A hazai aktív GPS-hálózat kiépítésének és fenntartásának aktuális kérdései

Dr. Borza Tibor, a FÖMI főtanácsosa

Bevezetés

Éppen egy évtizede, hogy a GPS-technika megjelent a hazai geodéziában. Akik ez idő alatt munkakapcsolatba kerültek vele, a későbbiekben csak indokolt esetben fordultak a hagyományos eljárásokhoz. Mint azonban minden forradalmian újjal szemben, itt is tapasztalható bizonyos óvatosság, főleg ama szakemberek részéről, akik hallomásból, vagy csak irodalmi szinten ismerik a GPS-technikát. Ennek ellenére az egy évtized elegendő volt arra, hogy a GPS itthon is vezető helyet foglaljon el az alappont-meghatározásban, sőt – ha a feltételek adottak – a részletpontmérésben is. Megjelentek a mérőállomással egybeépített GPS-műszerek is. A NKP feladatainál, a versenyhelyzet következtében a terepi méréseket igénylő munkáknál szinte minden vállalkozó a GPS-technikára alapozza a pontsűrítést. (Problémát inkább az okoz, hogy sokszor olyan helyeken is alkalmazzák, ahol csak külpontosan lenne szabad.)

Ha a GPS alkalmazása ennyire kedvező, mi az akadálya annak, hogy a pontsűrítés hazánkban még nem kizárólag GPS-technikával történik? Ennek két fő okát látjuk:

Mindkét problémára megoldást az aktív GPS-hálózat jelent. Tudományos feladatok megoldására nemzetközi aktív hálózatot már a GPS-technika kezdetekor létrehoztak (CIGNET), az ebből kinövő IGS- vagy EUREF-hálózatok pedig mára meghatározó szerepet töltenek be a geotudományokban. Az első országos hálózat terve is igen korán elkészült Kanadában (Delikaraoglu, 1986). Az aktív GPS-hálózat létrehozását mint a jövő elkerülhetetlen továbblépését egyre több ország ismerte fel, ennek megfelelően a fejlett, elsősorban kisebb területű országok mára kiépítették saját hálózatukat.

Az országos aktív GPS-hálózatnak az a lényege, hogy központi irányítással, adott sűrűségben folyamatosan üzemeltetnek permanens GPS-állomásokat (Kenyeres, 1998), így a felhasználóknak akár egy db GPS-vevő is elegendő a pontsűrítéshez. A felhasználó feladata mindössze a meghatározandó pontok felkeresése és a mérés elvégzése. A mérés befejeztével a legközelebbi permanens állomás(ok)tól lehetőség van a szimultán észlelések lekérésére és a feldolgozás önálló elvégzésére, vagy a saját észlelési anyag leadásával a koordináták kiszámításának a megrendelésére. A permanens GPS-állomások referenciapontjai garantálják az egységes koordináta-rendszert.

Az aktív GPS-hálózat feladata a GPS-szel végzett helymeghatározás minél gazdaságosabb elvégezhetőségének biztosítása. Ez a definició összecseng a hagyományos geodéziai hálózatok szerepének a meghatározásával. Mivel a hagyományos hálózat az állami földmérés kezében van, értelemszerűen adódik, hogy az aktív GPS-hálózatot is neki célszerű üzemeltetnie. Az 1996-ban érvénybe lépett földmérési törvény az aktív hálózat üzemeltetését nem helyezi kizárólagossággal az állami földmérés kezébe, tehát nincs szó monopol helyzetről.

Hogy mi lenne az előnyös, nyilvánvaló. Hatékonyabb, ha valamennyi állomás egységes vezérléssel, azonos adatstruktúrával, azonos technikai felszereltséggel üzemel. Kisebb így a hiba lehetősége, könnyebb azok elhárítása, kevesebb tartalékberendezés kell, de könnyebb a felhasználók dolga is, hiszen egyetlen szervezettel kell csak tartani a kapcsolatot, egyetlen adatkezelési formát kell csak elsajátítaniuk. A referencia-rendszert néhány mm pontossággal, a permanens állomások koordinátái biztosítják. Ügyelni kell ezért, hogy e koordinátákban csak rendkívül indokolt esetben következzen be változás. Több üzemeltető esetén az egységes referencia kérdése is bizonytalanná válhat.

