1. Obserwacje kodowe-charakterystyka

Pseudoodległość: miara odległości między stacją a satelitą;

Sposób pomiaru: mierzymy czas przejścia sygnału od SV do anteny odbiornika poprzez porównanie identycznych kodów PRN generowanych przez SV i odbiornik.

Główne błędy: niedokładność chodu zegarów odbiornika i satelity.

t^p - emisja sygnału PRN z SV

t_k - odbiór w odbiorniku

t^p - t_k czas przejścia sygnału od satelity do odbiornika

Równanie obserwacyjne pseudoodległości:

ρ^j_A - odległość geometryczna stacja-SV

dt^j - poprawka chodu zegara SV

djon - popr jonosferyczna

dtrop - popr troposferyczna

εp - błędy

2. Obserwacje fazowe-charakterystyka

Pomiary fazowe - obserwacja fazowa jest różnicą pomiędzy fazą sygnału SV zmierzoną w odbiorniku a fazą sygnału generowanego w odbiorniku w danej epoce czasu.

φ_A^j(t) = φ^j(t) - φ_A(t)

Równanie obserwacyjne pomiaru fazowego:

λ-długość fali

N - nieoznaczoność

Jeżeli uważacie że temat nie został wyczerpany dorzucam trochę więcej zdań na powyższy temat, pzdr.

POMIAR PSEUDOODLEGŁOŚCI
- pseudoodległość, mierzony jest czas przejścia sygnału od satelity do anteny odbiornika, poprzez porównanie (korelację) identycznych kodów PRN generowanych przez satelitę i odbiornik. Pseudoodległość może być wyznaczana w oparciu o pomiary składowych sygnału związanych z modulacją kodem C/A (na L1) lub P (na L1 i L2). Pomiar pseudoodległości przy użyciu składowej związanej z kodem P charakteryzuje się większą precyzją. Typowa dokładność pomiaru z użyciem kodu C/A wynosi: 3-30m, z użyciem kodu P: 0.3-3m. Nieoznaczoność związana z pomiarem przy użyciu kodu C/A jest rzędu 300 metrów, kodu P 30 metrów. Nieoznaczoności te są proste do usunięcia. Współczesne odbiorniki korygują pomiar pseudoodległości w oparciu o pomiar scałkowanej fazy fali nośnej. Pomiar pseudoodległości wykorzystywany jest najczęściej do zastosowań nawigacyjnych, przy technice DGPS, gdzie nie są wymagane duże dokładności. Czasem pomocniczo w innych zastosowaniach.

POMIAR FAZOWY

- Pomiar fazowy to różnica pomiędzy fazą sygnału satelity a fazą sygnału generowanego w odbiorniku w danej epoce czasu t. Jest to pomiar końcówki cyklu. Do pełnego pomiaru dochodzi jeszcze pomiar fazowy zakumulowany, czyli pomiar końcówki cyklu plus odczyt z licznika zliczającego zmiany fazy. Typowa dokładność tego pomiaru jest rzędu 1 mm. Pomiar fazy charakteryzuje się nieoznaczonością o wielkości równej długości fali nośnej L1 i L2. Usuwanie nieoznaczoności w pomiarach fazowych jest złożonym procesem obliczeniowym. Pomiar fazowy jest wykorzystywany do bardzo dokładnej nawigacji techniki RTK i w pomiarach geodezyjnych, geodynamicznych, gdzie wymagane są dokładności milimetrowe.

Emisja kodu. W pomiarze kodo­wym (rys. 1) wykorzystuje się fakt, że satelita emituje kod (C/A lub P), a odbiornik wytwarza identycz­ny w tych samych określonych momen­tach czasu. Kod, który z sygnałem sa­telitarnym dociera do instrumentu, jest przesunięty względem kodu wytwa­rzanego w odbiorniku (tzw. replica code) o czas przebiegu sygnału z satelity do anteny. W odbiorniku następuje po­nowne przesunięcie obu kodów wzglę­dem siebie aż do uzyskania korelacji. Pomierzony w ten sposób czas pomno­żony przez prędkość rozchodzenia się fal elektromagnetycznych jest równy mierzonej odległości Ziemia-satelita.

