Kaj je GNSS, kako deluje in zakaj ga uporabljamo?
1. KAJ JE GNSS?
Globalni navigacijski satelitski sistem (GNSS) je splošen izraz za vsako satelitsko konstelacijo, ki zagotavlja storitve določanja položaja, navigacije in časa na globalni ali regionalni ravni. GNSS naprave se v sodobnem svetu uporabljajo praktično na vseh področjih. Naj bo to beleženje poti športnih aktivnosti, uporaba navigacije v avtomobilu, letalstvu, morskem prometu, sledenje, zasledovanje, geodetske izmere in še več.
2. KAKO DELUJE GNSS?
Delovanje GNSS naprav je dodobra zapleteno. Da bi razumeli, kako delujejo, jih moramo razdeliti na vsaj 3 sklope in razumeti osnovne principe delovanja vsakega od njih.
2.1. Vesoljski segment
Nanaša se na satelite v Zemljini orbiti, ki so bili utirjeni iz strani spodaj navedenih držav. Satelitska konstelacija je razporejena v enakomerno razmaknjene orbitalne ravnine, z najmanj štirimi sateliti v vsaki ravnini. Ta razporeditev zagotavlja, da so najmanj štirje sateliti vidni vsaj 15° nad Zemljinim obzorjem v skoraj vsakem trenutku, s katere koli točke na planetu, čeprav jih je v resnici več.
Kljub temu, da se sateliti razlikujejo po starosti in zasnovi, njihovo načelo delovanja ostaja enako. Vsak satelit vsebuje štiri zelo natančne ure z osnovno frekvenco 10,23 MHz, ki nenehno oddajajo dva nosilna valova v L-pasu, ki potujeta nazaj na Zemljo s svetlobno hitrostjo. Ta nosilna valova se imenujeta L1 in L2. Nosilni valovi so pomembni, saj prinašajo informacije iz satelita nazaj na Zemljo, in prav te informacije omogočajo našemu GNSS sprejemniku, da ugotovi, kje se nahajamo (GPS.GOV, 2022)
2.2. Kontrolni segment
Kontrolni segment se nanaša na številne Zemeljske postaje, ki se nahajajo po vsem svetu in se uporabljajo za sledenje, nadzor in pošiljanje informacij vsakemu od GNSS satelitov. To je pomembna vloga, saj je ključnega pomena, da so ure v vsakem satelitu sinhronizirane. Celoten sistem je namreč odvisen od časa (ang. Timing).
Tudi informacije o orbiti, ki se posredujejo vsakemu satelitu, so ključnega pomena, saj jih potrebujemo, da ugotovimo, kje je bil satelit, ko so bile informacije poslane. Vse informacije se posredujejo satelitom in se prenesejo v vaš GNSS sprejemnik v navigacijskem sporočilu L1 nosilnega valovanja (GPS.GOV, 2022)
2.3. Segment uporabnikov
Segment uporabnikov je del, ki zanima večino ljudi. Ta segment vključuje vse v povezavi z GNSS sprejemnikom: satelitske navigacije, mobilni telefoni, brezpilotni zrakoplovi, organe pregona in podobno. Kako torej deluje?
Kot smo že pisali, obstaja konstelacija satelitov, ki krožijo nad nami in pošiljajo stalen tok informacij nazaj na Zemljo s svetlobno hitrostjo. Razumevanje, kako to pomaga natančno določiti našo lokacijo, je precej zapleteno, vendar temelji na postopku, imenovanem trilateracija (GPS.GOV, 2022).
Spremeniti bi morali tudi običajno napačno prepričanje. V nobenem trenutku sprejemnik GNSS v vaši satelitski navigaciji ali telefonu ne pošlje nobenih informacij do satelitov. Sprejemniki, ki jih uporabljamo danes, so popolnoma pasivni – informacije le sprejemajo in jih ne oddajajo. Le Evropski sistem Galileo ima nekoliko drugačne sprejemnike, saj je na voljo funkcija za nujne primere, ki ob aktivaciji pošilja informacije, vendar to ne velja za splošno uporabo.
Poenostavljeno razloženo, sprejemnik GNSS sprejema signale od satelitov in ugotavlja, kje se nahaja. Ko pozna svoj položaj, pošlje te informacije s pomočjo nekega drugega sistema, na primer s podatkovno povezavo GSM, nazaj na specfično nadzorno postajo (GPS.GOV, 2022).
2.4. VRSTE GNSS SISTEMOV
BeiDou Navigation Sattelite System (BDS)
BeiDou ali BDS je globalni GNSS v lasti in upravljanju Ljudske republike Kitajske. BDS je bil uradno zagnan leta 2020. Operativni sistem je sestavljen iz 35 satelitov. BDS se je prej imenoval Compass.
