View
236
Download
10
Category
Preview:
Citation preview
GNSS NAVIGACIJA
Seminarska naloga pri predmetu Satelitska geodezija in navigacija
Mentor: prof. dr. Bojan Stopar
Avtorja: Vasja Holc, Andrej Senekovič Ljubljana, januar 2013
V. Holc, A. Senekovič 2013. GNSS navigacija, seminarska naloga
1
KAZALO
KAZALO ...............................................................................................................................................1
UVOD .................................................................................................................................................2
DEFINICIJE...........................................................................................................................................3
VRSTE NAVIGACIJE ..............................................................................................................................3
Astronomska navigacija...................................................................................................................3
Navigacija »na slepo« ......................................................................................................................3
Sodobni načini navigacije ................................................................................................................3
UPORABA GNSS NAVIGACIJE ...............................................................................................................4
LBS – Location-based service ...........................................................................................................4
CESTNA NAVIGACIJA .......................................................................................................................5
NAVIGACIJA NA MORJU ..................................................................................................................6
NAVIGACIJA V ZRAKU ......................................................................................................................7
MEJE MED NAVIGACIJO IN GEODEZIJO ................................................................................................8
Začetki satelitske geodezije .............................................................................................................9
Povezava s fizikalno geodezijo .........................................................................................................9
GPS ............................................................................................................................................... 10
Povezava geodezije in navigacije ................................................................................................... 10
ZAKLJUČEK ........................................................................................................................................ 13
VIRI ................................................................................................................................................... 13
V. Holc, A. Senekovič 2013. GNSS navigacija, seminarska naloga
2
UVOD
Človek že od nekdaj potuje od enega kraja na Zemlji do drugega. Pri tem je pomembno, da ve, kje se
trenutno nahaja in kam mora iti, da pride na željen cilj. Od naloge oz. poti in možnosti je odvisno,
kako se to določi. Skozi zgodovino so se pojavljaje različne metode, kako to doseči, najbolj znana in
razširjena je verjetno navigacija po zvezdah.
V tej seminarski nalogi sva obravnavala temo GNSS navigacije, ki je v sodobnem svetu nepogrešljiva
tako na osebnem nivoju kot tudi za podjetja in se uporablja vsakodnevno, najdemo jo na mobilnih
telefonih in na namenskih napravah. Uporablja se za vse vrste prometa (na cesti, na morju, v zraku).
Čeprav je bil prvi GNSS sistem vzpostavljen za navigacijo, je danes nepogrešljiva metoda pri
opravljanju geodetskih nalog. Pri tem sem nam poraja vprašanje, kje se konča navigacija in začne
geodezija oz. obratno.
V. Holc, A. Senekovič 2013. GNSS navigacija, seminarska naloga
3
DEFINICIJE
GNSS (Global Navigation Satellite System) – sistem satelitov, ki omogoča določitev geoprostorskega
položaja na Zemlji.
Navigacija - področje, ki se osredotoča na spremljanje in nadzor nad gibanjem objekta iz ene točke
na Zemlji do druge.
VRSTE NAVIGACIJE
Astronomska navigacija
Za določitev položaja in nadzor nad potjo se uporabljajo nebesna telesa (npr. Sonce, Luna, ozvezdja
itd.). Položaj se določi na osnovi kotnih meritev med nebesnim telesom in horizontom. V nekem
trenutku vsako nebesno telo leži neposredno nad eno točko na površini Zemlje. Zemljepisna širina in
dolžina te točke predstavljata geografski položaj nebesnega telesa. Izmerjeni kot med nebesnim
telesom in horizontom je neposredno povezan z razdaljo med položajem nebesnega telesa in
položajem opazovalca.
Navigacija »na slepo«
Pri tako imenovanem ''Dead Reckoning-u'' gre za ugotavljanje lege na podlagi smeri, hitrosti in
dolžine poti ter časa potovanja. Iz tega se na podlagi zadnje znane lege izbere smer naslednje lege in
na podlagi razdalje do nove točke, hitrosti ter časa se da ugotoviti, kdaj je ta točka dosežena.
