Pro mapaře o satelitních navigacích
Dnes je 17.02.2020

Mapařina | Metodika | 30.01.2020

V posledních letech se v oblasti satelitní navigace událo mnoho změn. I když se přijímači satelitní navigace stále říká “GPSka”, faktem je, že dnes jsou kolem Země čtyři nezávislé satelitní navigační systémy (GNSS – Global Navigation Satellite System). V tomto článku Libor Pecháček sdílí svoje postřehy a názory na satelitní navigaci, ve snaze alespoň povrchně shrnout na jednom místě současný stav.

Pro začátek si pojďme upřesnit pojmy. Určení pozice v systému satelitní navigace vychází z měření zpoždění radiového signálu mezi navigačním satelitem a uživatelským přijímačem. Pro určení tohoto zpoždění obsahuje signál přesné časové značky. Přijímač z informace o době cesty signálu od satelitu vypočte odhad jeho vzdálenosti (pseudorange). Proč pouze odhad? Mezi přijímačem a navigačním satelitem je vrstva atmosféry s proměnlivými vlastnostmi a případně další překážky ovlivňující rychlost šíření signálu. Ve výsledku jsou tedy signály z některých satelitů v místě příjmu zpožděné a tyto satelity se zdají být vzdálenější. Navigační přijímač získává odhady vzdálenosti vícero satelitů a z této nepřesné informace, společně s informací o poloze satelitů v prostoru, zkouší odvodit svoji pozici (position fix).

Kdysi byly k dispozici přijímače pouze pro americký navigační systém GPS. Zasvěcenci věděli o ruském GLONASSu a časem byly k mání i přijímače kombinující příjem obou systémů. Je nasnadě, že má-li přijímač k dispozici více odhadů vzdálenosti od satelitů, může je navzájem porovnat a nespolehlivá měření vyřadit. Vyšší počet dostupných satelitů je také výhodný v situaci, kdy část oblohy zakrývají pozemní překážky. V tom případě je vyšší šance získat uspokojivé odhady vzdálenosti od zbývajících dostupných satelitů, místo pokusů vypočítat alespoň něco z nemnoha nepřesných informací.

V době nástupu kombinace GPS+GLONASS vypadal evropský projekt Galileo jako vzdálený sen a čínský Beidou byl ve fázi prvních pokusů. V posledních několika letech se však situace zásadně proměnila. Systém Galileo je od roku 2014 doplňován plnohodnotnými satelity a v roce 2021 by měl přejít do plného provozu. Systém Beidou roste ještě rychleji a přes vyšší plánovaný počet satelitů bude v plném provozu pravděpodobně již letos. Žijeme tedy v době, kdy z kdysi dostupných cirka dvaceti satelitů GPS+GLONASS máme nad hlavou dohromady přes čtyřicet (!) satelitů čtyř globálních navigačních systémů. Pokud nevěříte, můžete se pro ilustraci podívat na aplikaci GNSS View na stránkách japonské Quasi-Zenith Satellite System Services (https://app.qzss.go.jp/GNSSView/gnssview.html).

Obrázek 1: Ukázka GNSS View – 55 satelitů, HDOP (teoreticky) 0,32.

 

Možnost získat několik desítek měření je velká výhoda, avšak, jak již bylo řečeno, všechna tato měření jsou zatížena neznámým zpožděním při průchodu atmosférou. Zvláště vrstva ve výšce mezi 60 až 2000 km, nazývaná ionosféra, má významný vliv. Pro eliminaci tohoto působení potřebuje přijímač  informaci o aktuální situaci. Za tím účelem vysílají navigační satelity všeobecnou zprávu o stavu ionosféry v podobě číselných parametrů předem dohodnutého modelu vesmírného počasí. S touto informací dovede přijímač eliminovat přibližně polovinu chyby měření a dostat se na přesnost v řádu metrů v otevřeném prostoru.

Jak ale přijímače dosahují přesnosti okolo metru a lépe? Zkráceně, dostávají zvenčí informace o zpoždění signálů od jednotlivých satelitů přímo v místě, kde se právě přijímač nachází. Nejedná se tedy už o jakousi všeobecnou informaci, ale o cílenou zprávu o podmínkách v daném místě a čase měření. Tato přesná informace bývá zpoplatněná. Jinou možností zpřesnění odhadu pozice je příjem satelitních signálů na další radiové frekvenci. Zpoždění při průchodu ionosférou závisí totiž i na frekvenci signálu. Z rozdílu doby šíření těchto signálů od každého satelitu zvlášť může přijímač samostatně odvodit aktuální stav ionosféry nad místem příjmu. Přijímači s touto schopností se říká dvoufrekvenční GNSS (dual-frequency GNSS). Centimetrových přesností pak dosahují sledováním fáze přijímaného signálu, ale do tohoto oboru už zabíhat nebudeme.

