Diferenciální metody zpřesňování satelitní lokalizace

Autor: M. Krahulík <krahum1(at)fel.cvut.cz>, Pracoviště: České vysoké učení technické v Praze, FEL, Téma: Lokalizace polohy, Vydáno dne: 20. 01. 2006
V dnešní době, kdy se setkáváme s masivním nástupem satelitních lokalizačních systémů do civilní sféry, je stále aktuálnější otázka přesnosti jejich údajů. Pro řadu aplikací je přesnost v řádu metrů zcela postačující (např. navigace v autě), pro jiné jsou kritické jednotky centimetrů (zaměřování území, systémy pro zabránění kolizí, atd.). Cílem tohoto článku je představit některé systémy pro diferenciální zpřesňování satelitní lokalizace.

Differential methods of improving accuracy satellite localization
Abstract
Nowadays, when we see massive entering of satellite localization systems into civil sphere, a question about their accuracy is still open. For several applications, accuracy in meters is enough (i.e. navigation in car), for others critical values are centimeters (aiming territory, systems against collisions, etc.). Main purpose of this work is to show some of systems for differential improving accuracy of satellite localization.

Satelitní navigační systémy jsou souhrnně označovány zkratkou GNSS (Global Navigation Satellite Systems). V současné době zahrnují americký systém GPS (Global Positioning System) a ruský Glonass (Globalnaja Navigacionnaja Sputnikovaja Sistěma). V roce 2008 by měl být uveden do plného provozu třetí systém - evropský Galileo .

Všechny tyto systémy pracují na podobném principu. Na oběžné dráze jsou umístěny satelity, které vysílají předem známou pseudonáhodnou, periodicky se opakující posloupnost, doplněnou o informace o vlastní poloze satelitu (efemeridy).

Přijímač pracuje následujícím způsobem: Přijímač i satelit mají synchronizované hodiny. Satelit začne vysílat posloupnost a zároveň s ním GNSS přijímač začne přehrávat a porovnávat stejnou posloupnost s posloupností přijatou ze satelitu. Protože se signál ze satelitu šíří určitou dobu, bude při porovnávání vykazovat zpoždění o určitý počet bitů. To je pak možné převést na vzdálenost od satelitu.

navigace_obr1

Obr. 1 Posun signálů.

Tímto způsobem získá přijímač kulovou plochu pozic ve vesmíru, na kterých se může nacházet. Průnikem s množinou získanou výpočtem od druhého satelitu se možné pozice redukují na body kružnice a po zjištění vzdálenosti od třetího satelitu na dva body, z nichž zpravidla pouze jeden leží smysluplně na povrchu Země.

navigace_obr2

Obr. 2 Průnik kulových ploch.

Tento postup předpokládá, že všechny satelity i přijímač mají s vysokou přesností synchronizované hodiny. Aby tento stav bylo možné zajistit, nesou satelity na palubě atomové hodiny a GNSS přijímač se s nimi průběžně synchronizuje pomocí příjmu signálu od čtvrtého satelitu.

Diferenciální GNSS

Můžeme narazit na několik důvodů, proč přijímaný signál je nepřesný: Drobné odchylky v čase mezi satelity, drobné nepřesnosti ve vysílané poloze satelitu a zejména různé atmosférické poruchy a nižší rychlost šíření signálu v troposféře a ionosféře. Toto zpomalení je tím citelnější, čím níže se satelit nachází nad obzorem, protože tím delší vzdálenost musí signál urazit atmosférou.

Abychom tyto vlivy redukovali, můžeme v pevně zaměřených bodech zjišťovat, nakolik se údaje získané pomocí satelitního měření liší od správné pozice a tyto informace poskytovat GNSS přijímači. Tento postup se označuje jako diferenciální GNSS.

Korekční data mohou být poskytována ve formě korekčního vektoru nebo kinematiky reálného času (RTK - Real Time Kinematic). Tato data musí být aktualizována v několika sekundových intervalech, aby včasně reagovala na změny atmosféry.

RTK referenční stanice zasílá v reálném čase přijímači údaje o odchylkách ve fázi nosného GNSS signálu. To v případě GPS umožňuje lokalizační jednotce dosáhnout přesnost až 1 cm v horizontálním směru, nesmí se však vyskytovat více než 20- 30 km od referenční stanice.