Navigacija na slepo lahko da najboljše razpoložljive informacije o položaju, vendar se pri njej
velikokrat pojavijo napake saj morata biti hitrost in smer točno znani v vseh trenutkih, da se lahko
položaj natančno določi.
Sodobni načini navigacije
Ti temeljijo na načelu vnaprej izbranih referenčnih točk, ki ponavadi niso v vidnem dosegu. Te
referenčne točke so določene s svojo zemljepisno širino in zemljepisno dolžino. S pomočjo namenskih
naprav pa navigator stalno spremlja smer in razdaljo do izbrane točke. Primera teh tipov navigacije
sta radionavigacija in GNSS navigacija, kjer se položaj sprejemnika določi na podlagi znanega položaja
oddajnika signala ter izmerjenu času oddaje in sprejema signala.
V. Holc, A. Senekovič 2013. GNSS navigacija, seminarska naloga
4
UPORABA GNSS NAVIGACIJE
LBS – Location-based service
LBS so storitve, namenjene ugotavljanju položaja oseb ali predmetov. Uporablja se v namene
zdravstva, iskanja objektov, zabavo, delo idt. Tehnologija LBS ima številne možnosti uporabe. V
zadnjem času tudi na socialnih omrežjih, saj lahko uporabnik preko svojega pametnega mobilnega
telefona ali tabličnega/prenosnega računalnika objavi svoj položaj na primer na Facebooku. Se pa ta
tehnologija na tovrstnih napravah uporablja tudi za potrebe navigacije. LBS tako predstavlja enega
od temeljev širitve trga pametnih telefonov in tablic. V sklop LBS lahko uvrstimo tudi v nadaljevanju
opisane naprave za navigacijo na cesti, morju in zraku.
Slika 1: LBS na mobilnem telefonu, primer oglaševanja
Če naštejemo nekaj najpogostejših primerov uporabe LBS:
- priporočene družabne prireditve v bližini uporabnikovega položaja,
- možnost iskanja najbližjega bankomata, restavracije in drugih storitev,
V. Holc, A. Senekovič 2013. GNSS navigacija, seminarska naloga
5
- iskanje naslovov (turn by turn navigation),
- lociranje ljudi oz. drugih telefonov na kartografski podlagi na zaslonu mobilnega telefona,
- posredovanje opozoril in obvestil uporabniku o najcenejših ponudnikih goriva v bližini ali
zastojih v prometu,
- mobilno oglaševanje na podlagi lokacije (mobilni operaterji uporabniku pošiljajo sms
sporočila o ugodnih ponudbah trgovin v bližini),
- igre, v katerih je lokacija uporabnika vključena v igro (recimo, dnevno gibanje uporabnika
vpliva na premik avatarja v igri).
V zvezi z tovrstnimi novodobnimi tehnologijami pa se pojavlja mnogo etičnih vprašanj ter vprašanj o
varovanju osebnih podatkov, med katere spada tudi podatek o lokaciji osebe. Čeprav so recimo v EU
pravila o varovanju osebnih podatkov relativno dobro definirane, jih ponudniki tovrstnih storitev
večkrat zaobidejo. Z uporabo LBS tehnologije na mobilnih telefonih pa sprejmemo dejstvo, da
telefonski operater spremlja, obdeluje in shranjuje podatke o našem gibanju in s tem naših osebnih
navadah, vse v interesu potrošništva in oglaševanja.
CESTNA NAVIGACIJA
Najpogosteje uporabljena in poznana je ti. cestna navigacija. Na tržišču najdemo naprave različnih
proizvajalcev (Garmin, Mio, TomTom idr.), v novejših avtomobilih pa je lahko tovrstna navigacija že
vgrajena v nadzorno ploščo avtomobila, kot dodatna ali serijska oprema. Tovrstne naprave nam
sporočajo trenutni položaj, izračunavajo nam pot, katero naj uporabimo za dosego cilja, glede na
različne atribute, ki jih podamo v nastavitvah (najhitrejša, najkrajša, brez avtocest, brez uporabe
trajektov itd.), povedo nam koliko časa bomo potrebovali do cilja, prikazujejo hitrost ter običajno se
celo vrsto drugih informacij, ki bi jih uporabnik potencialno lahko potreboval. Novejše naprave z
predhodno naloženimi kartografskimi podlagami nam tako prikazujejo tudi trirazsežne zgradbe, tako
da dobi uporabnik še boljši občutek o prostoru, ki ga sicer prikazuje običajna dvorazsežna
kartografska projekcija .