A hálózat egy kézben tartása nem jelenti azt, hogy ne lehetne akár a privát szférára is támaszkodni. A költségekhez hozzájáruló cégeket, szervezeteket kedvezményes szolgáltatások ajánlatával lehetne beszervezni. Beleszólást a rendszer üzemeltetésébe azonban nem ajánlatos megengedni.

A felhasználók szempontja egyértelmű, minél sűrűbb egy hálózat, annál jobb, hiszen a néhány km hosszú vektorok meghatározásához elegendő 5-10 perc észlelési idő. A fenntartási költségek azonban állomásonként (később látni fogjuk) 2.5 mFt (nettó), ezért a feltétlenül szükséges állomásszám jöhet csak szóba. Meg kell tehát találni az optimális arányt, ami mind az állami földmérés, mind a felhasználó számára kedvező.

Kétfrekvenciás GPS-vevőkkel jelenleg mintegy 50 km hosszú vektorok megbízható méréséhez kb. 30 perc szükséges, de ha a feltételek optimálisak, 10 perc is elegendő. Ennél több időt mérésre fordítani felhasználói szempontból már nem gazdaságos. Biztosítani kell tehát, hogy az ország bármely pontjától legfeljebb 40-50 km távolságra elérhető legyen egy permanens állomás. Országunkat tekintve ez minimálisan 11 db állomással elérhető. Összehasonlításul; Ausztria 15, Belgium 7, Hollandia 5, Svájc 6, állomást üzemeltet (EUREF Publication No.7/1). A mi tervezett 11 állomásunk tehát megfelel egy szerényebb európai sűrűségszintnek. Egyfrekvenciás vevőkkel a 30 km-t nem célszerű túllépni. Ennek az igénynek a kielégítésére több mint 30 állomást kellene működtetni, aminek a megvalósítása egyelőre irreális. A tervezett sűrűségű aktív GPS-hálózat használatában tehát az egyfrekvenciás vevők hátrányban vannak.

Megemlítjük még, hogy a BME Általános és Felsőgeodéziai Tanszéke is tervez – elsősorban oktatási célra – üzemeltetni egy permanens állomást Budapesten. Az állomás nem lesz része az állami földmérés aktív hálózatának, de az együttműködés, elsősorban tudományos területen ma is szoros.

Ha az állami földmérés a hálózat gazdája, akkor a legtöbb állomást a földhivatali rendszeren belül célszerű üzemeltetni. A permanens állomás infrastruktúrájához mindössze tápellátás (220 V hálózat) és telefonvonal (egy alkalommal éjjel néhány perces igénybevétel) szükséges, valamint GPS-vevő és a számítógép biztonságos elhelyezésére alkalmas helyiség (elegendő egy asztal vagy egy polc). A legfontosabb, hogy a GPS vevőtől 30 méteren belül ki lehessen helyezni az antennát a tetőre, ahol állandósítani kell a referenciapontot úgy, hogy annak helyzete geodéziai méréssel rendszeresen ellenőrizhető legyen. A pontnak lehetőleg 10 fok fölött kitakarásmentesnek kell lennie. A helyek kiválasztásánál meg kell mérni a kiválasztott pontok elektromágneses zajszintjét is.

Hol legyenek a permanens állomások? Penc, mint központ már adott. A további 10 állomást, hogy az 50 km-es feltétel teljesüljön, körültekintő tervezés alapján, az 1. ábrán láthatjuk. Nyugatról keletre haladva a legvalószínűbb települések: Pápa, Marcali, Komló, Székesfehérvár, Kiskőrős, Cegléd, Eger, Orosháza, Püspökladány és Nyíregyháza.

