VLBI

Polega na zapisaniu na taśmie magnetycznej obserwacji razem z sygnałem czasu każdej ze stacji i przewiezieniu do ośrodka obliczeniowego, gdzie dokona się obróbki danych.

W jaki sposób orientacja układu odniesienia związanego z pomiarami GPS może być udoskonalona poprzez pomiary VLBI - sieć naziemnych stacji śledzących, składa się z trzech punktów, na których są wykonywane jednocześnie obserwacje VLBI i GPS - linia przerywana pomiędzy stacjami a kwazarami oznacza obserwacje VLBI.

Zastosowania VLBI w Geodezji

- Służy do wyznaczania współrzędnych punktów referencyjnych anten z dokładnością < 1 cm.

- Pomiary ruchów tektonicznych płyt ( ~ 0.1 cm/rok).

- Wyznaczanie długości doby ( ~ 0.1 ms)

- Pomiary parametrów pływów.

- Wyznaczanie poprawek do teorii nutacji i precesji.

Iloczyn skalarny wektorów Δr - łączącego stacje

i u - jednostkowego kierunku do radioźródła wynosi:

u*Δr = u Δr cosΨ = t*c,

c- jest prędkością fal radiowych

Ψ- jest kątem, jaki kierunek bazy P1, P2 tworzy z kierunkiem do radioźródła.

t- opóźnienie, które podlega pomiarowi można powiązać z wektorem bazy Δr przez równanie:

t= (1/c)u *Δr

Gdy wykonane są pomiary do conajmniej 3 różnych radioźródeł, można wyznaczyć współrzędne wektora Δr, czyli względną pozycję stacji 1 i 2

d   c    cos  d/b

b - baza

λ - długość fali

τ - opóźnienie sygnału na odcinku d = PA1

Θ - kąt pomiędzy kierunkiem bazy b i kierunkiem promieniowania k

c - prędkość rozchodzenia się fali

SLR

Podstawową funkcją SLR/LLR jest dokładny pomiar odległości pomiędzy teleskopem/laserem a satelitami.

Pomiar - wysyłane są krótkie impulsy światła laserowego do luster znajdujących się na satelitach i mierzy się czas w którym wiązka laserowa odbije się od luster i powróci na ziemię. Znana jest prędkość światła dlatego odległość jaką przebywa wiązka światła w określonym czasie można łatwo obliczyć. Zasada pomiaru odległości do satelity wynika z podstawowego równania pomiarów elektromagnetycznych, D = c/2 × Δt, gdzie c oznacza przeciętną prędkość propagacji promienia laserowego wzdłuż rzeczywistego toru tego promienia na drodze tam i z powrotem.

Wykorzystywanie SLR/LLR w geodezji, aby

- Wyznaczyć precyzyjne efemerydy satelitów,

- Badać pole grawitacyjne Ziemi,

- Badać kształt Ziemi oraz jego zmienność.

SLR - LASEROWE POMIARY SATELITARNE

Dokładny pomiar odległości do satelity przy użyciu aparatury laserowej. Transmisja wiązki krótkich promieni laserowych z odległych od siebie punktów w kierunku luster znajdujących się na satelitach. Pomiar czasu impulsów laserowych, które przebywają drogę od nadajnika do satelity a następnie ulegają odbiciu od luster i wracają z powrotem na Ziemię do odbiornika

Zastosowanie SLR w geodezji

Ustalenie dokładnej odległości pomiędzy punktami na powierzchni Ziemi. Narzędzie do monitoringu ruchu płyt tektonicznych oraz zmian w ruchu obrotowym Ziemi. SLR wnosi swój udział do pomiarów poziomu morza, który jest kluczowym czynnikiem w efekcie cieplarnianym.

LASEROWE POMIARY DO KSIĘŻYCA LLR

LLR służy do pomiaru odległości między stacją naziemną a odbłyśnikami laserowymi umieszczonymi na Księżycu.

Zasady działania i dokładności

Opiera się na pomiarze czasu, jaki jest potrzebny na przebycie przez promienie laserowe drogi z nadajnika na Księżyc i z powrotem na Ziemię do odbiornika. Pomiary te wymagają niezwykłej precyzji, ponieważ światło pokonuje ten dystans w ciągu 2,5 sekundy. Dlatego też zostały zastosowane zegary atomowe, które zapewniają rozdzielczość pomiaru czasu rzędu 10 pikosekund.

DORIS (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite)

DORIS (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite) jest dopplerowskim systemem śledzącym prowadzącym obserwacje odległości wyznaczanych na podstawie sygnałów emitowanych z gęstej sieci naziemnych nadajników. Wyznaczana jest pozycja odbiornika znajdującego się na satelicie z decymetrową dokładnością w czasie rzeczywistym.

DORIS

Celem wyznaczenie pozycji stacji naziemnych i ich prędkości, wyznaczenie precyzyjnych orbit satelitów na których zainstalowano odbiorniki systemu oraz wyznaczenie parametrów ruchu obrotowego Ziemi. Dokładność wyznaczenia położenia rzędu jednego centymetra.

ELEMENTY DORIS 60 naziemnych stacji nawigacyjnych (radiolatarni) rozmieszczonych równomiernie na powierzchni Ziemi oraz 6 odbiorników umieszczonych na satelitach (instrument)

EFEKT DOPPLERA System Doris jest oparty na zasadzie efektu Dopplera, który powoduje zmiany częstotliwości fal kiedy odbiornik i nadajnik poruszają się względem siebie. W konsekwencji, częstotliwość otrzymywanego sygnału nie jest taka sama jak sygnału transmitowanego. Częstotliwość wzrasta, gdy 2 obiekty zbliżają się, a zmniejsza się, gdy się oddalają.

DZIAŁANIE stacje naziemne transmitują sygnał z dwoma różnymi częstotliwościami 2036,25MHz oraz 401,25MHz do satelitów. Pokładowy odbiornik satelitów analizuje otrzymywane częstotliwości sygnału by obliczyć jego względna prędkość do Ziemi.

