1. Ogólna budowa odbiornika GPS oraz opis funkcjonowania

GPS- system nawigacji satelitarnej, Departament Obrony Stanów Zjednoczonych, obejmujący całą kulę ziemską. Składa się z trzech segmentów: s kosmicznego - 31 satelitów orbitujących wokół Ziemi na średniej orbicie okołoziemskiej; s naziemnego - stacji kontrolnych i monitorujących na Ziemi oraz s użytkownika - odbiorników sygnału. Zadaniem systemu jest dostarczenie użytk info o jego położeniu oraz ułatwienie nawigacji w terenie. Działanie: pomiar czasu dotarcia sygnału radiowego z satelitów do odbiornika. Znając prędkość fali elektromagn oraz dokładny czas wysłania sygnału można obliczyć odległość odbiornika od satelitów. Sygnał GPS zawiera info o układzie satelitów na niebie (tzw. almanach) oraz info o ich teoretycznej drodze oraz odchyleń od niej (tzw. efemeryda). Odbiornik GPS w pierwszej fazie aktualizuje te info w swojej pamięci oraz wykorzystuje w dalszej części do ustalenia swojej odległości od poszczególnych satelitów, dla których jest w zasięgu. Wykonując przestrzenne liniowe wcięcie wstecz mikroprocesor odbiornika może obliczyć pozycję geogr (długość, szerokość geogr oraz wys elipsoid). Podaje je w wybranym UO – (stand WGS 84), także aktualny czas GPS z b dużą dokładnością.

BUDOWA

Głównym elem odbiornika GPS jest zegar wykorzystujący oscylator kwarcowy, (wzorzec czasu i częstotliwości). Drugim elem jest generator ciągów losowych, którymi modulowane są sygnały nadawane przez satelity GPS. Blok ten wraz z blokiem porównania sygnałów ( korelatorem ) tworzy pętlę śledzenia opóźnienia sygnału DLLT wynikającego z czasu przejścia sygnału od satelity do odbiornika. na podst opóźnienia czasowego obl są pseudoodległości

Ogólny schemat blokowy odbiornika GPS

Funkcjonowanie czyli działanie

Podstawowe funkcje odbiornika GPS:

	-odbiór sygnału nadawanego przez satelity, -identyfikacja satelity nadającego ten sygnał, -wyznaczenie czasu przebiegu sygnału od satelity do odbiornika, -obliczenie wyjściowych informacji nawigacyjnych.

Zasada działania systemu GPS:

GPS czyli Globalny System Pozycjonowania (Global Positioning System) jest syst sat zapew precyzyjne wyznaczanie pozycji, prędkości i czasu. 24 satelity NAVSTAR obiegające Ziemię zapewniają nieprzerwaną dostawę sygnału radiowego, który po odebraniu przez odbiornik umożliwia wyliczenie bieżącej pozycji. Sygnał dostępny na całym globie, korzystanie jest bezpłatne. Dokł pom od cm (odbiorniki geodezyjne, pomiar różnicowy) do 100m (proste odbiorniki nawigacyjne bez korekcji różnicowej). Satelity obiegają Ziemię dwa razy dziennie i rozmieszczone na 6 orbitach na wys ok nad Ziemią.

Działanie opiera się na pom odl między satelitą, który porusza się po ściśle wyznaczonej orbicie a odbiornikiem. Znana odl od satelity lokuje odbiornik na sferze o prom równym zmierzonej odl. Znana odl od dwóch satelitów lokuje odbiornik na okręgu będącym przecięciem dwu sfer. Kiedy odbiornik zmierzy odl od 3satelitów, istnieją tylko dwa pkty, w których może się znajdować. Jeden z tych pkt można wykluczyć jako znajdujący się zbyt wysoko lub poruszający się zbyt szybko i w ten sposób wyznaczyć swoją pozycję. Należy poznać odlod sat emitujących bardzo słabe sygnały (o mocy zbliżonej do szumu tła), i to z cm dokładnością. Dokonuje się tego poprzez pomiar czasu. Każdy z satelitów posiada cztery zegary atomowe, którymi synchronizuje wysyłany sygnał. Jedyne, co pozostaje zmierzyć odbiornikowi, to opóźnienie sygnału odebranego z poszczególnych sat.