1. ábra Az aktív GPS-hálózat 11 permanens GPS-állomásának tervezett helyei

A permanens állomások mérési adatai automatikusan naponta a penci központba érkeznek. Ott kerülnek archiválásra, szolgáltatásra, ill. feldolgozásra. A feldolgozás eredménye egyrészt a referencia rendszert hivatott ellenőrizni, másrészt egyedülálló tudományos célt is szolgál.

Bármennyire is vonzó egy terv, a megvalósításának sarokpontja legtöbbször a költségek előteremtése. Mibe kerül egy 10 állomásos aktív GPS-hálózat kiépítése és fenntartása? (A 11-ik állomás, Penc mint IGS- és EUREF-állomás a hazai hálózattól függetlenül is üzemel.) Mai árakon (2000. év) egy permanens állomáshoz a szükséges hardvereszközök (GPS vevő, számítástechnika, szünetmentes tápellátás, hálózati elemek), valamint hálózati és vezérlő szoftver, beleértve a rendszer installálását is, kereken 10 mFt-ból megoldható. A technika amortizálását vegyük 5 évre, ami azt jelenti, hogy a 10 állomásból évente kettőnek a cseréjére kerül sor. (Ez nem jelenti azt, hogy az 5 éves műszereket ne lehetne kiválóan használni egyéb geodéziai célra.)

A kiépítési időszakban évi 3-4 állomással célszerű számolni, hogy max. 3 év alatt a rendszer teljes legyen. A kiépítés utáni időszakban az eszközökre fordított költség évente 20 mFt. Az egyes állomások felügyelete, valamint a központi állomás megnövekedett feladatainak ellátása további 5 mFt-ot igényel. A 11 db. permanens állomásból álló hazai hálózat fenntartása tehát 2000. évi árakon számítva 25 mFt/év. Az összegek nettó árak!

Szembeállítva a hagyományos hálózattal az aktív hálózat fenntartásának költsége mintegy 150 db elpusztult IV. rendű pont helyreállítására elegendő, ami a pontoknak kb. 4 ezrelékét teszi ki. Sajnos a becsült pontpusztulás évi mértéke ezt jóval meghaladja.

Az egységes vonatkozási rendszer, valamint a minden igényt kielégítő pontosság biztosítása mellett címszavakban az alábbi (további) területeken látjuk még a hálózat kiemelkedő jelentőségét:

A megyei földhivatalok feladatkörébe tartozik a térképészeti munkák állami átvétele. Közismert, hogy egyre nagyobb arányban adnak le a vállalkozók GPS-technikával végzett alappontsűrítési munkarészeket. Jelenleg gondot okoz a GPS meghatározás munkarészeiben való eligazodás, de továbbra is feladat bizonyos számú helyszíni ellenőrző mérés végzése. A földhivatalok ellenőrző tevékenységének magasabb szintre emelése mindkét problémán segítene, ezért javasoljuk, hogy – a permanens állomások kiépítésével területileg párhuzamosan – a megyei földhivatalok is jussanak legalább egy db GPS-vevőhöz. A technika magas szintű alkalmazásának az elsajátítását a FÖMI képes biztosítani. Az EU-csatlakozás kapcsán, de utána is, gyakori feladat lesz a földhasználattal, kárbecsléssel kapcsolatos térképi információk gyors, terepi felvétele, amihez a GPS használata nélkülözhetetlen. Várhatóan a földhivatali munka is ennek megfelelően módosul, pl. a hagyományos vízszintes hálózat alappontjainak helyszínelési munkáit részben felváltják a fenti feladatok.

Az aktív GPS-hálózat működtetésével bevételre is lehet számítani, sőt a geodéziai hálózatok történetében először nyílik lehetőség, akár a referencia-hálózat létesítésének megtérülésére is. Ameddig a hagyományos hálózatok esetében a felhasználók csupán a pontok koordinátáit igénylik (és vásárolják azt meg a tényleges árán alul), addig itt a szimultán méréseket is be kell hogy szerezzék. A mérési adatokat ellentétben a pontleírásokkal nem lehet eltenni és újra felhasználni. Jelentősen nő tehát az értékesített termék aránya. További lehetőség még a terepi mérések feldolgozásának a felvállalása, tehát a koordináta-számítás. Vannak vállalkozók, akik a GPS használatát a pontok megmérésére szeretnék korlátozni. Számítógépes hálózaton beküldik a mérési anyagot a penci központba, ahol mellérendelve a legközelebbi permanens állomás méréseit kiszámítják, majd visszakapják a koordinátákat, a szükséges munkarészekkel együtt.