CECHY ekstremalna precyzja, precyzja pomiarów dopplerowskich wynosi 0,3 mm/s

ALTIMETRIA

Stosowana do wyznaczania geoidy i parametrów pola grawitacyjnego Ziemi na obszarze mórz i oceanów. Precyzyjny pomiar odległości sztucznego satelity od powierzchni mórz i oceanów za pomocą umieszczonego na nim altimetru.

Zasada Działania Na pokładach satelitów znajdują się altimetry radarowe, które bez przerwy transmitują sygnał o wysokiej częstotliwości w kierunku Ziemi i odbierają echo (tj. fale odbite) z powierzchni oceanu. Dane te są analizowane w celu pozyskiwania dokładnych pomiarów czasu, jaki upływa między satelitą, a powierzchnią morza. Pomiar czasu określany jest przez prędkość światła, w jakim fale elektromagnetyczne przemieszczają się w kierunku „tam i z powrotem”, Na podstawie pomiaru czasu oblicza się odległość. Znając parametry orbity satelity i jego pozycję względem Ziemi w momencie pomiaru, przypisuje się zmierzone odległości konkretnym punktom na Ziemi. W jednym cyklu pomiarowym, trwającym kilka miesięcy, uzyskuje się sieć punktów pokrywających powierzchnię mórz i oceanów całej kuli ziemskiej, a następnie wyznacza geoidę na ich obszarze

Budowa Altimetru Podstawową część altimetru stanowi dalmierz mikrofalowy (np. radar w zakresie częstotliwości ok. 14 GHz), w pomiarze jest wykorzystywane zjawisko odbicia fal elektromagnetycznych od powierzchni wody, długości impulsu mieszczą się w zakresie 5 - 10 ns.

Dokładność pomiarów w przedziale ±(0.1 - 0.03) m. Rozbieżność wiązki radarowej sprawia, że wynik pomiaru jest uśrednioną wartością odniesioną do kręgu powierzchni morza o średnicy kilku do kilkunastu kilometrów.

Równanie Altimetri hc = h - N - δhm - δhc Gdzie:

hc - wysokość satelity nad geocentryczną elipsoidą ,

h - wartość mierzona radarem altimetrycznym, będącą zarazem wysokością satelity nad chwilową

powierzchnią morza (CM),

Oznaczenia wysokości:

δhm = (SM) quasi-spokojna powierzchnia morza ponad geoidą,

δhc = (CM) chwilowa powierzchnia morza ponad (SM) quasi-spokojną powierzchnią morza

GNSS (Global Navigation Satellite System) - wspólna nazwa dla wszystkich globalnych systemów nawigacyjnych. W chwili obecnej mówimy o GNSS-1 systemie pierwszej generacji, na który składają się:

• Istniejące globalne systemy nawigacyjne GPS i GLONASS,

• Satelitarne systemy wspierające: amerykański WAAS, europejski EGNOS, japoński MSAS

• Naziemne systemy wspierające - sieci globalne jak IGS, kontynentalne EPN, AUSPOS i krajowe lub regionalne ASG-EUPOS, CORS, SAPOS, SWEPOS.

System drugiej generacji GNSS-2 będzie składał się z w pełni cywilnego systemu GALILEO oraz ze zmodernizowanego systemu GPS (sygnał L2C oraz nowa częstotliwość L5 i dwie częstotliwości cywilne) i GLONASS. W GNSS-2 znajdzie się również projektowany system chiński - COMPAS oraz regionalne systemy nawigacyjne: indyjski IRNSS (Indian Regional Navigational Satellite System) i japoński QZSS (Quasi-Zenith Satellite System).

GPS (Global Positioning System)

Segment kosmiczny

Na segment kosmiczny składa się zespół 24 satelitów rozmieszczonych na 6 równomiernie rozłożonych orbitach. Orbity są nachylone pod kątem 55Ⴐ względem płaszczyzny równika, co powoduje, iż powyżej szerokości geograficznej 55Ⴐ N i 55Ⴐ S żaden z satelitów nie będzie obserwowany w zenicie. Wysokość orbit wynosi 20162,61 km. Okres obiegu satelitów wokół osi Ziemi wynosi prawie 24h w kierunku przeciwnym do kierunku obrotu Ziemi, zatem konstelacja satelitów ponawia się co 12h.

Segment naziemny

stacja centralna, której zadaniem jest:

• obliczanie parametrów orbit (efemeryd) satelitów,

• wyznaczanie poprawek do zegarów satelitów,

• podejmowanie decyzji o korektach orbit,

• przekazywanie do satelitów danych efemeryd i poprawek zegara w celu ich retransmisji w depeszy nawigacyjnej satelitów.

stacje nadzoru, których zadaniem jest:

• śledzenie orbit satelitów,

• zbieranie danych do poprawek jonosferycznych i poprawek czasu zegarów satelitów,

• przesyłanie informacji do stacji centralnej,

• przekazywanie informacji do satelitów (odświeżanie pamięci pozycji satelity, synchronizacja zegara z zegarem stacji naziemnej, poprawki związane z aktualnym stanem jonosfery)

Segment użytkownika

Na segment użytkownika składają się wszystkie odbiorniki GPS cywilne i wojskowe. System ma charakter pasywny, transmisja sygnału odbywa się jednokierunkowo, z pokładu satelitów do użytkownika

SYGNAŁY W SYSTEMIE GPS

Nadawane z satelit

• kod C/A (Coarse Acquisition), o częstotliwości L1 = 1575.42 MHz dla użytkowników cywilnych (SPS),

• kod P (Precise), o częstotliwości L2 = 1227.6 MHz dla zastosowań wojskowych (PPS).

