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

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.

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

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

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

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

Co se právě řeší?

• Analýza viditelnosti

• Výpočty polohy družic GPS

• DMR

Analýzy viditelnosti

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

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

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

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

Ukázka výsledků testů

DMT ESRI ERDAS IDRISI

Výstupy ArcView 3.2. GIS

Výsledky testů

0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

VIDITELNE BUŇKY

ESRIERDASIDRISI

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

GPS

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)

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

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 )

Zhodnocení

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.

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

Konec

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)