V. Holc, A. Senekovič 2013. GNSS navigacija, seminarska naloga
6
Slika 2: Cestni navigacijski sprejemnik Garmin nüvi 3590 LMT (VIR:
http://www.garmin.si/view_product.php?product=010-00921-07&cat_id=68 )
Smernice za prihodnost na področju cestne navigacije kažejo, da se bo verjetno razvil in v uporabo
prenesel ti. mrežni model razporejanja prometa. S tem sistemom bi razbremenili najbolj
obremenjene ceste. Ideja je, da bi svak avtomobil imel integriran GNSS sprejemnik in FM oddajnik. Z
nekim centralnim računalnikom se bi nadziralo vsa vozila v prometu, ter se jim določal položaj v
mreži oz. cestah. Glede na zasedenost enih cest bi ta računalnik vozila preusmerjal na druge, manj
obremenjene ceste. Ta proces preusmerjanja bi se sprožil tudi v primeru prometnih nesreč, saj bi
vozila, ki so namenjena v smer prometne nesreče, sistem preusmeril na vzporedne ceste. Izboljšan
trenutni GNSS sistem bi pri taki, za enkrat sicer še futuristični ideji, igral ključno vlogo.
NAVIGACIJA NA MORJU
Kmalu po pojavu GNSS naprav se je pojavilo povpraševanje po GNSS navigacija za najrazličnejša
vodna plovila. GNSS navigacija namreč odlično nadomešča tradicionalen način navigacije na morju, z
uporabo pomorskih kart ter kompasa. Sodoben način navigacije je namreč precej bolj natančen, hiter
ter v večini primerov bolj zanesljiv. Naprave imajo, podobno kot cestna navigacija, naložene
kartografske podlage pomorskih kart, katere pa lahko uporabnik običajno sam dopolnjuje in ureja. V
kombinaciji z radarjem, ki zaznava objekte v bližini plovila, GNSS sistem praktično onemogoči trk
plovila z drugim plovilom ali s čermi. Sistem GNSS predstavlja veliko prednost tudi pri navigaciji v
pristaniščih in na bolj prometnih vodnih poteh. Plovila, opremljena s sistemom GNSS in avtomatskim
informacijskim sistemom (Automated Information System oz. AIT), si izmenjujejo podatke in se med
V. Holc, A. Senekovič 2013. GNSS navigacija, seminarska naloga
7
seboj usklajujejo. S pomočjo tega sistema lahko tudi uporabniki spleta opazujemo položaj plovil,
opremljenih z AIT, na primer v Koprskem zalivu:
Slika 3: Prikaz položaja ladij v Koprskem/Tržaškem zalivu (Vir: http://bedanec.agotech.com/AIS/AIS.PHP )
NAVIGACIJA V ZRAKU
V letalstvu je GNSS prisoten že od svojega začetka, saj pilotom nudi veliko koristnih informacij, ki jih
potrebujejo za hitre in varne polete. GNSS naprava neprestano izračunava lokacijo letala. Ob
souporabi dodatnih sistemov, ki so prisotni v civilnem letalstvu (radar, LAAS-v okolici letališč), je tak
izračun položaja letala zelo natančen. Prav tako pa GNSS v kombinaciji z vremenskimi poročili
učinkovito zmanjšuje porabo goriva na letalih, saj lahko algoritmi v letalskih računalnikih preračunajo
optimalno pot med začetno in ciljno točko poleta. Če za primer vzamemo trenutno največje potniško
letalo Airbus A380, ki porabi okoli 2000 litrov goriva na 100 kilometrov, lahko ugotovimo, da so lahko
prihranki na daljših letih precejšnji, če vemo, da so lahko prej opisanim sistemom prihranimo tudi
10% goriva.