 

Obrázek 2: Satelit nejnovější generace GPS má přibližně rozměry Fordu Tranzit. Předpokládaná životnost na oběžné dráze je 15 let. (Foto: ©2015 Lockheed Martin Corporation)

 

Vyzbrojeni znalostí technologie a touhou zaměřovat objekty v lese na jednotky metrů, pojďme se podívat, co zohlednit při nákupu GNSS přijímače. Pro orienťácké mapování chceme, aby byl přijímač přenosný, fungoval na baterie celý den, dal se ochránit před špatným počasím, pokud už sám nemá patřičnou odolnost, a byl za rozumnou cenu. Provozní náklady blízké nule jsou také podstatnou výhodou. Nakonec potřebujeme informace z přijímače nějak dostat do OCADu nebo OO Mapperu, ať už přímo při mapování v lese, nebo při překreslování doma.

Samozřejmou volbou se zdají být spotřební mobilní telefony, které se pyšní příjmem všech navigačních systémů a mnohé z nich i dvěma frekvencemi. Má to několik „ale“. Mobilní telefony jsou optimalizovány na výdrž baterie a GNSS příjímač je součástí této optimalizace. Může se tedy stát, mobilní telefon bude přijímač pravidelně vypínat, nebo jinak omezovat jeho funkce, v zájmu prodloužení výdrže baterie. To vede k významnému kolísání přesnosti. Pokud se vám podaří telefon přesvědčit, aby nechal přijímač pracovat naplno, další potíž je jeho optimalizovaná anténa. Mobilní telefony používají prostorově úsporné antény, které však nemohou poskytnout kvalitní příjem, zvláště pokud je přístroj držený v ruce. Pokud mobil nemá konektor na připojení externí antény, tak se sny o metrové přesnosti asi nesplní.

Další pokus připadá na zařízení kdysi zvaná „GPS logger“. Sem patří osvědčený Garmin GLO příjímající GPS+GLONASS. Garmin GLO se však už nevyrábí, takže co je jeho náhradou? Hledáme krabičku, která se dá připojit přes Bluetooth, nebo kabelem, k tabletu nebo mobilu. Taková krabička se dá umístit na čepici nebo na rameno, kde má dobrý příjem. Vzhledem ke klinické smrti segmentu GPS loggerů je současný výběr pramalý. Nicméně, něco se najít dá a namátkou jmenuji německý GNS 2000, tajwanský Qstarz BL-1000ST a Transystem GL-770. Z profesionálních pak Trimble R. Konkrétní zkušenosti s jednotlivými příjimači v lese však těžko najít, nicméně pod článkem uvádím souhrn alespoň všeobecných informací, které jsem o přístrojích vyhledal.

Pokud se oprostíme od představy hotového výrobku a pokročíme směrem k „postav si sám“, otevírá se nabídka testovacích desek navigačních čipů a součástek pro drony. Tam se dají najít „GNSS moduly“, většinou připojitelné kabelem přes USB, nebo asynchronní sériové rozhraní, k počítači. Výstup v NMEA formátu pak už zpracuje přímo OCAD nebo jiný program. Kutilskou kombinací s Bluetooth modulem lze vytvořit zařízení podobné osvědčenému GPS loggeru. Konkrétní návod na stavbu je třeba na https://github.com/lpechacek/u-blox-gnss-receiver. Jednoznačná výhoda těchto polotovarů je dostupnost alespoň elementární technické dokumentace pro danou součástku a fakt, že v této kategorii jsou k dispozici i přijímače v kvalitě pro profesionální nasazení a automobilový průmysl.

Jsme-li flexibilnější v podmínce „rozumná cena“, připadají v úvahu zařízení pro sběr GIS dat. Chytrý telefon Trimble TDC600 obsahuje profesionální GNSS přijímač a je možné k němu připojit externí anténu. Odolnost proti špatnému počasí a na slunci čitelný displej jsou další vítané vlastnosti. Snad jen precizní stylus chybí ke štěstí, jinak TDC600 vypadá jako dobrá možnost pro mapování s OO Mapperem. Ze samostatných přijímačů mi padl do oka Trimble R1. Podle dokumentace se nepochybně jedná o vynikající přístroj. Snadno lze najít další podobná zařízení a jediná zbývající otázka je, co lze ještě považovat za rozumnou cenu. V tabulce níže pár dalších lákavých kusů uvádím.