Csupán a mérések értékesítését tekintve ha alapul vesszük a penci állomás szolgáltatási tarifáját, ami jelenleg átlagosan napi 5000 Ft+ÁFA, évente 5000 napot kellene értékesíteni, hogy a 25 mFt kiadás megtérüljön. Van-e ennek realitása? Ötven GPS-felhasználót tekintve évi 100 munkanapot feltételezve jön ki a kérdéses összeg. Nem mondható teljesen irreálisnak a becslés, mert jelenleg csak a Trimble típusú vevőből 70 db és a Leica típusból 50 db van forgalomban. Egy felhasználó ráadásul egyszerre két állomás adatait is igényelheti. Az 5000 Ft-os napi költség, összevetve azzal a megoldással, amikor a felhasználónak kell üzemeltetnie a bázisvevőt, igen kedvező.

Az aktív hálózat használatára való áttérés nem történik meg automatikusan. Tudatni kell a felhasználókkal, hogy él a rendszer, hogy ettől kezdve nem kell bázisállomásról gondoskodni, így eggyel több vevőt vethetnek be az új pontok meghatározására. Tudatni kell továbbá, hogy a mérési adatokért hová kell fordulni, hogyan és milyen feltételekkel juthatnak hozzá. A hálózat rendszeres használatával a fél ország, de még inkább az ország teljes kiépítése után lehet számolni. Nem igazán vonzó az, ha az ország egyes részein lehet használni, másutt meg nem, mert ez esetben a felhasználónak friss információval kellene rendelkeznie a rendszer kiépítettségéről, aminek követése plusz munkát jelent. A vegyes felhasználás nem lesz elterjedt. Szívesen átáll viszont a felhasználó, ha azt hallja, hogy ettől kezdve az egész országban támaszkodhat az aktív GPS-hálózatra.

Az aktív GPS-hálózat azt a szerepet tölti be, amit korábban a kővel állandósított hagyományos hálózatok. Biztosítja a lehetőséget a pontmeghatározáshoz az ország egész területén és biztosítja a néhány mm pontos referencia-rendszert. Elvi akadálya tehát nem lesz annak, hogy vitás ügyekben eljárva, cm pontosan lehessen a mérést elvégezni. (Az más kérdés, hogy a földnyilvántartás és a digitális térképek között nincs mindenhol összhang.)

Aktív hálózat birtokában olcsóbb egy új pont meghatározása, mint egy régi felhasználása. Sokak szemében ez képtelenség, mert mint mondják: “legolcsóbb az a pont, amely megvan, egy új pont meghatározása ettől csak drágább lehet”.

Ellent kell mondanom. A földhivataltól be kell szerezni a meglévő pontoknak az adatait, majd meg kell keresni azokat a helyszínen. El kell menni tehát a hivatalba, majd a helyszínre. A fellelésük esetleges, mert nagy a pontpusztulás. Sérült pont esetén meg kell győződni hogy a pont a földalatti jelhez képest elmozdult-e?

Ha aktív GPS-hálózatban gondolkodunk, akkor csak a terepre kell menni egyszer, ahol kijelöljük a legalkalmasabb helyeket, és a helyszíneléssel egybevethető idő alatt el lehet végezni a mérést. Aktív GPS-hálózatra támaszkodva az alappont-meghatározás az alkalmas helyek kiválasztását, valamint a mérés elvégzését jelenti, ami történhet egy lépésben is.