 

Rys. 1. Dokładność pomiarów kodowych dla kodu C/A wynosi 3 m, dla kodu P - 30 cm (przyjmuje się, że możliwa do osiągnięcia dokładność to 1% długości impulsu)

Sposób pomiaru kodowego nazywany bywa również sposobem pomiaru pseu­doodległości. Czemu taką właśnie na­zwę przyjęto dla tego sposobu pomiaru? Rozważmy podobieństwa i różnice po­między sposobem satelitarnego pomia­ru kodowego odległości a pomiarem naziemnym za pomocą, na przykład, dalmierza laserowego. W technice tra­dycyjnej do zmierzenia dystansu mię­dzy dwoma punktami na jednym usta­wiamy dalmierz, na drugim zaś lustro. Podczas pomiaru wysłany z dalmierza sygnał po odbiciu od lustra zostaje za­rejestrowany w tym samym narzędziu, które emituje sygnał. W ten sposób mierzymy podwójną odległość pomię­dzy punktami. W przypadku pomiaru Ziemia-satelita sygnał kodowy jest wy­syłany przez satelitę i odbierany przez instrument, a następnie porównywany z sygnałem replica code. Technika taka ma sens tylko wtedy, gdy zegary sate­lity i odbiornika na Ziemi są dokład­nie zsynchronizowane. Przyjęto, że taki pomiar (jednostronny!) Ziemia-satelita obarczony w dużym stopniu wpływem błędu niesynchroniczności zegarów na satelicie i w odbiorniku nazywany bę­dzie - dla odróżnienia od pomiaru na­ziemnego, wolnego od tego wpływu - pomiarem pseudoodległości.

Fazowa metoda. Druga ze wspo­mnianych metod pomiaru odległości do satelity, czyli metoda fa­zowa (rys. 2), polega na pomiarze fazy sygnału dochodzącego do odbiornika. Wyznaczana odległość d wyrażana jest w tej metodzie poprzez pewną całkowitą liczbę N pełnych znanych długości fa­li mieszczącą się w mierzonej odległości plus „końcówka”, czyli część pełnej dłu­gości fali (faza φ pomnożona przez dłu­gość fali λ), co można zapisać wzorem:

d = N λ + φ λ.

Odbiornik GPS łatwo mierzy fazę φ, natomiast główną trudnością tej metody jest wyznaczenie całkowitej liczby N peł­nych długości fal mieszczących się w mie­rzonej odległości d.

 

Rys. 2. Dokładność pomiarów fazowych wynosi około 1,9 mm (możliwa do osiągnięcia dokładność to 1% długości fali)

Jest to problem „nie­oznaczoności pełnych cykli długości fal”. Liczbę tę należy dla wszystkich technolo­gii GPS, które operują pomiarami fazo­wymi, wyznaczyć na podstawie specjal­nej procedury, tzw. inicjalizacji pomiaru. Jeśli nie ma przerwy w łączności z sate­litą, odbiornik może rejestrować także przedstawioną na rys. 3 pełną liczbę róż­nicy całkowitych długości fal Nj -N0 od pewnego momentu początkowego t0.

 

Rys. 3. Problem nieoznaczoności peł­nych cykli długości fal w metodzie fazowej

8.Omówić system ASG-EUPOS

EUPOS jest to system pozycjonowania, udział w nim bierze szesnaście państw Europy Środkowej i Wschodniej. Są to: Bułgaria, Bośnia i Hercegowina, Czechy, Estonia, Litwa, Łotwa, Macedonia, Niemcy, Polska, Rumunia, Rosja, Serbia, Słowacja, Słowenia, Ukraina i Węgry. Budowane w ramach programu EUPOS krajowe systemy pozycjonowania, oparte są na tym samym standardzie, co pozwala na wymianę danych. W swoich założeniach projekt EUPOS posiada następujące cechy:

• wielofunkcyjność,

• wspomaganie nawigacji lądowej, powietrznej i morskiej,

• wspieranie precyzyjnych pomiarów geodezyjnych,

• dane geodezyjne są wyznaczane w układzie odniesienia będącym realizacją systemu EUREF'89, a następnie przeliczane do narodowych układów współrzędnych,

• jednolity standard techniczny, kompatybilny z niemieckim systemem SAPOS,

• odległość pomiędzy stacjami referencyjnymi powinny być mniejsze od 70 km,

dane z przygranicznych stacji referencyjnych będą udostępnianie pomiędzy krajami członkowskimi

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 ASG - EUPOS składa się z trzech segmentów, są to: segment odbiorczy, centrum zarządzające oraz segment użytkownika.

