S rostoucím zájmem o sítě referenčních stanic se zvyšuje význam otázek zajišťování jakosti, integrity systému a zvyšování přesnosti. Tento referát poskytuje přehled možných koncepcí sestavy referenčních stanic a sestavy jejich sítí v zájmu zlepšování přesnosti a výkonnosti. Kromě popisu koncepčních návrhů popisuje rovněž alternativy a příklady řešení HW A SW.

1. Úvod

Myšlenka zlepšovat přesnost určování polohy Globálním Polohovacím Systémem (GPS) diferenciálními technikami je téměř tak stará jako GPS samo. Od počátku devadesátých let již různé veřejnoprávní i soukromé organizace v různých zemích pracovaly na výstavbě sítí referenčních stanic. Tyto sítě měly učinit místní referenční stanice uživatele zbytečnými. Uživatel sítí referenčních stanic získá koneckonců minimálně dvě výhody:
a) sníží se jeho náklady, protože nebude muset zřizovat žádné vlastní přijímače referenčních stanic
b) zjištěné výsledky jsou samočinně propojitelné s nadřazeným referenčním systémem.

Téměř všechny v současné době provozované sítě referenčních stanic zahrnují jak modus reálného času, v němž jsou referenčními stanicemi vysílány korekční signály, tak i modus následného zpracování, při němž jsou archivovaná data referenčních stanic dávána uživateli k dispozici k následnému zpracování jeho naměřených dat.

Aby byla spolehlivost v těchto sítích referenčních stanic zaručena resp. ještě dále zlepšena, byly navrženy speciální komunikační postupy a konstrukce stanic. Jejich úkolem je snížit pravděpodobnost výpadku jednotlivých stanic. V případě chybné funkce má být každopádně zaručeno, aby jak všichni uživatelé, tak i provozovatel byli o takovém výpadku automaticky informováni v průběhu několika málo vteřin.

V posledních letech vznikly kromě toho další koncepce síťového propojení – "zesítění" – referenčních stanic, jejichž cílem je dále zvýšit přesnost určení polohy, zkrátit inicializační čas systémů měření v reálném čase a zvětšit možné vzdálenosti k referenční stanici pro měření v reálném čase (RTK). Všechny tyto metody jsou nakonec založeny na tom, že se nevyužívá pouze dat jedné jednotlivé stanice, nýbrž různých stanic v přilehlé oblasti prováděného měření, aby bylo možno stanovit "optimální" korekční data pro uživatele (Wübbena a kol. 1996, Wanniger a kol. 1998, Raquet a kol. 1998, van der Merl a kol. 1998).

Firma Spectra Precision Terrasat pracuje již po řadu let na vývoji systémů referenčních stanic a kooperuje s mnoha národními i mezinárodními partnery (Landau a kol. 1994). V tomto rámci byly spolu s různými organizacemi provozovatelů vypracovány různé koncepce, z nichž některé budou v další části referátu představeny.

2. Systémy referenčních stanic

2.1 Referenční stanice bez návaznosti na ústřednu

Nejjednodušší forma referenční stanice sestává z družicového přijímače (RS1), operačního softwaru jako například GPS-báze pro archivaci dat a kontrolu stanice a z radiostanice k vysílání korekčních dat (obr. 1).

Obr.1: Nejjednodušší forma referenční stanice

Software GPS-báze přejímá v této sestavě následující úkoly:

• Hlídá družicové systémy GPS a GLONASS, analyzuje, přezkoumává a archivuje naměřená data
• Vytváří korekční data RTCM
• Předává naměřená data ve formě RINEX přes mailbox
• Kontroluje materiální část přijímače GPS (podporovány v GPS bázi jsou Geotracer, Aschtech, Leica, Trimble, TurboRogue)

2.2 Referenční stanice s návazností na ústřední kontrolní stanici

V sítích referenčních stanic je účelné použít ústřední kontrolní stanici, umožňující hlídání a dálkové řízení všech stanic v síti. Navíc kromě výše uvedených součástí softwaru a hardwaru je třeba pro tento účel instalovat na referenční stanici takový software jako GPS-Control a dále modem pro komunikaci. Na kontrolní stanici je pak třeba použít takový software jako GPS-Monitor, který umožňuje sledovat větší počet referenčních stanic. Jako komunikační kontrolu je třeba použít mezinárodní normu RSIM Standard (RSIM 1996), která byla definována výborem RTCM. Taková sestava umožňuje automatické vyhlášení alarmu a návěsti kontrolní stanici v případě chybné funkce. Kromě toho je možno na podkladě pravidelného přezkušování v zadaných časových intervalech kdykoliv obvolávat okamžitý stav jednotlivých stanic (obr. 2).

