň v jiném pořadí. V důsledku toho neposkytuje přijímač okamžitou aktualizaci polohy. Kvůli těmto nevýhodám je tato metoda využívána jen málo. 14

Korekce zdánlivých vzdáleností Korekce zdánlivých souřadnic je mnohem využívanější. Referenční stanice komunikuje se všemi družicemi a počítá všechny korekce. Přijímač přijímá pouze korekce od referenční stanice. Diferenční zpracování údajů V reálném čase (RTK) Při vyhodnocování polohy u navigací je nutnost pracovat v reálném čase. Navigace udávající polohu před deseti minutami by neměla smysl. Tato progresivní metoda určí polohu v reálném čase, díky tomu není nutné následné zpracování jako u statických metod. Vše je zapříčiněno tím, že přijímač je spojen s referenční stanicí, která mu v reálném čase posílá korekce, které ihned upravují měřené hodnoty. Následné vyhodnocení Je využíváno především pro geodetická měření, u kterých nám záleží na přesnosti. Měříme pouze statické objekty, díky tomu nepotřebujeme vyhodnocení polohy v reálném čase. 3.3.1 Pozemní rozšiřující systémy CZEPOS [4] CZEPOS je česká síť stanic pro určování polohy. Nyní obsahuje 27 permanentních stanic na území České republiky, které jsou od sebe vzdáleny přibližně 60 km. Z toho jsou 4 stanice pod správou vědeckých pracovišť a ostatních 23 stanic obhospodařuje Zeměměřický úřad. Do konce 1. Pololetí 2012 by měli být všechny stanice pod správou Zeměměřického úřadu vybaveny novým přijímačem Leica GRX 1200+ GNSS. Tento přijímač je přizpůsoben pro příjem signálů z družic GPS, GLONASS a GALILEO. Obrázek 2 Přehled instalovaných stanic CZEPOS [4] 15

Využití referenčních stanic sítě CZEPOS Určení polohy přijímače pevného či pohybujícího se v reálném čase Lokalizace objektů v terénu a jejich následné začlenění do geografických informačních systémů Přesné navigování dopravních prostředků (sledování tras autobusových či vlakových linek, kamionové přepravy, taxislužby) a složek integrovaného záchranného systému Využití v různých dalších oborech (stavebnictví, zemědělství, energetika) Velké uplatnění v katastru nemovitostí, zeměměřičství či vytyčování hranic Výzkum geodynamika a GPS metrologie CZEPOS je zároveň součástí geodetických základů Služby CZEPOS Služby, které CZEPOS poskytuje lze rozdělit dle přesnosti měření, doby vyhodnocení pozice a podle toho, zda budeme používat data z jednotlivých stanic CZEPOS nebo stanic virtuálních. Kategorie DGPS Pro využití služeb z kategorie diferenční GPS nám postačí relativně lacinější a jednodušší přijímač, který nám umožní jen kódová měření a je schopný přijímat a zpracovávat korekce DGPS v reálném čase. Přesnost této služby je do deseti centimetrů. Korekce jsou uživateli poskytovány v reálném čase z předem zvolené stanice systému CZEPOS. Kategorie RTK Abychom mohli využívat služeb RTK je potřeba dvoufrekvenčních GPS přijímačů, které jsou schopny přijímat a zpracovávat RTK korekce. K tomuto je třeba mobilní internetové připojení GPRS. Tato kategorie udává centimetrovou přesnost a můžeme jí rozdělit na tři podkategorie. RTK Korekce jsou uživateli poskytovány z předem zvolené stanice CZEPOS. RTK3-NS Korekce jsou uživateli poskytovány v reálném čase. Dle naší zaslané pozice do řídícího centra nám nejbližší stanice CZEPOS pošle korekce. RTK3-GG Korekce