Zadaniem segmentu odbiorczego jest zbieranie danych obserwacyjnych i przekazywanie ich w czasie rzeczywistym do Centrum Obliczeniowego. W skład segmentu odbiorczego wchodzą także stacje referencyjne, mają one wyznaczone współrzędne w układzie EUREF'89 a także w układach państwowych. Stacje referencyjne zlokalizowane są na budynkach administracji państwowej lub innych budynkach publicznych, w taki sposób aby zapewnić dogodne warunki obserwacji satelitów, zainstalowano w nich precyzyjne odbiorniki dwuczęstotliwościowe. Obecnie działają osiemdziesiąt cztery stacje z modułem GPS, czternaście stacji GPS/GLONASS oraz dwadzieścia stacji zagranicznych.

Centrum Zarządzające ma za zadanie obliczanie i udostępnianie danych, na podstawie obserwacji wysyłanych na bieżąco ze stacji referencyjnych. Obliczenia dokonywane są automatycznie, a pracownicy centrum zarządzającego odpowiadają jedynie za wykonywanie testów poprawności działania systemu. Bezpośrednio z Centrum Zarządzającego można pobrać pliki obserwacyjne z poszczególnych stacji lub przesłać własne pliki i uzyskać precyzyjną pozycję. Oprócz tego Centrum Zarządzające pełni funkcję związaną z konserwacją państwowego układu odniesienia - cotygodniowe kontrolne pomiary pozwalają na bieżącą kontrolę stałości położenia stacji, które stanowią punkty podstawowej osnowy geodezyjnej I klasy. Centra obliczeniowe znajdują się w Warszawie i Katowicach.

ASG - EUPOS daje możliwość skorzystania z różnych serwisów, są to serwisy czasu rzeczywistego, oraz tak zwane serwisy postprocesingu.

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

• POZGEO - serwis automatycznych obliczeń w trybie postprocesingu obserwacji GNSS (?w chwili obecnej faktycznie jedynie z systemu GPS?) wykonywanych 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, ?teoretycznie, po spełnieniu szeregu wyspecyfikowanych kryteriów i warunków, pozwalający na osiągnięcie najwyższych „gwarantowanych” przez system dokładności wyznaczeń współrzędnych pnktów,?

• 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,

• 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. W systemie ASG-EUPOS udostępniane są trzy rodzaje poprawkek sieciowych: VRS (ang. Virtual Reference Station), MAC (ang. Master and Auxiliary Concept) oraz FKP (niem. Flächenkorrekturparameter). Dla użytkownika nie jest istotne, z którego formatu korzysta ponieważ informacje w nich zawarte generowane są przez to samo oprogramowanie i dają bardzo zbliżone rezultaty. Testy przeprowadzone przez wykonawcę systemu oraz zewnętrzne podmioty potwierdzają, że w optymalnych warunkach pomiarowych wszystkie poprawki pozwalają osiągnąć powtarzalność wyznaczeń w granicach ±0,03 m w poziomie i ±0,05 m w pionie. Do wygenerowania strumienia poprawek w oparciu o dane z grupy stacji ASG-EUPOS, system obliczeniowy musi mieć informację o przybliżonej pozycji użytkownika, przesyłanej w depeszy NMEA GGA. w odpowiedzi na przybliżoną pozycję użytkownika, moduł obliczeniowy systemu ASG-EUPOS generuje strumień poprawek sieciowych w wybranym formacie i przesyła go protokołem NTRIP w formacie RTCM. Oprócz poprawek sieciowych dostępne w serwisie NAWGEO są także poprawki z pojedynczej stacji, jednak wraz ze wzrostem odbiornika od stacji referencyjnej zmniejsza się dokładność wyznaczenia pozycji, dlatego zalecane jest wykorzystywanie poprawek sieciowych. Współrzędne punktów pomierzonych metodą RTK z wykorzystaniem poprawek z serwisu ASG - EUPOS są wyznaczane w geodezyjnym układzie odniesienia, który jest realizowany przez stacje referencyjne serwisu.