Odbierane drogą radiową, przypominają szum, przez co zwane są sygnałami pseudolosowymi (PRN - Pseudo-RandomNoise). System SPS (Standard Positioning System) - dla użytkowników prywatnych, a do celów bronnych wykorzystywany jest system PPS (Precise Positioning System)

Sygnały wysyłane przez satelity

Nadawany sygnał modulowany jest trzema rodzajami kodów binarnych o następujących parametrach:

• Pseudolosowy PRN (ang. pseudo random noise) kod C/A (ang. coarse acquisition) - moduluje fazę sygnału nośnej L1 z częstotliwością 1MHz i ma długość 1023 bitów, czyli powtarzany jest co 1 ms. Każdy satelita systemu GPS ma swój własny kod PRN C/A, który może również służyć do identyfikacji satelity. Kod ten jest używany w ogólnodostępnych zastosowaniach cywilnych.

• Pseudolosowy PRN kod P (ang. precise) - moduluje fazę sygnałów w obu kanałach L1 i L2 z częstotliwością 10,23 MHz a sekwencja kodu powtarzana jest co 7 dni. Kod ten dostępny jest tylko dla autoryzowanych użytkowników i umożliwia osiąganie dokładności rzędu kilku metrów. W sytuacji, gdy włączony jest system „anti-spoofing”, zapobiegający próbom celowego zakłócania pracy urządzeń GPS, kod ten jest szyfrowany z częstotliwością modulacji 0,5 Hz i przekształcany w kod Y.

• Dane telegramu nawigacyjnego, zawierające informacje o orbitach satelitów, korekcji zegara i innych parametrach systemu modulują kod C/A sygnału L1 z częstotliwością 50 Hz.

Depesza nawigacyjna

Kody pseudolosowe w sygnale GPS wykorzystywane są do pomiaru czasu przebiegu sygnału od satelity do odbiornika. Do wyznaczenia pozycji odbiornika konieczna jest także znajomość położenia satelity w chwili nadania sygnału. Ta i inne informacje zawarte są w depeszy nawigacyjnej nadawanej przez satelity.

Błędy systemu

Opóźnienie sygnału w jonosferze

Opóźnienie sygnału w troposferze

Wielotorowość i zanik sygnału w terenie

Szumy i ograniczenie rozdzielczości odbiornika

Błędy efemeryd (położenia satelitów na sferze niebieskiej)

Błędy zegarów na satelitach

Łączny błąd pseudoodległości

GLONASS (ros. Globalnaja Nawigacionnaja Sputnikowaja Sistiema)

Ze względu na perturbacje związane z rozpadem Związku Radzieckiego i kłopotami ekonomicznymi Rosji w latach dziewięćdziesiątych system nie osiągnął do dnia dzisiejszego fazy operacyjnej. Poczynając od 2001 roku podjęto działania mające na celu dokończenie budowy systemu.

Budowa systemu GLONASS ma wiele elementów podobnych do GPS, czyli:

• jest radiowym satelitarnym systemem wyznaczania pozycji, prędkości oraz transferu czasu

• jest systemem niezależnie od warunków atmosferycznych

• Informacja dostarczana nieodpłatnie do nieograniczonej liczby użytkowników wyposażonych w odpowiedni sprzęt

System składa się z trzech części (segmentów):

Satelitarnego (nominalnie 24 satelity) obecnie czynne 16 satelitów,

Wysokość orbity : 19 100 km

Okres Obiegu : 11 h 15 min

Nachylenie orbity : 64.8o

Liczba płaszczyzn : 3

Satelitów w płaszczyźnie : 7+1

Liczba satelitów : 24 (21+3).

Kontrolnego - Ground-based Control Complex (GCS):

- System Control Center (SCC)

- stacja w Krasnoznamensku koło Moskwy (zarządzanie systemem, obliczanie efemeryd, poprawek zegarów satelitów, przesyłanie danych na satelitę)

- stacje śledzące Command Tracking Stations (CTS) - obserwacje satelitów, przesyłanie danych do SCC

- Quantum Optical Tracking Stations - kalibracja danych z CTS przy użyciu obserwacji laserowych

Użytkownika - zastosowania nawigacyjne, geodezyjne, transfer czasu

Częstotliwości fal nośnych L1 i L2:

- L1 = 1602.0 - 1614.94 MHz przesunięcie dla satelitów = 562.5 kHz

1602.0 - 1609.31 Mhz (do 2005) i 1598.06 - 1605.38 po 2005

- L2 = 1246.0 - 1256.06 MHz

przesunięcie dla satelitów = 437.5 kHz

Informacja kodowa Navigation Message, almanach - przybliżone położenie satelity, parametry przesunięcia fazy, poprawki zegarów satelitarnych, efemerydy broadcast (pokładowe) satelitów

GALILEO (projektowany)

Projekt europejskiego systemu nawigacyjnego, odpowiednika GPS i GLONASS pojawił się w latach dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku. Miał powstać w latach 2006-2010, jednak z powodu różnych perturbacji moment jego oddania do użytkowania przesunięto na 2012 rok.

Segment Satelitarny.

• Wysokość orbity : 23 222 km

• Okres obiegu : ~14 godzin

• Nachylenie orbity : 56°

• Liczba płaszczyzn : 3

• Satelitów w płaszczyźnie : 9+1

• Liczba satelitów : 30

SYGNAŁ - Transmitowanych ma być 5 sygnałów nawigacyjnych (serwisów) na czterech pasmach częstotliwości:

- 1164 - 1189 MHz pasma E5a

- 1189 - 1215 MHz pasmo E5b

- 1215 - 1301 MHz pasmo E6

- 1559 - 1591 MHz pasmo E2-L1-E1 (1559 - 1563 MHz pasmo E2, 1563-1587 MHz pasmo L1, 1587 - 1591 MHz pasmo E1

COMPAS

W 2000 roku Chiny rozpoczęły budowę satelitarnego systemu wspomagającego (SBAS) - nazywanego „Beidou”. Składa się on z 4 satelitów geostacjonarnych. Następnie władze chińskie poinformowały, że chcą dalej rozbudować ten system o dodatkowe 30 satelitów tworzących globalny system nawigacyjny podobny do GPS, GLONASS i GALILEO. W przedstawionych założenia systemu ma on transmitować sygnał na czerech częstotliwościach pokrywających się z częstotliwościami E1, E2, E5B i E6 systemu Galileo.