jsou uživateli poskytovány v reálném čase z předem zvolené stanice CZEPOS (i s korekcemi GPS a GLONASS), tato služba je otevřena pouze pro stanice umožňující příjem nejen systému GPS, ale i systému GLONASS. V síti CZEPOS jsou to zatím jen stanice: Praha a navíc externí stanice Ostrava, Pecný a Plzeň. Kategorie VRS Na rozdíl od předchozích kategorií, využívají služby kategorie VRS (virtuálních referenčních stanic) k výpočtu korekcí data z více stanic CZEPOS (tzv. síťové řešení). Výpočet je vyjádřen pro virtuální referenční stanici, kterou systém automaticky umístí do lokality v blízkosti uživatele. K používání je zapotřebí dvoufrekvenčního přijímače GPS, který je schopný přijímat 16

a zpracovávat korekce v reálném čase s mobilním internetovým připojením GPRS. Přesnost se zde pohybuje v centimetrech. RTK-PRS Korekce jsou uživateli zaslány v reálném čase. Přístroj zašle údaje o své poleze do řídícího střediska, na základě těchto údajů přijme korekce z tzv. pseudoreferenční stanice, která je umístěna cca. do 5 km od pozice přístroje. Korekční data pseudoreferenční stanice jsou generovány na základě rozmístění stanic systému CZEPOS. RTK-FKP Korekce jsou uživateli poskytnuty v reálném čase. Na základě zprávy od přístroje, která udává jeho polohu, zašle řídící středisko korekce od zvolené stanice CZEPOS. Tyto korekce jsou doplněny o plošné parametry, které systém zpracovává na základě síťového řešení všech stanic CZEPOS. VRS3-MAX - Korekce jsou uživateli poskytnuty v reálném čase. Přístroj pošle do řídícího centra zprávu o poloze, na základě které obdrží korekce virtuální referenční stanice. Výpočet probíhá v rámci výpočetní buňky, ta se skládá zpravidla ze šesti stanic (jedna stanice je zvolena jako hlavní tzv. Master a ostatní jako vedlejší tzv. Auxiliary). Přístroj přijímá korekční data z hlavní stanice a současně s nimi diference z vedlejších stanic. VRS3-iMAX - Korekce jsou uživateli poskytnuty v reálném čase. Přístroj pošle do řídícího centra zprávu o poloze, na základě které obdrží korekce virtuální referenční stanice. Výpočet probíhá v rámci výpočetní buňky, ta se skládá zpravidla ze šesti stanic (jedna stanice je zvolena jako hlavní tzv. Master a ostatní jako vedlejší tzv. Auxiliary). Tato metoda se od metody VRS3-MAX pouze v tom, že přístroj přijímá již data upravená o korekce z vedlejších stanic. VRS3 MAX-GG - Korekce jsou uživateli poskytnuty v reálném čase. Přístroj pošle do řídícího centra zprávu o poloze, na základě které obdrží korekce virtuální referenční stanice. Výpočet probíhá v rámci výpočetní buňky, ta se skládá zpravidla ze šesti stanic (jedna stanice je zvolena jako hlavní tzv. Master a ostatní jako vedlejší tzv. Auxiliary). Přístroj přijímá korekce z hlavní stanice, současně s nimy diference korekcí vedlejších stanic a navíc jsou zde korekce GPS a GLONASS. VRS3-iMAX-GG - Korekce jsou uživateli poskytnuty v reálném čase. Přístroj pošle do řídícího centra zprávu o poloze, na základě které obdrží korekce virtuální referenční stanice. Výpočet probíhá v rámci výpočetní buňky, ta se skládá zpravidla ze šesti stanic (jedna stanice je zvolena jako hlavní tzv. Master a ostatní jako vedlejší tzv. Auxiliary). Tato metoda se od metody VRS3-MAX-GG pouze v tom, že přístroj přijímá již data upravená o korekce z vedlejších stanic s korekcemi GPS a GLONASS. 17