Než přejdeme k závěru, pojďme se podívat pod kapotu nabízených přístrojů. Výkon zařízení v základu určuje použitá anténa a přijímač. Jak jsem zmínil v úvodu, přijímač může v případě dostupnosti velkého počtu satelitních signálů eliminovat zřetelně chybná měření a pro výpočet pozice použít ta spolehlivá. Otázkou je, zda tuto eliminaci skutečně udělá a jakým způsobem. U přijímačů, které cílí na profesionální uživatele lze doufat, že se tak děje. U spotřební elektroniky doporučuji doufat opatrněji.

V technických informacích se obvykle výrobce pyšní počtem přijímaných systémů, počtem frekvencí a někdy i sledovacích kanálů. Informace o výrobci GNSS čipu však často chybí. Podíváme-li se na již zmíněná zařízení z pohledu použitých součástek, zjistíme, že mobilní telefony většínou obsahují čipy firmy Qualcomm, která staví na technologii akvizicí získané firmy SiRF. GPS logger GNS 2000 používá čip Mediatek MTK 3333 a Transystem GL-770 obsahuje Qualcomm SiRFstar V 5e. V Trimble TDC600 se skrývá u-blox NEO-M8T, což je stejný modul, který lze pořídit na destičce s anténou v obchodech se součástkami pro drony.

Jak bych rád vypíchl nějakou jistou volbu pro nákup zařízení tak levného jako GLO, nemám jasného favorita. Na druhou stranu, dnešní přijímače jsou schopny daleko vyšší přesnosti a vzhledem k ušetřené práci v lese stojí za to přehodnotit poměr ceny a kvality. Podle měření, která provedl Asko Määttä, a sdílel ve facebookové skupině Orienteering Mappers Int., před Garmin GLO se, co do přesnosti, již dostalo mnoho jiných přístrojů.

Obrázek 3: Tabulka sestavená Asko Määttä podle vlastních měření. Garmin GLO (zvýrazněný modře) nestojí na čele přesnosti měření a v testu se před něj dostal i mobilní telefon Nokia 6.2. Původní příspěvek je na https://www.facebook.com/groups/485564718218028/permalink/2604736929634119/

Na závěr bych rád změnil analyticko-destruktivní směr svého příspěvku a načrtnul, co podle mě může mapař udělat pro úspěšné využití nových trendů ve svojí práci. Vidím následující možnosti:

1) Nechci moc investovat do elektroniky a nevadí mi amatérské řešení. Nákup modulu antény s u-blox NEO M8N u francouzského Droteku je řešením. Cena i s poštovným do tisíce korun. Po nakonfigurování podle návodu přijímá tři zvolené konstelace. Modul lze přímo připojit USB kabelem k tabletu s Windows a používat s OCADem. Použití s Androidem a OO Mapperem není vyzkoušené.

2) Nechci moc investovat, ale jsem kutil a umím pájet. Podle návodu na GitHubu (viz odkaz v tabulce níže) lze za cca 2500 Kč sestavit přijímač s Bluetooth. Funguje s OO Mapperem na Androidu i OCADem na Windows, stejně jako jiné přístroje připojitelné přes Bluetooth.

3) Mám hodně peněz a do kvalitního vybavení rád investuji. O výhodách jednotlivých přístrojů podají kvalifikované informace proškolení prodejci. I v tomto případě se, pro úspěšnější hádání co se asi může skrývat za rozličnými marketingovými slovíčky, hodí povšechná znalost principů satelitní navigace.

4) Penězi až tolik nehýřím, ale kvalitní vybavení pro seriózní práce potřebuji. Asi nejsložitější varianta, ale v ceně dvacet až třicet tisíc korun lze najít profesionální zařízení, včetně uživatelské podpory ze strany výrobce. Zajímavé mi přijdou výrobky německé firmy Optimal System. Viz tabulka níže.

5) Přesnost mě moc nezajímá, polohu si určím z laserscanu a ortofota, případně doměřím laserem. Na  hrubou orientaci stačí v podstatě cokoli dnes dostupného, včetně mobilních telefonů.

