A műholdas helymeghatározás infrastruktúrája

Átírás

1 Népszerűen a műholdas helymeghatározásról és navigációról 2. rész Az idő mérése, karóránk leolvasása, ma mindannyiunk számára természetes tevékenység. De vajon ugyanilyen természetes és szükséges lesz-e a jövőben a hely mérése is? A műholdas helymeghatározásról szóló sorozatunk második részében az ún. GNSS infrastruktúrát ismerhetjük meg. A műholdas helymeghatározás infrastruktúrája Miért van szükség GNSS infrastruktúrára? A GPS/GNSS felhasználók egy része gyakran szembesül annak a helyzetmeghatározási pontosságnak a korlátaival, amely egyetlen vevővel, legalább 4-6 műholdra végzett kódtávolság alapján vízszintes értelemben elérhető. Ez a pontosság ma 10 méteresre becsülhető. Az amerikai rendszerfenntartó hivatalosan csak 22 méteres pontosságot garantál. Tudjuk, hogy a korlátozott hozzáférés idején 1990 és 2000 között, amikor lényegében ugyanezt a műholdas rendszert használtuk ez a pontossági határ 100 méter körül volt. A műholdas helymeghatározásról szóló sorozatunk első részében utaltunk azokra a hibaforrásokra, amelyek az egy vevővel elérhető pontosságot csökkentik. Ezek elsősorban a műholdak pályahibáiból, órahibáiból, a légkör (ionoszféra és troposzféra) hatásaiból adódnak, amely hatások az idő függvényében erősen változnak, így előre nem ismerhetők. A megoldást a relatív helymeghatározás jelenti, vagyis amikor az azonos időben, szinkronban működő két GPS-vevő mérési adatait együttesen dolgozzák fel. Ezt a megoldást kiterjedten alkalmazzák például a cm-es pontossági igénnyel fellépő geodéták, akik már az 1990-es évek eleje óta két GPS vevőt használnak egyidejűleg. Hozzá kell tegyük, hogy nemcsak kódméréseket, hanem fázisméréseket is feldolgoznak ilyenkor. Ha mindenki maga telepítene egy ismert ponton működő úgynevezett referenciavevőt (másnéven bázisvevőt), az társadalmi méretekben ésszerűtlen lenne. Különösen a kisebb, méteres pontossági igénynél lenne ez merőben gazdaságtalan megoldás. Célszerűbb ilyen célra egy szolgáltatást működtetni, melyet egyszerre nagyon sok felhasználó vehet igénybe. Voltaképpen ezt jelenti a manapság divatos GNSS infrastruktúra kifejezés. A műholdas helymeghatározás infrastruktúráján az ismert pontokon, folyamatosan üzemelő GNSS vevők hálózatát értjük, amelyek a mérési adataikat illetve a mérések korrekcióit valamilyen kommunikációs csatornán a felhasználók számára továbbítják. Az ismert pontokon folyamatosan üzemelő vevőket permanens állomásoknak is nevezik. A permanens állomások által továbbított adatok típusa sokat módosult az utóbbi évtizedben. A real-time adatok továbbítási formátumát külön szabványban szabályozták, amelynek jelzete RTCM (Radio Technical Commission for Maritime Services). (Az RTCM eredetileg az amerikai parti őrség rádiónavigációs szolgáltatásait szabályozó bizottság nevének rövidítése). Kezdetben csak olyan korrekciók továbbítására volt lehetőség, amelyek a koordinátákból ismert műhold-vevő távolság és a mért kódtávolság különbségeit tartalmazták. Ezeket nevezzük DGPS korrekcióknak, a kódmérésen alapuló, valós idejű relatív módszert pedig DGPS (differenciális GPS) módszernek. Később a Glonassz holdakra vonatkozó korrekciók sugárzását is lehetővé tették. Manapság nemcsak kódtávolságokra, hanem fázistávolságokra vonatkozó adatokat is továbbítanak. A fázisméréses adatokat valós időben alkalmazók az ún. RTK-felhasználók (RTK: Real-Time Kinematic). 1

