GNSS – věda, praxe i zábava
Ing. Kateřina TAJOVSKÁ, PhD.
Geografický ústav , Přírodovědecká fak. MU Brno
katkatajovska@email.cz

Co to je GNSS
•GNSS – Globální navigační satelitní systém – souhrnný termín užívaný k obecnému označení
globálních družicových systémů •obecně je to služba, technologie umožňující pomocí signálu ze
satelitních družic určit svojí polohu, rychlost a čas s velkou přesností •Výhody: 24h denně
nezávisle na počasí, téměř kdekoliv na zemském povrchu, přesnost až subcm, není nutná přímá
viditelnost, 3D souřadnice, rychlost --->efektivnost •Nevýhody: nutná přímá viditelnost na družice
---> problémy s měřením v hustých porostech, zástavbách, nemožnost měření v podzemí, převod přímé
spojnice bodů na zemský povrch (geocentrický souřadnicový systém WGS-84)
•

Historie a současnost GNSS
•USA - 60. léta - Transit - 6 družic, přesnost 800m, nepřesné efemeridy, dostupnost 35-100 min
•70.léta - Timotion - přesné vysílání času, použití pro projekt GPS
•SSSR - Cyklon, Parus, Cikada obdoba amerických
•Nedostatky: malá přesnost, dostupnost, 2D, čas
•Dnešní systémy:
•Americký navigační družicový  systém NAVSTAR GPS
•Ruský globální navigační družicový systém GLONASS
•Čínský navigační družicový systém Beidou / Compass
•Indický regionální navigační družicový systém IRNSS
•Japonský navigační družicový systém Quasi-Zenith QZSS
•Evropský globální navigační družicový systém GALILEO
1.
•

Fig1_chart_01.jpg
Plánovaný počet družic v systémech GNSS


Složení systému GNSS
•Kosmický segment: aktivní umělé družice Země, téměř kruhové oběžné dráhy, výška cca 20180 km,
vybavena vysílačem, přijímačem, atomovými hodinami, energie ze solárních panelů, raketové motory,
geocentrický celosvětový souřadnicový systém •Řídící segment: řízení, monitorování družic -
nastavení přesných efemerid (oběžných drah), uchovávání přesného času, hlavní řídící stanice,
monitorovací stanice – korekce drah satelitů, zpětná vazba se všemi satelity
•Uživatelský segment: uživatelé + přístroje + software
•Přijímač tvoří anténa, radiofrekvenční jednotka, mikroprocesor, komunikační jednotka, paměť, zdroj
•

ControlSegment
Řídící segment (GPS)


Kosmický segment
24satellite_garmin GPS Satellite spacesegment3


Signály GPS
•nosné frekvence
•L1 (1575,42MHz 19cm vlnová délka) modulována 2 navigačními kódy P a C/A •L2 (1227,60Mhz 24cm)
modulace P kódem (šifrovaným Y kódem)
•L5 (1176,45 MHz), družice IIF (rok 2009)
•družicová navigační zpráva - obsahuje údaje o zdravotním stavu družic, pozici - efemeridy, korekce
hodin, údaje o ostatních družicích - almanach, ionosféře, společné časové základně •modernizace
počítá se zavedením dalších kódů C(civilní) a M (vojenský – nahradí P)
•

Struktura signálů
phase1tr
D ……. pseudovzdálenost
T ……. doba šíření PRN kódu
c ……. rychlost světla
PRN kód – pseudonáhodný kód (sekvence 0 a 1), unikátní pro každou družici
D = c . T
D = c*T

gps_abs
•Signály Glonass, Galileo
•Glonass – všechny družice používají stejné P a C/A kódy, ale odlišné nosné frekvence L1 a L2
•Galileo – obdoba GPS, unikátní kódové signály pro každou družici, společné fázové signály L1
(stejná frekvence GPS), E5a, E5b a E6

•Absolutní určování polohy
•1 přijímač, přijímání pouze PRN kódů (P, C/A), určení polohy přímo na místě, všechny GNSS
přístroje, přesnost 2-10M
•Relativní určování polohy
•2 a více přijímačů, jeden na známém bodě, oprava o korekce, měření v reálném čase nebo
postprocessing) •Získávání korekcí: satelit, vlastní 2.přijímač, síť referenčních stanic (CZEPOS,
TOPNET, Trimble VRS Now Czech….), korekce se získávají přes radiomodem, mobil, přímo přijímačem.

