SKPOS®

BeiDou tretej generácie (BeiDou-3)

Slovenská priestorová observačná služba od svojho vzniku v roku 2006 poskytovala korekcie pre družicové systémy GPS a GLONASS. Neskôr, v roku 2018, bola služba rozšírená o európsky systém Galileo a čínsky systém BeiDou. A práve posledný menovaný prešiel za posledné roky najväčším technologickým vývojom, keď bol v roku 2020 doplnený o úplne novú architektúru družíc BeiDou tretej generácie (BeiDou-3).

V priebehu rokov 2022 - 2024 boli na referenčných staniciach SKPOS vymenené prijímače a niekoľkokrát bol vykonaný upgrade riadiaceho softvéru SKPOS. Po týchto zmenách bolo dňa 13.5.2024 spustené poskytovanie korekcií z družíc BeiDou-3 na mountpointoch:

• SKPOS_CM_32
• SKPOS_CM_32_MSM7
• SKPOS_CM_CMRx

Družicový systém BeiDou je nezávisle vyvinutý a prevádzkovaný čínskou vládou a predstavuje dôležitú infraštruktúru, ktorá pôvodne poskytovala svoje služby len používateľom v Číne a okolitých regiónoch, no postupným vývojom a vylepšovaním sa však jej pokrytie rozšírilo na globálnu úroveň. V súčasnosti už po celom svete poskytuje služby presného určovania polohy, navigácie a času. BeiDou-3 vysiela signály na piatich rôznych frekvenciách, ktoré sú kompatibilné so signálmi ostatných GNSS, ako sú GPS, GLONASS a Galileo. Tým sa zabezpečuje, že zariadenia kompatibilné s akýmkoľvek z týchto systémov môžu prijímať aj signály systému BeiDou-3. Medzi BeiDou-3 signály patria dva staršie signály, označované ako B1I a B3I, ktoré boli využívané v predchádzajúcom regionálnom systéme BeiDou-2, a tri nové signály označované ako B1C, B2a a B2b. Nové signály zdieľajú strednú frekvenciu so signálmi systémov GPS (signály L) a Galileo (signály E). Signál B1C je kompatibilný so signálmi L1 a E1, signál B2a je kompatibilný so signálmi L5 a E5a, a signál B2b je kompatibilný so signálmi L5 a E5b.

Výhody systému BeiDou-3:

• Väčší počet družíc: s väčším počtom družíc vo svojej konštelácii zaisťuje systém BeiDou-3 lepšie pokrytie a dostupnosť, čím sa zvyšuje spoľahlivosť a presnosť služieb určovania polohy a navigácie.
• Nižšie hodnoty PDOP: hodnoty PDOP definujú geometriu polohy družíc vzhľadom k prijímaču. Nižšie hodnoty PDOP znamenajú lepšiu geometriu družíc, čo vedie k vyššej presnosti pri určovaní polohy.
• Stabilnejšie fixné riešenie v zhoršených podmienkach merania ako sú zákryty horizontu: systém BeiDou-3 poskytuje stabilnejšie a spoľahlivejšie riešenia určovania polohy, najmä v prostrediach, kde je obloha čiastočne zakrytá prekážkami, ako sú budovy alebo stromy.

Nevýhody systému BeiDou-3:

• Väčší objem prenesených údajov: môže spôsobovať problémy pri nestabilnom internetovom spojení.
• Zanedbateľne zvýšený inicializačný čas: systému trvá inicializácia o niečo dlhšie kvôli väčšiemu množstvu údajov.

Test prínosu systému BeiDou-3 v SKPOS

Geodetický a kartografický ústav Bratislava sa, ako správca služby, rozhodol pred spustením poskytovania korekcií z družíc BeiDou-3 otestovať ich prínos a spoľahlivosť pre geodetické merania. Boli vykonané dva druhy testov a to test na bodoch Štátnej priestorovej siete a 24-hodinové kontinuálne meranie.

Cieľom prvého testu bolo porovnanie dostupnosti signálu systému BeiDou-3 a porovnanie presnosti určovania priestorovej polohy v rozličných podmienkach merania. Testovacie meranie bolo vykonané na bodoch Štátnej priestorovej siete (ŠPS) triedy C v západnej časti Slovenska. Testovacie merania boli úmyselne situované do oblastí s rôznou vzdialenosťou od najbližšej referenčnej stanice SKPOS, v odlišných nadmorských výškach a do rôznych podmienok merania ako zákryt horizontu. Merania boli vykonané spolu na 30 bodoch ŠPS.