Równanie orbit

Rodzaje orbit kołowe, eliptyczne, paraboliczne, hiperboliczne

ORBITY W SYSTEMIE GPS (udostępniane przez IGS)

Rodzaje orbit których użycie determinuje dokładność wyznaczania pozycji punktów:

• precyzyjne - dostępne po około 2 tygodniach od momentu pomiaru GPS,

• szybkie precyzyjne - Rapid - dostępne po około 17. godzinach,

• bardzo szybkie precyzyjne (Ultra Rapid) - obserwowane (Observed 24 godz. i przewidywane - Predicted - na kolejne 24 godz.)

• Pokładowe - Broadcast - otrzymywane na bieżąco

PERTURBACJE - ZAKŁÓCENIA RUCHU PO ORBICIE

Zmiany w ruchu satelitów wywołujące odstępstwa od ruchu po orbicie keplerowskiej, wywołane czynnikami:

• wpływem atmosfery

• polem grawitacyjnym Ziemi

• siłami grawitacyjnymi Słońca i Księżyca

• wpływem ciśnienia światła słonecznego

Ze względu na interwał czasu w jakim zachodzą mamy: krótkookresowe i długookresowe oraz wiekowe.

Ze względu na charakter orbity satelity GPS, jego masy i rozmiary perturbacje przyjmują różne wartości.

Zakłócenia ruchu po orbicie - strefy oddziaływań

1.zewnętrzna - w której zakłócenia ruchu satelitów powodowane są przez duże ciało niebieskie (Słońce i Księżyc).

2.środkowa - w której wpływy zakłócające spowodowanie anizotropią pola grawitacyjnego są tego samego rzędu, co wpływ ciał obcych.

3.wewnętrzna - w której działanie hamujące atmosfery jest na tyle znaczne, że należy je już uwzględniać.

Największa trudność polega na tym, iż nie ma dokładnych granic tych stref, lecz częściowo się pokrywają.

POMIARY ODLEGŁOŚCI

METODA KODOWA: Pseudoodległości miedzy sat a odbiornikiem w czasie transmisji i odbioru sygnalu. Czas przejścia sygnalu jest wyznaczany przez porownanie identycznego z satelitą pseudoszumowego kodu (PRN) wytworzonego przez odbiornik. Kody generowane w odbiorniku przez urządzenia współpracujące z zegarem odbiornika sa dopasowane do kodu gener przez satelitarny system zegarow i transmitowanego przez satelite. Błędy: chodu zegarów, propagacji fal w atmosferze. Poprawki ze wzgl na refrakcję fali w jonosferze i troposferze sa okreslone wg odp formul. P^P_k=(t_k-t^p)c= P^P_k+(dt^p-dt_k)c+l^P_k+T^P_k W odb znajduje sie zegar kwarcowy, który mierzy z dokl 10^-5-10^-6[m].

METODA FAZOWA: Obserw fazowe są różnicą między fazami sygnału sat mierzonymi przez odbiornik w epokach pom t. Pomiar zawiera dwie wielk: 1. Nieznaną liczbę cykli fali nośnej na drodze sat-odb. 2.Zakumulowaną częstotliwość dopplerowską, odp sumie wielk dopplerowskiej oraz mierzonego ułamka fazy częstotl nośnej. Met fazowa jest dokladniejsza niz kodowa, ale problemem są skokowe zmiany N ^s_k - jest to utrata cykli fazowych.

POMIAR KODU PSEUDOODLEGŁOŚCI

Czas przejścia sygnału jest wyznaczany przez porównanie identycznego z satelitą pseudoszumowego kodu wytwarza­nego przez odbiornik. Kody generowane w odbiorniku przez urządze­nia współpracujące z zegarem odbiornika są dopasowane do kodu generowanego przez satelitarny system zegarów i transmitowanego przez satelitę. Przez obciążenie błędami chodu zegarów satelity i odbiornika oraz pro­pagacja fal w atmosferze wyznaczana odległość różni się od rzeczywistej. Pseudoodległość może być określana zarówno kodem C/A, jak i kodem P. Poprawki, ze wzgl na refrakcję fali w jonosferze i troposferze, określane wprost

POMIAR DOPPLEROWSKI: Zmiana częstotliwości fali nośnej wywołana ruchem nadajnika względem obserwatora, zwana efektem Dopplera, jest wykorzystywana w nawigacji do określania w czasie rzeczywistym prędkości obserwatora. Równanie wielkości dopplerowskiej, wyrażone w funkcji zmiany odległości satelita - obserwator, ma postać: D = Φ λ = ρ cosΔσ

Satelita retransmituje sygnał, który odbierany jest przez antenę odbiornika użytkownika. W odbiorniku tworzona jest tzw. „replika” kodu i porównywana z kodem otrzymanym (synchronizacja). Dzięki wysoko precyzyjnym zegarom atomowym, badane jest bardzo dokładnie przesunięcie w czasie odpowiednich sekwencji kodu.

D- `pseudoodległość' jako funkcja prędkości i czasu

POMIAR FAZY FALI NOŚNEJ

Obserwacje fazowe są różnicą między fazami sygnału satelity mierzonymi przez odbiornik w epokach pomiaru t. Pomiar zawiera dwie jednakowo ważne wielkości: pierwszą jest nieznana liczba cykli fali nośnej (długość fali LI 19 cm) na drodze satelita - odbiornik; drugą zaś zakumulowana częstotliwość dopplerowska, odpowiadająca sumie wielkości dopplerowskiej oraz mierzonego ułamka fazy często¬tliwości nośnej.

