Testovanie kvality a presnosti GPS aparatúry TOPCON

V predchádzajúcom článku "Horúca novinka - GPS" (Enviromagazín č. 3) som Vás informoval o základoch tohto moderného navigačného systému. Cieľom tohto druhého článku budú praktické skúsenosti pri testovaní a použitie pri prvých aplikáciách.

Na úvod by som ešte raz zopakoval základné údaje o GPS prijímači, ktorý mám k dispozícii. V roku 1996 zakúpila SAŽP dva kusy GPS prijímačov americkej firmy TOPCON značky TURBO-G1. Tento prístroj bol absolútnou novinkou vo svojej triede - ručných GPS prijímačov. Na trh bol dodaný v máji 1996. Ide o jednofrekvenčný, osemkanálový prijímač s presnosťou 1-5 m v móde DGPS. Týchto 8 kanálov je úplne nezávislých a paralelných, čo znamená, že v každom kanáli môžete prijímať údaje s jedného satelitu. Ďalšou výhodou je možnosť pripojenia neobmedzeného počtu atribútov k meraným údajom. To znamená, že ku každému meranému objektu v teréne môžete pridať ľubovolný komentár a tak ho popísať, čo je využiteľné hlavne pri zbere údajov pre GIS aplikácie. Prístroj má aj dosť veľkú pamäťovú kapacitu - 1MB, ktorá sa dá zvýšiť až na 4 MB. Z vlastnej skúsenosti môžem potvrdiť, že 1 MB pamäťový modul pre prácu v teréne úplne vyhovuje, postačí Vám aj na niekoľkodňové meranie, bez toho aby ste namerané dáta museli z prijímača premiestňovať na iné médium. Dáta sú v pamäti zálohované aj po vypnutí prijímača, takže sa nemusíte obávať o ne. Prístroj má k dispozícii dosť slušný display, na ktorom môžete sledovať svoju momentálnu polohu, efektné je to najmä pri meraní trajektórie (dráhy), keď si môžete zväčšiť alebo zmenšiť jednotlivé elementy dráhy. Prístroj je vhodne uspôsobený na prácu v teréne svojou veľkosťou a tvarom. Dá sa ovládať aj jednou rukou, čo je výhodné najmä vtedy keď v druhej ruke musíte držať výtyčku s anténou. Prístroj je napájaný nabíjateľnou celulárnou batériou, ktorá vydrží 4 hodiny nepretržitého chodu. V štandardnej výbave je k dispozícii adaptér na 220 V a po zapojení prijímača sa batéria začne automaticky nabíjať. Bežná doba nabíjania batérie je 8 hodín. Z práce v teréne som zistil, že batéria bežne vydrží celý deň, ak je meranie prerušované - to znamená, že po meraní prístroj vypnem, premiestnim sa na iné miesto a tam opäť prístroj zapnem. Pre istotu mávam pri terénnych prácach aj náhradné batérie.

Po obdržaní kompletnej výbavy GPS prijímačov som pristúpil k testovaniu aparatúry. V predchádzajúcom článku som popisoval metódu merania známu ako DGPS, ktorej podstatou je meranie na dvoch miestach. A to na tzv. referenčnej stanici a na mobilnej stanici (to je stanica v teréne na miestach, ktorých súradnice chceme zistiť). Základom, od ktorého sa odvíja presnosť celého merania je presnosť určenia polohy referenčnej stanice. Naša referenčná stanica bola zriadená na streche našej agentúry na Tajovského ulici, ktorá má veľmi výhodnú polohu, lebo je na vyvýšenom mieste nad mestom, kde je dobrá možnosť prijímania signálov z GPS družíc. Ďalšou najväčšou výhodou je samotná poloha referenčného bodu v Banskej Bystrici, ktorá je približne v strede Slovenska, čo nám umožňuje rovnako presné merania na východnom a západnom Slovensku. Pri zachovaní presnosti merania do 5m je okruh pôsobnosti tejto stanice 500 km, čo pre pokrytie územia celého Slovenska je postačujúce. Dôležitým parametrom pri DGPS je presnosť vstupných súradníc a preto sme si dali polohu referenčného bodu zmerať klasickými geodetickými metódami s presnosťou cca. 10 cm.

S takto pripraveným referenčným bodom sme mohli pristúpiť k testovaniu presnosti a k určeniu optimálneho spôsobu merania v teréne. S manuálov sme zistili, že na presnosť merania má okrem samotnej presnosti vplyv aj vzdialenosť meraného bodu od referenčného bodu, ktorá sa s narastajúcou vzdialenosťou zmenšuje a to s mierou nepresnosti 1m na 100 km. Tento fakt sa mi pri mojich testoch nepotvrdil ako vidno s priloženej tabuľky. Takisto z nej vidno, že som nezistil žiadnu závislosť presnosti od počtu meraní (50,100,200 meraní). Ako presné veličiny som bral do úvahy súradnice trigonometrických bodov, ktorých garantovaná presnosť je max. 4 cm a ktoré sú v teréne jasne stabilizované kameňmi (20x20 alebo 16x16 cm) a teda som na nich mohol urobiť testovacie meranie priamo v teréne s istotou presnej lokalizácie. Predmetom mášho testovania boli okrem bodových meraní aj meranie trajektórií alebo čiar a ich presnosť. Za týmto účelom som zmeral turistickú trasu na Vihorlate, ktorý je cca 220 km od referenčného bodu. Z obrázku vidno, že v mierke 1: 25 000 meraná trajektória sleduje celkom dobre skutočnú chrbátnicu smerom na Sninský kameň.

