G N S S
GNSS - Global Navigation Satellite Systems
- souhrnné pojmenováni několika již funkčních i nově
budovaných družicových navigačních systémů
- slouží zejména k určení polohy a k navigaci – určení
směru a rychlosti pohybu
- globální (celosvětové, funkční 24 hod a za jakéhokoliv
počasí, přístupné pro kohokoliv kdo má přijímač)
Stávající systémy
- již funkční: americký NAVSTAR-GPS a ruský
GLONASS
- budované: evropský Galileo, čínský Beidou/Compass,
resp. indický IRNSS a japonský QZSS.
Součásti GNSS – tzv. segmenty
- kosmický segment
- řídící segment
- uživatelský segment
- podpůrný segment
Kosmický segment
- družice GNSS obíhají Zemi v několika oběžných rovinách
skloněných vůči rovníku o 55 – 65°
- obíhají na středně vysokých drahách 19 000 – 24 000 km nad
Zemí (MEO-Medium Earth Orbit), dráhy jsou elipsy blízké
kružnicím
GPS Glonass
Galileo
Porovnání vybraných parametrů kosmických segmentů
Parametr NAVSTAR ГЛОНАСС Galileo
Počet oběžných
rovin
6 3 3
Projektovaný
počet satelitů
21+3 21+3 27+3
Poloměr drah
[km]
26560 25510 30000
Sklon rovin k
rovníku [°]
55 65 56
Doba oběhu
[hh:mm]
11:58 11:15 14:00
Aktuální počet
satelitů (4/2012)
31 24 2
• http://tycho.usno.navy.mil/gpsinfo.html
• http://www.glonass-ianc.rsa.ru/
• http://www.esa.int/esaNA/galileo.html
Základní vybavení družice
- generátor frekvence (atomové hodiny, oscilátor, frekvenční
standard) - césiové, rubídiové, vodíkový maser, až 4 na družici
- antény vysílací i přijímací,
- stabilizační setrvačníky, solární panely, baterie, raketové
motorky, odrazné hranoly aj.
http://www.beruna.cz/rs/index.php?text=51-druzice-v-systemu-gps-jak-bylo-je-a-bude
Ukázky GPS družic bloku I, II a IIa a bloku IIF
Řídící segment
Původní řídící
segment systému
NAVSTAR - GPS
Řídící segment systému GLONASS
Řídící segment systému Galileo
široka paleta typů zařízení sloužící koncovým uživatelům
- jejich přesnost a využití zavisí na počtu přijímaných frekvencí
(u GPS jednofrekvenční a dvoufrekvenční), přijímaných signálů
(kódových, fázových) a korekčních údajů z podpůrného
segmentu
- začínají se posazovat a do budoucna poroste počet zařízení
kombinujících více systémů NAVSTAR, GLONASS a Galileo
Hlavní součásti zařízení
- anténa (samostatná, vestavěná)
- přijímač (oscilátor - křemenné hodiny, demodulátor, korelátor,
fazový článek + čítač, paměť, napájení (baterie)
-zařízení pro mobilní připojení...
- speciální přijímače jsou jen pro příjem časového signálu
Uživatelský segment
Geodetické družicové aparatury (Trimble, Leica, Topcon, Javad, ..)
Navigační GPS přijímače (Garmin, …..)
systémy zvyšující v reálném čase základní přesnost GNSS:
- Družicové systémy - pomocí družic na geostacionárních
drahách – SBAS (Satellite Based Augmentation Systems)
např. EGNOS, WAAS, Omnistar, ...