Równanie obserwacji fazy częstotliwości nośnej pomijające błędy zegara odbiornika, błędy zegara i propagacje sygnału można zapisać::

ŹRÓDŁA BŁĘDÓW (METODY ELIMINACJI LUB OGRANICZENIA)

NAJWAŻNIEJSZE ŹRÓDŁA BŁĘDÓW

Podstawowe źródła błędów:

- pomiar pseudoodległości

- pomiar fazowy

- pomiar potrójnej fazy - róznicowy

• Orbity (pokładowe, precyzyjne są modelowane np. pomiarów)

• Zegar satelity i zegar odbiornika (eliminacja przez różnicowanie)

• Przeskoki fazy (sa wykrywane i „naprawiane” przez różnicowanie)

• Opóźnienie jonosferyczne (eliminowane przez kombinacje L₁/L₂)

• Opóźnienie troposferyczne (jest modelowane np. pomiarów)

• Odbicia (ograniczone przez konstrukcje anteny)

• Zmiennośc centrum fazowego anteny (kalibracja anteny)

• Geometria satelitów (DOP)

• Szum pomiarowy sygnału (L₁, L₂,L₁/L₂)

• Szum pomiarowy odbiornika

• Pomyłki, błędy grube (łatwe do wykrycia przez pomiary nadliczbowe)

Oprócz sztucznie wprowadzonych zniekształceń sygnału i informacji satelitarnej, najpoważniejszymi źródłami błędów są:

Zmienne opóźnienie jonosferyczne - najpoważniejsze źródło błędów wyznaczenia pozycji i jest zależne od gęstości swobodnych elektronów na drodze sygnału a jego wartość wynosi 10 do 50m. Duża zmienność warunków jonosferycznych, zarówno dobowa, jak i długookresowa, powoduje, iż model opóźnienia jonosferycznego transmitowany przez satelitę pozwala na redukcję odpowiedniego błędu co najwyżej w 50%. Dokładniejszą wartość opóźnienia jonosferycznego można obliczyć na podstawie pomiarów wykonywanych jednocześnie na częstotliwo­ściach LI i L2, co wymaga użycia odbiornika 2-częstotliwościowego.

Dyspersja czyli rozpraszanie fal elektromagnetycznych jest efektem ich przechodzenia przez jonosferę. Aktualny stan jonosfery determinuje GESTOŚĆ elektronów (współczynnik TEC - total elektron content). Istnieją różne modele - sposoby opisu jonosfery. Powstawały podczas prowadzonych badań naukowych, a Żaden z nich nie redukuje zjawiska refrakcji w sposób zupełny. Kryterium opisującym stan jonosfery jest gęstość elektronów (Ne) - zawartość elektronów w 1 m³ tego środowiska.

TEC = ∫ Ne dr_j

gdzie rj- trasa propagacji sygnału w jonosferze

Wartość TEC oznacza stopień jonizacji określanych liczbą zjonizowanych cząstek w jednostce

objętości.

Zmienne opóźnienie troposferyczne - zmienia się zazwyczaj od 2 do 3m. Modelowanie opóźnienia troposferycznego na podstawie aktualnych pomiarów parametrów meteorologicznych stosuje się głównie przy pomiarach geodezyjnych w terenie o zróżnicowanej wy­sokości oraz w pomiarach o zasięgu globalnym

Troposfera jest najniższą warstwą atmosfery znajdująca się bezpośrednio nad powierzchnią Ziemi. Jej wysokość szacowana jest na około 8 - 18 (nawet do 50) km w zależności od miejsca na Ziemi (najwyżej sięga w okolicach równika, najniżej na biegunach).

Modelowanie wpływu troposfery na sygnał GPS odbywa się przy udziale 3 czynników:

• ciśnienie,

• wilgotność,

• temperatura.

Opóźnienie troposferyczne definiujemy jako:

T = ∫ (n-1) drt

gdzie n - współczynnik refrakcji troposferycznej,

drt - droga sygnału w troposferze

Przebieg refrakcji modelowany jest przy uwzględnieniu powietrza suchego i mokrego (para wodna).

Podczas pomiarów GPS aŻ 90% refrakcji dotyczy powietrza suchego.

Odbiór sygnałów odbitych - od powierzchni ziemi oraz konstrukcji otaczających antenę może być źródłem błędu pseudoodległości docho­dzącego do 10 m. Odpowiedni błąd fazy nośnej może wynosić kilka cm. Błędów tych można uniknąć przez stosowanie anten o specjalnej konstrukcji, odpowiedni dobór miejsca obserwacji, wydłużenie sesji pomiarowej.

OCENA DOKŁADNOŚCI ROZWIĄZANIA NAWIGACYJNEGO

Ocena przewidywanej dokładności dokonywana jest zazwyczaj poprzez znajomość:

• UERE - estymowane odchylenie standardowe pomiaru odległości satelita-odbiornik, parametr ten jest transmitowany przez satelitę,

• DOP - współczynników wiążących błąd pomiaru odległości do satelity z błędem wyznaczenia pozycji, wielkości DOP są pochodną konfiguracji geometrycznej układu satelity-odbiornik.

Błędy związane z segmentem kosmicznym i segmentem nadzoru są poza wpływem użytkownika. Wszystkie błędy traktuje się zazwyczaj jako losowe i mające rozkład normalny.

Spośród współczynników DOP wyróżnić należy:

• GDOP - Geometrical Dilution of Precision, geometryczne rozmycie dokładności, współczynnik ten jest odwrotnie proporcjonalny do objętości bryły, której wierzchołkami są pozycje obserwowanych satelitów i odbiornika,

• PDOP - Position Dilution of Precision, trójwymiarowe rozmycie dokładności, w pierwszym przybliżeniu wielkość PDOP jest nieco mniejsza od GDOP,

• HDOP - Horizontal Dilution of Precision, poziome rozmycie dokładności,

• VDOP - Vertical Dilution of Precision, pionowe rozmycie dokładności,

• TDOP - Time Dilution of Precision, rozmycie dokładności czasu.

Wstępną ocenę przewidywanej dokładności uzyskać mnożąc odpowiedni współczynnik DOP przez UERE. Mniejsze wartości współczynników DOP odpowiadają lepszym warunkom geometrycznym.

