Szkolenie SIP dla DGLP

Margonin, maj 2006

Wprowadzenie do

technologii nawigacji

satelitarnej oraz

możliwości jej

wykorzystania w

leśnictwie

Szkolenie SIP dla DGLP

Margonin, maj 2006

Systemy nawigacji satelitarnej

Istotą wyznaczenia pozycji z wykorzystaniem
systemu nawigacji satelitarnej jest obliczenie
tzw. pseudoodległości obserwatora (anteny
odbiornika) do poszczególnych satelitów o ściśle
określonych orbitach (widocznych ponad
horyzontem – min. 4 ).
Odbywa się to poprzez wyznaczenie opóźnienia
sygnału wysłanego przez satelitę do anteny
odbiornika.
Znana odległość od satelity lokuje odbiornik na
sferze o promieniu równym wyznaczonej
odległości.
Znana odległość od dwóch satelitów lokuje
odbiornik na okręgu będącym przecięciem dwu
sfer.
Kiedy odbiornik zmierzy odległości od trzech
satelitów, istnieją tylko dwa punkty, w których
może się on znajdować. Czwarty satelita
pozwala obliczyć poprawkę zegara odbiornika i
jednoznacznie określić pozycję odbiornika.

Szkolenie SIP dla DGLP

Margonin, maj 2006

Systemy nawigacji satelitarnej - GPS

• System nawigacji satelitarnej GPS Navstar

(Global Positioning System)- Globalny System Pozycjonowania
– system satelitarny służący do szybkiego wyznaczenia pozycji
obserwatora (anteny) w globalnym układzie odniesienia
(WGS84). Stworzony i zarządzany przez Departament Obrony
USA, udostępniany do zastosowań cywilnych.

Szkolenie SIP dla DGLP

Margonin, maj 2006

Systemy nawigacji satelitarnej - GPS

Globalny System Pozycjonowania składa się

z trzech modułów:

-

segmentu kosmicznego – 27 satelitów okrążających
Ziemię

-

segmentu kontroli – stacji kontrolujących i
monitorujących

-

segmentu użytkownika – odbiorników GPS: wojsko
oraz

użytkownicy

cywilni

Szkolenie SIP dla DGLP

Margonin, maj 2006

Systemy nawigacji satelitarnej - GPS

• Segment kosmiczny

-

27 satelitów (24 aktywne + 3 zapasowe)

-

6 orbit kołowych , po 4 satelity na orbicie

-

Wysokość orbity- 20200 km

-

Kąt nachylenia orbity do płaszczyzny równika- 55

0

-

Czas obiegu- ok. 11godz. 57 min.

-

Widoczność min. 5 satelitów usytułowanych
ponad 5

0

nad horyzontem w dowolnym miejscu

Ziemi z prawdopodobieństwem 0,9996

Szkolenie SIP dla DGLP

Margonin, maj 2006

• Segment kontroli

- Główna Stacja Monitorująca – Baza sił powietrznych

Falkon w Colorado Springs

- Stacje monitorujące: Hawaje, Diego Garcia, Ascesion

Stacje monitorujące przesyłają informacje do stacji
głównej, gdzie wyliczane są efemerydy i poprawki
zegarów satelitów

Systemy nawigacji satelitarnej - GPS

Szkolenie SIP dla DGLP

Margonin, maj 2006

Systemy nawigacji satelitarnej - GPS

• Segment

użytkownika

– Użytkownicy wojskowi i

cywilni

– Nawigacja
– Pomiary
– Wyznaczanie pozycji
– Transfer czasu

Szkolenie SIP dla DGLP

Margonin, maj 2006

Sygnały emitowane przez satelity GPS

• Sygnał emitowany przez satelity GPS ma postać fal

nośnych (L

1

i L

2

) kodowanej fazowo sygnałami:

-

informacyjnym, o prędkości 50 bitów na sekundę- depesza

nawigacyjna

zawierająca min.

almanach i efemerydę,

nakładana na kod C/A i P

-

pseudolosowym kodem C/A (akwizycja zgrubna), taktowanym

częstotliwością 1,023 MHz, emitowany na częstotliwości nośnej L

1

, każdy

satelita ma swój własny kod C/A nazywany także kodem PRN, jest

podstawowym kodem używanym przez odbiorców cywilnych

-

pseudolosowym kodem P (dokładnym), taktowanym częstotliwością

10,23

MHz, emitowany na częstotliwości nośnej L

1

i L

2

-

pseudolosowym kodem Y, taktowanym częstotliwością około 0.5 Hz. –

uaktywnianym w chwili zagrożenia (szyfrującym kod P)- dostępny tylko dla

autoryzowanych

użytkowników (wojsko)