Obr. 2: Referenční stanice s ústřední kontrolní stanicí

Dalším myslitelným rozšířením této koncepce je jednoduché sledování vysílaných dat načítáním vysílaných korekčních dat přes radiopřijímač. Tímto způsobem je možno kontrolovat vysílání korekčních dat a jejich měrnou chybovost.

2.3 Referenční stanice s monitorem integrity

Podstatným rozšířením výše uvedené koncepce z hlediska funkční spolehlivosti je zřízení družicového přijímače jako monitoru integrity (IM1). Monitor integrity přijímá korekční data RTCM, vytvářená přijímačem referenční stanice nebo operačním softwarem a tím zjišťuje svoji vlastní polohu. Pak kontinuálně přenáší přes standardní protokol RSIM své polohové chyby v kombinaci s informacemi o počtu družic, jakosti a prodlevě korekčních dat RTCM do osobního počítače se softwarem GPS-Control. Na rozdíl od systému uvedeného v bodě 2.2, se touto nadstavbou zhodnocuje užitná hodnota datového toku RTCM pro diferenciální určování polohy. Tím se ještě navíc zvyšuje spolehlivost celého systému (obr. 3).

Obr. 3: Referenční stanice s monitorem integrity

GPS-Control podporuje začlenění monitoru integrity do referenční stanice při plném využívání normy RSIM Standard.

2.4 Redundandní systém referenční stanice

Systém, uvedený v bodě 2.3, má navzdory zmíněným výhodám i nadále jeden problém, a to že výpadek přijímače referenční stanice způsobí výpadek celé stanice. Mezinárodní sdružení správ majáků ("International Association of Lighthouse Authorities – IALA") proto vyvinulo redundandní, závadovzdornou koncepci pro referenční stanice, jíž se v současné době používá v námořních aplikacích. Tyto systémy, konformní s IALA, jsou vybaveny minimálně dvěma přijímači referenční stanice (RS1 a RS2), které jsou s libovolnou volitelností aktivovány softwarem GPS-Control. V případě výpadku přijímače na požadavek od GPS-Control přejímá záložní přijímač tvorbu korekčních dat. Tato stanice má rovněž aspoň jeden monitor integrity (IM1), který je možno rovněž doplnit o druhý přijímač (IM2). Přepnutí aktivního monitoru integrity například z IM1 na IM2 zajišťuje software GPS-Control. Každá změna je protokolována a automaticky sdělována do ústředny (GPS-Monitor). Mnohé z těchto stanic IALA mají dnes již i druhý (záložní) kontrolní software GPS-Control, běžící na druhém, nezávislém osobním počítači (obr. 4).

Obr. 4: Plně redundandní závadovzdorný systém

2.5 Sledování integrity spřažením v síti

U sestav popsaných výše se sledování integrity provádí na samotné referenční stanici. Pouze vznikající alarmové stavy jsou přenášeny do ústředny. Je-li však síť referenčních stanic spojena s ústřednou stálými linkami, může se sledování integrity dat provádět v ústřední kontrolní stanici. Výhoda takového uspořádání spočívá v tom, že je možno přezkušovat jakost dat diferenciálními technikami na maximální, v dané síti se vyskytující vzdálenosti základních linií. Tím je též umožněno vyjadřovat výroky o reziduálních systémových chybách, k nimž může docházet u uživatelů takovýchto sítí. Pak již není třeba mít monitor integrity na referenční stanici.

3. Tvorba sítí referenčních stanic

Spřažení referenčních stanic do sítí napomáhá přesnosti určování poloh a zkracování inicializačních časů u uživatele RTK. To je umožňováno modelováním reziduálních chyb družicových efemerid a v atmosférických korekturách průběhového času. Ty jsou založeny na dostupnosti hrubých dat ze tří nebo více referenčních stanic na jednom ústředním počítači. Dále budou představeny dvě koncepce.

3.1 Tvorba sítí při radiovysílání například sítě SAPOS

Součástí koncepce SAPOS (SAPOS 1998) je decentralizované vysílání korekčních dat pomocí 2m radia z referenčních stanic.