Egy adott terület új felmérése esetén azért figyelemmel kell lenni a meglévő pontokra, mert a létesítmények hozzájuk lettek bemérve, tehát jogi kihatásuk van. Az ellentmondások feloldása miatt – addig ameddig a kataszter nem áll át egy OGPSH pontosságú referencia hálózatra (egyelőre nem tervezzük) – javasolt valamennyi GPS-szel mérhető, EOV-rendszerben ismert pontot is meghatározni.

Szeretném hangsúlyozni, hogy a hagyományos hálózat felváltása nem azt jelenti hogy ezt a több milliárd forintos értéket kidobjuk az ablakon, csupán azt, hogy új pontok GPS-koordinátáit a jövőben nem a kővel állandósított hálózati pontokból vezetjük le. Az így meghatározott pontok EOV-koordinátáit azután a környező – mindkét rendszerben ismert pontok (mint az OGPSH pontjai), – alapján kell transzformálással számítani. Az EOV rendszerben nem keletkezik tehát feszültség, ugyanakkor szükség esetére az EUREF’89 (itthon OGPSH) rendszerben rendelkezésre állnak a nagyobb pontosságú GPS-koordináták.

Nem vitatható, hogy a GPS-szel meghatározott pontok nem csak pontosabbak, de olcsóbbak is. “A saját munkánál nincs olcsóbb, időm pedig van”, mondhatja egy nyugdíjas mérnök, és neki is igaza van. A kérdés persze az, hogy az állami földmérésnek kötelessége-e a már nem versenyképes, elavult struktúrát is támogatni, vagy elegendő a korszerű, jövőbe mutató megoldás hátterének a biztosítása. A dilemma napjainkban jól érződik. “Nincs mindenkinek GPS-technikája”, hangzik gyakran, ezért fenn kell tartani a hagyományos, mintegy 50 000 vízszintes pontot (I.-IV.rendű) tartalmazó hálózatot, sőt gyakran előírjuk minél több ötödrendű pont telepítését is.

A hálózat rendbentartása azonban igen sok pénzt igényel, ezért már ma sem vagyunk képesek a pontpusztulás mértékével lépést tartani. Zemplén és Szabolcs megyékben (ahol a legrégebbi a hálózat) a pontpusztulás mértéke olyan mértékű, hogy az OGPSH létesítése idején több helyen 10 km-es körzetben egyetlen pontot se sikerült találni, így újakat kellett állandósítani. Ha a pontok beszélni tudnának, érdekes lenne megtudni, hány olyan pont van, amit élete során egyszer se használtak. Ezeket a pontokat feleslegesen telepítették és a karbantartásukra fordított költség is kidobott pénz volt. A jövőben, mivel a technikai feltétele megvan, elegendő ott és akkor végezni pontsűrítést, ahol és amikor az valóban szükséges. Ez a leghatékonyabb módja az alappontok létesítésének. Az állami földmérés részéről szép és gondoskodó vállalás az 1,5–2 km sűrű alaphálózat fenntartása, de be kell látni, hogy ez már nem szükséges, de nem is vagyunk képesek rá. Ki kell használni ezért a GPS által nyújtott mentőővet, meneküljünk előre. Hagyjunk fel az 50 000 vízszintes hálózati pont fenntartásának illúziójával és vállaljunk belőle csupán néhány ezret (I-III rendű pontok és az OGPSH-pontok), de azt végezzük is el tisztességesen. A pontok helyreállítására fordított pénzt, energiát pedig fordítsuk a legkorszerűbb GPS-technológia állami szintű bevezetésére, beleértve a földhivatalok felfejlesztését. A nem GPS-technikát alkalmazóknak még évekig rendelkezésére áll elegendő pont. Mire a pontpusztulás mértéke az ország nagy részén – hagyományos szemponból – eléri a kritikus mértéket, a GPS minden bizonnyal a pontmeghatározás kizárólagos technikája lesz, az átmenet tehát magától megoldódik.

Az állami földmérésnek értelemszerűen az is kötelessége, hogy az újabb, korszerűbb eljárásokat felkarolja, mert az emeli az ország technikai fejlettségét, tehát versenyképességét. Minél korábbi az átállás, annál korábbi a megtérülés is. A GPS technika használatára irányuló késztetés hosszabb távon mindenkinek hasznára válik.

