BUSZNYÁK JÁNOS 1 DR. BERKE JÓZSEF 2 GPS és Vizualitás Pannon Egyetem Georgikon Kar, Gábor Dénes Fıiskola 1 bjs@georgikon.hu, 2 berke@szamalk.hu Absztrakt A GPS (globális helymeghatározás) mőholdas rendszerei a 60-as évek elejétıl napjainkig jelentıs változásokon keresztülmenve (doppler-elv, nem-geostecionárius pályák, pontosító rendszerek, versengı GNSS (Global Navigation Satellite System), GPS modernizáció ) napjainkra egyre nagyobb teret hódítanak a vizuális térbeli informciók gyorsan fejlıdı eszközrendszereként. A GNSS pillanatnyilag üzemelı rendszerei (Navstar GPS, Glonass, Galileo, Bei Dou) és a felhasználói eszközök a közúti navigációtól a térinformatikai és geodéziai alkalmazásokig rengeteg, vizualizálható információt adnak számunkra. Mindezen információk megfelelı megjelenítése illetve multimédia-eszközökkel (hang, 3D, videó ) történı támogatása jelentısen segíti az információk feldolgozhatóságát. A GPS helymeghatározás használhatóságának egyik legfontosabb mérıszáma a pontosság. A GPS minimálisan 3m környéki pontatlansága rengeteg alkalmazási lehetıséget kizáró körülmény. Pontosításra mőholdas, aktív és passzív földi eszközrendszert használhatunk. Szeretném bemutatni a 2007 nyarán telepített Georgikon GNSS (GPS, Glonass) bázisállomás (aktív földi pontosítás) üzembehelyezésének, tesztüzemének tapasztalatait, az eszközrendszer segítségével elért eredményeinket az oktatói, kutatói munkában, a kiépített alternatív hálózat alapvetı jellemzıit és alkalmazási lehetıségeit.
GPS mérés alapelve 1. ábra: GPS mérés Adott idıpontban ismernünk kell három mőhold koordinátáit (Busznyák, 2004). Amennyiben nagyon pontosan tudjuk mérni az idıt, akkor a hullám terjedési sebesség és a közben eltelt idı alapján meghatározható, hogy milyen távolságra vagyunk a mőholdtól. Ez egy mőhold esetén egy gömbfelületet ad. Amennyiben két mőholddal van kapcsolatunk, akkor mindkét mőhold gömbjén rajt kell, hogy legyünk. Két gömb metszeteként egy kört kapunk. A harmadik mőhold gömbje és a kör metszéspontjaként két pontot kapunk, amelyek közül mindig kizárható az egyik (pl. földfelszínhez távoli pontok). GNSS (Global Navigation Satellite Systems) Az Egyesült Államok által üzemeltetett Navstar GPS rendszer mellett a nem teljes kiépítettségő, orosz Glonass rendszer is mőködik és 2008-ra az Európai Unió Galilleo, illetve a kínai Bei Dou elsı két kísérleti mőholdja is üzemel. Így a GPS, Glonass, Galileo, Bei Dou, vagyis a globális helymeghatározás rendszerei megnevezésére praktikus okokból, mivel a GPS az USA rendszere a GNSS (Global Navigation Satellite Systems) elnevezés van terjedıben. A mőholdas rendszerek részei, az őrben található mőholdak, a földi követıállomá-
sok és a jeleket érzékelı mérıeszközök fejlesztése egyre megbízhatóbbá teszi a pozíció meghatározását, de technológiai okokból maximálisan 3 méteres (jellemzıen 5-10m) átlagos pontosság érhetı el. Azon alkalmazások esetén, ahol szükséges ennél pontosabb mérés, ami szubméteres, vagy akár centiméter pontosság is lehet, további eszközrendszerre van szükség. Ezen rendszerek arra épülnek, hogy egy adott földrajzi hely környezetében a mérési hibák jellege és nagysága jelentısen egyezı. A mennyiben egy a globális