V této síti je třeba sdělovat hrubá data po stálých linkách výpočetní ústředně. Tam jsou pomocí výpočetního modelu vytvářeny tzv. plošné korekční parametry (FKP) a ty jsou přenášeny přes stálé linky do referenčních stanic. Referenční stanice pak sdělují radiopojítkem tyto FKP v rámci RTCM-AdV uživateli. Plošné korekční parametry jsou v dekodéru SAPOS aplikovány na korekční data a v podobě standardizovaného RTCM 2.1 dále předávány uživateli. Uživatel takto obdrží zlepšená korekční data na základě své polohy v síti. V současnosti se v dekodéru SAPOS integruje model pro plošné korekční parametry pro obě nosné frekvence GPS s určením pro RTCM-AdV. Tato koncepce v daném okamžiku prochází zkouškami.

Praktická realizace v síti probíhá v sestavě rozšířené o modul GPS-síť, jak popsáno v bodě 2.2. GPS-síť zjišťuje na podkladě hrubých dat přenášených stálými linkami plošné korekční parametry FKP a vysílá je zpět do jednotlivých referenčních stanic (obr. 5).

Obr. 5: Struktura sítě pro decentralizovaný radiosystém

3.2 Tvorba sítě při centrálním vysílání korekčních dat například přes GSM

Je-li uvažováno vysílání korekčních dat přes mobilní telefonii (GSM), může se tak dít při síťovém propojení referenčních stanic z centrálního místa. Stejně jako výše musejí být data přenášena do ústředny po stálých linkách. Vybavení referenčních stanic zde však na rozdíl od koncepce popisované v bodě 3.1 může být řešeno mnohem jednodušeji. Je třeba mít pouze přijímač GPS s anténou a modem ke stálé lince, protože se tvorba a vysílání korekčních dat i archivace hrubých dat přejímá od ústředny. Tato koncepce je založena na jedné nebo na několika základních přípojkách ISDN S2M v kombinaci s koncentrátorem ISDN. Taktový systém má 30, 60, 90 nebo i více paralelních portů ISDN, které je možno volat všechny pod tímtéž číslem. Při zavolání uživatele přes mobilní telefon GSM sdělí uživatel ústředně stejně jako při koncepci SAPOS svoji polohu normalizovanou zprávou NMEA. Ústředna pak zjistí pro danou polohu individuální datový tok RTCM, který nakonec nahlásí hrubá data, která by byla naměřena v dané poloze. Proto se zde také mluví o virtuální referenční stanici (obr. 6).

Obr. 6: Struktura sítě přes centrální GSM-systém

• Norma RTCM 2.1 se přenáší přes GSM Dekodér na straně uživatele odpadá.
• Probíhá centralizované vyúčtování teprve po použití – není nutno platit předem.
• Dochází k nižším nákladům na referenční stanice, protože náklady na zařízení i programové vybavení jsou nižší.
• Korekční model lze kdykoliv zlepšit, aniž by bylo nutno měnit vysílaný formát dat nebo dekodér.
• Pomocí GSM se umožňuje větší pokrytí než u 2m radia.

Podstatná nevýhoda spočívá ve vyšších nákladech pojítek GSM. Je nutno na základě silné konkurenční situace mezi nabízejícími systému GSM očekávat další značné snížení nákladů.

V závislosti na konkrétních požadavcích jsou samozřejmě myslitelné i kombinace technik, popsaných v bodech 3.1 a 3.2 v téže síti.

4. Příklad uspořádání sítě

V dalším má být na konkrétním příkladě vysvětlen vliv spřažení do sítě na chybu při určování polohy. K tomu účelu se použilo dvoufrekvenčních GPS-dat ze 6 referenčních stanic, jak je máme k dispozici ve vteřinových taktech pro časový úsek 4 hodin od 12 do 16 hodin místního času. Všechny tyto stanice provozuje Zemský zeměměřičský úřad v Severním Porýní-Vestfálsku a tato data nám byla laskavě poskytnuta pro účely výzkumu. Pro účely výzkumu byly podchycovány zeměpisné polohy stanic Coesfeld, Wesel, Viresen, Düsseldorf a Kolín nad Rýnem. Stanice Essen simuluje jeden Rover RTK, který pomocí algoritmů určuje svoji polohu v síti (obr. 7).

