GPS w badaniach przyrodniczych

Cz 2. Pomiar różnicowy, czynniki

wpływające na jakośd pomiaru, …

Czas akwizycji satelit

Gotowośd odbiornika GPS do lokalizacji następuje po:
• Lokalizacji co najmniej 4 satelitów
• Synchronizacji z nimi
• Odczytaniu depeszy nawigacyjnej

Czas od włączenia odbiornika do otrzymania pierwszego odczytu – to tzw.
czas akwizycji (time to first fix TTFF).

Do określenia przewidywanej konfiguracji satelitów istotna jest znajomośd
almanachu, przybliżonej pozycji, przybliżonego czasu. Jeśli odbiornik nie
posiada tych informacji, wybór satelitów dokonuje się w sposób dowolny
-> czas akwizycji jest dłuższy.

• Procedura obliczania lokalizacji zaczyna się od określenia

widzialnych satelitów

• Każdy odbiornik ma w pamięci wzorce kodów pseduo-

losowych (Pseudo Random Noise Code) wszystkich

satelitów i dopasowuje je do odbieranych sygnałów,

identyfikując satelitę

• Zidentyfikowany satelita jest śledzony przez odbiornik i

otrzymuje z niego depeszę nawigacyjną i na jej podstawie

synchronizuje swój zegar

• Możliwośd określenia, które satelity znajdują się w zasięgu

skraca czas synchronizacji

• Odbiorniki różnych klas mają różną zdolnośd

zapamiętywania i szacowania dostępności satelitów

Układ odniesienia

• Pomiar lokalizacji odnoszony jest do powierzchni

ziemi, modelowanej przez elipsoidę GRS80

• Domyślnym układem odniesienia jest WGS84, czyli

globalny układ odniesienie World Geodetic System,
oparty o pomiary elipsoidy Ziemii, wykonane przez
satelity w 1984

Źródła błędów

NATURALNE

SZTUCZNE

Opóźnienie jonosferyczne

Błąd efemeryd

Opóźnienie troposferyczne

Błąd zegara satelitów

Odbiór sygnałów odbitych

Błędy odbiornika

Błąd wzajemnego położenia satelitów

(DOP)

Źródła błędów

• Opóźnienie jonosferyczne –

opóźniona propagacja fal

radiowych w jonosferze,

błąd rzędu 20-30 metrów w

dzieo i 3-6 m w nocy

• Opóźnienie troposferyczne –

spowodowane zmianami

temperatury, ciśnienia,

wilgotności w dolnych

warstwach atmosfery, błąd

rzędu 1-3 m

Jonosfera
- rozciąga się od wys. 50–60 km do wys. 800

km nad powierzchnią Ziemi.

- odznacza się obecnością znacznej liczby

swobodnych elektronów i jonów,
powstałych w wyniku jonizacji atomów
i cząsteczek zawartych w powietrzu

- głównym źródłem jonizacji jest

promieniowanie słoneczne i kosmiczne

• Błąd efemeryd – spowodowany jest różnicą w położeniu

satelity pomiędzy danymi wyliczonymi a pozycją

rzeczywistą. Błąd rzędu 1m.

• Błąd zegara satelity – spowodowany różnicą pomiędzy

wskazaniem zegara satelity a globalnym czasem GPS.

Błąd rzędu 1m.

• Błąd wielodrogowości – spowodowany dotarciem do

anteny sygnałów odbitych od obiektów ją otaczających.

Błąd rzędu 0,5 m.

• Błędy odbiornika - występujące w odbiorniku GPS. Ich

powodem mogą byd:

•szum,
•dokładnośd oprogramowania
•zakłócenia lokalne (nadajniki radiowe, komórki i

inne)

Poprawki

Szereg poprawek w oprogramowaniu odbiornika GPS
pozwala na uniknięcie niektórych błędów, np.:

• Całkowitej niwelacji błędu efemeryd
• Korekty opóźnieo jonosferycznych i troposferycznych

– modelowanie prędkości fal w przyjętych modelach
atmosferycznych, stosowanie poprawek do
odległości dzielących obiekt i satelity

• Ponieważ opóźnienie jonosferyczne jest zależne od

częstotliwości sygnału, jego wpływ może byd
wyznaczony na podstawie pomiarów odległości na
dwóch częstotliwościach (L1 i L2).

Rozmycie dokładności

(Dilution of Precision) - Zestaw współczynników wiążących błąd
pomiaru odległości do satelity z błędem wyznaczenia pozycji.
Wielkości DOP są pochodną konfiguracji geometrycznej układu
satelity-odbiornik. Mniejsze wartości współczynników DOP
odpowiadają lepszym warunkom geometrycznym.