Geometria układu satelity - odiornik odgrywa bardzo wazna role w precyzji.

wyznaczenia pozycji punktu; im wieksza objetosc bryły ograniczonej układem (tzw. tetrahedron) tym lepsza precyzja wyznaczenia. Im wieksza objetosc bryły, tym parametr PDOP bedzie mniejszy. Przybiera on wartosci wieksze od 0, a doswiadczenia. Przy pomiarach metoda GPS niezwykle wazne jest by współczynnik rozmycia precyzji nie przekroczył wartosci 5, poniewaz mimo uzyskania rozwiazania bedzie sie ono cechowało zbyt duzym błedem srednim, a co za tym idzie niezbedne bedzie powtórzenie pomiaru. polowe dowodza, ze udane obserwacje nastepuja przy PDOP < 5 przy minimum 5 obserwowanych satelitach.

Geometrical DOP - geometryczne rozmycie pozycji i czasu:

GDOP = (pqX + qY + qZ + qt)^1/2

Position DOP - defekt precyzji wyznaczenia pozycji:

PDOP = (pqX + qY + qZ)^1/2

ime DOP - defekt precyzji wyznaczenia poprawki czasu odbiornika:

TDOP = (pqt)^1/2

Horizontal DOP - defekt precyzji wyznaczenia pozycji w płaszczyznie poziomej:

HDOP = (pqN + qE)^1/2

Vertical DOP - defekt precyzji wyznaczenia pozycji pionowej:

V DOP = (pqU)^1/2

METODY POMIARÓW GPS I GNSS

STATYCZNA

Metoda typu post processing, wykorzystująca pomiary fazowe. Zapewnia najwyższe dokładności pozycjonowania. Błędy średnie położeń punktów wyznaczonych tą techniką są rzędu 2-5 mm, wymaga długich jednoczesnych obserwacji na obu punktach. Ogólny algorytm stosowany do obliczania przyrostów pomierzonego wektora trójwymiarowego w sesji statycznej. Współrzędne przybliżone punktów obliczane są na podstawie zmierzonych pseudoodległości do przynajmniej 4 satelitów. Na podstawie ułożonych równań, po jednym dla każdego satelity dla danej epoki obserwacyjnej, obliczane są współrzędne przybliżone obu pomierzonych punktów oraz poprawki zegarów obu odbiorników, tak jak w metodzie autonomicznej. Ten etap obliczeń wykonywany jest przez procesor wewnętrzny odbiornika. W kolejnym kroku wykonywane są już obliczenia różnicowe (jeden z punktów wektora zostaje przyjęty za stały i uzyskuje współrzędne obliczone poprzednio), z wykorzystaniem pomiarów fazowych. Układane są tzw. potrójne różnice z pomiarów fazowych, dzięki czemu parametry ambiguity znoszą się. Parametry ambiguity to wstępne nieoznaczoności całkowitej ilości cykli, wynikające z nieznajomości odległości pomiędzy stacją a satelitą w momencie rozpoczęcia pomiarów. Wartości tych niewiadomych obliczane są w trakcie dalszego opracowania pomiarów fazowych. Na podstawie potrójnych różnic obliczane są danego wektora, z błędem średnim dla każdej współrzędnej rzędu 0.5 - 1 m. Współrzędne punktu obliczanego zostają na tym etapie poprawione. Następnie program oblicza tzw. podwójne różnice z pomiarów fazowych. Metoda statyczna stosowana jest do aplikacji precyzyjnych, jak wyznaczanie współrzędnych punktów geodezyjnych wysokich klas, do badania stałości punktów, przemieszczeń i deformacji powierzchni terenu lub obiektów inżynierskich.

KINEMATYCZNA

Jeden odbiornik jest umieszczony na punkcie o znanych współrzędnych, a drugi przemieszcza się po punktach wyznaczanych. Na każdym wyznaczanym punkcie w odbiorniku jest zapisywanych łącznie z na­zwą punktu kilka obserwacji. Jest wysoko wydajną metodą podczas wy­znaczania dużej liczby punktów położonych w odkrytym terenie, gdy na trasie przejazdu nie ma zasłon uniemożliwiających utrzymanie ciągłego kontaktu z satelitami. Rozpoczyna się od inicjalizacji, podczas której wykonany pomiar umożliwi obliczenie parametru nieoznaczoności. Sposoby inicjalizacji pomiaru:

• „wymiana anten” na bazie wyjściowej,

• dłuższa obserwacja na bazie wyjściowej,

• rozpoczęcie pomiaru na bazie wcześniej wyznaczonej.

Wymiana anten - wymiana anten (z odbiornikami) na dwóch początkowych punktach, z których jeden ma znane współrzędne. Po kilkuminuto­wym pomiarze wymienia się zestaw pomiarowy i ponownie wykonuje krótki pomiar. Następnie odbiornik A wraca na punkt znany, a od­biornik ruchomy B zaczyna przemieszczać się po nowo wyznaczanych punktach. Nie wymaga dłuższych sesji pomiarowych na wyznaczanych punktach i jest bardzo przydatna wówczas, gdy znany punkt pierwszy punkt wyznaczany leżą blisko siebie.

Metoda pseudokinematyczna to uproszczona metoda kinematyczna w zakresie pomiaru polowego i uproszczona metoda statyczna w opracowaniu matema­tycznym. Jeden odbiornik jest ustawiany na punktach o nieznanych współrzędnych na czas 5—10 minut. Po wykonaniu pomiaru na wszystkich nieznanych punktach pomiar się powtarza. Drugi odbior­nik znajduje się przez cały czas na punkcie o znanych współrzędnych. Zaleca się, aby przez cały czas trwania pomiaru były obserwowane co najmniej 4 te same satelity.

RTK (REAL TIME KINEMATIC)

Wykorzystuje pomiary fazowe. Pozycjonowanie daje dokładności rzędu 1-2 cm, przy bardzo krótkich czasach obserwacji. Wymaga odbiornika umieszczonego na stacji referencyjnej, o znanych współrzędnych oraz odpowiedniego sprzętu, zapewniającego łączność radiową z odbiornikami ruchomymi. Stacja referencyjna emituje informacje dotyczące pomiarów fazowych. Czas, jaki jest potrzebny na osiągnięcie tak wysokich dokładności wyznaczenia współrzędnych zależy od ilości satelitów (min. 5) oraz od odległości do stacji referencyjnej (max. 10 km). Wiele z algorytmów obliczeń wykorzystuje np. filtr Kalmana, definiując układ równań dynamicznych (uwzględniających, poprzez tzw. macierz przejścia, dynamikę układu), w których niewiadomymi są współrzędne trójwymiarowe odbiornika ruchomego, ewentualnie jego prędkość i przyspieszenie, parametry ambiguity oraz opóźnienie jonosferyczne.