- Pozemní systémy - stanice permanentně provozovaných
přijímačů či jejich sítě) např. CZEPOS, SAPOS, SKPOS,
SWEPOS, ….Poskytují výpočet několika možných typů
korekcí a distribuce těchto korekcí koncovemu uživateli
(radio, GSM, internet)
Podpůrný segment
Souřadnicový systém WGS-84
kartézský souřadnicový systém WGS-84 je definován geometrickými a
dynamickými parametry
Geometrické parametry
elipsoidu WGS-84:
a … hl. poloosa [m]
f … zploštění
Dynamické parametry:
… úhlová rychlost
rotace Země [rad s-1]
J2 … Stokesův zonální
koeficient 2. stupně
GM … geocentrická
gravitační konstanta
[m3s-2]
Ukázka číselných hodnot pravoúhlých souřadnic v [m]:
X = 3 920 890,225 Y = 1 182 869,142 Z = 4 874 664,898
Princip určení polohy
 zpracováním signálu současně z minimálně 4 satelitů je určena prostorová
poloha ve světovém geocentrickém souřadnicovém systému WGS-84
 princip určení polohy založen na měření časového intervalu šíření signálu
od satelitu po přijímací aparaturu
d =c.t kde d ... pseudovzdálenost
c ... rychlost šíření elektromag. vln
t ... tranzitní čas
Dráha družice v systému WGS-84
Metody určování polohy
Absolutní určení polohy
– při použití 1 přijímací družicové
aparatury
Přesnost určení prostorové polohy
v reálném čase 3 m až 10 m
postprocessing 0,5 m – 2 m
Relativní určení polohy
– použití min. 2 a více současně
měřících družicových aparatur
Přesnost určení prostorové polohy
v reálném čase
DGPS (kódově) 0,1 m až 1 m
RTK (fázově) 20 mm až 5 mm
postprocessing 20 mm až 3 mm
Relativní metody měření v geodetických aplikacích
statická (Static, Rapid static) – interval příjmu dat 30 sec. (10, 15 sec.), dlouhé
observační doby (více než 1hod.), přesnost 10 mm až 3mm
Stop & Go – počáteční
inicializace cca 10 min, pak
měření na bodě 3 epochy,
interval záznamu dat 2-5 sec.
přesnost 1-2 cm
Kinematická metoda
(Kinematic, Kinematic on
the fly) - okamžitá
inicializace za chodu
přesnost 2-5 cm
RTK - (Real time kinematic)
– v reálném čase přesnost
20 až 5 mm
•EPN - EUREF garantuje Evropský referenční systém (ETRS89)
•do sítě EUREF je aktivně zapojeno více jak 30 evropských zemí
• nejbližšími permanentními stanicemi jsou MOPI, WROC, LINZ, PENC, GRAZ, WTZR
Evropská síť permanentních stanic GPS - EUREF
proměnlivost troposféry
Permanentní stanice GPS TUBO
TUBO:
 2. permanentní stanice sítě EUREF v ČR
 provoz zahájen 14.6.2001
 vybudováno ve spolupráci
VÚGTK Zdiby – VUT v Brně
Analytická centra:
 GOP (Pecný - VÚGTK, ČR)
 OLG (Graz, Rakousko)
 SGO (Penc, FÖMI Maďarsko)
 SUT (Bratislava, Slovensko)
Pohyb evropské kontinentální desky s bodem TUBO
pohyb ve směru S – J
cca 20 mm / 1 rok
pohyb ve směru Z – V
cca 25 mm / 1 rok
pohyb ve výšce
osciluje +- 10 mm
http://tubo.fce.vutbr.cz
Poskytovaná data:
zdarma
 data GPS 30s/24h
 meteorologické údaje (T,
P, e%) 1min/24h
za poplatek
 primární záznam dat
1s/24h (elevace 5o)
 možno vytřídit libovolná
data
Zpřístupnění dat prostřednictvím Internetu
Evropský civilní družicový navigační systém
GALILEO
5 druhů služeb:
• Základní služba (Open Service - OS) – základní signál, poskytovaný zdarma;
• Služba "kritická" z hlediska bezpečnosti (Safety of Life service - SoL ) – je službou, která
bude primárně zlepšovat základní službu OS tím, že během několika sekund varuje uživatele
v případě, že z nějakého důvodu dojde k nedodržení garantovaných limitů systému (přesnost