2 1. ábra. Az abszolút helymeghatározás és a DGPS módszer. A permanens állomásokról származó adatok továbbításának kommunikációs csatornái is sokat változtak. Kezdetben külön DGPS rádióállomásokat állítottak fel, amelyek rádióvételéhez külön DGPS készülékre volt szükség. A tengerparttal rendelkező országokban a régebb óta működő rádiónavigációs adótornyokat (radiobacon) is felhasználják RTCM korrekciók sugárzására. Kipróbált lehetőség a kereskedelmi rádióadók oldalsávjának RDS szolgáltatása, aminek vételéhez külön modemre van szükség. (Magyarországon egy időben a Sláger rádión volt ilyen RTCM szolgáltatás). Végül két olyan kommunikációs csatornát említhetünk, amelynek tömeges alkalmazása várható a jövőben. Az egyik az internet, amelyhez külön protokollt hoztak létre az elmúlt években, az Ntrip formátumot. Mivel ehhez földi telepítésű rádió-állomásokat használnak fel, földi alapú GNSS kiegészítő rendszernek is nevezzük. A másik a műholdas adattovábbítás, amelyhez a Földhöz képest mozdulatlan, ún. geoszinkron távközlési műholdakat használnak fel. Ez esetben műholdas alapú kiegészítő rendszerről beszélünk. Az előzőekben említett GNSS infrastruktúra nemcsak a pontosságot javítja, hanem további kedvező hatása illetve szolgáltatása is lehet. Konkrét példaként hozható fel a repülőgépek fel- és leszállását irányító navigációs rendszer. Itt szó szerint létfontosságú, hogy a rendszer hibátlanul működjön, erről a biztonságos működésről a pilótának visszajelzésre van szüksége. Azt az információt, amely a navigációs rendszer helyes vagy helytelen működését igazolja nevezik integritásnak. A GNSS infrastruktúra ilyen kiegészítő információk továbbítását is lehetővé teszi, ezzel a navigáció biztonságát, a szolgáltatás integritását is biztosítja. Milyen világméretű szolgáltatást vehetünk igénybe? Az 1990-es években a DGPS szolgáltatások többnyire egyetlen bázisállomásra épültek, a felhasználó csak egyetlen ismert pont adatát használta fel. Ez esetben azonban a referenciapont és a felhasználó közötti távolság növekedésével a pontosság romlik, általánosságban 100 kilométerenként 1 métert. Ezért a bázisállomások nagy területre kontinensekre vagy az egész földkerekségre kiterjedő hálózatát használják fel a kód-korrekciók számításához. Ez a WADGPS koncepció (WADGPS: Wide Area Differential GPS). Ebben a koncepcióban felhasználják a permanens állomások együttes működéséből adódó előnyöket, a különböző hibaforrásokat valós időben modellezik. Feltétlenül szükség van egy feldolgozó központra (vagy főállomásra), amely a számításokat és az adattovábbítást végzi. A központi adatfeldolgozásra több módszert dolgoztak ki. A komplex feldolgozás modellje szerint főállomás kiszámítja a javítások értékét egy, a szolgáltatás teljes területére kifeszített, ismert helyzetű és elhelyezésű négyzetrács sarokpontjaiban. A felhasználó szoftvere a hozzá legközelebb eső sarokpontok javításaiból számítja a konkrét helyzetre vonatkozó aktuális korrekciókat, amelyekkel a mért 2