STOP & GO

Metoda półkinematyczna i półstatyczna. Odległości stacji referencyjnych do 10km, minimum 4 satelity widoczne cały czas, potrzebna inicjalizacja, obserwacje 1minutowe, interwał 1sekundowy. Metoda ma umożliwiać łatwy, dokładny pomiar punktów położonych blisko siebie. Podczas poruszania się pomiędzy stanowiskami pomiarowymi, odbiornik prowadzi ciągłe pomiary GPS. Dokładność pozioma wynosi 20mm+2ppm, dokładność pionowa wynosi 40mm+2ppm

OBLICZENIA I PROCEDURA POMIARÓW STATYCZNYCH

RINEX - format wymiany danych pomiarowych niezależny od odbiornika (Receiver INdependent EXchange)

Zgodnie z założeniami projektowymi, w systemie obliczeniowym ASG-PL obowiązuje uniwersalny format zapisu danych RINEX2. Format RINEX2 jest niezależnym od zastosowanego odbiornika formatem zapisu i wymiany danych obserwacyjnych GPS. Z uwagi na fakt, że każdy producent sprzętu GPS, stosuje własne format zapisu danych obserwacyjnych, binarne zbiory obserwacyjne i nawigacyjne (zgrane z odbiornika) należy przetransformować na format RINEX2. Odbywa się to zazwyczaj przy pomocy firmowych programów dołączonych do zestawu obserwacyjnego. Pliki w formacie RINEX są plikami typu ASCII, a więc można je sprawdzać stosując dowolny edytor tekstu.

Ze względu na automatyzację procesów obliczeniowych w serwisie ASG-PL należy stosować następujące nazewnictwo tworzonych przez użytkownika plików w formacie RINEX 2:

KKKKDDDF.YYI

gdzie:

KKKK - czteroliterowy kod nazwy stacji - może to być czteroznakowy numer punktu lub skrót nazwy

DDD - numer dnia w roku, w którym zostały przeprowadzone obserwacje

F - numer sesji (w przypadku zbiorów całodobowych będzie to 0)

YY - ostatnie dwie cyfry roku w którym wykonano obserwacje (np. dla roku 2002 będzie to 02)

I - informacja o rodzaju pliku :

• dla pliku obserwacyjnego w formacie RINEX - litera O

• dla pliku nawigacyjnego w formacie RINEX - litera N

Znaki od 0 do 60 są wprowadzane w procesie przeformatowywania przez program formatujący na podstawie binarnego zbioru obserwacyjnego lub przez użytkownika. Znaki od 61 do 80 są opisem pól (etykietami).

COMMENT są liniami komentarza i nie są czytane przez program opracowujący dane.

RINEX VERSION / TYPE - pierwszą linią nagłówka jest informacja o wersji formatu RINEX i typie obserwacji PGM / RUN BY / DATE znajdują się informacje o nazwie programu, którym wygenerowano dany zbiór w formacie RINEX, nazwie agencji (firmy), która ten plik (uruchomiła program konwertujący) utworzyła oraz dacie i czasie utworzenia pliku

MARKER NAME - linia ta zawiera nazwę punktu na którym wykonano pomiar.

MARKER NUMBER - informacje w tej linii zawierają numer punktu

OBSERVER / AGENCY - zapisane są informacje o osobie wykonującej pomiar - użytkownik musi tu wpisać nazwisko obserwatora i nazwę firmy.

REC # / TYPE / VERS - opisuje się informacje o odbiorniku, którym pomiar został wykonany. Kolejno są to numer seryjny, typ odbiornika (np. ASHTECH UZ-12 lub TRIMBLE 4000SSI itp.), numer wersji oprogramowania firmowego pracującego w odbiorniku

ANT # / TYPE - opisuje się informacje dotyczące anteny, którą wykonano pomiar. Są to kolejno numer seryjny (oznaczony jako SN), typ anteny (np. ASH700936D_M lub TRM29659.00)

APPROX POSITION XYZ - są tu podane przybliżone współrzędne XYZ punktu wyznaczone przez odbiornik w rocesie rejestracji obserwacji z kodu

DELTA H/E/N - podawane są informacje o wysokości anteny nad mierzonym punktem (wysokość ta jest mierzona od markera punktu do centrum fazowego anteny i jest wysokością pionową) i wielkościami wektorów określającymi ekscentryczne położenie anteny nad punktem (po długości i szerokości). pomiaru wysokości skośnej należy ją zredukować do pionu).

WAVELENGTH FACT L1/2 - podane są współczynniki dotyczące długości mierzonej fali. dla pomiarów:

• na pełnej długości fali pojawia się cyfra 1,

• dla kwadratowanej częstotliwości pojawia się cyfra 2,

• dla pomiarów odbiornikami jednoczęstotliwościowymi - dla fali L2 pojawia się cyfra 0.

# / TYPES OF OBSERV - zapisane są informacje o liczbie różnych typów zapisanych w pliku obserwacji i typach tych obserwacji. Format RINEX definiuje następujące typy obserwacji:

• L1, L2 - pomiary fazowe na częstotliwości L1, L2,

• C1 - pomiary kodowe przy użyciu kodu C/A na częstotliwości L1,

• P1, P2 - pomiary kodowe przy użyciu kodu P na częstotliwości L1, L2,

• D1, D2 - pomiary dopplerowskie na częstotliwości L1, L2.

Informacje te są generowane automatycznie przez program konwertujący.

INTERVAL - znajdują się informacje o interwale obserwacyjnym wyrażone w sekundach.