Zaradi trenutno relativno slabe natančnosti GNSS sistema, se letala na ta sistem vodijo oz. nadzirajo
le v fazi leta. Ker pa se tehnologija na tem področju nenehno izboljšuje, lahko pričakujemo, da se bo
GNSS uporabljal tudi pri vzletih in pristankih, ki so za enkrat še zmeraj pod nadzorom pilotov. Si pa
V. Holc, A. Senekovič 2013. GNSS navigacija, seminarska naloga
8
piloti v primeru slabe vidljivosti ob pristankih pomagajo s posebnimi radijskimi signali, ki jih oddajo
antene nameščene ob letalskih stezah.
GNSS navigacija pa je še nekoliko bolj pomembna pri vojaških letalih, saj letala velikokrat letijo na
bistveno nižji višini z velikimi hitrostmi. Tako vojaškim pilotom navigacija sporoča konfiguracijo
terena nad katerim letijo, prav tako pa se tudi večina izstrelkov orientira s podatki GNSS sprejemnika.
Slika 4: Ameriško brezpilotno letalo MQ-1 Predator (VIR: http://community.warplanes.com/wp-
content/uploads/2010/06/mq_1_predator-wide.jpg )
Brez sistema GNSS navigacije pa ne bi poznali brezpilotnih letal, ki se trenutno uporabljajo predvsem
v vojaške namene. Večinoma gre za izvidniška letala ter letala za iskanje in markiranje cilja. Taka
letala upravljajo tehniki iz vojaških baz, lahko pa imajo pot že vnaprej programirano. Usmerjajo pa se
prav z GNSS signali.
MEJE MED NAVIGACIJO IN GEODEZIJO
Večina uporabnikov GNSS navigacije danes se ne zaveda, da tehnologija satelitske navigacije
ogromno dolguje geodeziji - in obratno. Dejansko se je določanje položaja s pomočjo satelitov začelo
V. Holc, A. Senekovič 2013. GNSS navigacija, seminarska naloga
9
kot razširitev klasične terestrične geodezije. Ko so leta 1957 v Zemljino orbito izstrelili prvi satelit
Sputnik 1, so geodeti širom sveta spoznali, da sateliti ponujajo veliko možnosti in da so lahko še kako
uporabni za določitev geodetskega položaja in navigacijo.
Začetki satelitske geodezije
Osnovni postopki terestrične geodezije, zlasti triangulacija, so bili počasni in okorni, predvsem zaradi
učinka ukrivljenosti površine Zemlje, zaradi česar je obseg teodolitov omejen. Pojav elektronskih
razdaljemerov leta 1960 je sicer pomagala terestrični geodeziji, vendar pa so omejitve ostale enake.
Na satelite, ki krožijo v orbitah, ukrivljenost Zemlje ne vpliva. Opazovani so lahko hkrati z večih točk
na Zemlji, in meritve se lahko izvedejo, seveda pod pogojem, da satelit ni zakrit z visokimi objekti
(bodisi naravnimi ali umetnimi). To je privedlo do številnih novih satelitskih metod določanja
položaja. Prva od teh je bila satelitska triangulacija, ki je bila prvotno uporabljena za dopolnitev in
okrepitev terestričnih triangulacijskih mrež. Kasneje je sledila meritev razdalje do satelitov, in sicer z
razdaljemeri iz Zemlje do posebnih reflektorjev na prvih satelitih. Metodologija uporabljena do tukaj
je bila v bistvu podaljšek geodetske astronomije in ni mela veliko povezave z fizikalno geodezijo.
Povezava s fizikalno geodezijo
Položaj se je bistveno spremenil, ko so geodeti ugotovili, da lahko uporabijo Dopplerjev efekt na
signalu iz satelita za pridobivanje diferencialnih meritev, ki bi skupaj z znano Keplerjevo tirnico
satelita lahko vodila k relativno hitremu pozicioniranju. Keplerjeva tirnica satelita temelji namreč
predvsem na težnostnem polju Zemlje, s katerim se ukvarja fizikalna geodezija.
