V současné době můžeme zaznamenat vysoký nárůst použití nejrůznějších GPS systémů v zemědělské prvovýrobě. Tento stav je podle mého názoru dán nejen stále se zvyšující výkonností souprav (výkony spalovacích motorů dnešních těžkých polních traktorů běžně přesahují hranici 400 až 500 koní; k nim musí být adekvátní i připojené nářadí s pracovními záběry okolo 20 m) a s tím ruku v ruce i zvyšujícími se nároky na obsluhu stroje z pohledu kvality práce a vhodného využití výkonnostního potenciálu zemědělské techniky.
Na druhé straně bych za tímto trendem viděl i snižující se ceny GPS navigačních zařízení a možnost jejich celoročního využití nejen v rámci tzv. precizního zemědělství, ale i technicko-ekonomickém zhodnocení provozu.
Princip činnosti systému GPS
V předešlém textu jsem několikrát zmínil pojem GPS (Global Positioning Systém).
Jde o americký, původem vojenský naváděcí systém skládající se z 24 akivních a čtyř záložních družic rotujících ve výšce 20 200 km nad hladinou moře v šesti oběžných drahách kolem planety Země. Doba oběhu družice kolem své osy činí 12 hodin. Na své palubě má družice umístěné atomové hodiny, jež odměřují přesný čas a společně s dalšími údaji (označení družice, její poloha, poloha ostatních družic …) jej odesílají ke GPS přijímači. Na Zemi tento signál zachytí nejen přijímač umístěný ve vozidle, ale i pozemní řídicí stanice, které monitorují činnost celého systému a provádí výpočet korekcí – případnou nápravu polohy jednotlivých družic na oběžné dráze.
K určení své aktuální polohy určuje GPS přijímač tzv. pseudovzdálenosti, což je vzdálenost mezi GPS přijímačem a viditelnými družicemi (nad obzorem). Výpočet „pseudovzdálenosti“ vychází ze znalosti rychlosti šíření družicového signálu a rozdílu času mezi vysláním a příjmem signálu.
Pro určení dvojrozměrné polohy (nejčasněji zeměpisná délka a šířka) postačí příjem signálu minimálně ze tří družic (výpočet tří „pseudovzdáleností“), pro určení trojrozměrné polohy (zeměpisná délka, šířka + výška) je zapotřebí minimálně čtyř družic. Příjem menšího počtu družic znemožňuje výpočet polohy, vyšší počet družic naopak určení polohy zpřesňuje.
Další „družicovou síť“, kterou jsou dnešní GPS přijímače schopny zpracovávat, tvoří ruský Glonass a snad v blízké budoucnosti i evropský projekt Galileo se sídlem v Praze (úplného spuštění do provozu bychom se měli dočkat v roce 2014).
Výhodou příjmu několika signálů např. GPS + Glonass je menší riziko možného výpadku zejména v členitém terénu s překážkami, jež mohou bránit šíření signálu a dosažení vyšší přesnosti navádění v důsledku přesnějšího výpočtu „pseudovzdáleností“.
Nutná korekce
Samostatný GPS signál odeslaný z družic dosahuje přesnosti v řádech metrů, což je plně dostačující pro automobilové navigace pracující s mapovým podkladem, ale pro přesné navádění strojů po pozemku nebo lodí či letadel je to nepoužitelné a mohlo by skončit katastrofou.
Z tohoto důvodu je signál o poloze nutné zpřesňovat. To lze provést několika způsoby, v nichž hlavní úlohu vždy hraje pozemní referenční stanice se známou – přesně definovanou, polohou. S využitím korekčního signálu jsme pak schopni provozovat stroje s maximální odchylkou ±30 cm při použití korekčního signálu Wass/Egnos, ±5 až 15 cm při použití korekčního signálu Omnistar XP/HP nebo ±2,5 cm pokud je navigační systém vybaven RTK stanicí a přenosem korekčního signálu s pomocí rádiových vln nebo GSM sítě.