TIME OF FIRST OBS - zapisane są informacje o czasie, w którym została wykonana przez odbiornik pierwsza obserwacja. Sposób zapisu przedstawia się następująco: 1990 3 24 13 10 36.000000

Są to odpowiednio: rok (4 znaki), miesiąc (2 znaki), dzień(2 znaki), godzina (2 znaki), minuta (2 znaki), sekunda (9 znaków) i podawany jest w czasie GPS. Informacja ta jest zapisywana automatycznie przez program konwertujący na podstawie pierwszej zapisanej w pliku obserwacji.

END OF HEADER - jest linią oznaczającą koniec części nagłówkowej w zbiorze RINEX2. Jest ona niezbędna w pliku i jest automatycznie generowana przez program konwertujący.

ASG-EUPOS (AKTYWNA SIEĆ GEODEZYJNA EUPOS)

W SKRÓCIE

ASG-EUPOS jest wielofunkcyjnym systemem pozycjonowania satelitarnego, opartego na powierzchniowej sieci stacji referencyjnych GNSS, w którym udostępniane są poprawki oraz dane obserwacyjne dla obszaru Polski.

System umożliwia precyzyjne pozycjonowanie w trybie post-processingu i w czasie rzeczywistym.

Punkty odniesienia stacji referencyjnych systemu ASG-EUPOS stanowią osnowę geodezyjną równoważną pod względem dokładności punktom sieci POLREF.

Szczegółowe informacje dotyczące serwisów, zasad i warunków technicznych korzystania z systemu ASG-EUPOS znajdują się na stronie internetowej systemu www.asgeupos.pl.

System ASG-EUPOS umożliwia korzystanie z następujących serwisów (usług):

POZGEO - serwis automatycznych obliczeń w trybie post-processingu obserwacji GNSS wykonanych metodą statyczną, z deklarowanym błędem średnim wyznaczenia współrzędnych nie większym niż 0.01 m przy wykorzystaniu odbiornika L1/L2 i nie większym niż 0.1 m przy wykorzystaniu odbiornika L1

POZGEO D - serwis pobierania obserwacji satelitarnych GNSS w formacie RINEX z wybranych przez użytkownika stacji referencyjnych systemu ASG-EUPOS,

NAWGEO - serwis udostępniający poprawki RTK, umożliwiający wyznaczenie współrzędnych płaskich z błędem średnim nie większym niż 0.03 m oraz wysokości z błędem średnim nie większym niż 0.05 m przy wykorzystaniu odbiornika L1/L2 RTK,

KODGIS - serwis udostępniający poprawki RTK/DGNSS, umożliwiający wyznaczenie współrzędnych z błędem średnim nie większym niż 0.25 m przy korzystaniu z odbiornika L1/L2 oraz nie większym niż 1.5 m przy wykorzystaniu odbiornika L1,

NAWGIS - serwis udostępniający poprawki DGNSS, umożliwiający wyznaczenie współrzędnych z błędem średnim nie większym niż 3.0 m przy wykorzystaniu odbiornika L1.

System ASG-EUPOS zapewnia uzyskanie dokładności deklarowanych w ramach poszczególnych serwisów tylko dla obserwacji GNSS spełniających wymogi określone dla poszczególnych serwisów.

Wszystkie serwisy systemu ASG-EUPOS dostępne są przez całą dobę. W razie wystąpienia

usterek technicznych odpowiednia informacja umieszczona zostaje na stronie internetowej

systemu.

ASG-EUPOS

Serwis to od strony użytkownika udostępnianie różnicowych poprawek w czasie rzeczywistym (serwisy NAWGEO, NAWGIS, KODGIS) i/lub udostępnianie danych obserwacyjnych i wykonywanie obliczeń w trybie post-processing'u (odpowiednio serwisy: POZGEO D i POZGEO).

Wprowadzanie danych obserwacyjnych użytkownika, udostępnianie mu wyników obliczeń oraz poprawek odbywa się odpowiednio przez stronę Internetową systemu oraz standard GSM ze standardem pakietowej transmisji danych GPRS, UMTS oraz systemów radiowych.

Cechy praktyczne systemu ASG-EUPOS

• punkty odniesienia stacji referencyjnych systemu ASG-EUPOS stanowią osnowę geodezyjną

• sieć naziemnych stacji referencyjnych ASG-EUPOS wraz z punktami sieci EUREF-POL i POLREF, realizuje stabilny i jednolity układ odniesienia na obszarze Polski

• system ASG-EUPOS stanowi część środkowo-europejskiego systemu precyzyjnego pozycjonowania EUPOS.

• system stanowi bazę do budowy własnych systemów i aplikacji przez i dla jego użytkowników

• system ma strukturę otwartą i zapewnia dostęp do serwisów dla odbiorników różnych producentów

• wszystkie serwisy systemu ASG-EUPOS dostępne są przez całą dobę.

• system umożliwia precyzyjne pozycjonowanie w trybie post-processing'u oraz w czasie rzeczywistym

Oceny dokładności określone obowiązującymi przepisami i aktami prawnymi

Osnowa pozioma

• Dla punktów I klasy miarą dokładności błąd względny między sąsiednimi punktami mniejszy od 5ppm, czyli np. dla odległości 10 km nie więcej niż 5 cm

• Dla punktów osnowy II klasy miarą dokładności średni błąd położenia punktu po wyrównaniu w nawiązaniu do punktów I klasy mniejszy od 5 cm

• Dla punktów osnowy III klasy miarą dokładności jest średni błąd położenia punktu po wyrównaniu mniejszy od 10 cm

Osnowa wysokościowa

Miarą dokładności wysokości punktów średnie błędy niwelacji po wyrównaniu dla podstawowej i szczegółowej osnowy wysokościowej. Dopiero na poziomie osnowy pomiarowej wprowadza się w standardzie miarę poprzez średni błąd określenia wysokości.

Dla punktów wysokościowych I klasy - średni błąd po wyrównaniu mniejszy od 1.0 mm/km

Dla punktów wysokościowych II klasy - średni błąd po wyrównaniu mniejszy od 2.0 mm/km

Dla punktów III klasy - 4 mm/km

Dla punktów IV klasy - 10 mm/km

---