Ugrás a tartalomhoz

Műholdas helymeghatározás 1., A GNSS-ről általában

Dr. Busics György (2010)

Nyugat-magyarországi Egyetem

1.5 A GNSS technológiákról

1.5 A GNSS technológiákról

Helymeghatározási technológia alatt mindazon módszerek, eljárások összességét értjük, amelyeket a helymeghatározás folyamatában alkalmazunk egy – a helymeghatározáson alapuló – felhasználói igény kielégítése érdekében. A felhasználói igény nemcsak műszaki paraméterekkel jellemzett lehet, hanem a termelékenységgel, gazdaságossággal, versenyképességgel összefüggő is. A helymeghatározási technológia fejlesztésének célja így nemcsak műszaki jellegű (a pontosság növelése, az alkalmazási terület bővítése...), hanem gazdasági jellegű is (a költségek csökkentése, a ráfordítási idő csökkentése...).

A GNSS rendszer a földrajzi hely ismeretére épülő igen sokféle felhasználói igény kielégítésére alkalmas, ennélfogva az alkalmazható technológiák is sokfélék. A csoportosításnál a GNSS alaprendszerek jelenlegi állapotából, a hazai GNSS infrastruktúra jelen fejlettségéből indulunk ki. A következőkben a GNSS technológiák csoportosításánál, megkülönböztetésénél, megnevezésénél figyelembe vett szempontokat vesszük sorra.

Pontossági igény

Amennyiben GNSS-technológiát kívánunk használni egy helymeghatározással vagy kitűzéssel összefüggő feladathoz, előbb tisztáznunk kell, mi a pontossági igény. Pontosság tekintetében beszélhetünk tízméteres, méteres, szubméteres, centiméteres, vagy milliméteres igényről. Gyakran ezeket a pontossági igényeket a navigációs, térinformatikai, geodéziai és geodinamikai jelzőkkel is illetjük, ami az alkalmazási területekre utal. Ebben a tananyagban csak a centiméteres pontossági kategóriába tartozó, az. ún. geodéziai pontosságú helymeghatározással foglalkozunk, a többi pontossági kategóriába tartozó alkalmazásokat csak megemlítjük. A centiméteres pontossági kategória azt jelenti, hogy az újonnan meghatározott pontok ponthibája az 1-5 cm-es tartományba esik.

Abszolút és relatív helymeghatározás

Az egyetlen (magányos) vevővel végzett, csak a vevő nyers kódmérési eredményeit felhasználó helymeghatározást nevezzük abszolútnak. Az abszolút helymeghatározás (SPP: Single Point Positioning) pontossága jelenleg a geodéziai pontossági igényeket nem elégíti ki, azok csak relatív helymeghatározással érhetők el, vagyis legalább két (vagy több) vevő szimultán mérésével és az adatok együttes feldolgozásával. A relatív helymeghatározás során vagy a vevők közötti térbeli vektorok összetevőinek meghatározása a cél, vagy az ismert helyzetű ponton vagy pontokon mérő vevő(k) mért adataiból számított ún. korrekciók figyelembevétele az új pontok mérési eredményeinek feldolgozásakor. Az új pont helyzetét adott ponthoz vagy pontokhoz viszonyítva adjuk meg, innen a relatív jelző.

A GPS-korszak kezdetén DGPS módszerről beszéltek akkor, ha az ismert ponton meghatározott kódtávolság-korrekciókat vettek figyelembe (rendszerint valós időben) az új pontnál. Ma DGNSS módszerről beszélnek, mert nemcsak GPS holdak adatait használják fel; nemcsak kódmérést, de (ritkábban) fázismérést is; a valós idejű korrekciók sugárzása nagy területre terjed ki. A DGNSS pontossága azonban legfeljebb szubméteres.

Kódmérés és fázismérés

A kód-összehasonlítás hibája önmagában méteres (esetleg deciméteres), míg a fázismérésé milliméteres. A csak kódmérést használó vevők így nem tartoznak a geodézia érdeklődési körébe, alkalmazásuk viszont a térinformatikai adatgyűjtésben és más területeken jelentős lehet. Geodéziai pontosság csak fázisméréses vevőkkel érhető el.