Do najważniejszych współczynników charakteryzujących

dokładnośd określanej pozycji zaliczamy:
• PDOP (Position Dilution of Precision), współczynnik

przestrzenny (trójwymiarowy) rozmycia pozycji,

• HDOP (Horizontal Dilution of Precision), współczynnik

horyzontalny (dwuwymiarowy) rozmycia pozycji,

• VDOP (Vertical Dilution of Precision), współczynnik

pionowej (jednowymiarowej) dokładności pozycji,

• TDOP (Time Dilution of Precision), współczynnik

dokładności uwarunkowany odchyłką czasu wzorca

odbiornika użytkownika od czasu systemu,

• GDOP (Geometric Dilution of Precision), geometryczna

dokładnośd trójwymiarowej pozycji i czasu.

Pomiar różnicowy

Metody precyzyjnego wyznaczania pozycji dotyczą pomiarów
różnicowych, w których wykorzystywane są jednoczesne
obserwacje odbiornikiem na wyznaczanym punkcie oraz
odbiornikiem na punkcie referencyjnym. W zależności od czasu
pomiaru na punkcie oraz sposobu opracowania obserwacji,
wyróżnia się m.in. następujące metody wyznaczania pozycji:

• statyczne,
• szybkie statyczne
• kinematyczne (RTK, RTN),
• pomiary DGNSS

Metody korekcji pomiaru

Określanie pozycji użytkownika za pomocą metody
różnicowej możliwe jest za pomocą dwóch metod.
• W pierwszej z nich wszelkie pomiary i obliczenia

wykonywane są w czasie rzeczywistym, tzw. "real
time". Poprawki takie są na bieżąco odbierane drogą
radiową i uwzględniane bezzwłocznie w urządzeniu.

• Druga metoda zwana "post processing", polega na

korygowaniu pomiarów względem satelitów
wykonanych za pomocą odbiornika użytkowania przy
pomocy poprawek w trybie obróbki komputerowej, już
po zakooczeniu pomiarów.

Pomiary statyczne

Pomiary statyczne polegają na jednoczesnym zbieraniu danych GNSS

odbiornikami umieszczonymi na wyznaczanych punktach w odpowiednio

długim czasie. Stosując programy obliczeniowe obliczane są w tzw.

postprocessingu składowe wektorów łączących mierzone punkty. W

nawiązaniu do stacji referencyjnych o znanych współrzędnych wyniki

pomiarów mogą byd wyrównywane i punkty mierzone otrzymują

współrzędne. Pomiary statyczne zapewniają najwyższą dokładnośd pomiarów

GNSS. Wykorzystywane są w zakładaniu i kontroli osnów geodezyjnych oraz w

badaniach geodynamicznych. Pozwalają one uzyskad, w zależności od długości

wektora, następujące dokładności:

• przy użyciu efemeryd pokładowych: ±1 cm + 2 ppm × D dla współrzędnych

horyzontalnych i ±2 cm + 2 ppm × D dla wysokości (ppm oznacza częśd

milionową, tj. 1 × 10-6 (ang. part per milion)).

• przy użyciu efemeryd precyzyjnych IGS: 10-8 – 10-9 dla wektorów

kilkusetkilometrowych.

Szybkie pomiary statyczne

Jest to odmiana pomiarów statycznych, dla których pomiar na

wyznaczanym punkcie skrócono do 5–20 minut. Osiągnięto to

wprowadzając nowe generacje odbiorników (głównie

dwuczęstotliwościowych) oraz udoskonalone algorytmy wyznaczania

nieoznaczoności. Zaostrzeniu uległy w stosunku do metody statycznej

kryteria pomiaru:

• odbiornik musi ciągle śledzid minimum 5–6 satelitów,
• interwał zliczeo obserwacji wynosi 1–10 sekund,
• minimalna wysokośd satelitów nad horyzontem wynosi 15°,
• długośd wektorów nie powinna przekraczad 20 km.

Metoda pozwala uzyskad dokładności wyznaczenia punktu na poziomie

kilku centymetrów wykorzystując oprogramowanie firmowe.

RTK - Real Time Kinectics

Pomiary RTK należą do pomiarów w czasie rzeczywistym. Metoda bazuje na

algorytmie inicjalizacji OTF (ang. On The Fly) czyli prawie natychmiastowego

rozwiązania nieznanej liczby fal na drodze satelita-odbiornik. Metoda wymaga

widoczności minimum 5 satelitów powyżej 15°. Wykorzystywane są

obserwacje fazowe odbiornikiem dwuczęstotliwościowym. Zaletą w stosunku

do pomiarów statycznych jest natychmiastowe wyznaczenie pozycji,

natomiast do wad należy zaliczyd koniecznośd zapewnienia ciągłej łączności

między stacją bazową i odbiornikiem ruchomym oraz ograniczenie zasięgu

metody. Typowe warunki pomiarów RTK to:

• inicjalizacja około 1 minuty,
• pomiar pikiety 3–5 sekund,
• zasięg pomiarów do 30 km,
• dokładnośd ±1–2 cm + 2 ppm × D dla składowych horyzontalnych i około

±3 cm + 2 ppm × D dla składowej wysokościowej.