Ta tehnična inovacija je omogočila izdelavo t.i. Transit-Doppler sistema, prvega operacijskega
satelitskega navigacijskega sistema. Uporabljen je bil v poznih 70-ih in zgodnjih 80-ih, najprej samo za
pozicioniranje pomorskih ladij in podmornic v polarnih območjih, pozneje pa tudi za krepitev
kontinentalnih kopenskih triangulacijskih mrež. Uporabniki so kmalu ugotovili, da določevanje
položaja s tem sistemom z razumno stopnjo natančnosti vzame nekaj minut in zato ta tehnologija ni
bila primerna za navigacijo, ki v trenutku zahteva skoraj trenutni položaj.
V. Holc, A. Senekovič 2013. GNSS navigacija, seminarska naloga
10
GPS
To so bili začetki novega globalnega navigacijskega satelitskega sistema, najprej imenovanega
NAVSTAR Global Positioning System, katerega ime so kasneje skrajšali na samo GPS. Tesna
povezanost med GPS in geodezijo se kaže že od začetka vzpostavitve, in sicer s sprejetjem WGS84 kot
osnovo za 3-D koordinatni sistem GPS. Ker je bil GPS vzpostavljen v času hladne vojne, je bil razglašen
za ameriški vojaški navigacijski sistem, kar je pomenilo da je imel poln dostop do podatkov le NATO,
civilni uporabniki pa so imeli omejen dostop in slabšo pozicijsko natančnost.
To je dalo povod za geodetsko stroko, da je začela razvijati nove metode za izboljšanje natančnosti
določitve pozicije točke. Razvili sta se dve novi diferencialni tehniki. Prva je bila t.i. differential GPS
(DGPS) tehnika, ki je izboljšala relativno natančnost pozicioniranja z GPS do nekaj metrov. DGPS je
kmalu postal standardna metoda za določitev položaja naftnih ploščadi, cevovodov, itd. Naslednji
napredek pri izboljšanju natančnosti satelitskega določanja položaja je bil vpeljan na podlagi nasveta
radio-astronomov, ki so predlagali zamenjavo standardnih GPS meritev psevdorazdalj, ki temeljijo na
merjenju časa moduliranega signala iz satelita do sprejemnika. Namesto tega so predlagali izvajanje
meritev na osnovni nosilnih frekvenc teh signalov. To je bil začetek določanja položaja s centimetrsko
natančnostjo z metodo nosilne faze GPS, ki so jo geodeti kasneje razvili še v kinematični GPS in
centimetrsko navigacijo.
GPS je postal univerzalno orodje, ki omogoča določitev položaja in navigacijo praktično v trenutku,
kar ustvarja podlago za veliko število novih aplikacij. Spet so v ospredju geodeti, z osredotočanjem
predvsem na izboljšanje natančnosti pozicioniranja. Zato aplikacije pokrivajo predvsem geodetske
naloge, kot npr. kartiranje, spremljanje dinamike Zemeljske skorje, spremljanje relativnih vertikalnih
premikov merilnikov plime in stalnih 3-D premikov kritičnih konstrukcij (visoke stavbe, jezovi,
zbiralniki, ...). Vse te aplikacije zahtevajo zelo visoko relativno natančnost določitve položaja, vendar
pa ne v trenutku, kot je pomembno npr. za varnost plovbe ali pristanek letala.
Povezava geodezije in navigacije
Prvotno je bil GPS mišljen kot standardno orodje za navigacijo za vojaških vozil na kopnem, morju in v
zraku, ne pa za civilni prevoz. To pa zato, ker za razliko od vojaške navigacije, varnost civilnega
prevoza ne zahteva le navidezno takojšnjo in točno pozicioniranje, ampak tudi tako imenovano
visoko integriteto (celovitost) in dobro pokritost. V tem primeru celovitost pomeni geodetski pojem
V. Holc, A. Senekovič 2013. GNSS navigacija, seminarska naloga
11
zanesljivost, medtem ko se pokritost nanaša na razpoložljivost zadostnega števila satelitov, do
katerih ima sprejemnik neprekinjeno povezavo. Prodor satelitske navigacije, predvsem GPS, v civilno
letalstvo, je vključevalo tudi delo geodetov. Skupaj s civilno letalsko skupnostjo so zasnovali potrebne
teoretične in praktične instrumente, ki jih lahko uporabimo doseganje njihove zahteve po točnosti,
celovitosti in pokritosti. To vključuje uporabo obstoječih geodetskih orodij, kot so kovariančne
matrike, metode najmanjših kvadratov in uveljavljenih geodetskih določevanj zanesljivosti. Uvedena
so bila tudi nova, kot je pojem RAIM ali avtonomno spremljanje celovitosti, ki temelji na metodi
najmanjših kvadratov.