System GPS składa się z trzech segmentów:- -naziemny segment kontroli spełnia rolę nadzorująco kontrolującą oraz wspierającą prace systemu. Składa się z 5 stacji nadzorujących rozmieszczonych na całym Świecie. (stacji centralnej, stacji śledzących; zawierają anteny przekazujące informacje do satelitów, kontrolują dane orbity sat. - Segment użytkownika odbiorników systemu GPS, cywilne, geodezyjne, wojskowe. Mogą to być odbiorniki pracujące autonomicznie lub wbudowane w inne systemy.  - Segment kosmiczny to konstelacja 24 satelitów umieszczonych w odl 20 162,61 km nad równikiem (w systemie GPS Rrównika R=6378.137 km), rozmieszczone na 6 stałych orbitach kołowych. Orbity są równomiernie rozłożone wzdłuż równika (co 60⁰ dł geogr) i nachylone do płaszczyzny równikowej pod kątem 55⁰. Okres obiegu Ziemi przez satelitę wynosi 11h 57min 27s, w danym miejscu na Ziemi każdego następ dnia konstelacja powtarza się o ok 8min wcześniej niż dnia pop. Na każdej orbicie znajdują się 4 satelity, rozłożone aby widoczne były co najmniej 4 satelity o każdej porze doby z dowolnego miejsca na Ziemi. Na obszarze Ziemi
z prawdop 0.9996 można oczekiwać widoczności 5 satelitów na wys co najmniej
5⁰ ponad horyzontem. Nachylenie orbit pod kątem 55⁰ do płaszczyzny równika powoduje, ze na szer geogr większych od 55⁰ satelity nigdy nie są obserwowane w zenicie. Liczba widocznych satelitów zależy od szer geogr obserwatora.

System GPS ma charakter pasywny, transmisja sygnału odbywa się jednokierunkowo, z pokładu satelitów do użytkownika. Odbiorniki wyposażone są w anteny o charakterystykach umożliwiających odbiór sygnałów z całego obszaru nieba. Ze względu na przeznaczenie i sposób wykorzystania, odbiorniki GPS różnią się cechami użytkowymi dotyczącymi wymagań środowiska, w których maja działać, możliwościami pomiarowymi na rożnych obiektach. Jednak zasada działania wszystkich typów odbiorników  GPS jest podobna. Odbiorniki cywilne mogą korzystać jedynie z kodu C/A, a odbiorniki wojskowe również z kodu P. 

4.Organizacja i serwisy pracy sieci ASG EUPOS (opisać NawGeo i PozGeo)

ASG-EUPOS (Aktywna Sieć Geodezyjna EUPOS) – zarządzana i nadzorowana przez Głównego Geodetę Kraju sieć stacji referencyjnych, na których wykonywane są ciągłe obserwacje sat systemów GNSS, której pkty odniesienia stanowią podst poziomą osn geod i szczegółową wys osn geod. Integralną częścią systemu ASG-EUPOS jest sprzęt i oprogramowanie umożliwiające obliczanie i udostępnianie poprawek DGNSS i RTK (w tym poprawek sieciowych), zapis i udostępnianie obs sat ze stacji referencyjnych oraz wykonywanie automatycznych obl z pom statycznych poprzez serwisy systemu. System oraz serwisy systemu ASG-EUPOS służą do generowania i wysyłania do odbiorców poprawek do sygnału GNSS (czyli GPS i GLONASS), dzięki czemu można znacznie zwiększyć dokł lokalizacji (w postaci przyjętego układu wsp X, Y, H) mierzonego pkt na pow Ziemi za pomocą urządzeń GPS.

W geodezji, system ASG-EUPOS (przy wyk pom geo) jest wykorzystywany:

-do zakładania szczeg pozi osnów geo II i III klasy, -do zakł osnów pom: poziomych i wys, -w pom syt-wys, -w pom realizacyjnych, -w pom związanych z katastrem nier, -w pom związanych z pozyskiwaniem danych do krajowego sys info o terenie.

System ten umożliwia korzyst z serwisów i usług min:

POZGEO- serwis automatycznych obliczeń w trybie postprocessingu obserwacji GPS wykon met statyczną umożliwiający wyzn wsp w państwowym systemie odniesień przestrz.

NAWGEO- serwis obejmujący udost popra RTK umożliwiających wyzn pozycji poziomej z błędem średnim nie większym niż 0,03m i wys 0,05m przy wykorz odbiornika L1/L2

5.Metody wyznaczania wysokości normalnej z pomiarów satelitarnych (transformacja matematyczna i geoida) Ze względu na rodzaj wykorzyst danych metody wyznaczenia geoidy można podzielić na: - grawimetryczne (wykorzys info o rozkładzie anomalii przyspieszenia siły ciężkości), -astronomiczno-grawimetryczne (wykorz oprócz danych grawimetrycznych wyniki wyznaczenia dł i szer astronom), - interpolacyjne (wykorzys wyniki pom satelit GPS i niwelacyjnych), - łączne (wykorzys wyniki różnych pom: grawimetr, geod-topograf i satelitarnych GPS).

