Helymeghatározás műholdakkal

A navigáció és a saját vagy bármely objektum térképi helyzetének klasszikus meghatározása nagy szakértelmet és gyakorlatot igénylő feladat volt. A világóceánokon csillagászati és időmérésekkel navigáltak, a szárazföldeken pedig geodéziai alappontokat és azok hálózatait hozták létre, hogy a helymeghatározás és a térképezés feladatát el tudják végezni. Mindezek rendkívül idő- és költségigényes megoldások voltak, ami mai szemmel visszatekintve nehezen elképzelhető nagyságú és igen tiszteletreméltó feladat volt, hiszen az egyes pontok összelátásának biztosítása érdekében egymástól maximum néhány 10 km-re levő pontokból kellett felépíteni akár egy országos hálózatot. Kontinentális kiterjesztésük, összekötésük korlátozottan volt megvalósítható, az egyes kontinensek geodéziai hálózatait viszont már egyáltalán nem lehetett összekötni és egységesen kezelni.

Ebben hozott forradalmi változást a műholdak megjelenése és különösen az 1980-as évek végétől az amerikai GPS (Global Positioning System) színre lépése, amelyet napjainkban már mindenki ismer és használ.

Hogyan működik a GPS?

A GPS lényegében a klasszikus földi helymeghatározás égi kiterjesztése. A geodézia klasszikus megoldása a háromszögelés, amikor a térképen ismert koordinátájú földfelszíni pontok (pl. magas épület, templomtorony, magányos fa) szögméréseiből ki tudjuk metszeni saját álláspontunkat. Ehhez szükség van térképre, szögmérő eszközökre és szakismeretre. A GPS nagyon leegyszerűsített megközelítésben ezzel teljesen analóg megoldás: a műholdak az ismert pontok (helyzetüket ún. navigációs üzenetben sugározzák), távolságukat pedig meg tudjuk határozni. A távolságmeghatározás nagy (nanoszekundumos) pontosságú időmérésen alapul, a műholdak által kibocsátott kódolt, ismétlődő jelsorozat alapján. Ez a megoldás így nem igényli a földi pontok közötti optikai összelátást, szinte tetszőleges időjárási körülmények között és bármely napszakban végezhető. A térbeli pozíciónk meghatározásához ideális esetben 3 műhold elegendő, helyzetünket az egyes műholdak köré az attól a vevőberendezésünkig mért távolsággal megegyező sugarú gömbök metszéspontjai adják (a két megoldásból az egyik egyértelműen kizárható, hiszen az messze nem a földfelszínre esik). A gyakorlatban háromnál több műhold adatainak a vétele szükséges a helyzetünk és mozgásunk megbízható meghatározása érdekében.

Az amerikai GPS rendszer elvileg 24 (+ 3 tartalék) műholdból áll annak érdekében, hogy bárhol a Föld felszínén (kivéve az Arktiszt és az Antarktiszt) a minimum 4 műhold egyszerre történő vétele megvalósulhasson.

GPS, GNSS, Galileo…

Az 1980-as évek végétől a NAVSTAR GPS volt az első globális műholdas navigációs rendszer, amely bár elsődlegesen a USA haderőinek üzemeltetésében és kiszolgálására épült ki, példátlan sikert hozott a civil gazdaságban is. Történt mindez annak ellenére, hogy a méter alatti pontosságot biztosító jelek csak a hadsereg számára voltak elérhetők, illetve a hadsereg fenntartotta magának azt a jogot, hogy krízishelyzetben korlátozza a jelszolgáltatást.

Az USA után az akkor még szovjet hadsereg is fontosnak tartotta egy saját navigációs műholdrendszer, a GLONASS kiépítését. A fő különbség az egyes holdak jeleinek megkülönböztetésében van, mert míg a NAVSTAR GPS esetében minden műhold ugyanazon a frekvencián adja a jeleit, csak a kódolásuk más, addig a GLONASS esetében az egyes holdak kismértékben eltérő frekvencián sugároznak.