TopNET TopNET je síť permaneních stanic provozovaná firmou Geodis Brno, spol. s r. o. Síť pokrývá celou Českou Republiku a skládá se z 32 stanic. Tyto stanice jsou rozmístěny přibližně ve vzdálenosti 55 Km od sebe a přijímají signály GPS i GLONASS. VRS Now Společnost Trimble provozuje vlastní síť permanentních stanic. Na území České republiky se rozmístěno 24 stanic, které jsou doplněny 8 stanicemi z Německa. Síť VRS Now je provozována i v dalších zemích (Velká Británie 115 stanic, Německo 170 stanic, Irsko 22 stanic, Estonsko a v některých státech USA). 3.3.2 Satelitní rozšiřující systémy EGNOS [1] [5] EGNOS (angl. European Geostationary Navigation Overlay Service) je společným projektem Evropské kosmické agentury, Evropské Komise a Evropské organizace pro bezpečnost leteckého provozu. Jeho účelem je zlepšit přesnost GPS a GLONASS pro každodenní využití. Přesnost se zlepší odfiltrováním chyb, které vzniknou průchodem signálu skrz atmosféru. Díky EGNOSu můžeme tyto systémy použít pro aplikace, u kterých potřebujeme zajistit přesnost a hlavně spolehlivost určení polohy. Pro pilotování letadla nebo například pro zjišťování správné koleje u vlaku. Chyba by se měla pohybovat v 99 % pod hranicí 1,5 m. Systém EGNOS se skládá ze 40 pozemních referenčních stanic, rozmístěných po Evropě. Stanice podávají nepřetržitě zabezpečená data do řídících center. Zde jsou data vyhodnocena a předána do vysílací stanice. Stanice posílá data satelitů s geostacionární dráhou. Jde o tři satelity. První Inmarsat III je umístěn nad Atlantickým oceánem na 15,5 západní délky. Druhý, také Inmarsat III nad Indickým oceánem je na 64 východní délky. Třetí a poslední satelit ESA Artemis, vsazený mezi první dva na 21,5 východní délky. Ze satelitů jsou data vráceny přijímači, který podle nich opraví GPS hodnoty. WAAS [6] WASS (angl. Wide Area Augmentation System) je systém na podobné bázi jako systém EGNOS. Slouží ke zpřesnění GPS. Je zaměřen především na leteckou dopravu. WASS by měl docílit i zkrácení letu přesnější navigací letadel na frekventovaných trasách, čímž by bylo možné tyto trasy vytížit ještě více než doposud. Systém se skládá z 29 referenčních stanic na území USA. Data z těchto stanic se posílají do řídících center, která je upraví a pošlou do geostaciárních družic. Tyto družice dále vysílají upravenou informaci GPS. LAAS [6] (označován též GBAS) LAAS (angl. Local Area Augementation System) pracuje také na principu referenčních stanic, ale jak už název vypovídá v daleko menším měřítku (několik kilometrů). Systém poskytuje větší přesnost a využívám je hlavně v okolí letišť pro přesnou navigaci letadel a je navržen, aby fungoval za jakéhokoli počasí. 18