A hagyományos hálózat teljes megtartása mellett kardoskodók gyakran hangoztatják azt az érvet, hogy mi lesz a hazai geodéziai alapokkal, ha az USA gondol egyet és elérhetetlenné teszi a GPS-technikát. (Technikai lehetősége egy ilyen akciónak elvileg fennáll.)

Az USA a GPS-rendszert nem a külföldiek számára hozta létre, hanem elsősorban a saját érdekeit szem előtt tartva. Nem véletlen, hogy a GPS-rendszer felhasználóinak döntő részét az USA adja. Erre épül az Intelligens Közlekedési Rendszer, a teljes térinformatika, geodézia stb. Ha a rendszer használatát lehetetlenné tennék a civil felhasználók számára, akkor ennek mindenek előtt az amerikai társadalom látná kárát. Hogy a fenti aggodalmakat eloszlassák (mert másokban is felmerült), az amerikai elnök 1996-ban egy dekrétumot adott közre (amelyet eljuttattak minden országhoz), amelyben leszögezi, hogy a polgári felhasználást garantálják, sőt 10 éven belül a pontossági rontást is kikapcsolják. Nem kellett 10 évet várni, mert 2000. május 2-án 3óra 41 perckor kikapcsolták az SA-t. Az idei elnöki közlemény kimondja, hogy további civil frekvenciát fognak felhelyezni a holdakra. A tendencia tehát éppen az ellenkezője annak, mint azt az aggodalmaskodók várnák.

Ha ennek ellenére továbbra is kételyeink lennének a GPS-technika maradandóságában, megjegyezzük, hogy 2008-ig Európa is kiépíti saját rendszerét a Galileot, nem beszélve a működő orosz GLONASS-ról. Nem valamilyen korlátozásra kell tehát számítani, hanem sokkal inkább a globális helymeghatározás kiszélesítésére, az üzemeltetők versenyére. Ha a szkeptikusakra hallgatnánk, még ma is a logarlécet és szögfüggvénytáblát használnánk, persze a termelői kapacitásunk is ennek megfelelő szinten állna.

Befejezésül még egy gondolat. Konzervatív szemlélet szerint csakis a kővel állandósított geodéziai alappontok garantálják az egységes vonatkozási rendszert. A hálózat sérülése tehát a vonatkozási rendszerünk sérüléséhez vezet. A referencia-rendszert azonban már nem csupán a kifejezetten erre állandósított alappontok rögzítik. Folyamatban van az ország digitális felmérése, amelynek eredményeként minden településen sok ezer koordinátával rendelkező azonosítható pont keletkezik. A cél belátható időn belül az ország lefedése digitális térképekkel. Azokon a területeken, ahol ez az állapot fennáll, a geodéziai jelek elveszítik kizárólagosságukat, mert valamennyi digitális pont (adott pontossággal) rögzíti a vonatkozási rendszert is.

A GPS-technika geodéziai felhasználása elérkezett arra a szintre, hogy aktuálissá vált az aktív GPS-hálózat kiépítése Magyarországon is. A cikk foglalkozik az aktív GPS-hálózat alapelvével, a hagyományos hálózattal szembeni előnyeivel, üzemeltetésének költségeivel, valamint a várható bevételekkel is.

A 11 permanens állomásból álló magyar hálózatot az állami földmérés keretében, a földhivatali rendszerre támaszkodva javasoljuk kifejleszteni, a hagyományos vízszintes hálózat súlyának fokozatos csökkentése mellett.

Geodetic applications of the GPS technique have reached a level when the establishment of the Hungarian Active GPS Control Network became topical. The paper discusses the basic principles of the active GPS network, its advantages on the traditional network, the estimated costs of its maintenance and also the expected receipts.

The Hungarian network of 11 permanent sites are proposed to be developed in the framework of the Hungarian state surveying on the basis of the system of offices of land management simultaneously with the reduction of the significance of the traditional horizontal network.