Egnos zdarma
Pro stručnost bych uvedl příklad vzniku korekčního signálu Egnos (European Geostationary Navigation Overlay Service), který lze použít pro drtivou většinu činností v zemědělské prvovýrobě (aktuální odchylka navádění ±30 cm) a na rozdíl od ostatních korekčních signálů je poskytován zdarma. GPS signál přicházející atmosférou od satelitů pohybujících se na oběžné dráze doputuje k přijímači umístěnému ve vozidle. Ve stejný okamžik přijímá daný GPS signál i pozemní referenční stanice s přesně definovanou polohou na zemském povrchu. Tato pozemní stanice přijatá data vyhodnotí, zpracuje a doplní o korekční údaje, které následně odešle geostacionárním družicím systému Egnos – výška 40 000 km. Ty pak odešlou data k přijímači umístěnému ve vozidle. V tomto případě pak mluvíme o systému DGPS – tedy diferenciálním GPS.
Opravdu tak přesně?
Možná, že vás po přečtení hodnot maximálních odchylek jednotlivých korekčních signálů napadlo stejně tak jako mě, zda jsou jejich hodnoty pravdivé. Z tohoto důvodu jsme
v Ústavu zemědělské, potravinářské a environmentální techniky Mendelovy univerzity v Brně provedli jednoduchý test, kterým jsme ověřili odchylku bezplatného korekčního signálu Egnos.
K měření bylo použito GPS naváděcí zařízení Trimble EZ Guide 250 instalované v traktoru Zetor 7745 agregovaném s postřikovačem Hardi o pracovním záběru 18 m. Na pozemku osetém řepkou olejnou byla vytyčena 100 m trať. Tato dráha byla následně rozdělena po 25 m úsecích, v nichž se měřila vzdálenost konců ramen postřikovače mezi jednotlivými jízdami. Aby bylo možno vyloučit případné chyby, byl celý pokus pětkrát zopakován.
Zjištěné hodnoty jsou uvedeny v tab. 1 až 3. Z výsledků měření je patrné, že řidič jedoucí po pozemku podle GPS naváděcího zařízení s korekčním signálem Egnos je schopný pracovat s průměrnou chybou mezi jednotlivými jízdami v rozmezí –21 až +10,2 cm, což je plně v toleranci udávané odchylky ±30 cm.
Musíme si však uvědomit, že těchto hodnot bylo dosaženo při manuálním řízení podle světelné lišty a výsledné hodnoty tak zkresluje i fakt, že dané zařízení nebylo vybaveno jednotkou měřící sklon terénu. Z tohoto důvodu byl test maximálních odchylek bezplatného korekčního signálu Egnos ještě jednou zopakován.
K druhému testu bylo použito GPS naváděcí zařízení Trimble EZ-Guide 500, jež bylo doplněno o asistované řízení EZ-Steer od stejného výrobce. Tento systém je připevněn ke sloupku řízení vozidla a skrze třecí převod otáčí přímo volantem. Řidič tedy pouze otočí soupravu na souvrati a ostatní již vykonává elektronika.
Součástí je i kompenzační jednotka terénu s označením T2, která měří sklon traktoru v příčné i podélné rovině, a tím provádí korekci vzniku možného překrytí jednotlivých jízd, popřípadě vzniku možných vynechávek. Naváděcí zařízení EZ-Guide 500 s asistovaným řízením EZ-Steer bylo namontováno v traktoru New Holland T6020 Elite agregovaným s mulčovačem McConnel o pracovním záběru 4,2 m.
Při mulčování porostu jetele byl opět vytvořen 100 m měřící úsek rozdělený na čtyři díly po 25 m. Měření odchylek mezi jednotlivými jízdami probíhalo s pomocí vyměřovacích kolíků a pásma. Z naměřených údajů v tab. 4 až 6 vyplývá, že při použití asistovaného řízení se odchylky navádění z původních hodnot sníží na –1,6 až 6,6 cm, což téměř odpovídá odchylkám placených korekčních signálů.
Vyhodnocení polního pokusu
Z uvedených tabulek a grafů je patrné, že obě měřená světelná naváděcí zařízení Trimble EZ-Guide 250 i 500 pracující v režimu DGPS s korekčním signálem Egnos dokáží bez problémů dodržet uváděnou maximální odchylku navádění ±30 cm i s pouhou korekcí směru jízdy řidičem vozidla.
Z grafu 1 je patrné, že 87 % všech naměřených hodnot naváděcího zařízení EZ-Guide 250 se pohybovalo v rozmezí ±30 cm. Pouze 13 % naměřených hodnot se nenacházelo v uvedeném rozsahu.