Szkolenie SIP dla DGLP

Margonin, maj 2006

Podstawowe procesy wykonywane przez odbiornik GPS

• Odbiór i wzmocnienie sygnału odebranego od satelity

• Zmniejszenie częstotliwości i przetworzenie na postać

cyfrową

• Identyfikacja satelitów na podstawie kodu C/A (PRN)

• Odczytanie danych zawartych w depeszy nawigacyjnej

i wyznaczenie opóźnień sygnału od satelity do anteny

Szkolenie SIP dla DGLP

Margonin, maj 2006

Zasada pomiaru opóźnienia sygnału - wyznaczenie

pseudoodległości

• Pomiar kodowy

-

Pomiar opóźnienia odbywa się
poprzez skorelowanie kodu
C/A nadawanego przez
satelitę z wzorcem kodu
satelity zapisanym i
odtwarzanym w odbiorniku
GPS. W depeszy nawigacyjnej
zapisany jest czas wysłania
sygnału

Szkolenie SIP dla DGLP

Margonin, maj 2006

Zasada pomiaru opóźnienia sygnału- wyznaczenie

pseudoodległości

• Pomiar fazowy

- Odbiornik generuje sygnał

identyczny z falą nośną
satelitów i wykonuje pomiar
przesunięcia fazowego tj.
określa ile całkowitych oraz
jaki ułamek długości fali
nośnej mieści się ma drodze
satelita – obserwator.

- Metoda bardzo dokładna

(dokładności
subcentymetrowe),
wymagająca zaawansowanych
technologicznie odbiorników i
dłuższego czasu pomiaru

Szkolenie SIP dla DGLP

Margonin, maj 2006

Chwile przełomowe w wykorzystaniu systemu GPS

• 1994 – osiągnięcie pełnej zdolności

operacyjnej

• 2000 – zniesienie sygnału zakłócającego

S.A. (zwiększenie dokładności odczytu
pozycji )

Szkolenie SIP dla DGLP

Margonin, maj 2006

Poprawa spodziewanej dokładności wyznaczenia pozycji po

wyłączeniu sygnału SA

Szkolenie SIP dla DGLP

Margonin, maj 2006

Zwiększenie dokładności wyznaczenia pozycji - EGNOS

W celu polepszenia dokładności systemu
stworzono różnicowy system korekcji
pomiarów GPS składający się naziemnych
stacji referencyjnych, które przesyłają
poprawki do trzech satelitów geostacjonarnych
EGNOS. Za pośrednictwem tych satelitów,
sygnał trafia do odbiorników GPS pozwalając
na skorygowanie pomiaru dokonanego na
podstawie danych z satelitów GPS. System
występuje w trzech kompatybilnych ze sobą
wersjach regionalnych : WAAS w Ameryce,
EGNOS w Europie oraz japoński MSAS w Azji.
EGNOS pozwala na zmniejszenie błędu
pomiaru pozycji z ok.10 m do poniżej 3 metrów
w odbiornikach przystosowanych do odbioru
tego sygnału. Dostępność sygnału EGNOS jest
często ograniczana przez przeszkody terenowe
ze względu na „niskie” umiejscowienie satelity
(kierunek południowy ok. 22 st. nad
horyzontem).

Szkolenie SIP dla DGLP

Margonin, maj 2006

Alternatywa dla GPS ? - GLONASS

• GLONASS

Globalny System Nawigacyjny- podobnie jak GPS z tą różnicą,
że właścicielem systemu są siły zbrojne Rosji.
Istnieją także różnice techniczne. System składa się z 24
(docelowo) satelitów rozmieszczonych na trzech orbitach
kołowych o promieniu ok. 19100 km. Płaszczyzna orbit
nachylona jest do płaszczyzny równika pod kątem 64,8
stopnia. Czas obiegu satelity wokół Ziemi wynosi ok. 11
godzin i 15 minut. Glonass nie osiągnął pełnej sprawności z
uwagi na nie skompletowaną konstelację satelitów.
W chwili obecnej na orbitach jest 13 aktywnych satelitów.

W sprzedaży są dostępne specjalizowane odbiorniki obsługujące
jednocześnie system GPS i GLONASS.