3 távolságokat megjavítja, így a számított pozíció pontosabb lesz, mint a korrekciók nélküli feldolgozás esetén. Az elmúlt években több ilyen műhold alapú (vagyis geoszinkron holdak adattovábbítására épülő), nagy területre kiterjedő WADGPS rendszer kezdte meg működését. Az amerikai földrészt szolgálja ki a a WAAS (WAAS: Wide Area Augmentation System), a Japán szigeteken használatos a az MSAS, Európában pedig az EGNOS (erről a következő fejezet szól bővebben). A következőkben egy magáncég, az OmniStar WADGPS szolgáltatásainak lényegét foglaljuk össze. Tesszük ezt azért, mert valóban világméretű szolgáltatásról van szó, több alkalmazás (például a precíziós mezőgazdaságban) erre épül, és Magyarországon is vannak felhasználói. 1. ábra. Az OmniStar földi követőállomásai és a geoszinkron holdak sugárzási területei. Az OmniStar rendszerben az egész Földön nagyjából egyenletesen elhelyezkedő több mint száz referenciaállomás mérései alapján határozzák meg a korrekciókat. Ezek közül 90 állomás GPS holdak adatait monitorozza, 12 állomás pedig Glonassz típusú holdakét. Egyidejűleg két feldolgozó központban számítják a korrekciós modelleket: Amerikában (Houstonban) és Ausztráliában (Perth-ben). A korrekciós adatokat hat betöltő (injektáló) állomásra küldik s onnan hat, az Egyenlítő felett elhelyezkedő geoszinkron műholdra juttatják fel. Egyegy geoszinkron kommunikációs műholdnak meghatározott sugárzási területe van, az itt tartózkodó regisztrált felhasználók vehetik a korrekciós jeleket. A korrekciók vételéhez különleges vevőre van szükség. Az OmniStar rendszerben jellemzően 1 méteres pontosság érhető el vízszintes értelemben, magasságban ennek kétszerese. A rendszer használata díjköteles, a díjfizetés mértéke a kívánt pontossági igénytől is függ, létezik például szubméteres pontossági kategóriájú előfizetés is. Az OmniStar technológia egyik hátránya éppen a drágaság, ami a magyar átlagfelhasználóknak különösen érzékeny pont. Másik hátrány magyar szempontból, hogy a geostacionárius holdak hazánk területéről kis magassági szög alatt észlelhetők, emiatt a korrekciók beépített illetve takart környezetben gyakran nem vehetők. Kétségtelen előny viszont, hogy a szolgáltatás világméretekben működik. 3

4 Mi az EGNOS? Az EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) műholdas korrekciós adatok szórását biztosító európai navigációs kiegészítő GNSS szolgáltatás. Bevezetését az Európai Unió és az Európai Űrhajózási Ügynökség (ESA: European Space Agency) és az európai légiirányítási szervezet (Eurocontrol) kezdeményezte. A kiépítés 300 millió euróba került. Lényegét tekintve ez is az előbb tárgyalt OminStar-hoz hasonló szolgáltatás az európai földrészre, de két lényeges előnnyel rendelkezik. Az egyik előny az ingyenesség, a másik pedig az, hogy nincs szükség külön modemre vagy szerkezetre a korrekciós adatok vételéhez. A korrekciók sugárzása ugyanis GPS-frekvencián történik. A vevőnek viszont felkészítettnek kell lennie a korrekciós adatok fogadására, de ez a mai navigációs vevőkben beépített lehetőség. Az ilyen WAAS/EGNOS kompatibilis vevőkben beállítás kérdése, hogy kívánunk-e a mért távolságok javításával élni. Az EGNOS rendszernek az európai földrészen 34 bázisállomása van, amelyek a GPS és a Glonassz rendszerek jeleit veszik és e műholdas rendszerek helyes működését figyelik. Négy főállomás végzi az adatok feldolgozását, a korrekciós modellek számítását, a korrekciós adatokat öt állomásról tudják feljuttatni a geostacionárius műholdakra. Három, az Egyenlítő 2. ábra. Az EGNOS korrekciókat sugárzó geoszinkron holdak elhelyezkedése. felett elhelyezkedő adatszóró műhold része a rendszernek: egy Artemis típusú ESA kommunikációs hold és két Inmarsat hold. A műholdas adatszórásnak ugyanaz a hátránya van, mint az OmniStar esetében: Magyarországról alacsony magassági szög alatt vehetők a korrekciós jelek. Az EGNOS rendszer teljeskörűen 2005-ben kezdte el működését. A becsült pontosság 5 méteren belül van vízszintes értelemben. A későbbiekben az EGNOS része lesz az európai műholdas navigációs rendszernek, a Galileo-nak. 4