gps_abs
Absolutní a relativní určování polohy
princip1

Faktory přesnosti
•DOP - ukazatel kvality konfigurace družic (TDOP, PDOP, HDOP, VDOP, GDOP….
•počet viditelných družic
•stav družic (info v navigační zprávě)
•synchronizace hodin, chyba hodin přijímače
•vliv atmosféry - ionosférická refrakce (lze odstranit 2 fázemi) troposférická refrakce (určení
pomocí atmosférických podmínek)
•poměr signálu /šum
•Multipath - odraz od okolí, řeší se pomocí speciálních antén

http://www.path.cz/forum/own/gps/DOP.jpg
Adobe Systems http://www.path.cz/forum/own/gps/multipath.gif


Druhy GNSS přijímačů
• Geodetické (velmi přesné - cm, kombinace příjmu několika systémů, mapové a výpočetní prostředky,
mobilní mapování – integrace s GIS, prostorově určené fotografie, laserové dálkoměry
902-1-0002 Real time kinematic surveying with System 500
http://www.geotronics.cz/images/obrazky/gis/geo5/geo5t_handheld_side.jpg GR-5_01

•Navigační
•turistické, sportovní, letecké, námořní, telematika, krizové řízení ….
•přesnost řádově jednotky m, odolné, s mapovými podklady, mobilní, levné, doplňky
•
–
–
E:\Katka\Skola\GIS\data+mobilGIS\mobil GIS\summit.jpg Garmin GPSMAP 720s bez sondy Garmin nüvi
2495T Lifetime Forerunner 910 XT HR Premium GPS 16-HVS
Přijímače pro časovou synchronizaci

Další rozdělení GNSS přijímačů
•Kódové, fázové – jednofrekvenční, dvoufrekvenční, vícefrekvenční
•Jednokanálové (pouze dříve), vícekanálové
•
•

Využití GNSS ve vědě
•VUGTK (geodetická observatoř Pecný) zapojen do mezinárodních projektů (síť permanentních
referenčních stanic určujících přesnou polohu - EUREF Permanent Network):
•Experimentální výzkum dynamiky Země a jejího povrchu
–vědecké aspekty určování polohy metodou GPS
–popis podrobné struktury tíhového pole Země a matematické metody fyzikální geodézie,
–dynamika drah UDZ a studium gravitačního pole metodami družicové geodézie,
–výzkum periodických časových variací tíhového pole Země (zemských slapů),
–výzkum recentních pohybů zemského povrchu lokálního a regionálního rozsahu,
–studium rotace Země.
–více na: http://www.vugtk.cz/odd24/ind24.html , http://www.epncb.oma.be/
–
•

GNSS Meteorologie a tomografie
•Využívá přesné GNSS měření k určování obsahu  vodních par v atmosféře  - umožňuje rekonstruovat
jejich prostorové rozložení, zdroj dat pro předpověď počasí.
•v atmosféře dochází ke zpoždění signálu vlivem refrakcí a různé hustoty vodních par, na základě
určení tohoto zpoždění lze vytvořit modely atmosféry
•projekt COSMIC http://www.cosmic.ucar.edu/
• http://natura.baf.cz/natura/2003/5/20030506.html
•
•
•Využití atomových hodin na družicích pro určování přesného času a synchronizaci
•
•
•

•postupné nahrazování klasických terestrických metod
•široké uplatnění v mnoha oborech – inženýrská geodézie, katastr nemovitostí, geodetické základy,
fotogrammetrie, tematické mapování pro GIS, laserové skenování, tvorba DTM – bezpilotní letouny
•nutná přesnost na mm až cm – využití dvoj a vícefrekvenčních přijímačů, určování polohy pomocí
fázového měření
•
Měření pomocí GNSS v geodézii
S= L*N + f
L – vlnová délka
N – celý(neznámý) počet vln - ambiguit
f – fázový zbytek
(délka vln L1 a L2 přibližně 19 a 24cm)

Metody určení polohy
•Geocentrický souřadnicový systém WGS – 84, měří se prostorové vektory k jednotlivým družicím
•
el_wgs84.gif
• Potřebné min 4 družice pro určení souřadnic X,Y,Z a T (oprava chodu hodin)
•Transformace do národního rovinného souř. systému – u nás S-JTSK a výškový systém BpV  - lokální
či globální transformační klíč pro území naší republiky