MSAS Systém MSAS (angl. Multi-functional Satellite Augmentation Systém) je japonský rozšiřující systém, který podporuje diferenční GPS navržené pro náhradu systému GPS pomocí získávání a vylepšování spolehlivosti a přesnosti signálů. Typická přesnost signálu GPS je okolo 20 metrů, s MSAS a podobnými je pak snížena na 1,5 až 2 metry jak pozičně, tak výškově. Obrázek 3 Pokrytí rozšiřujících satelitních systémů [] 3.4 Pseudodružice [2] Dalším způsobem zpřesňování polohy je budování pozemních vysílačů, které se tváří jako další družice (označují se proto jako pseudodružice). Příkladem využití je například pseudodružice na letišti, která umožňuje zpřesnění výšky letadla a umožňuje mu tak automatické navádění. Nevýhodou pseudodružice je nutnost přímé viditelnosti mezi přijímačem a vysílačem. Maximální dosah je 50 km. Navíc musí být zaručena minimální vzdálenost přijímače od pseudodružice, aby nedošlo k zahlcení vstupních obvodů silným signálem. Tento problém se dá vyřešit vysíláním v krátkých časových úsecích. Pseudodružice může být řešena dvěma způsoby: jako samostatný vysílač tvářící se jako družice, který vysílá nepřetržitě nebo jako vysílač spojený s referenční stanicí. Tento koncept obvykle nevysílá trvale, ale přerušovaně. 19

4. Družicové polohové systémy 4.2 GPS NAVSTAR [6] Systém GPS NAVSTAR (angl. Global Positioning System - NAVigation Satellite Timing and Ranging) je navigační systém využívající měření času a vzdáleností vybudovaný v letech 1974 1995. První družice byla vypuštěna v roce 1978 a jako plně funkční byl systém deklarován 17. 7. 1995. Dnes má rozsáhlé civilní využití, přesto nesmíme zapomínat, že se jedná primárně o vojenský systém, který byl vyvinut a je dodnes spravován ministerstvem obrany USA. Svého času proběhla ve Spojených státech amerických diskuse o jeho budoucím spravování, a to až na úrovni kongresu USA. Hlavním zájemcem o správu systému GPS bylo sice ministerstvo dopravy USA, nicméně zatím trvá zařazení tohoto systému pod ministerstvo obrany USA a v nejbližší době ani nelze očekávat změny. I když je to americký vojenský systém, dnes má uživatele na celém světě. Je to hlavně díky tomu, že byla v roce 2000 odstraněna tzv. selektivní chyba (S/A Selective Availibility), která zhoršovala přesnost určení polohy okolo 100 metru. Důvody tohoto nevšedního zájmu jsou následující: relativně vysoká polohová přesnost, od desítek metru až po milimetry, schopnost určovat i rychlost a čas s přesností odpovídající přesnosti polohové, dostupnost signálu kdekoli na Zemi (na moři, na povrchu, ve vzduchu i v blízkém kosmickém prostoru), standardní polohová služba systému GPS je civilním uživatelům dostupná bez omezení, bez jakýchkoli poplatků a její nejběžnější využívání je možné i při použití relativně levného zařízení, je to systém pracující za každého počasí a dostupný 24 hodin denně, polohu je možné určovat v třírozměrném prostoru. Globální polohový systém byl navržen tak, aby umožnoval všem uživatelům, kteří jsou odpovídajícím způsobem vybaveni, vysoce přesné určování třírozměrné polohy a rychlosti pohybu a dále určování přesného časového signálu. 20

Obrázek 4 Navstar GPS [11] 4.2.1 Konstelace družic [6] Kosmický segment je tvořen soustavou družic, rozmístěných systematicky na oběžných drahách a vysílajících navigační signály. Plná konstelace kosmického segmentu systému GPS sestává z 24 družic (21 navigačních a 3 aktivních záložních družic). Kromě toho jsou další čtyři záložní družice připravené v pohotovosti na Zemi tak, aby bylo možné je umístit na oběžné dráze a uvést do plného provozu do 48 hodin. Oběžné dráhy mají stálou polohu vůči Zemi. Oběžná doba družic je přibližně 12 hodin (přesněji to je polovina siderického dne). Konstelace je