Valós idejű és utólagos feldolgozás

A geodéziai célú relatív helymeghatározás a GPS-korszak kezdetén csak utófeldolgozással, vagyis a különböző vevők mérési eredményeinek irodában történő kiolvasása és a mérést követő együttes számítása útján volt lehetséges. A méréssel gyakorlatilag azonos időben (real-time) történő számítás feltétele volt a referenciaállomás adatainak (illetve korrekcióinak) azonnali továbbítása, vagyis az adatkommunikáció megoldása, ami először a DGPS technikánál valósult meg. A geodéziai célú, fázismérésen alapuló, valós idejű relatív helymeghatározás az 1990-es évek közepén, az RTK technológia szoftveres és kommunikációs megvalósításával jött létre. A valós idejű geodéziai helymeghatározás jelentősége egyre nagyobb lesz, mert a feladatok jelentős része ezt igényli, és mert a megbízhatóság az azonnali visszajelzés miatt jelentősen javulhat.

Statikus és kinematikus módszer

A Földhöz (és egymáshoz) képest mozdulatlan helyzetű vevők közötti relatív helymeghatározás a GPS-korszak kezdetén a geodéziában szinte egyeduralkodó volt. A mozgás közbeni (kinematikusnak nevezett) relatív helymeghatározás elterjedését az inicializálás problémájának gyakorlatias megoldása tette lehetővé. A pontossági igények növelése esetén a statikus módszer jelentősége megmarad, de a kinematikus módszerek elterjedését a mérési időtartamban jelentkező megtakarítás nagyban elősegíti.

Egybázisos és több-bázisos megoldás

Egybázisos megoldásról beszélünk, ha az új pont koordinátáinak meghatározásában csak egyetlen adott pont (egy bázis – single base) vesz részt. Ha egy új pont meghatározásához több pontról mért vektorokat használunk fel, akkor több-bázisos megoldást (multi-base solution) említünk. Az egy- illetve több bázis értelmezhető egy- vagy több referenciapontként, egy- vagy több vektorként illetve egy- vagy több adott pont koordinátájaként vagy korrekciós adataként és vonatkoztatható mind a valósidejű, mind az utólagos feldolgozásra. A valósidejű multibázisos megoldás magyar elnevezése: hálózatos RTK (vagy hálózati RTK). Az utólagos feldolgozásnál eredeti értelemben azt nevezték multibázisos megoldásnak, amikor egy mérési perióduson belül több vevőt használtak egyidejűleg, ún. szinkron mérési periódusokban történt a mérés és a feldolgozás. Tágabb értelemben nevezhetjük azt a technológiát is multibázisosnak, amikor egyetlen új pont meghatározásához több adott pontot használunk fel.

Autonóm mérés és szolgáltatásra épülő mérés

Az autonóm mérés azt jelenti, hogy a felhasználó saját maga biztosítja a relatív helymeghatározás feltételeit, vagyis a szimultán észlelést, amihez legalább két vevő szükséges, továbbá – valós idejű megoldáshoz – az adatkommunikációs feltételeket. Ennek előnye a függetlenségben, autonómiában van, mert így a felhasználó nem függ más szolgáltatóktól. A felhasználók számának növekedése viszont felveti az ésszerűség és gazdaságosság szempontjait, vagyis azt, hogy a felhasználók referencia-adatokkal (nyers mérési eredményekkel vagy korrekciókkal) való ellátását központilag, szervezetten célszerű megoldani. Ez az egyik ösztönzője a GNSS infrastruktúra kiépítésének.

A GNSS szolgáltatás színvonala

Ha GNSS szolgáltatásokat veszünk igénybe, akkor a GNSS infrastruktúra kiépítettsége, a referenciaadatok köre, az adatszolgáltatás módja, az adatkommunikációs megoldások, a rendelkezésre állás biztosítása, egyszóval a szolgáltatás-minőség lényeges befolyással bír a technológiára. Az infrastruktúra első szintjének tekintjük a passzív GPS hálózat (az OGPSH) meglétét; második szintjének az aktív hálózatot utólagos adateléréssel; harmadik szintnek a valós idejű szolgáltatásokat az aktív hálózatban. Infrastruktúra nélküli állapotról beszélünk, ha térbeli hálózat hiányában csak a hagyományos vonatkoztatási rendszerekre lehet támaszkodni – ez volt a helyzet az 1990-es évek elején Magyarországon. A GNSS szolgáltatásokhoz sorolhatók a feldolgozó központ támogató szoftverei illetve a központi szoftver nyújtotta lehetőségek.

