Korszakváltás a geodéziában

Helymeghatározás felsőfokon

A geodézia több ezer éves történetében eddig még nem volt olyan technika, amelynek pontossága és hatékonysága akár csak megközelítette volna az új műholdas helymeghatározási rendszer (GPS = Global Positioning System) képességeit.

A térképek pontosításának és az országos hálózatok egységesítésének szükségessége világszerte arra ösztönözte a földmérőket, hogy haladéktalanul létrehozzák országuk GPS-hálózatait. A térkép értéke az információtartalom mellett egyenes arányban áll a pontosságával. Általában nincs baj, amíg a térkép kis területet érint. Országos, regionális, pláne globális térkép elkészítése azonban már a kezdetektől nehéz feladatnak bizonyult. Könynyen beláthatjuk a térképszerkesztés nehézségét, ha rajzolunk egy szabálytalan zárt idomot, majd megpróbáljuk azt pusztán ránézéssel egy másik papírra lemásolni. A másolat többnyire nagyon gyatra lesz. Szerkesszünk ugyanerre az idomra most egy szabályos rácshálót, majd ugyanilyen rácsháló előrajzolásával ismételjük meg a másolást! Ha a háló elég sűrű, a másolat szinte tökéletesen egyezni fog az eredeti alakzattal. A térképek pontossága is akkor javult ugrásszerűen, amikor az ábrázolandó területen földmérési munkával előzetesen elkészítették a „rácshálót”. Ezt geodéziai vagy közismertebb néven háromszögelési hálózatnak nevezzük, s kiépítése Magyarországon csak 1806-ban kezdődött meg.

A térképek „csontváza”

A háromszögelési hálózat az ország területén egyenletes sűrűségben telepített, kővel megjelölt pontok halmaza. A pontokat úgy helyezték el, hogy mindegyikről láthatók legyenek a szomszédos pontok, hiszen az összemérésnek ez a feltétele. Hogy minél messzebb lehessen látni, a háromszögelési pontokat hegycsúcsokra, dombtetőkre, azok hiányában igen gyakran templomok tornyára telepítették. A munkát teodolitokkal, később elektronikus távmérőkkel végezték. A mérések befejeztével (amelyek több évig, sőt évtizedig tartottak) kiegyenlítették a hálózatot, és valamennyi pont kapott egy-egy koordinátát egy egységes rendszerben. A pontosság fokozására először a lehető legritkább hálózatot építették ki (a hazai I. rendű hálózatnak mintegy 30 kilométer a pontsűrűsége), majd amikor ezzel végeztek, kezdtek hozzá a sűrítéshez. Ez több lépcsőben történt. A legsűrűbb állami alaphálózatunk a IV. rendű, ez 1,5-2 kilométeres ponttávolságával nemzetközi szinten is elismerést érdemel. (Az értéke sok milliárd forintra tehető, hiszen csak a nyilvántartott pontok száma meghaladja az ötvenezret.) Így amikor a földmérőnek be kell mérnie egy helyet (lehet az egy telek sarokpontja is), 1 kilométeres körzetben rendelkezésére áll legalább egy olyan pont, amelynek az egységes országos rendszerben koordinátája van.
Az eddigiekből következik, hogy a térképek pontossága soha nem haladhatja meg az alaphálózat pontosságát. Mivel a térképek pontossága iránti igények egyre nőnek, magától értetődik, hogy az alaphálózatok pontosságát is egyre fokozni kell. A térképek stratégiai jelentősége miatt az alaphálózatok koordinátáit mindig is szigorúan őrizték, egy részét titkosították, azokhoz csak engedéllyel lehetett hozzájutni (nálunk is így tettek egészen a rendszerváltásig). Ebből is adódott, hogy az országos alaphálózatok létesítése, karbantartása és korszerűsítése mindig állami feladat volt.
A vázolt módszerrel fejlesztett hálózatok pontossága azonban véges, mert – bár a műszerek óriásit fejlődtek (kódteodolitok, lézertávmérők megjelenése) – a horizonthoz közeli mérések pontossága légköri hatások miatt tovább már nem növelhető. Szintén korlátot jelent a Föld görbülete, emiatt pedig legföljebb 30-40 kilométerig mérhetünk közvetlenül távolságot.
A harmadik nehézség, hogy ahány ország, annyi önálló hálózat készült el, ami szinte lehetetlenné teszi az országok közötti normális geodéziai kapcsolatot. A geodéták a problémák kiküszöbölésére a műholdak megjelenése előtt ballonokra szerelt villanójelek fényképezésével igyekeztek létrehozni 100-200 kilométer oldalhosszúságú hálózatokat.