tvořena šesti oběžnými drahami se čtyřmi družicemi na každé z nich a sklon oběžné dráhy je okolo 55 stupňů vzhledem k rovníku. Toto uspořádání garantuje, že na kterémkoli místě na Zemi jsou trvale dostupné signály z minimálně čtyř družic po celých 24 hodin. Ve většině případu je však viditelných více družic, v ideálním případě až 12. Díky kruhové oběžné dráze a relativně velké oběžné výšce je systém dlouhodobě velice stabilní a případné změny oběžných drah se dobře modelují, na rozdíl od družic umístěných na nízkých oběžných drahách. Družice systému GPS se prakticky vyskytují v nadhlavníku pouze v pásu mezi přibližně 60 stupni severní a jižní šířky. Pokud se pohybujeme dále směrem k pólům, jsou družice systému GPS stále dostupné, ale postupně se zhoršuje jejich geometrie při měření. Družice po vypuštění pracují prakticky nepřetržitě, s výjimkou krátkých přestávek vynucených potřebou provádění periodické údržby. Jedním z důvodů těchto odstávek je například údržba césiových hodin, které vyžadují periodicky (přibližně dvakrát za rok) odpumpování plynové trubice, aby byl zajištěn jejich řádný chod. Tato operace trvá průměrně 18 hodin a po tuto dobu je družice označena jako nezdravá. Systém pracuje na principu jednosměrného dálkoměru. Měřenou veličinou je doba šíření signálu z družicové antény k přijímací anténě, zjišťována pomocí kódové nebo fázové informace. Vzdálenost mezi družicí a anténou je označována jako tzv. pseudovzdálenost. 21

Tento radionavigační systém umožňuje určit polohu přijímače ve 3D souřadnicích a současně určit i jeho rychlost vztaženou k zemskému povrchu v reálném čase kdykoliv a kdekoliv na zeměkouli a v její blízkosti. Další údaj, který nám může GPS poskytnout je přesný UTC čas. Jedná se o vojenský systém, proto je odolný vůči rušení a umožňuje funkci znesnadnění přístupu neoprávněným uživatelům, kteří by chtěli tento systém zneužít. Základním způsobem měření je určování pseudovzdáleností. V tomto případě se využívá celého systému a měření se uskutečňuje v reálném čase. Existují i metody, které jsou nezávislé na celém systému, a které poskytují podstatně vyšší přesnost, než umožňuje základní způsob měření. Vyhodnocení dat a výpočet polohy se provádí až po skončení měření. Může se pracovat i v reálném čase, ale to vyžaduje další hardwarové doplňky. [1] Přesnost měření je závislá na mnoha faktorech: [1] umělé ovlivňování kvality signálu (SA, AS) chyby související s družicemi (hardware, dráhy, hodiny) chyby při šíření signálu atmosférou (vliv ionosféry, troposféry) chyby související s místem a postavením antény (multipath, centrace a odměření výšky antény). 4.3 GLONASS [6] GLONASS (rusky Globalnaja Navigacionnaja Sputnikovaja Sistema) je stejně jako GPS NAVSTAR pasivní dálkoměrný družicový radiový navigační systém umožňující určování polohy, rychlosti a času v třírozměrném prostoru, kdekoli a kdykoli na Zemi a v přilehlém kosmickém prostoru. Dříve byl provozován Sovětským svazem, dnes Ruskem, tedy spíše ruskou vládou skrze Úřad ruských vojenských vesmírných sil. Je určen pro: řízení a zvýšení bezpečnosti letecké a námořní dopravy geodézii a kartografii monitorování pozemní dopravy synchronizaci času mezi odlehlými místy ekologický monitoring pro potřeby vyhledávacích a záchranných služeb Systém GLONASS se skládá ze tří částí: [2] z konstelace družic GLONASS z pozemního řídicího komplexu z navigačního vybavení uživatelů. Systém GLONASS je zatím nedokončen. Družicový kontingent by se mel skládat z 24 družic. 22