Z vykonaných testov som okrem výsledkov dospel k rôznym skúsenostiam pri meraní s GPS prijímačom v teréne. Napr. pôvodne som si myslel, že nebude možné meranie v lese pod stromami. Meranie mi ukázalo, že je to možné a, že faktorom ovplyvňujúcim možnosť merania nie je ani tak hustota lesného porastu ako celková konfigurácia terénu. To znamená, že ak sme v hustom lese napr. na úpätí svahu tak je možné merať, ale ak sme v hlbokej doline obklopení strmými svahmi už nie je možný príjem signálu. Je to dané možnosťou prechodu GPS signálov cez lesný porast, zatiaľ, čo cez pôdny kryt alebo takisto aj cez domy v mestách sa sign ly odrážajú a tým pádom nedosiahnu prijímač. Takisto som zistil, že oveľa lepší príjem dosiahneme ak anténu upevníme na nejakú vyššiu výtyčku alebo latu. Za týmto účelom bola zakúpená 5m teleskopická hliníková nivelačná lata s cm delením, ktorá my umožní odčítať výšku signálu a potom následne opraviť celkovú výšku bodu. Čo sa týka výšok potvrdila sa presnosť garantovaná výrobcom, ktorá je 2-3x horšia ako polohová presnosť, teda 10-15 m, pričom pri meraní v zalesnenom teréne je táto nepresnosť ešte vyššia, čo je dané čiastočným odrazom signálov od korún stromov, pričom ale polohová presnosť je zachovaná ako to vidno aj s tabuľky nameraných hodnôt pri trig. bode v sedle Šturec, ktorý bol pod stromami, ale celkovo bol na hrebeni pohoria. Ďalšou veľmi užitočnou skúsenosťou bolo to, že v prípade absencie dostatočného počtu satelitov (min. 4) na meranom bode, som zo zapnutým prijímačom podišiel na miesto s lepším výskytom satelitov, ktoré som tam ako keby "nalovil" do svojho prijímača a potom som sa zo zapnutým prˇstrojom vrátil na pôvodné miesto a tie "nalovené" satelity tam z veľkej časti aj ostali a mohol som spustiť meranie. Okrem toho sa dá na prístroji nastaviť možnosť plynulého prechodu z 3D (kvalitnejšie meranie) na 2D (menej kvalitné meranie) bez prerušenia merania, čo je praktické hlavne v miestach s nedostatočným počtom satelitov.

V nemalej miere má vplyv aj presnosť transformácie výsledných súradníc z WGS 84 (súradnicový systém používaný celosvetovo v GPS technológiách) do súradnicových systémov používaných na Slovensku (JTSK v civilnom sektore a S42 pri vojenskom mapovom diele).

Celkovo by som mohol zhrnúť výsledky testov tak, že sa nepotvrdili predpokladané teórie o závislosti vzdialenosti a počtu meraní na presnosť nameraných súradníc. Podľa môjho názoru na presnosť nameraných súradníc má najväčší vplyv celková konštalácia (rozmiestnenie) satelitov na oblohe v čase merania a takisto aj množstvo satelitov. Týmto by som chcel vyzvať aj čitateľov, ktorí sa zaoberajú GPS technológiami, aby sa na nás kontaktovali a vymenili si skúsenosti s tejto novej oblasti. Za týmto účelom sme zriadili na serveri SAŽP diskusnú skupinu gps-l@sazp.sk, do ktorej všetkých záujemcov pozývam sa pripojiť, aby sme si tak navzájom vedeli pomôcť a informovať sa. Prihlásiť sa môžu takisto aj ľudia, ktorí majú záujem o GPS alebo majú nápad ako využiť GPS technológiu v rôznych vedných odboroch.

Testovanie GPS prijímačov ukázalo, že je možné aj v našich podmienkach účinne používať túto pokrokovú technológiu na určenie polohy rôznych javov alebo objektov v teréne. Možnosti použitia sú veľmi široké a technológia GPS sa uplatní všade tam, kde je potrebné zistiť polohu. Napr. pri zameraní lokalít výskytu fauny, flóry, čističiek odpadových vôd, divokých aj legálnych skládok, miest merania znečisťujúcich látok a pod.

Tým, že SAŽP má vybudovanú funkčnú referenčnú stanicu, ktorej merania môžeme ponúknuť na postprocessing záujemcom, ktorým stačí investovať už len do mobilnej aparatúry (ktorej cena je v tejto triede okolo 125 000 Sk). Týmto získajú trvalý zdroj meraných údajov pre svoje účely a zvýšia kvalitu svojich výsledných produktov.

Ukážka merania trajektórie (dráhy)

Porovnanie turistickej trasy v okolí Starého Smokovca /Vysoké Tatry/ s GPS trasou meranou v teréne

Autor:zeman@sun.sazp.sk