Doufám, že se mi podařilo vysvětlit, proč lákavá čísla u parametrů mobilních telefonů samy o sobě nestačí, a uvědomění si, že dobrou anténu a podmínky příjmu nic nenahradí. Pokud dále začnete za jednotlivými přístroji rozlišovat výrobce přijímačů, je můj sen naplněn. Přeji vám mnoho produktivních hodin v lese.

Přehled přijímačů

Italikou jsou uvedeny zastaralé a nedostupné přístroje.

Výrobek Konstelace GNSS příjímač Poznámka Orientační cena s DPH
Garmin GLO GPS, GLONASS Neznámý, pravděpodobně STM Teseo Osvědčený příjímač pro GPS+GLONASS. 2500 Kč
Canmore GT-750 GPS Podle dokumentace Skytraq Venus, v mém příjímači je SiRFstar IV Mnou vlastněný kus se SiRFstar IV  měl v prostém lese stejnou přesnost jako GLO. 1200 Kč
Holux M-1000C GPS MediaTek MT 3329 Můj kus ke konci životnosti vykazoval chybu i stovky metrů. Pro mapování považuji za nepoužitelný. Není v nabídce
GNS 2000 GPS, GLONASS MediaTek MT 3333 Podle dokumentace je MT 3333 schopen příjímat i Galileo a Beidou. 3200 Kč
GNS 2000 Plus Triciever GPS, GLONASS, Galileo Pravděpodobně MediaTek MT 3333 Ve své době vypadal jako první dostupný příjímač s podporou Galileo. Zmizel z nabídky
Transystem GL-770 GPS, GLONASS SiRFstar V 5e Novější generace SiRFstar čipu dává naději na dobrou výkonnost. Voděodolný – IP x3. V ČR nedostupný, na Amazonu za cca 90 USD
Telefon/tablet Trimble TDC600 Volitelná kombinace tří konstelací, kde vždy musí být vybrán GPS u-blox NEO-M8T – jednofrekvenční modul podporující pouze kódová měření  je určený pro příjem přesného času. Oproti levnějším variantám série M8 umožňuje sběr surových dat pro pozdější zpracování. Telefon umožňuje připojení externí antény. 42 500 Kč
Tablet Trimble TDC100 Tři konstelace, vždy GPS Neznámý, podle podporovaných systémů však lze hádat u-blox M8 Telefon umožňuje připojení externí antény. 23 500 Kč
Trimble R1 GPS, GLONASS, Galileo, Beidou Neznámý Odolný jednofrekvenční přijímač s krytím IP-65 72 500 Kč
EOS GNSS – Arrow 100 GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou Neznámý Odolný jednofrekvenční přijímač s krytím IP-67. V dodávce je i externí anténa a čepice s kapsičkou. 79 739 Kč
OptimalSystem GNSS-SPP-LP54-FL-WR-XTR Volitelná kombinace tří konstelací, kde vždy musí být vybrán GPS u-blox NEO-M8N Jendofrekvenční přijímač pro kódová měření ke kterému je potřeba dokoupit externí anténu. Podle dokumentace mimořádně odolné zařízení. Cca 850 EUR i s anténou
Samovýroba podle návodu na GitHub:lpechacek/u-blox-gnss-receiver Volitelná kombinace tří konstelací, kde vždy musí být vybrán GPS u-blox NEO-M8N Nízká cena a možnost plné konfigurovatelnosti je vyvážena faktem, že všechny problémy řešíte sami, počínaje mechanickou konstrukcí a výběrem powerbanky. 75 EUR včetně poštovného + cca 200 Kč powerbanka

 

Další informace (anglicky)

Uvádím zdroje, které má podle mě cenu přečíst jednou pro získání přehledu. Jsou samozřejmě i periodika jako Inside GNSS, specializované diskuzní skupiny a zdroje velmi odborných informací jako Navipedia a mnoho knih. Předpokládám, že vážný zájemce si další informace vyhledá sám.

Přístroje

Příspěvky Asko Määttä ve facebookové skupině Orienteering Mappers Int. kvantifikují přesnost rozličných přístrojů v lese.

OpenStreetMap wiki popisuje mnoho přispívateli používaných přístrojů. Informace je nestrukturovaná a mnoho přístrojů již není k dostání, ale snad může posloužit jako vodítko pro orientaci mezi jednotlivými výrobci.
https://wiki.openstreetmap.org/wiki/Category:GPS_unit

Technologie

Libor Pecháček

Facebooktwitter


Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *