Presnosť prenosných GPS prístrojov

Ján Šimkovič

Vzhľadom na presnosť zisťovanej polohy môžeme rozdeliť GPS prístroje na geodetické a prístroje určené pre GIS merania. Geodetické prístroje merajú s presnosťou na centimetre a ich cena sa pohybuje v rámci stoviek tisíc korún. Profesionálne GPS prístroje určené pre účely GIS meraní majú presnosť niekoľko desiatok centimetrov až jeden meter a ich cena je niekoľko desiatok tisíc korún. Lacnejšou alternatívou môžu byť GPS prístroje, ktoré sú súčasťou vreckových počítačov v cene niekoľko tisíc korún a z ktorých môžeme dostať za určitých podmienok presnosť submetrovú (1–4 m).

Pri zisťovaní polohy pomocou prenosných GPS systémov je dôležitá presnosť zisťovania konkrétnych horizontálnych súradníc (HDOP) a presnosť zisťovania nadmorskej výšky (VDOP). Pri meraniach pomocou GPS sa zvyčajne nadmorská výška zisťuje 1,5 až 2 krát nepresnejšie ako horizontálna poloha. Presnosť, ktorá zahŕňa súčasne meranie horizontálne aj vertikálne sa označuje ako „PDOP“.
Profesionálne geodetické a GIS GPS prístroje merajú s presnosťou od niekoľkých centimetrov do jedného metra. Cenovo dostupné GPS prístroje, ktoré sú súčasťou bežných vreckových počítačov majú presnosť 3 až 15 metrov. Za určitých podmienok však umožňujú dosiahnuť presnosť 1 až 3 metre na bod. Vyššia presnosť však vyžaduje dlhší čas merania súradníc bodu, čím sa znižuje produktivita merania. Potrebné je teda rozhodnúť, kde je dôležitá presnosť merania (presnosť zamerania bodu do 3 metrov za 10 až 25 minút) a kde produktivita merania (presnosť zamerania bodu 3–15 m za niekoľko sekúnd až 2 minúty).

Faktory, ktoré najviac ovplyvňujú presnosť zisťovania polohy
- Počet viditeľných satelitov
Vo všeobecnosti pri trojdimenzionálnych meraniach (horizontálne súradnice aj nadmorská výška) sú potrebné minimálne štyri satelity. Dvojdimenzionálne meranie (len horizontálna poloha) vyžaduje minimálne tri satelity. Súčasné GPS prístroje – aj vo vreckových prístrojoch – sú však dostatočne citlivé, takže vo väčšine prípadov nie je problém zachytiť štyri a viac satelitov.
- PDOP (Position Dilution of Precision)
Postavenie, konštalácia, geometria satelitov. Hodnota chyby určenia polohy je daná súčinom chyby merania vzdialenosti družica – užívateľ a chybou PDOP. Chybu PDOP sa dá charakterizovať ako dôsledok vplyvu vzájomnej konfigurácie polôh družíc, ktoré sú zapojené do systému merania. Inak povedané, najväčšiu presnosť merania je možné dosiahnuť, ak sú družice od seba dostatočne vzdialené. Nižšie číslo PDOP indikuje väčšiu presnosť. PDOP 1 až 4 je presnosť, ktorá sa dá akceptovať pre účely lesníckeho merania.
- Výška satelitov nad horizontom
Ak sú satelity nízko nad horizontom, ich signál musí prekonať väčšiu vzdialenosť cez atmosféru a teda je viac ovplyvnený atmosferickými vplyvmi. Pozícia môže byť určená len zo satelitov, ktoré sú 15° nad horizontom.
- Odrazy (multipath)
Falošné signály, zapríčinené vplyvom odrazov objektov v blízkosti merania (budovy, skalné steny a iné odrazové plochy), znižujú presnosť merania. Bol zverejnený prípad, kedy jeden merač mal neustále nepresnosti pri zisťovaní polohy. Kontaktoval výrobcu GPS a ten sa merača spýtal, či je holohlavý – odpovedal že áno. Signál sa odrážal od jeho hlavy. Odvtedy merač nosil klobúk. Dôležitý je čo najlepší výhľad na oblohu bez rušivých odrazov.
- Nepriechodnosť (Signal-to-Noise Ratio-SNR)
Satelitný signál neprechádza kovovou plochou, budovami, kmeňom stromov apod. Ak teda zisťujeme napríklad polohu stromu, je vhodné stáť s prístrojom jeden až dva metre od stromu.
Všetky počítačové programy, ktoré komunikujú s GPS prístrojmi, zobrazujú postavenie satelitov pomocou grafických znakov a presnosť vyjadrujú číslom PDOP.
V programe ArcPad, ktorý má aj bezplatnú verziu, je možné po aktivovaní GPS otvoriť cez menu „Pozice GPS“ okno, v ktorom sú znázornené satelity, ako aj indikátory presnosti prijímaného signálu.
V ľavej časti okna sú znázornené satelity, s ktorými GPS komunikuje. Čierne sú satelity použité pre zistenie polohy. Modré sú dostupné satelity ešte nepoužívané a červené sú satelity ešte nedostupné. Dva sústredené kruhy zobrazujú postavenie satelitov voči horizontu. Vonkajší kruh zobrazuje horizont – sever je hore. Vnútorný kruh reprezentuje 45° nad horizontom a centrálny bod kruhu je priamo nad našou hlavou. Čím bližšie sú satelity k stredu kruhu, tým presnejšie je meranie.
V pravej časti naspodu je zobrazená hodnota PDOP. Pri meraní polohy nás najviac zaujíma HDOP – horizontálna presnosť, ktorá nezohľadňuje presnosť merania nadmorskej výšky. Táto sa dá v programe ArcPad nastaviť kliknutím na nadpis PDOP a výberom príslušného riadku (HDOP).