A helyi vonatkoztatási rendszerre való áttérés megoldása

A helymeghatározás végeredményére Magyarországon szinte mindig a HD72 (EOV/EOMA) vonatkoztatási rendszerben van szükség, ezért a transzformációs megoldás is kiemelt jelentőségű. A mérések feldolgozásához hasonlóan a transzformáció is lehet utólagos vagy valós idejű (on-line). A megoldás lehet országos hatókörű (az egész ország területén egységes érvényű), avagy helyi érvényű, más néven lokális. A helyi vonatkoztatási rendszerre való áttérésnél feltételezzük, hogy az OGPSH-ra, mint 3D közös-pont adatbázisra támaszkodhatunk. Csak említés szintjén foglalkozunk azzal az esettel, amikor még nem volt OGPSH, vagy az OGPSH-t ma sem kívánjuk igénybe venni.

A geodéziai pontmeghatározás céljának figyelembevétele

Amennyiben az 1-5 cm-es ponthibájú geodéziai célú igényből indulunk ki, ezen belül is lehetnek olyan további megfontolások, amelyek a technológiát befolyásolják. A geodéziai pontokat szokás alappontokra és részletpontokra osztani, a helymeghatározás irányulhat egyik vagy másik pontcsoportra. A geodéziai pontokat e pontcsoportokon belül további rendűségi osztályokba soroljuk. Gyakorisága, elterjedtsége és tömeges pontigénye miatt a gyakorlatban kétféle geodéziai pontcsoportnak van különös jelentősége: a felmérési alappontsűrítésnek (ami a klasszikus sokszögelést váltotta fel a néhány száz méteren belül elhelyezkedő alappontsűrítésben) és az első- másodrendű részletpontok felmérésének (ami tömegesen előforduló munkafeladat). Ha pontok kitűzése a munka célja, akkor csak valós idejű módszerek jöhetnek szóba. Ha mozgásvizsgálat a cél, akkor a mozgás jellegének, időbeli lefolyásának függvényében ismételt statikus mérések, és egyre inkább folyamatos monitoring jelleggel kinematikus mérések jöhetnek szóba. A helymeghatározás irányulhat térbeli koordináták, csak vízszintes vagy csak magassági adatok előállítására, ami tovább árnyalhatja az alkalmazott módszereket.

A szempontrendszer végén megemlítjük azokat a technológiákat, amelyek geodéziai szempontból nem jöhetnek szóba, de alkalmazásuk kiterjedt, ezek az SPP és DGNSS rövidítéssel jelölhetők.

Bármely GNSS vevő a bekapcsolása után néhány másodpercen belül kódmérésre alapozva meghatározza térbeli helyzetét, általában földrajzi ellipszoidi koordinátákkal. Ezt nevezzük abszolút helymeghatározásnak (SPP: Single Point Positioning), amihez az alaprendszer által biztosított adatokon kívül semmilyen más infrastruktúra-elem nem szükséges. Létezik olyan abszolút meghatározás, amelyhez precíz pályaadatokat és más további modell-adatokat használnak fel, ennek rövidítése: PPP (Precise Point Positioning) és új irányzat a valós idejű szabatos abszolút helymeghatározás is (PPP RTK), ezekről később lesz szó.

A DGNSS technológiánál a műholdas vagy a földi kiegészítő rendszer szolgáltatásaként kódtávolság-korrekciókat veszünk igénybe valós időben. A mért hatótávolságokat ezzel megjavítva, az SPP megoldásnál pontosabb koordinátákat kapunk. A műholdas kiegészítő rendszerek esetében a korrekciós adatszolgáltatás geostacionárius műholdon át történik. A földi kiegészítő rendszerek esetében a kommunikációs csatorna lehet: URH rádióadó, radióbacon, kereskedelmi rádióadó oldalsávja (RDS), mobiltelefonos szolgáltatás (GSM). Magyarországon is volt többféle próbálkozás, jelenleg a permanens állomások kódméréses korrekcióinak Internetes továbbítása a leggyakorlatiasabb megoldás. A kódméréses adatok a rover tárolt adataival relatív módban utólag is feldolgozhatók, ekkor utófeldolgozásos DGNSS-ről beszélünk.

A vázolt szempontok szerint többféle csoportosítás lehetséges, aszerint, hogy melyik szempontot tekintjük előbbre valónak, dominánsnak.

1-14. ábra. A technológiai jellemzők egy lehetséges csoportosítása

A gyakorlati megvalósítást olyan munkafolyamattal célszerű leírni, amely a geodéziában évszázadok óta bevált, csak most a GPS-technológiára kell azt vonatkoztatnunk.

1-15. ábra. A geodéziai célú GNSS pontmeghatározás általános folyamata és feladatai