Analýza dostupností signálů GPS s ohledem na konfiguraci terénu

1. Analýza dostupností signálů GPS s ohledem na konfiguraci terénu Analýza současných standardů formátu pro GPS, návrh algoritmu pro analýzu viditelnosti David VOJTEK VSB-TU Ostrava HGFdave_ostrava@hotmail.com

2. Úvod do problematiky • Systém GPS byl vytvořen pro účely navigace armádou USA • Navigaci zajišťuje síť 24 družic • K zjištění přesné polohy je nutná přímá viditelnost (oblohy) min. 4 družic a jejích vhodná konstelace • Hustá zástavba nebo lesní porost může viditelnost snížit. • Projekt má poskytnout nástroje pro předpověď dostupnosti signálů GPS s využitím DMR • Naplánovat měření či cestu rizikového nákladu.

3. Co bylo předcházelo? • Toto téma bylo řešeno již v rámci stejnojmenné Diplomové práce • Cílem této práce bylo vytvořit mapu dostupnosti signálů GPS pro zájmové území a libovolný čase • Projekt se stal podkladem pro doktorandskou práci a poukázal na oblasti, kterým by se měla, mimo jiné, věnovat pozornost v rámci řešení doktorandské práce

4. Cíle projektu 1 • Aplikace, která umožní vyhodnotit dostupnost signálů, kontinuitu signálů, DOP pro systém GPS (popřípadě GLONASS) a to libovolné části DMR ve vybrané oblasti • Výstupy: • Mapa dostupností signálů • Mapa kontinuity signálů • Mapa DOP

5. Cíle projektu 2 • Na základě splnění Cílů projektu 1 vytvořit postup pro: • plánování měřičské kampaně v zastavěné oblasti • zhodnocení dostupností signálů pro potřeby sledování kritických nákladů

6. Plán řešení • Analýzy viditelnosti (počítačová grafika) • Stanovení polohy družic, výpočet DOP • DMR (typy, požívané standardy a formáty) • Transformace souřadných systémů (S-JTSK WGS-84 S-42 PZ-90) • Plánování měřičských kampaní a sledování trasy kritických nákladů

7. Co se právě řeší? • Analýza viditelnosti • Výpočty polohy družic GPS • DMR

8. Analýzy viditelnosti

9. Analýza viditelnosti • Úlohy analýzami viditelností se zabývá obor počítačová grafika • Počítačová grafika rozlišuje dva typy algoritmu pro řešení viditelnosti: • Obrazově orientované algoritmy • Objektově orientované algoritmy

10. Obrazově orientované algoritmy • Pracuji s rastry, určí pro každý pixel obrazovky, který objekt lze v něm vidět (ten který je mu nejblíž) • Výpočetní složitost n*p • Pracují s promítnutými a poté rasterizovanýmí objekty • Obrazové algoritmy jsou méně citlivé na chyby • Nevýhodou je pevný rozměr výsledného rastru • Neznámější algoritmem je Z-Buffer

11. Objektově orientované algoritmy • Pracují s objekty (stěny, hrany) a porovnávají jejich vzájemnou viditelnost. • Jejich výpočetní náročnost je n2 • Výsledkem bývá seznam viditelných a neviditelných hran • Bývají citlivé na chyby • Zástupcem těchto algoritmu je Robertsův algoritmus

12. Viditelnost v GIS • Programové prostředky pro GIS řeší 2 typy úloh analýzy viditelnosti • Viditelnosti na paprsku (line of sign) • Viditelnost oblasti z místa (viewshed) • Byl proveden test těchto nástrojů u produktů: • ARC/INFO 8.1, ArcView 3.2 GIS • IDRISI 32 • ERDAS IMAGINE Profesional 8.4 • Všechny testované programy pracovaly při analýze viditelnosti s DMR reprezentovaným GRIDEM

13. DMT ERDAS IDRISI ESRI Ukázka výsledků testů Výstupy ArcView 3.2. GIS

14. Výsledky testů

15. Kde se poděl algoritmus použitý v Diplomové práci? • Algoritmus byl alespoň podroben úpravě podle požadavků které jsou kladeny na algoritmy počítačové grafiky: • méně výpočetních operací • používaní celočíselných operací • převedení scény obecná 3D soustava > 3D soustava orientována do XY • Pracuje s rastrem

16. GPS

17. Poloha družic GPS • Polohu družic lze vypočíst na základě vztahů uvedených dokumentu IDC-200e (Interface Document Control) vydaném ARCIN • ARCIN Incorporation je hlavním dodavatelem kontrolního rozhraní pro JPO (Join Program Office)

18. Výměnné formáty dat GPS • Zdrojem pro načtení dat o oběžných drahách družic jsou almanachy a efemeridy • Standardy obsahující data oběžných drah: • NMEA 0183 • RINEX (GPS nebo GLONASS efemeridy) • SEM (almanach) • YUMA (almanach) • SP3 (efemeridy) • Výrobci GPS přijímačů používají vlastní komunikační protokoly

19. Test GPS • Byl proveden test dostupnosti signálů GPS v zastavěné oblasti a v zalesněném terénu. • Prokázal že v zastavěné oblasti, dochází ke ztrátě signálů • Test také ukázal také na velký vliv vysoké hodnoty koeficientu DOP • Jestli dojde ke ztrátě signálu, to závisí na typu přístroje (TRIMBLE PathFinder PRO-XL, GARMIN )

20. Zhodnocení

21. Co by mělo být vyřešeno ? • Způsoby načítání dat o oběžných drahách družic GPS a rozšířit postup o družice systému GLONASS, ze všech hlavních formátů a ověřit správnost výpočtu • Vytvořit implementovat alespoň jeden z algoritmů počítačové grafiky (obrazově orientovaný) • Dokončit úpravu algoritmu použitého v rámci diplomové práce. • Provést testy práce obou časové náročnosti a správnosti výpočtu a srovnat s komerčně používanými produkty GIS.

22. Co se bude řešit dále ? • Zjistit používané standardy pro DMR (DMT) • Další postup bude věnována analýzám datových modelů pro DMR (DMT) v běžně používaných GISech • Rozhodnutí zdali bude využíván datový model typu GRID, nebo TIN • Studie transformací souřadných systémů S-JTSK, WGS-84, S-42, PZ-90

23. Konec

30. Závěry diplomové práce • Pro DMR byl použit datový typ GRID • Generalizovány tvary střech • Nebyla zahrnuta vegetace • Algoritmus pro stanovení viditelnosti družic GPS je funkční, ale neefektivní • V mapě dostupnosti nebyly zahrnuty koeficienty DOP (Dilution of Precision) • Bylo nalezeno mnoho formátů vstupních dat pro určení polohy družic GPS (nevyužito)