helymeghatározás koordinátarendszerében ismert ponton arra alkalmas (kétfrekvenciás) vevıvel mérünk, akkor a 30-50 kilométeres sugarú körön belül a hibát folyamatosan jól becsülhetjük. A pontosító jeleket aztán helyi rádiósugárzással, mőholdas rendszerekkel (Egnos, Navstar, Waas ), vagy interneten bocsáthatjuk a felhasználók rendelkezésére. Magyarországon jelenleg két interneten elérhetı pontosítási lehetıség létezik: a Földmérési és Távérzékelési Intézet GNSS rendszere, illetve 2008-tól alternatív rendszerként a GeotradeGNSS rendszere. Georgikon GNSS bázisállomás A Pannon Egyetem Georgikon Karán évek óta (2002-tıl intenzíven) folynak a GPS technológia alkalmazási lehetıségeivel foglalkozó kutatások. Ezen kutatási munkák a 90-es évek elejétıl folyó távérzékelési, térinformatikai fejlesztésekre és az IST5 EU kutatási program által kínált lehetıségekre építve indultak. A 2003-óta mőködik a Georgikon Térképszerver (http://map.georgikon.hu), melynek feladata a térinformatika, távérzékelés, GPS technológiák integrálásával oktató, kutató bázis kialakítása a nyugat-balatoni térségben. A Georgikon karon és más intézményekben, vállalkozásoknál egyre nagyobb az igény a geodéziai pontosságú (centiméter) helymeghatározás irányában. Egyre több tudományterület próbálja kihasználni a GPS mérések (térinformatika) által kínált lehetıségeket a természettudományok mellett a társadalomtudományok területén is (Tamás, Lénárt, 2003). Az igények a navigációs, térinformatikai és geodéziai pontosságú (Busznyák, 2004) lehetıségekre egyaránt megmutatkoznak. Egyre intenzívebben érkeznek jelzések, igények az infrastruktúra fejlesztésére. A geodéziai pontosság, mint cél már megszokottan (nemcsak hagyományos geodéziai alkalmazások esetében) jelentkezik igényként. 2007 nyarán került sor a Georgikon Bázisállomás üzembehelyezésére, amely azóta mind interneten (online), mind utólagos feldolgozás tekintetébe folyamatosan szolgáltat (Keszthely 30-50km sugarú körzetében hatékonyan alkalmazható; szubméteres pontossággal (DGPS) az
egész országban használható) pontosító adatokat (DGPS, RTK2.1, RTK2.3, RTK3.0, CMR+ ). Pillanatnyilag a Nyugat-Balaton, Zala, Somogy és Veszprém megye intézményeinek, vállalkozásainak (geodéziai, térinformatikai, régészeti, környezetvédelmi, agrár ) felhasználási igényeihez nyújt segítséget a rendszer. Mindemellett a bázisállomás csatlakozva a GeotradeGNSS országos lefedettségő rendszeréhez hozzájárul a magyarországi infrastruktúra megújításához. A bázisállomás honlapja a http://gnss.georgikon.hu címen elérhetı, további információ a bjs@georgikon.hu címen kérhetı. Technikai jellemzık Georgikon GNSS Bázisállomás 2. ábra Georgikon GNSS felépítése A Bázisállomás struktúrája úgy került kialakításra, hogy alkalmas legyen többirányú kiszolgáló feladatra, és fejlesztésére is lehetıség nyíljon. Alkalmas on-line és off-line pontosításra internetes kiszolgálóként, egyszerő eszközökkel továbbfejleszthetı a Galileo rendszerhez. NetR5 GNSS vevı A Bázisállomás egy Trimble NetR5 háromfrekvenciás vevı (GPS/GLONASS/L2C,L5). IP címmel rendelkezik, beépített NTRIP szerverrel, FTP szerverrel és NTRIP Casterrel. Mérési gyakoriság: 1,2,5,10 Hz; mérési pontosság 5mm+0,5ppm h, 5mm+1ppm v.