Relativní určování polohy
•Statická metoda, (rychlá statická) – dlouhá observace,  nejpřesnější výsledky, speciální
geodetické práce, geodetické základy, posuny tektonických desek •plánování podle konfigurace, počtu
družic, stavu ionosféry, překážek v okolí, délky základny, mission planing -  vhodná časová okna,
nastavení elevační masky
GPSSatelliteVisibility9112001.jpg SkyPlotF.png

•Metoda Stop and go (polokinematická) – jedna referenční základna, druhá rover – pohybující se, po
počáteční inicializaci se měří nové body
•Kinematická metoda – podobná stop and go, rover se během měření nevypíná
•RTK metoda (realtimekinematik) – nejmodernější metoda, v reálném čase na pohybujícím se přijímači
získávám korekce online, určování souřadnic podrobných bodů, mapování
•http://www.youtube.com/watch?v=coyK_vJ7Tqc
•
•
dosažená přesnost:
statická (mP = 3 – 5 mm) - postproccesing
rychlá statická (mP = 5 – 10 mm + 1 ppm) postproccesing
stop and go (mP = 10 – 20 mm + 1 ppm) postproccesing
kinematická (mP = 20 – 30 mm + 3 ppm) postproccesing
RTK – real time kinematic (mP = 30 – 50 mm) online
•

terrasync.jpg
Mobilní mapování pro GIS
• Přesnost dcm až cm, sběr dat pro GIS
•Jednofrekvenční a kódové přijímače
•Mapová podpora, konverze do GIS,
 CAD formátů (shp, dgw, dgn aj.)
•Import georeferencovaných podkladů – ortofoto, vektory, knihovna symbolů
•Podpora kresby – bod, linie, plocha
•integrace foto, laserový dálkoměr, wifi
•GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou, QZSS
•
•http://www.youtube.com/watch?v=i7WQocsPVEQ
•http://www.youtube.com/watch?v=c6FRgTR39rc
GeoExplorer_Geo__52d7ae3b9744a.jpg

GNSS v praxi
•Krizové řízení (hasiči, policie, záchranná služba) – systém pasivního i aktivního sledování a
navigování, koordinace při katastrofách (GINA - http://www.ginasoftware.cz/cs/)
•Stavebnictví – navádění těžebních strojů, důlní činnosti, stavba komunikací  - terén. úpravy
(http://www.youtube.com/watch?v=4zqgT6SI5vE)
•Zemědělství – „Precision farming“, evidence hnojení, sklizně, navádění strojů
(http://www.youtube.com/watch?v=QYyvrY5pj2E)
•Státní správa – mapování zájmových vrstev pro městské informační systémy (životní prostředí,
inženýrské sítě, komunikace, dopravní značení atd.)
•Doprava – železniční, námořní, letecká, silniční, MHD – sledování, logistika, bezpečnost
•Životní prostředí – ohrožené lokality, rostliny, živočichové
•http://www.ceskatelevize.cz/ivysilani/10472202739-galileo/213452801380001
•

GNSS a zábava
•Méně přesné (kódové) cca 2-10m
•Turistické navigace
•Autonavigace
•Sportovní aplikace (sporttestery)
•Mobilní telefony
•Geocaching - http://www.geocaching.com/
•WHERIGO - http://www.wherigo.com/, http://www.wherigo.cz/
•http://vnuf.cz/sbornik/prispevky/15-04-Dvorak.html
•
•
•
•
•
•

Na co si dát pozor při užívání GNSS
•Dostupnost signálu, výběr vhodné technologie s ohledem na požadovanou přesnost
•Rušení signálu, vícecestné šíření signálu
•Různé souřadnicové systémy na přijímači x mapové podklady (WGS-84 x S-JTSK, BpV,) a jejich
konverze při zpracování •„Slepé“ digitální mapy (jednosměrky, typy komunikací, aktuálnost….)
•

Seznam literatury
1.Globální navigační systémy a jejich využití v praxi (učební texty k semináři), dostupné na:
http://www.crr.vutbr.cz/system/files/brozura_08_1009.pdf
2.Rapant, P.: Družicové polohové systémy. VŠB-TU Ostrava, 2002. 200 str. ISBN 80-248-0124-8.
3.Čábelka, M.: Úvod do GPS (skriptum), dostupné na:
https://www.natur.cuni.cz/geografie/geoinformatika-kartografie/ke-stazeni/vyuka/gps/skriptum-uvod-d
o-gps/view
4.Český kosmický portál, dostupné na: http://www.czechspaceportal.cz/3-sekce/gnss-systemy/
5.
•

Děkuji za pozornost
BD06675_ satellite-icon.png satellite-icon.png satellite-icon.png