RTN - Real Time Network

W pomiarach powierzchniowych RTK rolę stacji bazowej przejmuje sied

stacji permanentnych tworzących system (np. ASG-EUPOS),

przesyłających dane obserwacyjne w czasie rzeczywistym do Centrum

Zarządzania Systemu. Oprogramowanie sterujące w Centrum

Zarządzania przetwarza dane ze stacji, tworząc albo poprawki

powierzchniowe typu FKP (niem. Fläche Korrektur Parameter) lub MAC

(ang. Master and Auxiliary Concept), albo obserwacje z Wirtualnej

Stacji Referencyjnej (VRS ang. Virtual Reference Station).

Zaletą systemu powierzchniowego RTK jest możliwośd pracy z jednym

odbiornikiem ruchomym. Rolę stacji bazowej przejmuje na siebie

system. Odległości między stacjami według obecnych warunków

oprogramowania Centrum Zarządzania mogą wynosid 70–80 km, a

otrzymywane dokładnośd i niezawodnośd wyznaczenia pozycji jest

wyższa niż dla typowych pomiarów RTK.

Pomiar różnicowy (DGPS)

W odróżnieniu od RTK, DGPS jest prostszą techniką wyznaczania
współrzędnych, bazującą przede wszystkim na pomiarach kodowych,
tzn. nie istnieje potrzeba wyznaczenia nieoznaczoności (procesu
inicjalizacji). Do określenia współrzędnych wystarczają 4 satelity
nawigacyjne. Dokładności uzyskiwane tą techniką zależą głównie od
odległości od stacji bazowej.

Stacja referencyjna działających
systemów różnicowych
składa się z:
- odbiornika GPS,
- układu przetwarzania danych:
wyznaczania poprawek i tworzenia
informacji nawigacyjnej,
- nadajnika poprawek.

• Dla użytkowników znajdujących się w niewielkiej

odległości (do 300 km) od stacji niektóre z błędów

są takie same lub różnią się niewiele.

• Do tego rodzaju błędów lub czynników je

powodujących można zaliczyd: •

błąd efemeryd,

odchyłkę wzorca czasu satelity, •

refrakcję

troposferyczną, •

refrakcję jonosferyczną.

EGNOS

EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay
Service) - system składający się aktualnie z trzech
satelitów geostacjonarnych (dwa kolejne w budowie) oraz
39 stacji pomiarowo - obserwacyjnych (RIMS), 4 stacji
kontrolnych (MCC), 6 stacji transmitujących (NLES) oraz
dwóch stacji kontrolno - testowych.
System pozwala osiągnąd dokładnośd określanej pozycji
do 3 metrów w poziomie i 4 metrów w pionie.

Sied ASG EUPOS w Polsce

ASG-EUPOS
(Aktywna Sied
Geodezyjna EUPOS)
– ogólnopolska sied
stacji referencyjnych,
uruchomiona w
2008 roku i
zarządzana przez
Główny Urząd
Geodezji i Kartografii

Serwisy ASG EUPOS

Rodzaj

Nazwa

Metoda

pomiaru

Transmisja

danych

Zakładana

dokładność

Minimalne

wymagania

sprzętowe

Serwisy czasu
rzeczywistego

NAWGEO

kinematyczna
(RTK/RTN)

Internet,
GSM
(GPRS)

do 0,03 m
(poz.)
do 0,05 m
(pion.)

Odbiornik
L1/L2 RTK,
moduł
komunikacyjny

KODGIS

kinematyczna
(DGPS)

do 0,25 m

Odbiornik L1
DGPS,
moduł
komunikacyjny

NAWGIS

do 3 m

Serwisy post-
processingu

POZGEO

statyczna

Internet

Zależna od
warunków
pomiarowych
(0,01 - 0,10
m)

Odbiornik L1

POZGEO D

statyczna,
kinematyczna

Ograniczenia zastosowania GPS

• Tylko do zastosowao na

zewnątrz budynków

• Brak sygnału w tunelach i

na parkingach
podziemnych

• Problemy w lesie
• „Kaniony miejskie”

Formaty współrzędnych

Jeden stopieo (°) to 60 minut ('), a jedna minuta to

60 sekund (")

DMS

Stopnie:Minuty:Sekundy

(49° 30' 00" – 49d 30m 00s)

DM

Stopnie:Minuty

(49° 30.0' – 49d 30.0m)

DD

Stopnie Dziesiętne

(49.5000° – 49.5000d)

Który format najwygodniejszy?

Jak Przeliczad?
• „ręcznie”
DD = (Sekundy/3600) + (Minuty/60) + Stopnie
• „w locie” przez odbiornik GPS
• Używając aplikacji internetowych lub arkusza

kalkulacyjnego.

KONIEC