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.
Testovanie na bodoch Štátnej priestorovej siete
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](img/beidou/test_lokality.png)
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.
Bez BeiDou-3 | S BeiDou-3 | |
---|---|---|
Priemerný inicializačný čas | 10 s | 11 s |
Priemerný počet družíc | 23 | 30 |
Priemerný PDOP | 1.2 | 1.0 |
Priemerná horizontálna odchýlka | 18 mm | 17 mm |
Priemerná vertikálna odchýlka | 31 mm | 23 mm |
Maximálna horizontálna odchýlka | 47 mm | 40 mm |
Maximálna vertikálna odchýlka | 109 mm | 79 mm |
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.
24-hodinové kontinuálne meranie
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](img/beidou/porovnanie_druzic.png)
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](img/beidou/pocet_druzic.png)
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](img/beidou/pdop.png)
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.
Viac informácií o spustení BeiDou-3 v SKPOS sa môžete dočítať:- Otestovanie prínosu BeiDou tretej generácie v SKPOS - Bakalárska práca