5 Mire szolgál a hazai GNSS aktív hálózat? Többször hivatkoztunk arra, hogy a műholdas helymeghatározásban a pontosság növelésének legelterjedtebb lehetőségét a relatív módszer biztosítja. Ehhez a WGS84 vonatkoztatási rendszerben ismert, a terepen fellelhető alappontokra van szükség. Ezeknek a pontoknak az összessége jelenti az ún. passzív GPS hálózatot. Aktív GPS hálózatról akkor beszélünk, ha az ismert pontokon állandóan üzemelő GPS vevők működnek. Ilyen, a permanens állomások alkotta GPS hálózatokat világméretekben, földrésznyi méretben és nemzeti szinten is létrehoztak az 1990-es évek közepétől kezdve. Számunkra most csak a magyarországi aktív hálózat illetve annak szolgáltatásai az érdekesek. A penci (Pest megye) Kozmikus Geodéziai Obszervatóriumban (KGO) amely az 1970-es évek végétől a hazai műholdgeodéziai kutatások központja 1996-ban létesítették az első hazai permanens állomást, 1997-ben vonták be az európai hálózatba ben a BME-n jött létre hasonló állomás. Úgy tervezték, hogy Magyarország területét 12 állomással fedik le úgy, hogy a köztük lévő távolság ne haladja meg a 100 km-t. Ez a hálózat 2006 tavaszára két állomás kivételével kiépült, rövidítése és internetes címe: gpsnet.hu. 3. ábra. A magyar aktív GPS hálózat működő és tervezett állomásai áprilisában. Időközben német kezdeményezésre a közép-kelet-európai országok egy sűrűbb, egymással együttműködő hálózat kiépítését határozták el, ennek rövidítése EUPOS (EUPOS: European Position Determination System) nyarán Budapest környékén kiépült egy ilyen kísérleti hálózat. Mivel magáncégek illetve intézmények állomásai is csatlakoztak a hálózathoz, 2006 tavaszán már 17 állomás működik az országos aktív GPS hálózatban. Milyen szolgáltatásai vannak a hazai aktív hálózatnak? Egyrészt utófeldolgozás céljára bármely permanens állomás nyers mérési adatai a központi szerverről letölthetők, így a felhasználó ha az ő vevője is nyers mérések tárolására képes relatív módban feldolgozhatja adatait. Másrészt két típusú valós idejű szolgáltatás is létezik; a real-time adatokat a permanens állomások másodpercenként küldik a penci központnak, ahol azok elérhetők. A méteres pontosságot biztosító kódméréses korrekciókat a DGPS-felhasználók tölthetik le (természetesen valós időben), a cm-es pontosságot biztosító fázisméréses adatok pedig az RTKfelhasználóknak szólnak. A korrekciók típusa többféle lehet: létezik egybázisos és hálózati megoldás, többféle koncepció szerint. 5

6 A kommunikációs csatorna az internet. A penci KGO-ban tavasza óta üzemel egy internetes (NTRIP) szerver, amely a permanens állomásokon előállított korrekciókat teszi elérhetővé a regisztrált felhasználók számára interneten keresztül. A szerver egyidőben akár több száz felhasználót képes kiszolgálni; márciusára több mint 100 felhasználó regisztrálta már magát. A felhasználónak terepi körülmények között olyan GPS-vevővel kell rendelkeznie, amelyben beépített ipari mobiltelefon (SIM kártya) található, vagy a régebbi típusú vevőhöz 4. ábra. Az SZFV jelű permanens állomás antennája a székesfehérvári GEO tetején. olyan mobiltelefon kapcsolható, amely internet-elérést is biztosít. A korrekciók a kísérleti időszakban (2004 nyarától) ingyenesen hozzáférhetők. A hozzáféréshez a felhasználónak rendelkeznie kell az ingyenes NtripClient programmal. A különféle korrekciók valós idejű továbbítása e sorok írásakor szinte éppen csak elkezdődött, de nem kétséges, hogy a műholdas helymeghatározás új lehetőségeit teszi elérhetővé a jövőben. Dr. Busics György bgy@geo.info.hu Nyugat-Magyarországi Egyetem Geoinformatikai Főiskolai Kar 6