Obrázek 5 GLONASS 4.3.1 Popis systému Charakteristickým znakem GLONASS konstelace je její identické opakování rozmístění družic kolem Země každých osm dní. Každá "orbitální" rovina obsahuje 8 družic, po jednom hvězdném dni v ní dochází k neidentickému opakování (non-identical repeat, to znamená, že jiná družice zaujme stejné místo jako předchozí) rozmístění družic. Tímto se GLONASS liší od GPS, kde dochází k identickému opakování (identical repeat) během periody rovnající se jednomu hvězdnému dni. Při nejvyšším stupni dokončení systém poskytoval standardní určení polohy a času (coarseacqusition nebo C/A) charakterizované takto: horizontální polohová přesnost mezi 57-70 metrů, vertikální přesnost do 70 metrů, přesnost vektoru rychlosti do 15 cm/s a určení času do 1 µs. Tyto údaje platily, pokud měření bylo výsledkem příjmu signálů od 4 družic najednou. O dost přesnější signál (precision nebo také P(Y)) byl k dispozici jen ruské armádě. Stejně jako u GPS se kompletní GLONASS konstelace skládá z 24 družic, z nichž 21 bude v provozu a 3 budou záložní (každá v jedné ze tří oběžných rovin). V každé rovině má být osm družic, identifikovatelné pomocí pozičního čísla (číslo určuje odpovídající rovinu oběžné dráhy a pozici v rámci této roviny: 1-8, 9-16, 17-24). Roviny oběžných drah jsou vzájemně posunuty o 120 (podél roviny rovníku), družice v jedné rovině jsou vzájemně posunuty o 45. Oběžné dráhy jsou přibližně kruhové se sklonem k rovině rovníku 64.8 a hlavní poloosou o délce 25,440 km. Družice systému GLONASS obíhají Zemi ve výšce 19 100 km (pro srovnání GPS družice ve výšce cca 20 000 km). Každá družice oběhne Zemi každých 11 hodin a 15 minut. Uragan 23

družice budou rozmístěné na oběžných drahách tak, aby minimálně 5 jich bylo kdykoli viditelné z jakéhokoli místa na Zemi. Družice Uragan vysílají dva typy signálů: o standardní přesnosti (standard precision (SP)) a vysoké přesnosti (high precision (HP)). SP signál na frekvenci L1 používá schéma FDMA (Frequency Division Multiple Access scheme), Jednoduše řečeno, každá družice vysílá na různé nosné frekvenci (Ve schématech FDMA je přidělená frekvence rozdělena do pásem a každé z nich je přiřazeno určité stanici (družici)). Takže potom platí, že L1 = 1602 MHz + 0.5625n MHz, kde n je číslo frekvenčního kanálu družice (n=0,1,2...). 4.4 GALILEO Jedná se o společný projekt EU a ESA (European Space Agency Evropská kosmická agentura), který má odstranit závislost na americkém navigačním systému GPS. Kvalitněji má pokrýt i oblasti na severu Evropy, kde je použití GPS omezené. Galileo je globální družicový navigační systém (neboli jedním z GNSS z anglického Global Navigation Satellite System), jehož výstavbu financují evropské státy přes Evropskou kosmickou agenturu resp. Evropskou unii a jehož zprovoznění v základní konfiguraci se očekává v roce 2014. Systém bude založen na stejném principu jako nynější americký systém GPS, ruský GLONASS, nebo plánovaný čínský Compas a již nyní je jasné, že se z pohledu