Body ŠPS na ktorých bolo vykonané meranie

Všetky merania boli vykonávané podľa Smernice na vykonávanie geodetických meraní prostredníctvom SKPOS. Na každom bode ŠPS boli vykonané dve merania bez využitia družíc BeiDou-3 a dve merania s využitím družíc BeiDou-3. Merania boli vykonané s časovým odstupom 20 minút, s dĺžkou observácie 2 minúty a intervalom záznamu každú sekundu. V oboch prípadoch sa prijímali korekcie vo formáte RTCM 3.4 MSM5. Prvé meranie obsahovalo údaje z družicových systémov GPS, GLONASS, Galileo a BeiDou-2, pri druhom meraní už navyše obsahovalo aj údaje BeiDou-3. Meranie bolo vykonávané za ideálnych, ale aj za veľmi náročných podmienok, napr. na bodoch so zákrytmi spôsobenými vyššou vegetáciou. Porovnanie výsledkov všetkých vykonaných testovacích meraní na bodoch ŠPS sa nachádza v tabuľke nižšie.

Testovanie preukázalo, že s využitím družicového systému BeiDou-3 dosiahneme v priemere o 7 fixovaných družíc viac, keď priemerný počet fixovaných družíc sa zvýšil z 23 na 30. Vzhľadom na zvýšený počet fixovaných družíc sa predĺžil aj inicializačný čas, priemerne o 1 sekundu.

Pri analýze priestorových súradníc jednotlivých bodov ŠPS bolo zistené, že merania s využitím systému BeiDou-3 dosahujú menšie odchýlky voči referenčným súradniciam bodov ŠPS. Avšak vzhľadom na minimálny rozdiel odchýlok je možné usúdiť, že využitie systému BeiDou-3 neprináša výrazné zlepšenie presnosti pri určovaní priestorovej polohy.

Druhý test bol zameraný na porovnanie kvalitatívnych parametrov počas kontinuálneho 24-hodinového RTN merania bez využitia systému BeiDou-3 a s využitím systému BeiDou-3. Test pozostával z umiestnenia identických GNSS prijímačov na dve stanoviská vzdialené od seba približne jeden meter. Jeden prijímač nevyužíval počas merania systém BeiDou-3 a druhý áno. Počas 24-hodinového kontinuálneho merania sa porovnával počet fixovaných družíc, parametre DOP a odchýlky od strednej polohy.

Na obrázku nižšie počty reprezentujú len fixované družice, t. j. družice z ktorých sa vypočítava výsledná priestorová poloha. V skutočnosti prijímač prijíma signály z väčšieho počtu družíc, ale nie všetky družice vstupujú do výpočtu priestorovej polohy.

Porovnanie počtu družíc s využitím a bez využitia systému BeiDou-3

Pri porovnaní oboch meraní môžeme vidieť nárast počtu družíc pri využití systému BeiDou-3. Priemerný počet družíc počas celého merania bez využitia systému BeiDou-3 je 23 družíc a pri využití systému BeiDou-3 30 družíc. Na obrázku nižšie je možné vidieť, že priemerný počet družíc systému BeiDou-2 bol 3 družice a systému BeiDou-3 7 družíc.

Počet družíc počas merania

Ďalším kvalitatívnym parametrom vyjadrujúcim kvalitu GNSS merania je faktor zníženia priestorovej polohy (PDOP), ktorý predstavuje numerickú charakteristiku kvality konfigurácie družíc v okamihu merania. Čím je menšia jeho hodnota, tým lepšie je rozmiestnenie družíc a teda možno očakávať kvalitnejšie výsledky merania. Na obrázku nižšie sú zobrazené výsledky dosiahnutých hodnôt PDOP počas 24-hodinového testovacieho merania. Je z neho zrejmé, že hodnoty PDOP sú v priemere o 0,2 nižšie pri využití systému BeiDou-3, ako bez využitia systému BeiDou-3, čo je pravdepodobne spôsobené vyšším počtom použitých družíc.

Porovnanie faktoru zníženia priestorovej presnosti PDOP

Posledným skúmaným kvalitatívnym parametrom boli smerodajné odchýlky súradníc. Pri využití systému BeiDou-3 boli dosiahnuté prakticky rovnaké hodnoty smerodajných odchýlok ako bez využitia tohto systému. Rozdiel v smerodajných odchýlkach horizontálnej polohy bol na úrovni 0,02 mm a vo vertikálnej polohe na úrovni 0,6 mm. Vzhľadom na dosiahnuté nízke hodnoty rozdielov a veľmi podobné rozmiestnenie odľahlých hodnôt oboch meraní možno konštatovať, že prínos systému BeiDou-3 na určovanie priestorovej polohy nie je významný.

• Otestovanie prínosu BeiDou tretej generácie v SKPOS - Bakalárska práca