apod.). Jedná se rozšířený signál zahrnující integrovanou funkci a je předurčena především
pro bezpečnostně-kritické aplikace, které vyžadují garanci signálu. Využití je předpokládáno
především v kritických dopravních aplikacích (při řízení letového provozu, automatické
systémy přistávání letadel apod.). Služba by měla být certifikována z hlediska mezinárodních
standardů Mezinárodní organizace pro civilní letectví (ICAO) a pravidel Otevřeného nebe
(Open Sky regulations);
• Komerční služba (Commercial Service - CS ) – na rozdíl od služby základní využívá ještě
další dva signály. Tyto signály jsou chráněny díky komerčnímu kódování, které bude řízeno
poskytovateli služeb a budoucím Galileo operátorem. Přístup je kontrolován na úrovni
přijímače, kde se využívá přístupového klíče;
• Veřejně regulovaná služba (Public Regulated Service - PRS ) – dva šifrované signály, s
kontrolovaným přístupem a dlouhodobou podporou, určené pro státem vybrané uživatele,
především pro bezpečnostní složky státu;
• Vyhledávací a záchranná služba (Search And Rescue service - SAR ) - služba nouzové
lokalizace v rámci celosvětové družicové záchranné služby COSPAS/SARSAT s možností
oboustranné komunikace;
EGNOS
(European Geostationary Navigation Overlay Service)
• Systém EGNOS je evropský projekt, který formou diferenciálního signálu poskytuje korekce k signálu GPS. Korekce
jsou poskytovány pro území Evropy a jsou důležité pro eliminaci chyb, jimiž jsou vysílané signály nevyhnutelně
zatíženy (konkrétní chyby jsou uvedeny níže). Zpracováním diferenciálního signálu v GNSS přijímači dochází ke
zpřesnění určení polohy.
EGNOS je aplikace systému SBAS (Satellite Based Augmentation System), který je vyvíjen společně
Evropskou kosmickou agenturou (ESA), Evropskou komisí (EC) a Evropskou organizací pro bezpečnost leteckého
provozu (EUROCONTROL).
V dubnu roku 2009 bylo převedeno veškeré vlastnictví systému EGNOS z Evropské kosmické agentury na Evropskou
komisi a oficiálně byl systém spuštěn v říjnu 2009.
EGNOS je prvním dokončeným projektem EU v oblasti satelitní navigace a je současně předchůdcem projektu
Galileo.
Služby poskytované systémem EGNOS
• základní služba (Open Service - OS) – základní signál, poskytovaný zdarma, spuštěno
1. října 2009. Volně dostupná služba pro podporu všeobecně volně rozšířených aplikací
GNSS.
• služba "kritická" z hlediska bezpečnosti (Safety of Life service - SoL) – rozšířený
signál zahrnující informaci o integritě, která během několika vteřin oznámí uživateli
snížení kvality signálu pod určitou mez. Tato služba byla certifikována 2. března 2011 a
oficiálně zpřístupněna pro využití při navigaci především v letecké dopravě. Je
certifikována z hlediska mezinárodních standardů Mezinárodní organizace pro civilní
letectví (ICAO) a pravidel Otevřeného nebe (Open Sky Regulations) a byl k ní vydán
Servis Definition Document (SDD). Tento dokument popisuje očekávaný výkon a
schopnosti systému pro podporu SoL aplikací na bázi EGNOS.
• komerční služba "EGNOS Data Access Server" (EDAS) – momentálně dostupná v
testovací verzi a plně by měla být spuštěna do poloviny roku 2012. Služba EDAS šíří
data EGNOS v reálném čase prostřednictvím internetu a rozšiřuje tak možnosti pro
šíření signálu EGNOS. EDAS by měl být součástí komplexního systému CDDS
(Commercial Data Distribution System). Návrh architektury CDDS není dosud uzavřen,
stejně tak není jasný “byznys model“ této služby.