S temi geodetskimi orodji se je začelo dolgoročno sodelovanje med obema skupnostima. Vendar pa
to ni bil vedno enostaven odnos. Prvi izziv je bilo prepričati mednarodno skupnost civilnega letalstva,
da se morajo njihove horizontalne koordinate (zemljepisno širina in dolžina) ustrezno vezati na
geodetski datum in, ker je bil GPS predviden kot prihodnje navigacijsko orodje, je bilo smiselno, da
sprejmejo isti referenčni datum, WGS84. Prvi GPS sprejemniki niso bili namenjeni množičnemu trgu.
Zgodnji sprejemniki so najprej preverili geometrijo satelitov in se odločili za najboljše štiri v smislu
geometrijske konfiguracije. Vendar pa je kasneje s pojavom novih sprejemnikov, ki so lahko merili vse
razpoložljive psevdorazdalje skoraj istočasno, ni bilo treba nadaljevati z meritvami le do "dobrih
štirih" satelitov. Lahko so spremljali vse satelitske signale ter obdelali meritve z metodo najmanjših
kvadratov.
Najbolj razširjen primer povezave med navigacijo in geodezijo je zakoličba z GPS-sprejemnikom (Slika
5). Zakoličba je geodetska naloga, za določitev koordinat na terenu pa uporabljamo koncept
navigacije: iz trenutnega položaja se hočemo prestaviti na nek drug, vnaprej določen položaj.
V. Holc, A. Senekovič 2013. GNSS navigacija, seminarska naloga
12
Slika 5: Zakoličba z GPS sprejemnikom (VIR: http://solutions.seilerinst.com/MappingGIS/CustomerCorner/tabid/197/Default.aspx)
Drugi primer je povezava mobitela z GPS funkcijo in prostorskimi podatki. Npr. z mobilnim telefonom
z GPS funkcijo lahko pridobimo svojo lokacijo in tako odgovorimo na vprašanji "Kje je ona ali on?" in
"Kje sem?", ampak nič več. Vendar pa v povezavi navigacije z geodezijo se lahko pridobljeni položaj
združi skupaj z ustreznimi podatki GIS in tako kombiniran sistem nam odgovori na druga vprašanja, ki
bi nas utegnila zanimati, npr.: "Kaj je okoli mene?" In "Kaj je ta stavba tam?"
V. Holc, A. Senekovič 2013. GNSS navigacija, seminarska naloga
13
ZAKLJUČEK
Če povzamemo, geodezija in navigacija sta že od samega začetka zelo tesno povezani. Geodezija je
veliko dala navigaciji, od številnih postopkov in inovacij, satelitski sistemi pa so zelo uporabni v
geodeziji, kot dopolnilo klasičnim meritvam in tudi samostojno. Glavna razlika je ta, da pri geodeziji ni
pomembno, da je položaj znan hitro, mora pa biti znan natančno, pri navigaciji pa je ravno obratno,
položaj mora biti znan hitro, natančnost pa je lahko slabša.
VIRI
Mlakar, P. 2010. Globalni navigacijski satelitski sistemi. Diplomska naloga. Ljubljana. Univerza v
Ljubljani, Fakulteta za računalništvo in informatiko (samozaložba P. Mlakar).
Rojc, I. 2009. Nadgradnja kartografskih baz za potrebe navigacijskih sistemov. Diplomska naloga.
Ljubljana. Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo (samozaložba I. Rojc).
Vidal, A. 2006. Geodesy and Satellite Navigation. Inside GNSS.
(http://www.insidegnss.com/node/885 ) (26.12.2012)
Location-based service. Wikipedia.org (http://en.wikipedia.org/wiki/Location-based_service)
(2.1.2013)
Recommended