Természetesen mindegyik nagyhatalom követte a példát, ma már saját globális rendszere van Kínának (BeiDou) és Európának is (Galileo). Regionális navigációs műholdrendszert alakított ki India (IRNSS vagy NavIC) és Japán (QZSS). A BeiDou, IRNSS és QZSS rendszerek közös vonása, hogy tartalmaznak geostacionáris pályán keringő kiegészítő holdakat. Az európai Galileo rendszer az egyedüli, amely nem katonai kezelésben van, és saját kiegészítő rendszere segítségével bárki számára hozzáférhető, kb. 0,4 m pontosságú jelet is szolgáltat.

A GNSS (Global Navigation Satellite Systems) rövidítés a fenti globális rendszerek összefoglaló elnevezése.

Méter vagy centiméter?

A mobiltelefonok és a járműnavigációs eszközök működése a fenti kódméréses elven alapul, de a GPS-jelek légköri áthaladása miatt, különösen az ionoszféra jelkésleltető hatása és a levegő nedvességtartalmának modellekkel nem leírható változékonysága miatt csak méteres pontosság érhető el. Ha viszont a földfelszínen folyamatosan üzemelő, ún. permanens GNSS-állomások hálózatának adatait állandóan elemezzük, akkor ezek az aktuális hatások meghatározhatók, és helymeghatározási korrekcióként mobil interneten vagy akár geostacionárius műholdak segítségével eljuttathatók a terepen méréseket végzőknek, akik így valós időben centiméter-pontosságú eredményeket kaphatnak. A centiméteres pontosság eléréséhez azonban már nemcsak a kódolt, méteres ismétlődő szekvenciákat tartalmazó jelsorozatot kell észlelni, hanem a kibocsátott jelsorozat vivőhullámának fázisát, illetve annak változását is.

Ilyen megoldással működik a KGO GNSS Szolgáltató Központja is (www.gnssnet.hu) Pencen, ahol a hazai 35 GNSS-állomás adataiból másodperces felbontásban állítanak elő és továbbítanak mobil interneten korrekciós adatokat a rendszer 2000 felhasználója számára. A centiméteres pontosságú helymeghatározás elsődleges felhasználói a földmérési vállalkozások és a precíziós mezőgazdálkodók, akik rábízva gépeik vezérlését a műholdas rendszerre, könnyebben, nagyobb hatékonysággal dolgozhatnak.

A GNSS hatékony alkalmazásának van még egy kritikus pontja: a műholdak által definiált koordináta-rendszer egy matematikai, a Föld tömegközéppontjában elhelyezett térbeli derékszögű koordináta–rendszer, amelyből a meghatározott X, Y, Z koordinátákat át kell transzformálni a térképezésben használt, a Föld felszínét síkra leképező koordináta-rendszerbe, Magyarországon az Egységes Országos Vetületbe (EOV). Hazai viszonylatban az ehhez szükséges eljárást és adatbázist is a KGO munkatársai dolgozták ki.

A GNSS geodéziai alkalmazhatóságának kulcsa a többszintű földi referenciahálózatok fenntartása, amelyek felhasználásával a GNSS-műholdpályák, a jelterjedés hibahatásai modellezhetők. A nagy pontosságú GNSS tehát minden esetben relatív technika.

Hogyan „szintezzünk” GNSS-szel?

A szintezés a tengerszint feletti magasságok klasszikus geodéziai meghatározásának precíz, de időigényes eljárása. A GNSS hatékony, bár egyelőre csak 1-3 cm pontos alternatívát kínál. Alkalmazhatóságához feltétlenül szükséges a geoid nagy pontosságú ismerete. A geoid, a Föld fizikai alakja egy „krumpli”, amelyet az óceánok felszíne reprezentál, a szárazföldek területén pedig gravitációs adatok felhasználásával határozzák meg. A geocentrikus rendszerben meghatározott GNSS-koordinátákat a geoid segítségével lehet az adott magassági rendszerbe (EOMA) transzformálni, Magyarországon ezt a KGO által fejlesztett VITEL2014 megoldás nyújtja.

Kenyeres Ambrus, Magyar Bálint