Pokud navigační jednotku vybavíme i asistovaným řízením (což lze i u menšího modelu EZ-Guide 250), maximální odchylka navádění se rapidně sníží. Dokonce jsme schopni maximální chybu navádění snížit o 50 %.
Graf 2 nám ukazuje, že při použití světelného naváděcího zařízení EZ-Guide 500 v kombinaci s asistovaným řízením EZ-Steer jsme se dostali na max. odchylku navádění ±15 cm v 73 %. Zbylých 27 % naměřených hodnot nepřekročilo onu hranici ±30 cm. To je při použití bezplatného korekčního signálu Egnos jistě zajímavý výsledek.
Při použití asistovaného řízení se navíc obsluha mohla plně věnovat práci přívěsného stroje (mulčovače), čímž vzrostla i výkonnost soupravy – nedocházelo k tak velkému překrývání jednotlivých pracovních záběrů a o 2 km/h se zvýšila i pojezdová rychlost, a tím i výkonnost soupravy.
Nejen navádění
Moderní GPS zařízení používaná v zemědělských provozech mohou být využita nejen k navádění strojů, ale uplatnění mohou mít i při technicko-ekonomickém zhodnocení provozu. Příkladem může být systém Telematics od společnosti New Holland, který umožňuje přenos dat z provozu přímo do počítače na farmě, a to on-line v reálném čase. Pověřený pracovník tak má nejen přehled o poloze strojů, ale zároveň vidí i další údaje o vozidle, jako jsou například aktuální provozní hodnoty vozidla (počet Mth, otáčky motoru, stav PHM, aktuální chybové kódy) a řidiči může odeslat i sms zprávu.
Zvláštní funkcí je pak systém alarmů, upozorňující na krádeže nafty či opuštění stroje z vymezeného prostoru, což má zabránit jeho nedovolenému použití nebo krádeži.
Sledování provozu vozidel lze provádět i u GPS světelných naváděcích zařízení EZ-Guide 250 & 500. Ty totiž umí vytvářet tzv. wordovský protokol, z něhož jsme schopni určit čas strávený na pozemku, čistý čas práce, parametry nářadí při prováděné operaci. Součástí protokolu jsou i mapy, z nichž můžeme vyčíst nejen tvar pozemku, ale i nadmořskou výšku, pojezdovou rychlost nebo překážky – např. kámen, sloup, plevel, jež obsluha zaznamenala. Protokol lze stáhnout na USB disk a data přenést do stolního PC, kde si jej můžeme prohlédnout. U vyšších verzí naváděcích zařízení společnosti Trimble lze data odesílat i on-line – jednotky musí být vybaveny GSM modulem se SIM kartou, odkud jsou data posílána na server a odtud je s pomocí webové aplikace můžeme na svém PC sledovat. Zajímavou možností je určitě i import hranic pozemků z veřejného registru půdy LPIS. Obsluha tak má přehled o hranicích pozemku, na němž se pohybuje a jednoduše může dokladovat vykonanou práci – datum, obdělané hektary, dobu své činnosti.
Klíčové informace
– Na našem trhu je zastoupeno hned několik výrobců GPS naváděcích zařízení. Ti nabízejí zemědělcům různé systémy
s maximální odchylkou navádění v rozmezí ±30 až ±2,5 cm podle konkrétního typu zařízení – způsobu korekce směru jízdy
a použitého korekčního signálu DGPS.
– V nejjednodušším provedení se jedná o barevný displej doplněný o diodovou lištu, podle které řidič vykonává potřebné korekční zásahy pootočením volantu a snaží se tak udržet optimální trajektorii.
– Vyšší verzí je pak doplnění této navigace elektromotorem otáčejícím přímo volantem vozidla. Elektromotor je připevněn přímo na tyč řízení nebo skrze třecí převod otáčí věncem volantu.
– Posledním stupněm automatického navádění techniky je přímá integrace GPS naváděcího systému do komponent řízení daného stroje. Jde především o napojení na rozváděč řízení, který podle pokynů řídicí jednotky v závislosti na poloze stroje a úhlu natočení kol řídicí nápravy provede korekční zásah.
Ing. Jiří Jun
Mendelova univerzita v Brně
Agronomická fakulta
Ústav zemědělské, potravinářské a environmentální techniky