Predpovedanie postavenia satelitov (Prediction)
Jedným z dôležitých ukazovateľov presnosti zisťovaných súradníc je počet satelitov, ich postavenie vzhľadom k horizontu a ich vzájomná konštalácia v určitú dobu na určitom mieste na zemskom povrchu. Toto postavenie a teda najvhodnejšiu dobu na meranie je možné predpovedať, pretože pohyb satelitov je pravidelný.
Na predpovedanie sa dá použiť počítačový program Trimble Planning. Tento software umožňuje naplánovať najvhodnejšiu dobu merania s ohľadom na konštaláciu jednotlivých družíc.
Dá sa v ňom nastaviť v ktorý deň, o koľkej hodine, ako dlho a z akej pozície budete robiť meranie. Z dostupných grafov sa dajú potom vyčítať dôležité poznatky (aj o presnosti prijímaného signálu) vyplývajúce z pohybu družíc.
V predpovedi je možné zohľadniť aj vplyv konfigurácie terénu. Príkladom môže byť hlboké údolie v ktorom je potrebné zamerať polohu – otvoríte vyššie uvedený program, stiahnete aktuálny almanac, vykreslíte si mapu objektov (hrebene masívu), ktoré zakrývajú výhľad a z dostupných grafov zistíte, kedy sa na dané miesto vybrať. Ušetríte veľa času a idete na príslušné miesto s istotou presnejšieho zamerania.

Priemerovanie meraní (Averaging)
Najdostupnejším a najjednoduchším spresnením meranej pozície je priemerovanie z niekoľkých meraní. Namiesto jedného merania sa teda na určitej pozícii urobí niekoľko meraní po určitú dobu a z meraní sa urobí priemer, ktorý bude finálnym meraním. V programe ArcPad sa dá využiť automatická funkcia priemerovania.
V menu „Prednastavení GPS“ v záložke „Sejmout“ sa zaškrtne políčko „Umožnit prumerovaní“ a v políčku „Body“ sa zvolí počet meraní, z ktorých bude robené výsledné priemerné meranie. Okrem iného je možné zadať aj „Interval snímania pozície“ v sekundách. Program urobí príslušné merania a priemerovanie automaticky a uloží už spriemerované meranie. Optimálnym časovým intervalom na získanie priemerovaného merania je tridsať až šesťdesiat sekúnd.

DGPS (Differential GPS)
Zvláštnu pozornosť z hľadiska zvyšovania presnosti GPS si zasluhuje systém označovaný ako DGPS. Podstatou tohoto systému je použitie tzv. referenčnej stanice so známymi, presne zmeranými súradnicami, v ktorej je umiestnený špeciálny prijímač GPS. Tento prijímač nepretržite sníma polohu jedného bodu stanice počas celého dňa. Porovnaním nami meraných súradníc a zmeranej polohy v tejto stanici sa získajú potrebné opravy a tieto sú vhodnými komunikačnými kanálmi prenášané k užívateľovi.
Rozlišujeme dva druhy spresnenia merania pomocou DGPS:
- reálny DGPS umožňuje korigovať údaje priamo v čase merania,
- postprocesing – merania polohy a údaje potrebné pre neskoršie spresnenie sú ukladané do GPS počítača a v kancelárii sa spresnia pomocou údajov z príslušných stacionárnych alebo virtuálnych meracích staníc.