uživatele budou vzájemně doplňovat. [8] Oba současné systémy jsou vojenské a ani jeden z provozovatelů nedává záruku, že v případě potřeby signály ze svých družic nevypne. Pokud by na jejich využívání byla založena některá z dopravních služeb, měl by takový čin nebezpečné důsledky pro jejich uživatele. [6] Proto se již počátkem devadesátých let objevily studie, poukazující na potřebu vlastního evropského civilního družicového navigačního systému. Podobně jako tomu bylo v případě nosné rakety Ariane nebo velkokapacitního dopravního letadla Airbus, přijala Evropská unie rozhodnutí vybudovat vlastní navigační systém, který bude garantovat trvalou provozuschopnost, potřebnou pro využívání v krizových situacích. [8] Kompletní systém Galileo bude obsahovat 30 družic obíhajících ve třech rovinách na kruhových drahách ve výšce cca 23,5 tisíce kilometrů. Každá z rovin dráhy bude svírat s rovinou rovníku úhel 56, což umožní využívat navigační systém bez potíží až do míst ležících na 75 zeměpisné šířky. Velký počet družic, z nichž tři budou záložní, zajistí spolehlivou funkci systému, i kdyby přestala některá z družic správně pracovat. Galileo umožní každému uživateli přijímače Galileo určit jeho aktuální polohu s přesností lepší než jeden metr. Jeho služby budou natolik spolehlivé, že na jeho základě bude možné realizovat řadu aplikací z různých oblastí jako například v letecké, vodní a silniční dopravě, zemědělství nebo stavebnictví. [8] 24

Galileo je prvním společným projektem Evropské unie reprezentované Evropskou komisí (European Comission, EC) a Evropskou kosmickou agenturou (European Space Agency, ESA). [8] Systém by měl po dokončení poskytovat celkem 5 druhů služeb: [8] Základní (Open Service - OS) "Kritickou" z hlediska bezpečnosti (Safety of Life service - SoL) Komerční (Commercial Service - CS) Veřejně regulovanou (Public Regulated Service - PRS) Vyhledávací a záchrannou (Search And Rescue service - SAR) Základní služby budou přístupné všem uživatelům bez omezení. Komerční služby budou přístupné platícím uživatelům a ostatní služby jsou určeny pouze pro autorizované uživatele, např. ozbrojené a policejní složky. [8] Celkové náklady na výstavbu kompletního systému se odhadují ve výši přes 4 miliardy Euro. [8] Obrázek 6 Navigační systém Galileo [7] 4.4.1 V čem Galileo vyniká nad ostatní navigační systémy? [7] Zaprvé bude přesnější - určí místo s přesností na jeden až dva metry, a to díky revolučním atomovým hodinám - poprvé ve vesmíru užije vodíkové hodiny, jež jsou oproti dosud užívaným rubidiovým čtyřnásobně přesnější. Zadruhé - půjde o systém aktivní, tj. družice budou schopny signály nejen vysílat, ale i přijímat - což se využije při pátracích akcích, kdy nalezený objekt dostane informaci, že pomoc je již na cestě. 25