Obr. 7: Síťová struktura pro síť referenčních stanic

Z určování polohy RTK vycházejí ve vteřinovém taktu polohy pro stanici Essen za časový úsek 4 hodin, což dává celkem 1440 jednotlivých polohových dat. Z porovnání těchto určení polohy RTK s etalonovou hodnotou polohy vycházejí následující střední chyby jednotlivých zaměření:

Typ	Sever (mm)	Východ (mm)	Výška (mm)
Bez síťové korektury	18	6	17
Se síťovou korekturou	9	5	14

Máme-li na zřeteli vzdálenost asi 50 km mezi stanicí Essen a nejbližší další referenční stanicí, vycházejí nám jak při uvážení, tak i při zanedbání síťových korektur velmi dobré přesnosti určení polohy ve všech třech souřadnicových osách. Zejména v nejslaběji určeném severním směru získáme enormní zlepšení započtením síťových korektur podle výše uvedených principů. Rozbor rozložení chyb (obrázky 8 a 9) nám však ukazují, že zápočtem síťových korektur se nejen zmenší střední polohová chyba, ale změní se i rozložení chyb. Snadno poznáme, že v případě řešení korigovaného síťovými korekturami (obr. 9) se rozložení chyb mnohem více podobalo normálovému rozložení, než v případě nekorigovaného řešení (obr. 8).

Obr. 8: Rozložení chyb v případě nekorigovaných řešení RTK.

Obr. 9: Rozložení chyb v případě řešení RTK korigovaných plošnými korekčními parametry FKP

Herbert Landau

5. Literatura

Landau, H., Hundt, R., Müller, A. (1994) A GPS Monitoring system: Concept, Implementation and Experiences (Monitorovací systém GPS: Koncepce, realizace a zkušenosti) Proceedings of the Institute of Navigation Satellite Meeting, září 20. – 23., 1994, Salt Lake City, Utah, str. 1321 – 1327

Van der Merl, H., Van der Hoeven, H.J.P. Derks, H. Kelin Baltink, A.C.A.P. van Lammeren, A.J.M. Kosters, (1998): Virtual GPS Reference Stations in the Netherlands (Virtuální referenční stanice GPS v Holandsku), Proceedings of the Institute of Navigation Satellite Meeting, září 15. – 18., 1998, Nashville, Tennessee.

Raquet, J., G. Lachapelle, T.E. Melgard (1998): Test of a 400 x 600 km Network of Reference Receivers for Precise Kinematic Carier-Phase Positioning in Norway (Zkoušky referenčních přijimačů pro přesné kinematické určování polohy fáze nosičů v Norsku), Proceedings of the Institute of Navigation Satellite Meeting, září 15. – 18., 1998, Nashville, Tennessee.

RSIM (1998): RTCM Recommended Standards for Differential Navstar Reference Stations and Integrity Monitors (RSIM), RTCM Special Committee No. 104, Radio Technical Commission for Maritime Services, (Doporučené normy RTCM pro diferenciální referenční stanice NAVSTAR a monitory integrity (RSIM), Zvláštní výbor RTCM č. 1O4, radiotechnická komise pro námořní služby), 655, Fifteenth Street, NW, Suite 300, Washington, D.C. 20005 USA.

SAPOS (1998): Bericht der Expertengruppe GPS-Referenzstationen im Arbeitskreis Grundlagenvermessung (Zpráva skupiny expertů: Referenční stanice GPS v pracovním okruhu Základní vyměřování), květen 1998.

Wanniger a kol. (1998): Verwendung virtueller Referenzstationen in regionalen GPS-Netzen, Allgemeine Vermessungsnachrichten, (Použití virtuálních referenčních stanic v regionálních sítích GPS, všeobecné zprávy o vyměřování), sešit 4, 1998.

Wübbena, Gerhard, Andreas Bagge, Günter Seeber, Volker Böder, Peter Hankemeier (1996): Reducing Distance Dependent Errors for Real-Time Precise DGPS Applications by Establishing Reference Station Networks (Zmenšování vzdáleností podmíněných chyb v přesných aplikacích DGPS v reálném čase zřizováním sítí referenčních stanic) Proceedings of the Institute of Navigation Satellite Meeting, září 17. – 20., 1996, Kansas City, Missouri, strany 1845 – 1852

Děkujeme pražské firmě by/S@T – jmenovitě ing. Kopalovi – za zprostředkování a německé Spectra Precision Terrasat GmbH za poskytnutí tohoto příspěvku Dr. H. Landau.

Tímto příspěvkem volně navazujeme na článek "Bude celoplošná síť referenčních stanic DGPS v ČR a SR?" (Zeměměřič č. 12/99).

redakce

---

Z časopisu Zeměměřič č. 1+2-2000