System ASG - EUPOS:

• stanowi zagęszczenie sieci EPN i realizuje stabilny i jednolity układ odniesienia zgodny z europejskim systemem odniesienia ETRS'89,

• wraz z punktami sieci EUREF-POL, POLREF i EUVN stanowi osnowę podstawową kraju,

• dotychczasową hierarchiczność osnów zastępuje bezpośrednim nawiązaniem do aktywnych punktów I klasy,

• stopniowo zacznie zanikać potrzeba zakładania osnów pośrednich, którymi są osnowy poziome II i III klasy, a w osnowach wysokościowych sieci III klasy i osnowy IV klasy,

• potrzeba osnów szczegółowych będzie ograniczona do obszarów bardzo zurbanizowanych i zadrzewionych,

• stwarza dużą szansę na popularyzację systemu GNSS i jego wykorzystanie w pracach geodezyjnych i kartograficznych,

• w wielu zastosowaniach stwarza możliwości zwiększenia efektywności pracy i zmniejszenia ich kosztów,

• dla zapewnienia pełnego i optymalnego jego wykorzystania wymaga pilnego dokończenia pewnych prac na przykład wykonania dowiązania niwelacyjnego wszystkich stacji systemu.

Zasada pracy serwisu ASG - EUPOS

6. Refrakcja jonosferyczna, jej wpływ na wyniki pomiarów satelitarnych.

Na skutek promieniowania UV z cząsteczek znajdujących się w atmosferze odłączają się elektrony (proces jonizacji; proces odwrotny do jonizacji to rekombinacja), w ten sposób wykształca się pewien rozkład koncentracji wolnych elektronów z charakterystycznymi warstwami i obszarami. Zespół tych warstw rozpatrywanych ze względu na właściwości elektryczne to jonosfera, znajduje się ona na wysokości od 60 km do 1000 km nad powierzchnią Ziemi. Maksymalna liczba elektronów znajduje się na wysokości od 250 km do 400 m. Na tej wysokości wyróżnia się dwie warstwy: F1 (bliżej powierzchni Ziemi) i F2. Poniżej warstwy F1 znajduje się warstwa E (jonizację w tej warstwie powoduje miękkie promieniowanie X), jeszcze niżej znajduje się warstwa D (jonizacja na skutek twardego promieniowania X).

Wpływ na propagację fal radiowych:

• warstwa D - niezauważalny,

• warstwy F1 + E - do 10% wartości opóźnienia jonosferycznego,

• warstwa F2 - największy wpływ na opóźnienie, do 80% wartości opóźnienia jonosferycznego.

Obszar poniżej maksymalnej gęstości elektronów w warstwie F2 nazywany jest dolną częścią, a powyżej - górną częścią jonosfery.

Rozkład jonosfery nad powierzchnią Ziemi charakteryzuje się bardzo dużą zawartością elektronów w regionach okołorównikowych (równik geomagnetyczny!!) oraz małą w okołobiegunowych. Występują dwa maksima występowania elektronów - tzw. anomalia równikowa. Jest to spowodowane faktem, że pole magnetyczne „rozpycha” elektrony na boki. Należy jednak pamiętać, że zawartość wolnych elektronów w atmosferze zmienia się nie tylko ze wzrostem szerokości geograficznej, ale również ze zmianami pory dnia, przy czym maksymalna liczba elektronów znajduje się nad danym terenem w dwie godziny po górowaniu nad nim Słońca.

Jednym z modeli jonosfery obrazującym proces jonizacji jest model Chapmana. Założył on, że w najprostszym przypadku równoległa, monochromatyczna wiązka promieniowania słonecznego jonizująca jednorodny, izotermiczny gaz w poziomo uwarstwionym obszarze produkuje parę jonów w sposób podany następującą funkcją (nazywana obecnie funkcją Chapmana):

gdzie:

h - wysokość nad powierzchnię Ziemi, dla której wyznaczany jest współczynnik produkcji jonów [km],

χ - odległość zenitalna Słońca [°],

h_mo - wysokość maksymalnej produkcji jonów dla χ = 0 [km],

H - różnica wysokości [km].

