GNSS NAVIGACIJA - fgg.uni-lj.si/gstebe/Seminarji - končni/Bojan/HOLC_SENEKOVIC... · Astronomska navigacija ... Navigacija na slepo lahko da najboljše razpoložljive informacije

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


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.


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.

http://sl.wikipedia.org/wiki/Zemljepisna_%C5%A1irina

http://sl.wikipedia.org/wiki/Zemljepisna_dol%C5%BEina


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,


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 .


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


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

http://bedanec.agotech.com/AIS/AIS.PHP


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


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.


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


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.


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?"


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)

http://www.insidegnss.com/node/885

http://en.wikipedia.org/wiki/Location-based_service

Documents

GNSS NAVIGACIJA - fgg.uni-lj.si/gstebe/Seminarji - končni/Bojan/HOLC_SENEKOVIC... · Astronomska navigacija ... Navigacija na slepo lahko da najboljše razpoložljive informacije