Galileo
Galileo je globalni GNSS v lasti in upravljanju Evropske unije. EU je razglasila začetek storitev Galileo leta 2016 in je do leta 2021 vzpostavila sistem več kot 24 satelitov (GPS.GOV, 2022).
GLONASS
GLONASS ( Globalnaya Navigazionnaya Sputnikovaya Sistema ali Globalni navigacijski satelitski sistem) je globalni GNSS v lasti in upravljanju Ruske federacije. Popolnoma delujoč sistem je sestavljen iz 24+ satelitov (GPS.GOV, 2022).
Indian Regional Navigation Satellite System (IRNSS) / Navigation Indian Constellation (NavIC)
IRNSS je regionalni GNSS v lasti in upravljanju indijske vlade. IRNSS je avtonomni sistem, zasnovan za pokrivanje indijske regije in 1500 km pasu okoli indijske celine. Sistem je sestavljen iz 7 satelitov. Indija je leta 2016 IRNSS preimenovala v Navigacijsko indijsko ozvezdje (NavIC), kar pomeni "mornar" ali "navigator" (GPS.GOV, 2022).
Quasi-Zenith Satellite System (QZSS)
QZSS je regionalni GNSS v lasti japonske vlade in ga upravlja QZS System Service Inc. (QSS). QZSS dopolnjuje GPS za izboljšanje pokritosti v Vzhodni Aziji in Oceaniji. Japonska je uradni začetek storitev QZSS razglasila leta 2018 s 4 operativnimi sateliti in načrtuje razširitev konstelacije na 7 satelitov do leta 2023 zaradi avtonomne zmogljivosti (GPS.GOV, 2022).
GPS
Globalni sistem za določanje položaja (GPS), prvotno Navstar GPS, je satelitski radio-navigacijski sistem, ki je v lasti vlade ZDA in ga upravljajo vesoljske sile ZDA. Je eden od globalnih navigacijskih satelitskih sistemov (GNSS), ki zagotavlja geolokacijske in časovne informacije GNSS sprejemniku kjerkoli na Zemlji ali blizu nje, kjer je neoviran pogled na štiri ali več satelitov GPS. Projekt GPS je leta 1973 začelo ministrstvo za obrambo ZDA. Sistem sestavlja več kot 24 satelitov (GPS.GOV, 2022).
3. ZAKAJ UPORABLJAMO GNSS?
Pri Preciznih vinogradih prvotno uporabljamo geodetski GNSS sprejemnik za izboljšanje absolutne in relativne natančnosti izdelanih analiz in modelov. Natančnost GNSS sprejemnika, ki je vgrajen v samem brezpilotnem zrakoplovu, je relativno nizka. Po proizvajalčevih navodilih znaša do +- 1,5 m v horizontalni in +- 0,5 m v vertikalni smeri. Z uporabo geodetskega GNSS sprejemnika in metode Zemeljskih kontrolnih točk (ang. Ground Control Points – GCP) se absolutna in relativna natančnost povečata na nekaj centimetrov.
Pri uporabi geodetskega GNSS sprejemnika uporabljamo RTK metodo izmere (ang. Real-Time Kinematic positioning) z namenom doseganja centimetrske natančnosti. Slednja temelji na prejemanju popravkov položaja v realnem času iz 16 stalnih postaj, ki so po slovenskem ozemlju pretežno enakomerno razporejene. Poleg tega se za izboljšanje natančnosti položaja uporabljajo tudi GNSS postaje iz sosednjih držav (Avstrije, Madžarske in Hrvaške). Za namen relativno stalne dostopnosti RTK metode izmere so razdalje med stalnimi GNSS postajami nižje od 70 km. Stalne GNSS postaje delujejo 24 ur na dan in 365 dni v letu. Njihovo delovanje spremlja nadzorni center v Ljubljani (GURS, 2022).
Prejemanje popravkov položaja se lahko vrši na različne načine. Zelo pogost način, ki ga uporabljamo tudi pri Preciznih vinogradih, je uporaba NTRIP strežnika (ang. Networked Transport of RTCM via Internet Protocol), ki omogoča izmenjavo podatkov o času in posledično lokaciji med našim sprejemnikom (ang. Rover) in najbližji stalni GNSS postaji (ang. Base). Izmenjava podatkov poteka preko SIM kartice (3.5 G omrežje), ki je vgrajena v našem geodetskem GNSS sprejemniku. Na ta način dosežemo natančnost izmere vse do enega centimetra.
Slika 1: Lokacijska razporeditev stalnih GNSS postaj Omrežja signal, ki ga operira GURS