Szkolenie SIP dla DGLP

Margonin, maj 2006

Alternatywa dla GPS - GALILEO

GALILEO

- „cywilny” system nawigacji satelitarnej, firmowany przez UE

2005 –wystrzelono pierwszego satelitę

2008 –planowane uruchomienie systemu

Docelowo – segment globalny:

• 30 satelitów na trzech orbitach (w tym 3 zapasowe)

• 2 centra kontrolne, zlokalizowane na terenie Europy
(GALILEO Control Centers)

• Światowa sieć stacji Up-link – transfer danych do i od
satelitów

• Stacje nadzoru – rozmieszczone na całym globie, monitorują
jakość sygnału

Szkolenie SIP dla DGLP

Margonin, maj 2006

Próba oceny przydatności odbiorników GPS do pomiarów w

lesie

W celu oceny przydatności odbiorników GPS do pomiarów w
lesie wyznaczono geodezyjnie poligon składający się z 15
punktów. Każdy z punków zlokalizowano w drzewostanie o innej
charakterystyce (wieku, składzie gatunkowym i zadrzewieniu).
Opracowano także metodykę pomiarów.

Szkolenie SIP dla DGLP

Margonin, maj 2006

• Przyjęte założenia:

- Pomiar punktów poligonu jest uśrednieniem z 30 lub 60 epok
- Pomiary są prowadzone po zaplanowaniu misji pomiarowej
- Misje pomiarowe wyznaczają czas pomiaru, w którym

spełnione są następujące parametry:

- PDOP<6
- Liczba dostępnych satelitów >= 6
- Maska horyzontu = 20

o

- Minimalny przedział czasu spełniający powyższe założenia –

60 min.

Próba oceny przydatności odbiorników GPS do pomiarów w

lesie

Szkolenie SIP dla DGLP

Margonin, maj 2006

Planowanie misji pomiarowej w celu wyboru optymalnej konstelacji

satelitów.

Wykorzystano program Quik Plan 2.35 firmy Trimble.

Interesujące nas przedziały czasu

Próba oceny przydatności odbiorników GPS do pomiarów w

lesie

Szkolenie SIP dla DGLP

Margonin, maj 2006

Próba oceny przydatności odbiorników GPS do pomiarów w

lesie

Rozkład wyników pomiarów na punkcie nr 7

Rozkład wyników pomiarów na punkcie nr 2

Badanie dokładności poszczególnych modeli odbiorników GPS
w trybie autonomicznym zgodnie z przyjętą metodyką oraz
ocena statystyczna uzyskanych wyników.

Szkolenie SIP dla DGLP

Margonin, maj 2006

Prezentacja uzyskanych wyników

Model odbiornika GPS

% trafień z błędem <

5 m

Błąd średni

Błąd

max

.

Odchylenie

stand.

Metoda

MobileMapper

85,70

3,81

7,41

1,86

60 epok

średnia

AP

HI-302CF

66,70

4,79

8,97

2,06

60 epok

średnia
AP

GPS Receiver with

Bluetooth Wireless
Technology 16

63,30

4,95

11,41

2,89

60 epok

średnia
AP

GPS Receiver with

Bluetooth Wireless

Technology

60,00

4,59

13,33

3,11

60 epok

średnia

AP

Fortuna Clip-On Bluetooth

GPS Receiver

39,20

6,32

15,11

3,41

60 epok

średnia
AP

GPS-6033

31,80

16,39

187,11

28,16

60 epok

średnia
AP

HI-303MMF

27,60

13,21

55,48

12,19

60 epok

średnia

AP

GPSmap 76S

27,30

23,92

124,38

35,03

60 epok

średnia

AP

GPS-6031

20,00

16,24

72,71

14,49

60 epok

średnia
AP

Yakumo

7,70

20,21

68,44

20,29

60 epok

średnia

AP

Szkolenie SIP dla DGLP

Margonin, maj 2006

Model odbiornika GPS

% trafień z błędem <

5 m

Błąd

średn

i

Błąd

max

.

Odchylenie

stand.