3. ábra Báziállomás vevı és antenna Zephyr Geodetic MK, háromnormás (GPS/Glonass/Galileo) antenna Az antenna képes minden GPS jel vételére: GPS L1/L2 GPS modernizáció (L2C,L5) GLONASS L1/L2/L3,Galileo (E1/E2/E5/E6) SBAS/WAAS/EGNOS/QZSS/Gegan/MSAS/OMINISTAR. Feldolgozás 5 fokos elevációtól. Fáziscentrum helyzete: 0,2 mm élességgel modellezhetı (jobb, mint a Choke Ring antenna esetében!). Szoftverek 4. ábra GPSbase vezérlıszoftver NetR5 bázisállomás menedzselhetı IE 6.0,vagy FireFox1.5-ös verziófával. A GPSBase szoftvere kiszolgálja a mobiltelefon-rendszereket az RTK adatkommunikációban, illetve hálózati RTK (RTK-VRS) rendszerré fejleszthetı. Lényeges, hogy egyetlen GPSBase szoftverrel több állomás is üzemeltethetı, és azok a már meglévı állomások összekapcsolását is lehetıvé teszik! További technikai információ a http://trimble.com honlapon érhetı el.
Üzembe helyezés Bázisállomás létesítése Bázisállomás ott létesíthetı, ahol fizikailag kitakarás nélkül rá lehet látni az égboltra, valamint megfelelı infrastruktúra áll rendelkezésre: Internet kapcsolat (minél nagyobb sávszélességgel!) Szünetmentes tápegységek a vevı, a router, a pc számára Villámvédelem az antenna és az antennakábel számára. Keszthelyen az Egyetem Keszthely, Deák Ferenc utcai épületét ítéltük a legalkalmasabb a létesítésre. A bázisállomás fizikai létesítése után megfelelıen pontos antenna-koordinátára van szükségünk! Ez a koordinátaszámítás többlépcsıs: WGS84 koordináta kiszámítása (TGO Trimble Geomatik Office) EOV transzformáció (EHT 2007). Bázisállomás alapmérései Az alapmérések kiszámításához meg kell határozni azokat a transzformációs paramétereket, amelyek hatással lesznek a bázisállomás koordinátáira. Ezt a FÖMI által készített EHT 2007 szoftverrel tudjuk elérni. Az alábbi ábra mutatja, hogy a bázisállomás (Keszthely) nyers WGS 84 (földrajzi) koordinátáinak milyen OGPSH környezetben kell végleges vetületi paramétert adni ahhoz, hogy korrekt EOV koordinátát kapjunk. A Részletes lista mutatja a vetületi transzformáció közös pontjait.
5. ábra Bázisállomás alapadatai Az ábra mutatja, hogy a felhasznált pontleírások milyen módon tartalmazzák mindkét rendszerben a pont koordinátáit. A Bázisállomás által mért és tárolt adatokat utófeldolgozással határoztuk meg a közelben lévı országos permanens állomás méréseinek felhasználásával. A számítás megbízhatósága: Vízszintesen: +-13mm Magasságilag:+-18mm, az antenna a Trimble saját kalibrálásával. Georgikon GNSS Bázis szolgáltatásai 6. ábra Bázisállomás szolgáltatásai
A Georgikon Bázis szolgáltatásaival széles körben elégíthetjük ki (RTK 2.1, 2.3, 3.0, RAW, DGPS, CMR, CMR+és DAT, RINEX utófeldolgozásra) az egyetemi és egyéb igényeket a Délnyugat-Dunántúlon (több mint 10000 km2). Georgikon GNSS és valós idejő szubméteres pontosság egyszerő eszközökkel A valós idejő helymeghatározás egyre inkább elıtérbe kerül mindenféle geodéziai és térinformatikai (GIS) alkalmazásban. Az RTK GPS iparszerő használata elıtt (1994 elıtt) jóformán minden geodéziai vagy GIS feladat helymeghatározása utófeldolgozást igényelt, kivéve a kitőzési vagy navigálási feladatokat, melyeket mérıállomással vagy navigációs GPS-szel lehetett elvégezni. 1994 után a valós idejő kinematikus (Real Time Kinematic = RTK) mérési módszer bevezetése nagy lendületet adott a GPS mérések hatékonyságának. 