Diferenciální data mohou být přijímači poskytována přes satelit, častěji však jsou šířena pozemním vysíláním – rádiovými přenosy nebo pomocí mobilních sítí jako je GSM, GPRS, EDGE nebo UMTS.

Protokol Ntrip

Pro šíření za pomoci mobilních sítí lze s výhodou využít HTTP protokol, který umožňuje snadnou implementaci (využívá TCP/IP), dobrou průchodnost firewally a proxy servery a podporuje masivní přístup velkého počtu uživatelů. Ačkoliv tento protokol nebyl původně navržen pro streamování dat, při vhodném nastavení serveru toto nečiní problém.

Na tomto řešení je postaven například protokol Ntrip (Network Transport of RTCM via Internet Protokol). Předností tohoto protokolu je, že je nezávislý na typu používaného zařízení i na formátu přenášených korekčních dat.

Celý systém se skládá ze tří komponent:

navigace_obr3

Obr. 3 Struktura systému popsaného protokolem Ntrip.

V tomto pojetí představuje caster serverovou část a servery a klienty klientské aplikace. Při připojování se klienta ke casteru je klientovy předána informace o dalších známých casterech a sítích a dále přehled datových proudů poskytovaných tímto casterem spolu s jejich bližším popisem – jméno, umístění, podporovaný formát korekčních dat, GNSS síť (GPS, GLONASS, GPS+EGNOS), typ autentifikace, zpoplatnění, atd.

Nejběžnějšími formáty korekčních dat jsou formáty definované standardizační organizací The Radio Technical Commision for Maritime Services (RTCM), dalšími formáty jsou různé výměnné formáty a proprietární formáty výrobců.

Systémy SBAS

Systémy pro šíření korekčních dat pomocí satelitů se souhrnně nazývají SBAS (Satellite Based Augmentation System). Tyto systémy umožňují pokrytí rozsáhlých oblastí, čímž jsou významné zejména pro lodí a leteckou dopravu.

WAAS (Wide Area Augmentation System) je americký systém pro přenos GPS korekčních dat a v případě potřeby varování o chybném provozu satelitů. Pokrývá 95 % Spojených států amerických, do plného provozu byl uveden v roce 2003 a sestává se ze dvou satelitů a sítě 25 pozemních stanic vytvářejících korekční data. GPS přijímače implementující tento systém mohou určovat polohu zhruba pětkrát přesněji než standardní přijímače (v 95 % se přesnost pohybuje kolem jednoho až dvou metrů horizontálně a dva až tři metry vertikálně). V praxi se zejména využívá jako doplněk k ILS systému zajišťujícímu přiblížení letadel na přistání.

MSAS (Multi-Functional Transport Satelite) je japonský systém geostacionárních družic pokrývající východní Asii a Austrálii. Jeho cílem je podpora letového řízení a sledování počasí. Do částečného provozu byl uveden v červnu 2005, letová část prozatím není aktivní.

Posledním systémem je v Evropě vyvíjený systém Egnos (European Geostationary Navigation Overlay System). Ten je postaven na obdobném principu jako americký WAAS, sestávat se bude ze tří družic a sítě pozemních stanic. Uvedení do plného provozu bylo odloženo na první čtvrtletí příštího roku, plánovaná minimální přesnost je 7 metrů , v praxi by se měla pohybovat kolem metru v horizontálním směru.

Tento příspěvek vznikl za podpory výzkumného záměru Výzkum perspektivních informačních a komunikačních technologií č. MSM6840770014.

Literatura

[1] Specikace protokolu Ntrip: RTCM Paper 200-2004/SC104-STD
[2] http://www.astronautix.com/craft/galavsat.htm
[3] RTK: http://en.wikipedia.org/wiki/Real_Time_Kinematic
[4] Wikipedie - přehled satelitních systémů: http://en.wikipedia.org/wiki/Satellite_navigation_system
[5] Wikipedie - MSAS: http://en.wikipedia.org/wiki/Multi-Functional_Transport_Satellite
[6] Wikipedie - WAAS: http://en.wikipedia.org/wiki/Wide_Area_Augmentation_System
[7] Wikipedie - Egnos: http://en.wikipedia.org/wiki/EGNOS