Kinőttük a Földet

A 20 000 kilométer magas pályán keringő huszonnégy GPS-műhold egyike

A földmérők bekapcsolódtak az első műholdak megfigyelésébe. A 80-as években pedig már az 5-8 kilométer/másodperc sebességgel száguldó műholdak pillanatnyi helyzetét néhány napra előre méteres pontossággal ki tudták számítani. (Ebből a munkából előbb fotokamerával, lézeres távmérővel, majd rádiós technikával a Földmérési és Távérzékelési Intézet – a FÖMI – Pencen működő Kozmikus Geodéziai Obszervatóriuma is kivette a részét.) A pályaszámítás kellő pontosításával megvalósult a földmérők nagy álma: sikerült kiépíteni egy, a Föld egészét magában foglaló egységes helymeghatározó rendszert. (Egy ilyen koordinátarendszer bevezetését már közel 200 éve felvetették, de csak a műholdas technika valósíthatta meg.)

Mivel a helymeghatározásnak továbbra is stratégiai jelentősége van, nem meglepő, hogy az első műholdas rendszerek (így a GPS – Global Positioning System – globális helymeghatározási rendszer is) katonai célra készültek, bár bizonyos korlátozással kezdettől felhasználhatók a polgári életben is.
A huszonnégy GPS-műhold 20 ezer kilométer magas pályán kering, napi két Föld körüli keringést végezve. Egy központi rendszer (a világon elosztva öt katonai bázis) gondoskodik a GPS-holdak pályáinak számításáról. Ezt az információt feljuttatják a holdakra, s azok a saját pozíciós adataikat a mérőjelekkel együtt visszasugározzák a Föld irányába. Ezeket a jeleket veszik a GPS-vevőkkel a felhasználók, s a segítségükkel a másodperc töredéke alatt bárhol a világon, bármilyen időjárási viszonyok közepette képesek elvégezni a helymeghatározást. Igazi stratégiai jelentősége ennek a valósidejű helymeghatározásnak van. E téren még ma is korlátozzák a polgárokat, csak 100 méter pontos valósidejű navigálást engednek nekik. Sikerült azonban kidolgozni olyan módszereket, amelyek nem sértik a katonai szempontokat, mégis akár több ezer kilométer távolságból is lehetővé teszik az 1-2 centiméter pontos relatív helymeghatározást.

Átalakul a földmérés

Gyors adatnyerés méteres pontossággal. A mérnök útvonalát utólag térképen lehet megjeleníteni

Geodéziai szempontból a GPS három területen hozott áttörést. A leglényegesebb tulajdonsága, hogy az egész világon egységes koordináta-rendszert vezetett be. Nem is lehet ez másképpen, hiszen a műholdak a Föld tömegközéppontja körül keringenek. A GPS tehát megteremtette annak a lehetőségét, hogy a világ számos geodéziai rendszere között kapcsolatokat létesítsünk, hiszen ha két eltérő rendszernek kapcsolata van az egységes GPS-rendszerrel, akkor – akár egy világnyelven – egymással is tudnak kommunikálni.
Másik igen fontos jellemzője, hogy a pontosság fantasztikusan javult, az I. rendű hálózatok területén például két nagyságrenddel (a százszorosára!). Az ország két végén elhelyezett pontok GPS-technikával 1 centiméter pontosan összemérhetők. De megnőtt a pontok helymeghatározásának a hatékonysága is. A GPS-vevők az égbolt felé „néznek” (1,2 és 1,5 gigahertz frekvencián sugárzott rádiójeleket vesznek), nincs szükség a pontok közötti „összelátásra”, ami korábban az erdőkben irányvágással, sík területen gúlák, észlelőállványok építésével, tehát magas költségekkel járt. További költségmegtakarítás, hogy a geodéziai munka már nem függ az időjárástól, akár éjjel is lehet dolgozni. A FÖMI irányításával 1991/92-ben GPS-technikával fejezték be az országos IV. rendű vízszintes hálózat kiépítését, mintegy négyezer pont megmérésével. Hagyományos technikával öt évre lett volna szükség ehhez a munkához: a GPS-sel végzett hazai teljesítmény akkor még nemzetközi mércével is ritkaságszámba ment. (Az amerikai védelmi minisztérium csak 1984-ben nyilvánította befejezettnek a GPS-rendszer kiépítését.)