2000 óta a Trimble IP-címezhetı eszközeinek köszönhetıen kezd az adatrádiók helyett egyre elterjedtebbé válni, az alsógeodéziában és a GIS területén is a valós idejő helymeghatározás (Borza, Busics, 2006). Az NTRIP (Network RTCM Transmission via Internet Protocol) fejlesztésével lehetıség nyílt a valós idejő korrekciók internetre való továbbítására és bázisállomások hálózatát létrehozva, mindenhová el lehet juttatni a centiméter-pontos mérésekhez szükséges korrekciót. A térinformatika pontossági igénye sokkal szerényebb! Az egyvevıs térinformatikai rendszerek mindazonáltal csak valamilyen differenciális mérési módszerrel képesek méter alatti, vagy néhány deciméter pontosságú helymeghatározásra (Busznyák et al., 2006). Kezdetben csak olyan korrekciók továbbítására volt lehetıség, amelyek a koordinátákból ismert mőholdvevı távolság és a mért kódtávolság különbségeit tartalmazták. Ezeket nevezzük DGPS korrekcióknak, a kódmérésen alapuló, valós idejő relatív módszert pedig DGPS (differenciális GPS) módszernek (Busznyák, 2004). A Keszthelyen üzemelı Bázisállomás mindkettı RTCM DGPS korrekciót sugározza, aminek vételével lehetıvé válik egész Magyarország területén az 1 méter alatti (jellemzıen 0,1 0,25 m) pontosság elérése az RTCM formátumokat venni képes GIS vevıkkel. Az EOV vetületi torzulása némiképp árnyalja a képet, de elmondhatjuk, hogy akár már egy 3 paraméteres vetületi egyenlettel transzformáló algoritmus is 10-15 cm-es EOV beli pontosságot ad az egész ország területére. Figyelembe véve, hogy jelen pillanatban milyen ingyenes (pontatlanabb) és piaci (drága) differenciális módszerek érhetıek el, elmondhatjuk, hogy a keszthelyi DGPS korrekció rengeteg segítséget jelenthet a magyarországi, térinformatikai vevıvel rendelkezı felhasználók számára!
Alkalmazások A 2007 augusztusa óta eltelt idıszakban (már a tesztüzem alatt is) oktatási és kutatási feladatok megoldásában felhasználtuk az eszközrendszert. A rendelkezésünkre álló Trimble 5800-as kétfrekvenciás mérı felhasználásával szerveztünk terepi mérıgyakorlatokat [5], végeztünk domborzatmodell-pontosítást, használtuk légifelvételek georeferálásához. Tanszékünkön túl a Georgikon Kar további kutatócsoportjai is rendelkeznek DGPS szolgáltatás igénybevételére alkalmas eszközökkel és reméljük, végeznek fejlesztéseket, hogy a hatékonyabb RTK szolgáltatást is felhasználhassák. Remélhetıleg sok hasznos projekt végrehajtását segíti majd a 2008 áprilisától már megfelelı integritással üzemelı Georgikon Bázisállomás. Irodalomjegyzék [1] Busznyák, J. (2004) Mobil eszközzel is elérhetı térinformatikai és egyéb adatbázisok fejlesztése. Acta Agraria Kaposváriensis, Volume 8 No 3 2004, 61-75. ISSN 1418-1789 [2] Busznyák, J. (2004) Mamika Elektronikus Tananyaggyőjtemény: GPS helymeghatározás, navigáció és adatgyőjtés, Keszthely, ISBN 963 9096 84 9 [3] Tamás, J., Lénárt Cs. (2003): Terepi Térinformatika és a GPS Gyakorlati Alkalmazása. Litográfia Kft. Debrecen, 2003. [4] Borza, T., Busics Gy. (2006): Ajánlás a GNSS technikával végzett pontmeghatározások végrehajtására, dokumentálására, ellenırzésére. Kozmikus geodéziai obszervatórium (http://www.sgo.fomi.hu/ajanlas.html), Budapest [5] Kozma-Bognár, V., Hermann, P., Bencze, K., Berke, J. and Busznyák, J. (2008): Possibilities of an Interactive Report on Terrain Measurement. Journal of Applied Multimedia. No. 2/III./2008. pp. 33-43., ISSN: 1789-6967. http://www.jampaper.eu/jampaper_eng/issue_files/jam080202e.pdf. Webliográfia Georgikon bázisállomás: http://gnss.georgikon.hu Georgikon térképszerver: http://map.georgikon.hu Geotrade Kft.: http://geotrade.hu Geotrade GNSS: http://geotradegnss.hu