Obliczanie wys ortometrycznej lub normalnej przy wykorzystaniu znanych wartości N

Jeżeli w danej sieci jeden z pktów (p odniesienia), najczę­ściej położony centralnie w sieci, jest przyjmowany jako stały, to cała sieć jest przesunięta równolegle o wielkość błędu bezwzględnego wy­znaczenia tego punktu. Zazwyczaj jest to błąd rzędu ok. 20—30 m (wynik obl wsp na podst pom pseudoodległości). Gdy w trakcie wyrównania sieci pktowi odniesienia nada się nową wys, odniesioną do państw układu wysoko (układ wys normalnych), wówczas pkty danej sieci zostaną odniesione nie do elipsoidy przesuniętej równolegle do elipsoidy WGS84 o wielkość błędu AH w danym pkcie, ale do prawie geocen­trycznej elipsoidy WGS84. Pktowi odnies należy również nadać pozostałe wsp (B i L), odnies do rzeczywistej elipsoidy WGS84. Duże błędy wsp B i L, spowodują przes poziome sieci w stosunku do geoidy.

Ekstrapolacja lub interpolacja wysokości między dwoma pktami

Przejście z wys elipsoidalnych do normalnych można zrealizować przez ekstrapolację i interpolację. Metody te służą do określania odstępu quasi-geoidy od elipsoidy na podst pom satelit wykonyw na pktach o znanych wys normalnych. W metodzie ekstrapolacji wymagany jest pomiar technikami satelit jednego pktu A o znanej wys normalnej. Dla każdego z wyznaczanych pktów B_i oblicza się różnicę wys elipsoidalnych względem pktu odnies A. Metoda interpolacji wymaga wykon pom satelit na dwóch lub więcej pktach o znanych wys normalnych. Warunkiem stosowania tej metody jest, aby pkty wyznaczane znajdowały się wewnątrz figury, której wierzchołkami są pkty nawiązania wysokoś. Metoda ta jest dokładniejsza od ekstrapolacji.

Matematyczna transformacja do układu wysokościowego

Metoda wymaga wyk dodatkowych pom GPS na pktach o wys odniesio­nych do określonego, jednolitego układu wysokośc, np. układu wys norm Kronsztad '86. Znajomość odstępów geoidy od elipsoidy nie jest wymagana. Metoda polega na matemat transformacji różnic wysokości elipsoidalnych wyznaczonych techniką GPS na powierzchnię odniesienia systemu wysokośc. Nie jest to metoda precyzyjna, jej dokładność zależy od dokł wys pktów nawiązania wysokości oraz od lokalnego przebiegu geoidy na obszarze zawie­rającym nowo wyznaczane punkty. Dokładność l cm dla pktów położonych w obszarze 30x50 km.

6.Określ sposoby obl. wsp w pom fazowych

Metody pom można podzielić na 3 podst grupy:

- wyzn pozycji pojedynczego punktu (wyznaczanie absolutne) - różnicowy GPS

- względne wyzn pozycji(tylko przyrosty wektorów).

Wszystkie met opierają się na info zbieranych przez od­biorniki GPS będące w ruchu lub odb statyczne – nieruchome. Wszystkie metody dzieli na statyczne i kinematyczne lub na korzystające z obs zbieranych przez odbiornik i podczas ruchu oraz postoju. Metody pom można także podzielić ze względu na rodzaj rejestrowanej przez odb wielkości: kodu odległości lub fazy.

8.Na czym polega metoda pomiarów względnych czyli różnicowa (SYSTEMY RÓŻNICOWE )

Wiele ograniczeń wyst przy stos odb GPS usuniętych może być przez wykonywanie pomiarów metodami różnicowymi. Ich realizacja może polegać na: - wprow do odb w czasie rzeczywistym poprawek do pom, dostarczanych przez równolegle pracujący odb syst GPS o znanych wsp anteny, transmitowanych np. drogą radiową, - dok korekcji przez program opracowujący, rezultaty pom wyk przy użyciu pary odb: ruchomego i bazowego, o znanych wsp anteny.

Przy stos met różnicowych możemy w dużym stopniu ograniczyć błędy wspólne dla pary lub grupy odbiorników. Są to: - błędy spow zmiennością opóźnień: jonosferycznego i troposferycznego, - niedokł efemeryd, w tym wywołane systemem SA, - błędy zegara satelity, błędy efemeryd, w tym wywołane systemem SA.
Serwis różnicowy uzupełniany bywa często o info na temat aktualnego stanu systemu.