N_e,0 - gęstość elektronów na poziomie 0

Dla fal przebiegających przez jonosferę gęstość elektronów scałkowana wzdłuż drogi fali nosi nazwę TEC (ang. Total Electron Content) i jest miarą ilościową (liczba elektronów w walcu o przekroju 1 m²) Jednostką TEC jest TECU.

Jeden TECU odpowiada liczbie 10¹⁶ elektronów zawartych w walcu o polu przekroju 1 m² ,ustawionym wzdłuż biegu fali radiowej.

Liczba elektronów w jonosferze zależy głównie od aktywności słonecznej (jej przebieg jest cykliczny, jeden cykl trwa 11 lat), która wyrażana jest za pomocą liczby Wolfa, opisująca liczbę plam na Słońcu.

gdzie:

R - liczba Wolfa

q - liczba grup plam słonecznych

s - liczba pojedynczych plam

Poniższy wykres przedstawia tzw. wykres motyla obrazujący liczbę plam na Słońcu z uwzględnieniem szerokości heliograficznej.

W prognozowaniu tzw. pogody słonecznej przeszkadzają dwa zjawiska:

• CME - Coronal Mass Ejection - wybuchy z atmosfery Słońca dużej liczby cząstek - wyrzut chmury

• rozbłysk słoneczny - wyrzut promieniowania falowego (?jest to złożony zespół zjawisk i procesów fizycznych wywołany nagłym wydzieleniem w atmosferze Słońca ogromnej ilości energii?)

Badanie aktywności Słońca: (aktywne Słońce wysyła silniejszy wiatr słoneczny, który oddziaływuje z ziemskim polem magnetycznym powoduje jego zaburzenia):

• Index k_p - zmiany natężenia pola magnetycznego Ziemi, obserwowane w dziewięciu północnoamerykańskich obserwatoriach - jest to skala quasilogarytmiczna,

• Index Dst - zmiany natężenia pola magnetycznego Ziemi badane w czterech okołorównikowych obserwatoriach.

Wpływ jonosfery na pozycjonowanie:

Współczynnik refrakcji:

gdzie:

n - współczynnik refrakcji,

c - prędkość światła w próżni,

v - prędkość w danym ośrodku.

Współczynnik refrakcji jonosferycznej:

gdzie:

n_ion - współczynnik refrakcji,

c - prędkość światła w próżni,

v_ion - prędkość światła w jonosferze.

Współczynnik refrakcji można zapisać jako:

(*)

[każdy kolejny wyraz jest 1000 razy mniejszy od poprzedniego]

gdzie:

e_i - współczynniki zależne od gęstości elektronów wzdłuż kierunku propagacji fali

f - częstotliwość sygnału

- wyznaczany doświadczalnie zależy od gęstości elektronów i częstotliwości sygnału

gdzie:

N_e - gęstość elektronów

Droga sygnału w próżni (dla próżni n=1):

Droga sygnału:

Opóźnienie jonosferyczne:

Po podstawieniu n=1 i n_ion=(*), oraz opuszczeniu wyrazów wyższych niż wyrazy I rzędu uzyskujemy:

Z definicji TEC mamy:

Ostatecznie więc opóźnienie jonosferyczne można zapisać jako:

1 TECU na częstotliwości L1 powoduje opóźnienie 16,2 cm.

Opóźnienie jonosferyczne dla pomiarów kodowych jest w rzeczywistości opóźnieniem, dla pomiarów fazowych jest przyspieszeniem.

Opóźnienie jonosferyczne redukuje się za pomocą kombinacji liniowej iono-free (L3/P3), a jego wartość można wyznaczyć za pomocą kombinacji geroetry-free (L4/P4)

Kombinacja liniowa iono-free:

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

gdzie:

Opóźnienie jonosferyczne na różnych częstotliwościach ma różne wartości, stąd we wzorach: ξ i ρ. Przy czym ξ>ρ.

Kombinacja liniowa geometry-free:

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

gdzie:

DCB - differential code base - ?różnica opóźnień sprzętowych? - ?dotyczy tylko odbiorników IGS? - znane z kalibracji,

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Wartość opóźnienia jonosferycznego:

wyraz

I rzędu

wyraz

II rzędu

---