Reálny DGPS
Pri reálnom DGPS sa môžeme pomocou mobilného telefónu spojiť s poskytovateľom referenčných meraní a priamo počas merania získavať súradnice už korigované meraniami referenčných GPS staníc. Tento spôsob je zatiaľ ešte finančne náročný a preto je vhodnejšie použiť službu WASS/EGNOS, ktorú bezplatne podporujú už všetky súčasné GPS systémy, teda aj GPS, ktoré sú súčasťou vreckových počítačov.
WASS/EGNOS signál je prenášaný cez geostacionárne družice (rovnaký typ družíc, ktoré prinášajú napr. tel. signál) a preto je nutný výhľad na juh. Pre šírenie WASS signálu sú tri družice – americká, európská a ázijská. Americká je WASS a európská EGNOS. Príjem signálu je bezplatný. Navigátory podporujúce systém WAAS/EGNOS dokážu tieto signály spracovať a zvýšiť tak polohovú presnosť na 1 až 3 metre. Podmienkou však je, aby bol signál z týchto družíc prijímaný v čase merania.  Podmienkou fungovania EGNOS je teda čistý výhľad na stacionárne satelity – juh. Ďalšou podmienkou je viditeľnosť minimálne 5 GPS satelitov a PDOP musí byť menšia ako 4. Pokiaľ je viditeľných menej GPS satelitov, tak signál EGNOS nič nepokazí, ale prijímač nemá dostatok informácií pre submetrové spresnenie.
Treba dať pozor, lebo nie všetky GPS prístroje sú od výrobcu nastavené na príjem signálu WASS/EGNOS. Pre vreckové počítače však existujú (z internetu) voľne stiahnuteľné programy, ktoré umožnia zapnúť príjem tohoto signálu. Ak je WASS/EGNOS aktívny a spresnenie merania prebieha, v programe ArcPad sa v okne „Pozice GPS“ nad zobrazenými satelitmi objaví označenie „DGPS“. WASS/EGNOS satelity majú trojčíselné označenie, ale pre úsporu miesta sú označované aj dvojčíselne. Dva WASS satelity sú označené číslom 35, 47 (PRN 122, 134). Štyri EGNOS satelity sú označené číslami 33, 37, 39, 44 (PRN 120, 124, 126, 131). Tieto satelity zvyknú mať aj iný tvar ikony alebo farbu grafu ako ostatné satelity.
Treba počítať s tým, že načítanie informácií z WAAS/EGNOS satelitu po zapnutí prístroja bežne trvá niekoľko minút (5 a viac), data nemajú dlhú trvanlivosť a je väčšia spotreba energie batérie.

Postprocesing
Princípom postprocesingu je skutočnosť, že pri ukladaní meraných bodov do počítača s GPS prijímačom sa ukladajú do zvláštneho súboru aj údaje, ktoré sa neskôr použijú na spresnenie pozície už nameraných bodov. Spresnenie sa robí pomocou súboru RINEX. Je to súbor, ktorý vygeneruje príslušná stacionárna stanica, ktorá sa nachádza čo najbližšie k nášmu meraniu. Sieť stacionárnych GPS staníc robí nepretržité merania počas celého dňa. Stanice sú prevádzkované rôznymi organizáciami.
Pre postprocesing musíte mať okrem programu ArcPad aj program, ktorý vytvára súbor s údajmi potrebnými pre neskoršiu korekciu (napr. program GPSCorrect). Pri práci s programom ArcPad sa potom automaticky vytvára súbor s ukladanými bodmi (*.shp) a príslušný súbor GPScorrect.ssf. Na konkrétne spresnenie údajov je potrebný ďalší program (Pathfinder Office), ktorý dokáže spracovať údaje s diferenciálnej GPS stanice vo formáte RINEX a údaje nami vytvoreného súboru GPScorrect.ssf a vytvorý súbor s údajmi súradníc bodov už korigovanými. Pathfinder Office súčasne poskytne prehľad podľa korigovanej presnosti v percentách (napr. 70 % bolo korigované na presnosť 1–3 m a zvyšných 30 % zostalo v presnosti 8–15 m). Súbor RINEX poskytujú niektoré inštitúcie zdarma, niektoré ako platenú službu. V prípade záujmu o post-spresnenie merania si treba vyhľadať na internete poskytovateľov RINEX služby.
Pre praktický postprocessing stačí mať len program ArcPad a program GPSCorrect. Spresnenie si možete dať urobiť externe, pričom potrebujete poslať spracovateľovi príslušný súbor s meranými bodmi (*.shp), súbor GPScorrect.ssf a čas merania. Nazad vám pošlú spresnený súbor *.shp.

Prístroje GPS s Windows Mobile
Na záver niekoľko typov na prístroje v kombinácii vreckový počítač (Windows Mobile) a GPS, ktoré možno zakúpiť v roku 2008 a sú vhodné pre lesnícke meranie.
Vo vyššej cenovej skupine (50 000–100 000 korún) ale aj vyššej presnosti (centimetre až jeden meter) možno odporúčať: Trimble GeoXH, GeoXT, GeoXM, Thales MobileMapper CX, MobileMapper 6, ktoré ponúkajú aj odolnosť voči poveternostným vplyvom (odolnosť voči dažďu a mrazu).
Lacnejšou alternatívou (6 000-10 000 SK) sú vreckové počítače napr. MIO P560/360 a ASUS A696 s presnosťou 1–15 m (podľa použitia vyššie uvedených postupov).
Zaujímavou možnosťou je aj lacnejšie a voči poveternostným vplyvom odolné PDA – Socket SoMo 650 (do 20 000 korún). Na rozdiel od predošlých však nemá zabudovaný GPS prístroj, takže GPS treba dokúpiť a pripojiť cez CF, SD port, alebo BlueTooth.

Autor:
Ing. Ján Šimkovič
Lesne hospodarske plany, Forestry mapping
E-mail: Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.