Ovšem až bude Galileo spuštěn, nemusí už být nejdokonalejším civilním navigačním systémem, neboť i americký GPS a ruský GLONASS chystají inovace. 4.5 Beidou/ Compass Původně regionální navigační systém Čínské lidové republiky Beidou, který se stal globální a byl přejmenován na Compass. První družice byla na oběžnou dráhu vynesena v roce 2000 a již v roce 2003 Čína začala spolupracovat na projektu Galileo. Beidou by měl nyní poskytovat zdarma určení polohy se základní přesností 10 metrů. Beidou nyní pokrývá oblast danou souřadnicemi: 70 až 140 východní délky a 5 až 55 severní šířky. 5. Porovnávání desek a modulů 5.2 Srovnání OEM modulů a desek Tabulka obsahuje srovnání podle základních parametrů, jako je přesnost a rychlost určení polohy. Většina dostupných přijímačů je 12 či 20 kanálová, ale nalezneme i 72 až 220 kanálové přijímače od společnosti Trimble. Určení polohy je klíčový parametr, v tabulce jsou uvedeny přesnosti bez korekcí, tak i s korekcemi (Pro bližší specifikaci je lepší prostudovat datasheety uvedených modulů, protože různí výrobci mají různé zápisy přesností a u modulů. U modulů umožňujících určení přesnosti s více druhy korekcí je uvedena základní přesnost, a přesnost s jedním druhem korekce.). U špičkových modulů můžeme dosáhnout až řádově milimetrové přesnosti. Mnoho výrobců v datasheetech neudává vertikální přesnost, která je-li uvedena, bývá horší oproti horizontální. Rychlost aktualizace dat přijímače se obvykle pohybuje na úrovni 1Hz, u některých přijímačů můžeme využít aktualizaci až 20Hz. Některé moduly podporující RTK mohou pracovat i ve více módech, jako například Standartní RTK vůči jedné statické základně, RTK vůči pohyblivé základně (moving base) nebo RTK využívající satelitů SBAS a GLONASS. 26

Výrobce type channels Aotonomus Přesnost differential/waas/sbas Height Velocities [m/s] time to first fix (TTFF) reacquisition(znovuspojeni) [s] EverMore EB-E36 12 <15 95% 0.1 0.1 15 45 60 1, 5 Garmin hot warm cold GPS <3 95% 15xL/15xH 12 <15m 95% 0.10/s <2s 1 38 45 1Hz GPS 15L/15H 12 <15 95% 3-5 95% 0.1 <2 15 45 1 GPS 25LP 12 15 <5 0.2 15 45 1 GlobalSat EB-365 20 <2.5 <2 <0.01 0.1 <1 <15 <35 5 EB-3531 20 10 5 0.1 0.1 1 38 42 1 EB-3631CX 20 10 1-5 0.1 0.1 1 38 42 EB-5631RE 12 <2.5 0.01 0.1 <1 <35 <35 1, 5 EB-5662RE 12 <2.5 <0.01 0.1 <1 <35 <35 1, 5 EM-408 20 10 5 0.1 0.1 1 38 42 EM-408E 20 <2.5 <2 <0.01 <1 <35 <42 1, 5 EM-410 20 10 5 0.1 0.1 1 38 42 EM-411 20 10 5 0.1 0.1 1 38 42 EM-5206RE <2.5 <0.01 0.1 <1 <35 <35 1, 5 ET-212 12 10 5 0.1 0.1 8 38 45 ET-285 12 10 5 0.1 0.1 8 38 45 ET-286 12 10 5 0.1 0.1 8 38 45 ET-312 20 10 5 0.1 0.1 1 38 42 ET-314AC 20 10 1-5 0.1 0.1 1 38 42 ET-316AC 20 10 1-5 0.1 0.1 1 38 42 ET-318 20 <2.5 <2 0.1 0.1 <1 <35 <35 5 ET-332 20 10 5 0.1 0.1 1 38 42 ET-333 20 10 5 0.1 0.1 1 38 42 update rate[hz]

výrobce type channels Hemisphere Aotonomus Přesnost differential/waas/sbas Height Velocities [m/s] time to first fix (TTFF) reacquisition(znovuspojeni) [s] hot warm cold update rate[hz] Crescent Vector II 2x 12 <2.5 95% <0.6 95% 0.3 1 20 60 10, 20 Crescent <0.5 Vector 2x 12 <2.5 0,1 20 Crescent <0.5 Board 12 <2.5 <1 20 35, 45 60 20 Eclipse Board 1.2/2.5 67/95% 0.3/0.6 67/95% <1 10 30 <60 10, 20 H102 2x 12 <2.5 95% <0.6 95% <1 <20 <60 10, 20 Vector 0.5 H320 2.5 <5 <20 <40 10, 20 Laipac PG11 12 15 1-5, 10 0.1 0.1 8 38 48 PG11A 20 10 5 0.1 0.1 1 38 42 1 PG31 12 25 1-5 0.1 0.1 <3 38 45 1 <35 <5 50% PG32 20 10 95% 0.1 0.1 1 38 42 1 Leadtek LR9023 22 3 2.5 0.1 <1 1.5 34 35 10 LR9101 20 10 5 0.1 0.1 1 38 42 LR9123 20 10 5 0.1 0.1 1 35 35 1 LR9130 48 <2.5 0.01 0.1 1-2 9-15 25-35 LR9131 48 <2.5 0.01 0.1 1-2 9-15 25-35 LR9540 20 10 5 0.1 0.1 1 35 35 LR9548SX 20 10 5 0.1 0.1 1 38 42 LR9552 20 10 5 0.1 0.1 1 35 42 1 28