Metoda

GPS Receiver with Bluetooth

Wireless Technology 16

86,70

3,87

9,28

1,90

30 epok

średnia

AP

GPS Receiver with Bluetooth

Wireless Technology

56,00

5,65

16,21

3,87

30 epok

średnia

AP

Fortuna Clip-On Bluetooth GPS

Receiver

50,80

5,57

16,04

3,62

30 epok

średnia

AP

HI-302CF

37,80

6,02

22,16

4,01

30 epok

średnia

AP

GPS-6031

20,00

14,57

56,14

12,00

30 epok

średnia

AP

HI-303MMF

20,00

11,06

56,09

8,62

30 epok

średnia

AP

GPS-6033

10,00

24,24

99,63

21,44

30 epok

średnia

AP

Prezentacja uzyskanych wyników

Szkolenie SIP dla DGLP

Margonin, maj 2006

Praktyczne wykorzystanie pomiarów GPS

•

Potencjalne zastosowania w leśnictwie:

- pomiar obiektów poligonowych, liniowych i punktowych
nie

wymagających „dużej” precyzji – wszystkie

działy gospodarki

leśnej min. ochrona lasu,

hodowla, użytkowanie, selekcja i

nasiennictwo,

łowiectwo, ochrona p.poż.
- nawigowanie „po trasie i na punkt”
- wyznaczanie pozycji – identyfikacja obiektów w terenie
- prace urządzeniowe i inwentaryzacyjne

Szkolenie SIP dla DGLP

Margonin, maj 2006

Z czego możemy korzystać – czyli sprzęt i oprogramowanie

• Sprzęt:

- Proste odbiorniki

jednoczęstotliwościowe
(w formie kart rozszerzeń lub
modułów komunikujących się
bezprzewodowo do notebooków i
palmtopów, odbiorniki zintegrowane)

- Specjalizowane

jednoczęstotliwościowe odbiorniki GPS

- Odbiorniki dwuczęstotliwościowe
- Odbiorniki RTK

Szkolenie SIP dla DGLP

Margonin, maj 2006

Z czego możemy korzystać – czyli sprzęt i oprogramowanie

•

Oprogramowanie:

- ArcPad 7

- mLAS Inżynier
- Farm Site Mate
- ArcGis 9.1
- Oprogramowanie dedykowane i udostępniane przez
producentów sprzętu: np. MobileMapper Office
(Thales), Pathfinder Office (Trimble), GIS DataPRO
(Leica)

Szkolenie SIP dla DGLP

Margonin, maj 2006

Praktyczne zastosowanie GPS

Pomiar wielkości i kształtu obiektów poligonowych na

przykładzie gniazd w rębniach częściowych

Szkolenie SIP dla DGLP

Margonin, maj 2006

Praktyczne zastosowanie GPS

Pomiar wielkości i kształtu obiektów poligonowych na

przykładzie działek działek zrębowych (na działkach

zrębowych pozostawiono otulinę zbiorników wodnych)

Szkolenie SIP dla DGLP

Margonin, maj 2006

Praktyczne zastosowanie GPS

Wyznaczanie współrzędnych obiektów i nawigowanie do nich

na przykładzie drzew dorodnych

Szkolenie SIP dla DGLP

Margonin, maj 2006

Praktyczne zastosowanie GPS

Identyfikacja obiektów oraz uzyskiwanie informacji z bazy

opisowej na przykładzie programu mLAS Inżynier

Szkolenie SIP dla DGLP

Margonin, maj 2006

Podsumowanie

•

W teren ruszamy po zaplanowaniu czasu misji pomiarowej

•

Włączamy odbiornik w miarę możliwości w terenie otwartym

(skróci to czas startu GPS-a)

•

W miejscu pomiaru sprawdzamy jakość sygnału – tzw. „fix”, który

powinien być „3D” oraz PDOP , który powinien być < 6

•

W odbiornikach obsługujących korekcję DGPS (np. Egnos)

włączamy usługę – może to polepszyć dokładność pomiaru

•

W przypadku korzystania z oprogramowania pomiarowego

umożliwiającego uśrednianie pomiarów oraz weryfikację

parametrów opisujących jakość sygnału ustawiamy uśrednienie z

co najmniej 30 epok i zapis pomiaru przy spełnieniu: PDOP<6,

fix=3D

•

Obiekty powierzchniowe i liniowe mierzymy wykonując pomiar

ciągły z interwałem np. 2 sekundy – umożliwi to późniejszą

generalizację oraz eliminację błędów grubych spowodowanych np.

chwilowym zaniku sygnału lub jego zniekształceniem

•

W miarę możliwości podczas pomiaru orientujemy antenę

odbiornika tak aby był widoczny horyzont południowy

Polepszenie dokładności pomiarów można
osiągnąć poprzez stosowanie się do następujących
zaleceń: