Z jakich elementów składa się GPS?
W skład GPS wchodzą trzy główne segmenty:
satelitarny(kosmiczny),
kontrolny(naziemny),
użytkowników.
Segment satelitarny jest konstelacją składającą się z co najmniej 24 satelitów (29 obecnie- stan na 18.12.2005). Każdy z satelitów transmituje informację czasową oraz dane nawigacyjne. Satelity rozmieszczone są na sześciu orbitach, na wysokości około 20200km
Segment nadzoru składa się z:
Głównej stacji analizująca stan techniczny satelitów i decydująca o koniecznych korektach,
bezzałogowych stacji śledzących, które stale mierzą pseudodległości, fazy nośne i gromadzą depesze nawigacyjne satelitów,
stacje korygujące przesyłające dane aktualizujące pamięć satelitów, synchronizujące czas zegara satelity i inne komendy dotyczące ich funkcjonowania.
Segment użytkowników składa się z różnorodnych odbiorników służących do odbioru oraz przetwarzania sygnału i dekodowania informacji satelitarnej
Jakie rodzaje sygnałów transmituje satelita?
Satelita GPS ciągle transmituje kodowane fazowo sygnały na 2 częstotliwościach fal radiowych L1 i L2 będących wielokrotnościami częstotliwości podstawowych
L1 = 154·f0 = 1575,42 MHz
L2 = 120·f0 = 1227,60 MHz
Używane są dwa czynniki rozpraszające: kod ogólnodostępny C/A (coarse/acquisition-akwizycji zgrubnej) modulowany na częstotliwości L1 oraz kod P zarezerwowany dla celów militarnych USA i innych upoważnionych odbiorców (precise-dokładny) moduluje obie częstotliwości L1 i L2.
Kod P jest sekwencją trwającą 267 dni, każdy z satelitów ma przypisany jednotygodniowy segment tego kodu. Szybkość transmisji wynosi 10.23 MHz.
Kod C/A składa się z 1023 bitów transmitowanych z szybkością 1.023 MHz, cała sekwencja powtarza się więc co 1 milisekundę.
Depesza nawigacyjna nałożona jest na kod P i kod C/A. Dane depeszy nawigacyjnej uaktualniane są co 4 h. Depesza zawiera dane efemerydalne i dane o zegarze oraz almanach. Dodatkowo transmitowane są dane o "zdrowiu" satelitów, współczynniki do modelu opóźnienia jonosferycznego, współczynniki umożliwiające obliczenie czasu UTC.
Dokładność GPS
autonomiczna - do 5m
DGPS – do 1m (0,5-do 3m w zależności od sprzętu)
RTK – 2-3cm
Jakie błędy występują w pomiarach GPS?
I Błędy wynikające z działania systemu:
Błędy efemeryd
Różnica między prawdziwymi a podawanymi w depeszy nawigacyjnej położeniami satelity na orbicie.
Wynikają one z niedokładności modelu ruchu satelity oraz nieprzewidywalnych perturbacji, a także mogą być fałszowane degradacja sygnału SA (do 2.1m)
Zegara w satelitach i odbiornikach
Wynikające z konstelacji satelitów (DOP)
Wzajemne geometryczne ustawienie satelitów. (im mniejszy DOP tym lepiej)
II Wynikające z faktu propagacji sygnału w ośrodku materialnym oraz błędy powstające w urządzeniach odbiorczych oraz celowe zakłócenia (SA)
Refrakcja jonosferyczna
Obecność swobodnych elektronów w jonosferze zmienia kierunek i prędkość propagacji sygnału satelitarnego GPS. Zależy od stanu aktywności jonosfery, może wynosić od kilku metrów do 10-20 w czasie jej silnej aktywności
Refrakcja troposferyczna
Na zniekształcenie pomiaru odległości do satelity wpływają zmiany prędkości rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w troposferze na skutek zmian gęstości powietrza, wilgotności, temperatury i ciśnienia. Wpływ na błędy pseudodległości wynoszą 2m dla satelity w zenicie i aż 20 –25 dla satelity o wys. horyz. 5º. Błędy refrakcji troposferycznej można wyeliminować do 90% w pomiarach GPS używając modelu uwzględniającego wysokość elewacji satelity.
Multipath (wielotorowość)
Ma miejsce wtedy, gdy do anteny odbiornika docierają nie tylko sygnały bezpośrednio (najkrótszą drogą) lecz także odbite od obiektów będących w pobliżu anteny. Błąd pomiaru pseudodległości w granicach 10 do 20 m, a w pewnych przypadkach, wśród wysokich budynków nawet do 100m.
Wpływ efektu multipath można określić z pewnym przybliżeniem wykorzystując 2-częstotliwoścowe obserwacje kodowe i fazowe lub stosując specjalne anten, które niwelują efekt odbić sygnałów.
SA – patrz niżej
Opisać SA
Ze względów strategicznych przewidziano dwa poziomy dostępu - dostęp standardowy dla odbiorców cywilnych oraz precyzyjny dla armii USA. Standardowy dostęp ze względów technicznych daje dokładność rzędu kilku metrów. Jednak ze względu na możliwość zastosowania nawet takiej informacji w działaniach militarnych, sygnał cywilny był zakłócany pseudolosowym błędem - w wybranych miejscach Ziemi, a później globalnie. Dokładność ustalenia pozycji spadała do około 100 m w płaszczyźnie i do ok 150 w pionie. Błąd ten można było kompensować pod warunkiem znajomości metody zakłócania, oczywiście tajnej. Zakłócanie sygnału nazywane było Selective Availability. Selective Availability polegało na wprowadzeniu zmian parametrów orbit w depeszy nawigacyjnej oraz zaburzenia częstotliwości zegara satelity. Cywilni odbiorcy znaleźli co prawda metody na omijanie tych zakłóceń - wystarczyło stojąc w jednym miejscu uśredniać wskazania przez dłuższy okres czasu. Taki sposób nie nadawał się jednak do zastosowania np. na pocisku kierowanym przez GPS. Odbiorniki cywilne są wyposażane w zabezpieczenia uniemożliwiające zastosowanie ich w niektórych dziedzinach. W szczególności, przestają działać po przekroczeniu pewnej prędkości - starsze odbiorniki 160 km/h, nowsze rzędu 1665 km/h.
1 maja 2000 prezydent USA Bill Clinton nakazał usunięcie celowego zakłócania sygnału, dzięki czemu dokładność określania pozycji dla zwykłych użytkowników wzrosła do około 4-12 metrów.
Pomiary kodowe DGPS
Metoda lokalnych pomiarów różnicowych. DGPS wykorzystuje do wyznaczania pozycji w czasie rzeczywistym kodowe pomiary pseudodległości na częstotliwości L1.
Używa się co najmniej 2 odbiorników, 1 z nich umieszczony na punkcie o znanych, precyzyjnie wcześniej wyznaczonych, współrzędnych i stanowy tzw. stację referencyjną. Drugi ruchomy odbiornik określa pozycję anteny i poprawia ją wykorzystując odebrane ze stacji referencyjnej poprawki poprzez radiomodem lub telefon komórkowy.
W ten sposób eliminowane są błędy:
wpływ jonosfery i troposfery na propagację sygnału radiowego
błędy zegara satelity
błędy efemerydalne
SA
Całkowicie wyeliminowane zostały błędy zegara satelity (ok. 2m) oraz degradacji SA (ok. 30m). Błąd opóźnienia jonosferycznego z ok. 8m może zmniejszyć do ok. 0.4m, zaś opóźnienia troposferycznego z ok. 2m do ok. 0.3m
Pozycję obiektu ruchomego można w czasie rzeczywistym wyznaczyć z dokł. 0,5-do 3m w zależności od sprzętu i warunków satelitarnych w trakcie obserwacji.
Różnicowy GPS (DGPS) to sposób korygowania niektórych błędów systemu GPS przy wykorzystaniu błędów zaobserwowanych w miejscu o znanej lokalizacji, które następnie są używane do skorygowania odczytów pozycji ruchomego odbiornika.
Podstawą korekcji jest to, że stacja referencyjna "zna" swoją pozycję i w ten sposób określa różnicę pomiędzy znaną pozycją i pozycją określoną przez odbiornik GPS. Uzyskany pomiar błędu jest następnie przesyłany do ruchomego odbiornika, który może poprawić obliczone przez siebie pozycje.
Jakie błędy eliminuje DGPS?
Całkowicie wyeliminowane zostały błędy zegara satelity (ok. 2m) oraz degradacji SA (ok. 30m). Błąd opóźnienia jonosferycznego z ok. 8m może zmniejszyć do ok. 0.4m, zaś opóźnienia troposferycznego z ok. 2m do ok. 0.3m
Pomiary statyczne
Wymagająca kilkudziesięciominutowej lub nawet kilkudziesięciogodzinnej sesji obserwacyjnej przy użyciu co najmniej 2 odbiorników GPS. Odległości między odbiornikami mogą wynosić od kilkudziesięciu m to kilkuset km. Metoda pozwala na uzyskiwanie dokładności subcentymetrowych i może być stosowana do tworzenia geod. osnów podstawowych i szczegółowych.
Odbiorniki GPS mogą zostać umieszczone na poszczególnych pozycjach przez pewien okres czasu (od ok. 2 min., dla niewielkich odległości, nawet do 1 godziny) i rejestrować niesformatowane dane pseudoodległościowe. Tak zarejestrowane dane mogą następnie zostać poddane procesowi post - processingu, który wykorzystuje je jako punkt odniesienia dla ustalenia np. odległości i azymutu. Wyznaczona w ten sposób pozycja może osiągać dokładność rzędu 1 mm, ale w przypadku asymetrycznego rozmieszczenia satelitów lub większych odległości może być znacznie mniej dokładna. Metodę tą można wykorzystywać do wyznaczania bardzo dokładnych współrzędnych danego punktu (np. punktu triangulacyjnego lub współrzędnych punktu umieszczenia anteny na dachu). W ten właśnie sposób wyznaczane są punkty nowych stacji referencyjnych DGPS.
Pomiary RTK
Najbardziej zaawansowaną technologią pomiarów GPS jest właśnie RTK. Sposób przeprowadzania pomiaru jest bardzo podobny do kinematycznego pomiaru DGPS z tą różnicą, że dokładność poniżej 1 cm jest uzyskiwana w czasie rzeczywistym.
Co to jest GLONASS?
Rosyjski satelitarny system nawigacyjny obejmujący swoim zasięgiem cały świat. Podobnie jak GPS jest systemem stadiometrycznym, czyli pozycja jest wyznaczana w punkcie przecięcia czterech sfer o promieniach obliczonych na podstawie czasu propagacji sygnału i środkach znanych z depesz nawigacyjnych wysyłanych przez satelity. Podobnie jak GPS składa się z 3 segmentów.
segment kosmiczny:
Z założenia powinien się składać z rozmieszczonych na trzech orbitach 24 satelitów (21 operacyjnych i 3 rezerwowe), lecz ze względu na krótszą od spodziewanych żywotność i problemy finansowe doświadczane przez Rosję w latach dziewięćdziesiątych XX wieku liczba ta jest znacznie mniejsza. Aktualnie na orbicie znajduje się tylko ok. 14 operacyjnych satelitów, co jednak wystarcza do prawidłowego funkcjonowania systemu i liczba ta jest aktualnie powiększana. Kąt inklinacji orbit wynosi 64,8°, dzięki czemu możliwe jest lepsze pokrycie satelitami wyższych szerokości geograficznych niż w przypadku systemu GPS. Zdecydował o tym fakt, że na szerokościach okołobiegunowych prowadzona jest intensywna żegluga przez rosyjskie statki.
GLONASS, podobnie jak GPS Navstar ma dwa kanały: standardowy (o dokładności poziomej 60 m i pionowej 75 m) i kanał precyzyjny. Sygnały sa nadawane metodą FDMA (Frequency Division Multiple Access), co oznacza że każdy satelita ma swoje częstotliwości L1 i L2. Częstotliwości te są uzależnione od miejsca satelity w konstelacji.
W odróżnieniu od GPS kanał dokładnosci standardowej jest dostępny na częstotliwościach L1 i L2, a kanał precyzyjny i depesza nawigacyjna tylko na L2. Użycie kodu precyzyjnego wymaga zezwolenia rosyjskiego Ministerstwa Obrony. Nie stosuje się sztucznego błędu (SA) ani dodatkowego kodowania kanału precyzyjnego (anti-spoofing).
stan na 16 grudnia 2005: 14 satelitów na orbitach, w tym 12 operacyjnych
segment kontrolno-monitorujący:
- wszystkie stacje systemu położone są na terytorium Federacji Rosyjskiej
- stacje monitorują ruch satelitów i pozwalają określić ich status
- pozwalają określić efemerydy, przesunięcia zegarów względem rosyjskiego państwowego wzorca systemu czasu (UTC SU)
- wprowadzają dane nawigacyjne do satelitów (2 razy na dobę)
- główna stacja kontrolna: Golicyno pod Moskwą
- stacje monitorujące: Sankt Petersburg, Tarnopol, Jenisejsk, Komsomolsk
segment użytkowników:
- dokładność dla użytkowników cywilnych 57-70 m w płaszczyźnie poziomej i 70 m w pionowej (na kanale standardowym)
- GLONASS używa geodezyjnego systemu odniesienia PZ 90
Odbiorniki GLONASS produkcji rosyjskiej są przeważnie typami wojskowymi lub okrętowymi. Produkcja cywilnych odbiorników 12 lub 24-kanałowych jest dopiero przygotowywana. Odbiorniki uniwersalne (dla GPS i GLONASS) są produkowane przez niektórych producentów zachodnich: 3S Navigation R100/30T, Ashtech Z18 i inne
Zastosowanie GPS
Pomiary statyczne
projektowanie sieci osnów gps
wyznaczanie współrz. punktów osnów geodezyjnych
transformacje współrzędnych do układów lokalnych
modernizacje szczegółów osnowy geodezyjnej
modernizacje ewidencji gruntów
Dynamiczne techniki DGPS i RTK
nawigacja pojazdów
inwentaryzacja istniejących osnów geod.
wytyczanie tras rurociągów
tworzenie mapy numerycznych
Nawigacja i monitoring pojazdów
nawigacja lądowa
samochodowa
policja, straz pozanra itp
powietrzna
po wodzie
batymetryczne
zanieczyszcenia – monitorowanie
Budowa odbiornika GPS
zegar (wykorzystujący oscylator kwarcowy) stanowiący wzorzec czasu i częstotliwości
generator ciągów losowych, którymi modulowane są sygnały nadawane przez GPS
antena
źródło zasilania
nośnik danych
interface użytkownika
Co to almanach?
almanach - dane dotyczące aktualnego stanu systemu, w tym przybliżone elementy orbitalne wszystkich satelitów, których znajomość przyśpiesza proces akwizycji i efemerydę - dokładne elementy orbitalne satelity nadającego depeszę, niezbędne do wyznaczania czasu i pozycji. Dodatkowo transmitowane są dane o stanie satelitów, aktualne współczynniki do obliczenia opóźnienia jonosferycznego i dane do obliczenia czasu UTC.
Co to PDOP?
Błąd rozmycia dokładności pozycji (PDOP) - Stosunek pomiędzy w obliczeniu pozycji użytkownika a błędem w obliczeniu pozycji satelity, informuje o tym kiedy rozmieszczenie satelitów pozwoli uzyskać najdokładniejszy wynik. Pożądany PDOP jest mniejszy od 3. Wartości większe od 7 są bardzo niekorzystne.
Czas GPS
Jest czasem atomowym używanym w systemie GPS. Podstawą skali czasu GPS są atomowe zegary pokładowe umieszczone na satelitach GPS , znajdujące się w ośrodkach sterowania systemem GPS, oraz zegary atomowe US Naval Observatory. Skala czasu GPS jest bardzo zbliżona do skali czasu atomowego TAI.
TAI – GPS Time = 19 s + C0
19 s – stała różnica czasu
C0 – zmienna w czasie poprawką rzędu 10 nanosekund wynikająca z korzystania w obu systemach różnych zegarów atomowych
UTC – GPS = 8s
Pojecie efemeryd
Efemeryda to tablica zawierające pozorne pozycje satelitów, Słońca, Księżyca i planet na niebie w określonym czasie i w określonym miejscu na Ziemi. Zawiera również dane o ważnych zjawiskach astronomicznych, takich jak zaćmienie Słońca i Księżyca, pozornej retrogradacji, czasie gwiazdowym i pozycje węzłów księżyca.
Format RINEX
RINEX - znormalizowany format wymiany danych GPS - zespół standardowych definicji i formatów wspomagających bezpłatną wymianę danych GPS i ułatwiających używanie danych z dowolnego odbiornika GPS za pomocą dowolnego oprogramowania. Format składa się z definicji trzech podstawowych wielkości: czasu, fazy i odległości.
składa się z nagłówka i części danymi
w każdej linii pierwsze 60 znaków to informacje a od 61 do 80 komentarz plus 2 znaki na "koniec karetki"
rodzaje plików:
o - dane obserwacyjne
n - nawigacyjne
m - meteorologiczne
g - plik danych nawigacyjnych dla glonass
l - dane nawigacyjne dla Galilleo
h - dane satelitów geostacjonranych z grupy SBAS( w postaci ASCII )
b - to samo tylko dane binarne
c - plik kodów chodów zegarów
Konstelacja satelitów
Orbity satelitów są równomiernie rozmieszczone wokół kuli ziemskiej. Oprócz 21 satelitów podstawowych krążą 3 aktywne rezerwowe, uzupełniające „wątpliwe” miejsca w konstelacji. Wszystkie 24 są rozmieszczone na orbitach w taki sposób, aby w każdym punkcie globu znajdowały się co najmniej cztery nad horyzontem obserwatora. Satelity umieszczone są na wysokości ok. 20 200 km.
Orbity satelitów GPS:
- sześć orbit po 4 satelity każda
- mimośród bliski zeru (orbity prawie kołowe)
- okres obiegu ok. 12 h gwiazdowych
- nachylenie 55°
- równomierne cofanie się węzłów wstępujących 6 płaszczyzn orbitalnych
- znikomy wpływ perturbacji atmosfery
Współczynnik DOP
Wielkości DOP są pochodną konfiguracji geometrycznej układy satelity – odbiornik
Interpretacje geometryczna współczynnika DOP można zapisać jako stosunek objętości wielomianu foremnego do objętości wielościanu obserwowanego. Im objętość obserwowanej figury będzie większa, tym lepsza geometria oraz mniejszy współczynnik DOP (lepsze warunki geometryczne)
Planowanie sesji
ilość punktów do pomiarów
liczba odbiorników i jakie
liczba zespołów terenowych
mapy topograficzne wieloskalowe lub inne
opis topograficzny punktów
atlas samochodowy
lokalizacja punktów (przeszkody terenowe wysokie, zasłony po 20 st., urządzenia elektryczne w pobliżu
lokalizacja punktów blisko dróg, nie na terenach inwestycji
punkty nawiązania o klasie wyższej aby oklały teren
długość sesji zależy od: ilości satelitów, ich geometrii, odległości od stacji ref, sila sygnału od satelity, odległośc między odbiornikami
liczba sesji n= (S-O)/(r-O) ; S-liczba pktów do pomierzenia; r – liczba odbiornikow; O-pkty wspolne miedzy sesjami
liczba obiornikow w ostatniej sesji sr = n*r –[s+(n-1)];
Protokół NMEA
Protokół NMEA jest protokołem stosowanym przez stowarzyszenie morskie „National Marine Electronics Association”. Definiuje on sposób komunikacji między urządzeniami elektronicznymi morskimi oraz protokół wymiany danych miedzy tymi urządzeniami. Ma on powszechne zastosowanie w elektronice nawigacji morskiej.
Dane są transmitowane w postaci „zdań”. Pojedyncza sentencja zawiera do 82 znaków. Znakiem zaczynającym dane w protokole jest „$”,dalej następuje identyfikator zdania i pola danych oddzielone przecinkami, a na końcu znajdują się symbole <CR><LF> (carriage return, line feed).