Metoda różnicowa czyli względna technika pom GPS pozwalająca na uzyskanie większej dokł niż przy standardowym pom jednym odb. Polega na wykorz stacji bazowej (referencyjnej) - odb ustaw w dokł wyznaczonym pkcie (np. przez pomiar geod), który wyznacza na bieżąco poprawki różnicowe dla poszczeg satelitów, (wyeliminowanie większości). Drugi odb (ruchomy) musi mieć możliwość odbioru tych poprawek, np. przez łącze satelitarne, VHF, GPRS/WLAN. Poprawki są transmitowane w formacie RTCM, CMR lub innym. System można stosować zarówno w czasie rzeczywistym, jak i przez późniejsze przetworzenie danych. Dokł rzędu 0,5-2 m. Stosowana jest w rolnictwie precyzyjnym i dynamicznym pozycjonowaniu statku, geodezji i nawigacji. Błędy eliminowane przez pomiar DGPS: -błąd zegara satelity, -błąd efemeryd, -selektywna dostępność (wyłączona obecnie), -opóźnienie jonosferyczne, -opóźnienie troposferyczne. Błędy, których DGPS nie eliminuje: -szum własny odbiornika, -efekt wielodrogowości sygnału satelitarnego (multipath)

9.Planowanie kampanii metodą statyczną

(z Jego podr.) Metoda podstaw w wyznaczeniach geod, daje najwyższą dokładność. Dokł ta jest uzyskana dzięki zabraniu dużej liczby pom przez zbieranie obs z wielu sesji (np. po kilka godz dziennie), zebrany materiał jest poddawany opracowaniu po zakończeniu całej kampanii.. Długość sesji obserwacyjnej, wykonanej tą metodą, może się wahać od kilku minut do kilku dni. Długość sesji zależy głównie od żądanej dokładności (przeznaczenia sieci) i od odległości między punktami. Oba odbiorniki uczestniczące w pom pozostają stacjonarne w ciągu całej sesji (kampanii) obserwacyjnej. (a) 30-90 min. dla sieci lokalnych,

(b) 1-2 dni dla punktów odniesienia sieci krajowych i geodynamicznych o charakterze lokalnym i państwowym,

(c) 4-6 dni dla sieci kontynentalnych i podstawowych sieci geodynamicznych regionalnych.

10.Ogólny opis działania GPS lub Glonass

GLONASS- obecnie rosyjski, satelitarny syst nawig obejmujący zasięgiem całą kulę ziemską. Podobnie jak GPS jest systemem stadiometrycznym, czyli pozycja jest wyznaczana w pkcie przecięcia czterech sfer o promieniach obl na podst czasu propagacji sygnału i środkach znanych z depesz nawigacyjnych wysyłanych przez satelity.

Satelity GLONASS są równomiernie rozmieszczone na 3 orbitach nachylonych pod kątem 64° do płaszczyzny równika, na wys 19 tys. km i obiegają Ziemię co 11 godz i 16 min. Z każdego miejsca globu zawsze widać nad horyzontem przynajmniej 4 satelity, podczas gdy do ustalenia pozycji niezbędne są trzy. GLONASS jest skonstruowany podobnie do GPS-u. Do ustalania pozycji tak samo mierzy czas dotarcia do odbiornika sygnału wysłanego z satelity. Dzięki znacznikowi czasowemu, który pochodzi z zegarów atomowych na satelicie, odbiornik może policzyć opóźnienie, z jakim dotarł sygnał. Znając szybkość rozchodzenia się fal elektromagnetycznych w pobliżu Ziemi (z uwzgl poprawek związanych z wpływem grawitacyjnym naszej planety oraz zakłóceniami atmosfer), oblicza dystans, jaki dzieli go od satelity. Znając położenie własne wobec trzech satelitów, odbiornik może obliczyć swoją pozycję geograficzną

11.Relacje między układem satelitarnym a układami państwowymi 65 i 2000

Zasadnicza różnica pomiędzy tymi ukł wynika z tego, że układ satelitarny jest układem trójwymiarowym kartezjańskim (X,Y,Z), a układ stosowany na mapach posiada tylko dwa wymiary płaskie x,y lub krzywoliniowe B i L. Trzecia wielkość - wys h pktu wynikająca z rzeźby terenu jest wsp "oderwaną" od dwóch pozostałych x i y.

Schemat pierwszy zapewnia wystarczającą dokł obl pod warunkiem znajomości dokł parametr transfor 7parametrowej; w przypadku transform na płaszczyźnie wyniki nie będą posiadały pełnej dokładn, ponieważ wsp płaskie są określane na dwóch różnych płaszczyznach nierównoległych. Dokł takiej transf będzie uzależniona od wielkości obszaru, na którym będą położone wyznaczane pkty. Pełną dokładność obl wsp (od wsp WGS84 do '65 i h) może zapewnić program TRANSGPS prof. I. Gajderowicza. Program ten oblicza parametry transf dla obszaru danej sieci punktów zawierającej punkty łączne, tzn. takie, które posiadają: 1. wsp x,y w układzie "65" oraz wys w stosowanym układzie wys, 2. wsp X,Y,Z w układzie satelit WGS84, uzyskane w wyniku wyrównania sieci satelitarnej.