Kontinentális és országos GPS-hálózat

1. ábra. Az országos GPS-hálózat pontjai A: EUREF-pont (1991); B: nulladrendű pont (1991); C: OGPSH 1. ütem (1995); D: OGPSH 2. ütem (1996); D: OGPSH 3. ütem (1997)

Mivel a GPS több ezer kilométer távolság esetén is éppoly pontos, mint néhány kilométerre, célszerű előbb létrehozni a világ-, majd a kontinentális hálózatokat, s ezekre támaszkodva kell megvalósítani az országos rendszereket. Így készíthető el az egységes, centiméteres pontosságú világrendszer. Európában nemzetközi keretek között 1989-ben kezdték kiépíteni az úgynevezett EUREF-hálózatot, amelyhez Magyarország 1991-ben csatlakozott. Országunk területén öt EUREF- pont van. Ezeknek a pontoknak a koordináta-hibája nem haladja meg a 2 centimétert. Hazai szakemberek nemzetközi segítséggel még ebben az évben huszonnégy pontból állóra sűrítették ezt a hálózatot. Az MTA Geodéziai Tudományos Bizottsága úgy döntött, hogy a magyar hálózat legyen átlagosan 10 kilométer sűrű, mert ez felel meg leginkább a hazai adottságoknak.
A GPS-hálózat mérését 1995-ben kezdték el a FÖMI-KGO irányításával. A mérésekben kilenc nagy pontosságú GPS-vevő vesz részt. Az egymástól 10-30 kilométerre dolgozó műszerekkel az 1-2 centiméteres pontosság elérésére egyórás mérés is elegendő. A vevők egyidejű, összehangolt mozgását rádiótelefonok segítségével irányítják. Az első két kampány során napi harminc-harminchat pontot mértek meg, így a teljes hálózatot alig több mint egy hónap alatt be lehetne fejezni. (Egy ekkora hálózat hagyományos technikával való megmérése sok évet venne igénybe.) A szűkös pénzkeretek miatt azonban a feladatot részekre bontották. Az ország keleti feléről kezdve egyre nagyobb területeket jelölnek ki, majd 1997-ben fejezik be a munkát (1. ábra).

Aktív hálózatok

A legkisebb GPS-vevő elfér egy PCMCA kártyában, amelyet – egy antennával kiegészítve – behelyezhetünk egy személyi számítógépbe, s egyszerre dolgozhatunk a terepen és an- nak digitális térképén

Az országos GPS-hálózat hosszú ideig megfelelő alapot ad a térképészeti munkákhoz. Mivel azonban rögzített koordinátái vannak, „befagyasztott” állapotot rögzít. Ez tökéletesen megfelel a földtulajdon nyilvántartásában, hisz ott épp a változatlanság az egyik jellemző.
A GPS-technika azonban többre képes. Kimutathatók vele az igen lassú tektonikai mozgások (lásd az ÉT 1994/16. számában a közép-európai Geodinamikai program című cikket. – A szerk.). Ezeknek a mozgásoknak a nyomon követése hozzásegít bennünket a Földünk belsejében végbemenő folyamatok megismeréséhez, sőt valós lehetőség mutatkozik a földrengések kipattanásának jobb előrejelzésére is. Ehhez persze az kell, hogy a méréseket ne csak időnként, hanem folyamatosan végezzék. Az állandóan üzemelő GPS-vevőkkel felszerelt állomások együttesét, amelyeknek az észlelései közös – a legtöbb esetben nemzetközi – feldolgozóközpontokba kerülnek, aktív GPS-hálózatnak nevezzük. Ilyen hálózatot tart fenn a Nemzetközi Geodéziai Szövetség (IAG), amelynek világhálózatában hazánkat Penc képviseli.

Ennek a kis községnek a nevét külföldön minden bizonnyal többen ismerik, mint itthon. A naponta számított koordinátákból egy esetleges elmozdulást azonnal ki lehetne mutatni. Szerencsére eddig erre még nem került sor: ez a régió szeizmológiailag a nyugodtabb térségek közé tartozik. Kiváló ellenpélda Japán vagy az egyesült államokbeli Kalifornia. Ezeken a helyeken jelentős öszszegeket áldoznak – éppen a földrengésveszély miatt – az aktív GPS-hálózat kiépítésére. Japánban máris hatszáz összekapcsolt állomás üzemel, de a rendszert nyolcszáz állomásosra kívánják bővíteni.

2. ábra. A penci obszervatórium, tetején a GPS-ponttal

A penci állomás 1996. március 1-jétől működik folyamatosan, az obszervatórium főépületének (2. ábra) a tetején található, s helyzetét rendszeresen ellenőrzik a kertben mélyalapozással állandósított háromszögelési pontokról, valamint 15 kilométeres körzetben a sziklába ágyazott öt további úgynevezett „őrpontról”.

Végül ide kívánkozik, hogy a globális helymeghatározást nem a geodézia kedvéért hozták létre. A most bemutatott bámulatos eredmények kis túlzással csupán e technikának a melléktermékei. A geodézia csak töredéke a GPS felhasználói körének. A GPS már a közeljövőben az űrtechnikák közül a telekommunikáció után talán a legelterjedtebb lesz, mindenekelőtt a járműkövetésben és az intelligens közlekedési rendszerekben. De ez már egy másik történet.

Dr. Borza Tibor
(A FÖMI Kozmikus Geodéziai Obszervatóriuma)