Fotogrametria i SIP

5.04.21

Fotogrametria i Systemy Info
rmacji Przestrzennej - Ćwicz
enia 2003/3

GPS

(Global Positioning System) - Globalny

System Wyznaczania Pozycji, System

Globalnego Pozycjonowania.

1973

roku Departament Obrony USA podjął

decyzję o połączeniu istniejących programów, w

celu stworzenia ogólnoświatowego, odpornego

warunki

pogodowe,

trójwymiarowego

systemu nawigacyjnego, nazwanego

Navstar

GPS

GPS jest własnością rządu Stanów

Zjednoczonych Ameryki. Korzystanie z systemu

GPS nie wymaga wnoszenia żadnych opłat.

5.04.21

Fotogrametria i Systemy Info
rmacji Przestrzennej - Ćwicz
enia 2003/3

GPS – c.d...

C e n tr u m

k o n tr o li

s y s te m u

G P S

S ta c je

ś le d z ą c e

O d b io r n ik

u ż y tk o w n ik a

S a te lita

5.04.21

Fotogrametria i Systemy Info
rmacji Przestrzennej - Ćwicz
enia 2003/3

GPS - GLONASS

Podobny

system,

nazwie

GLONASS

uruchomiony został w Związku Radzieckim.

Pełna konstelacja satelitów GLONASS składa

się 24 obiektów rozmieszczonych na trzech

płaszczyznach orbitalnych Po skompletowaniu,

na początku 1996 roku, pełen zestaw satelitów

był dostępny przez okres około 40 dni. Pod

koniec roku 1996 na orbicie znajdowało się 21

aktywnych obiektów. Na każdej płaszczyźnie

powinno znajdować się 8 równomiernie

rozmieszczonych satelitów. Orbity są kołowe i

znajdują się na wysokości około 19100 km.

Okres obiegu wynosi 11h15m.

Obecnie liczba satelitów wchodzących w skład

systemu GLONASS jest o wiele mniejsza -

system sam w sobie nie zapewnia pełnej

operacyjności lecz jest idealny jako

uzupełnienie pomiarów GPS.

5.04.21

Fotogrametria i Systemy Info
rmacji Przestrzennej - Ćwicz
enia 2003/3

GPS - GLONASS

Kombinacja pomiarów z wykorzystaniem

satelitów GLONASS umożliwia widoczność

nawet o 30% satelitów więcej niż wykorzystując

tylko satelity GPS. Dzięki widoczności większej

liczby satelitów uzyskujemy większe

dokładności pomiarów oraz możliwość

wykonywania pomiarów w miejscach, gdzie ze

względu na zbyt małą liczbę obserwowanych

satelitów pomiary takie nie były możliwe.

Ze względu na to, iż system GLONASS różni się

wieloma parametrami z systemem GPS (np. ma

inne częstotliwości) istnieje bardzo mało

odbiorników pozwalających na pomiar przy

wykorzystaniu systemów GPS i GLONASS

jednocześnie. Tylko najnowsze i najbardziej

rozwinięte technologicznie urządzenia

umożliwiają współpracę tych dwóch systemów.

5.04.21

Fotogrametria i Systemy Info
rmacji Przestrzennej - Ćwicz
enia 2003/3

GPS – składowe systemu

System składa się z trzech grup elementów:

• część przekaźnikowa

- system 24 satelitów

umieszczonych na 6 okołoziemskich orbitach na

wysokości 20200 km nad powierzchnią Ziemi, z

których każdy transmituje informację czasową oraz

dane nawigacyjne. Czas obiegu orbit wynosi około 12

godzin, przy czym system został tak zaprojektowany,

że o każdej porze dnia i w każdym miejscu na Ziemi

można oczekiwać (z prawdopodobieństwem 99,96%)

dostępności sygnału od co najmniej 5 satelitów. Taka

konfiguracja umożliwia (z małymi wyjątkami)

wyznaczenie pozycji dowolnego miejsca na

powierzchni Ziemi o dowolnej porze dnia lub nocy. Na

niewielkich obszarach wyznaczenie pozycji jest

niemożliwe w okresie nie dłuższym niż około 20 minut

w ciągu doby.

• część naziemna

- Głównej Stacji Nadzoru (Master

Control Station w Bazie Sił Powietrznych Falcon w

Colorado Springs) i 5 lokalnych stacji monitorujących,

• część odbiorcza

- odbiorniki, którymi posługują się

użytkownicy systemu GPS.

5.04.21

Fotogrametria i Systemy Info
rmacji Przestrzennej - Ćwicz
enia 2003/3

GPS – poziomy dokładności

GPS zapewnia dwa poziomy dokładności:
• Dokładny Serwis Pozycyjny (PPS - Precise Positioning

Service)

• Standardowy Serwis Pozycyjny (SPS - Standard

Positioning Service).\

Dokładny serwis pozycyjny - PPS dostępny jest tylko dla

autoryzowanych użytkowników, zapewniając wysoką

dokładność danych o pozycji i czasie.

Do autoryzowanych użytkowników należą: Siły Zbrojne

USA i NATO (o autoryzacji użytkownika decyduje

Departament Obrony USA).

5.04.21

Fotogrametria i Systemy Info
rmacji Przestrzennej - Ćwicz
enia 2003/3

Dokładny serwis pozycyjny - PPS

PPS dostarcza informacji o pozycji z dokładnością nie

gorszą niż 16 metrów i informacji o czasie z

dokładnością nie gorszą niż 100 nanosekund w

stosunku do czasu UTC-USNO (Universal Coordinated

Time US Naval Observatory) .

PPS dostępny jest jedynie dla autoryzowanych

użytkowników i przeznaczony głównie dla celów

wojskowych. Do autoryzowanych użytkowników należą:

Siły Zbrojne USA i NATO. O autoryzacji użytkownika

decyduje Departament Obrony USA.

Dostęp do PPS kontrolowany jest dwiema metodami:
 Ograniczony Dostęp (SA - Selective Availability)
 Anti-spoofing (A-S)

5.04.21

Fotogrametria i Systemy Info
rmacji Przestrzennej - Ćwicz
enia 2003/3

Dokładny serwis pozycyjny - PPS

Ograniczony Dostęp

(SA - Selective Availability) -

pozwala na zmniejszenie dokładności pozycji i czasu

dostępnych dla nieautoryzowanych użytkowników. SA

działa poprzez wprowadzanie kontrolowanych błędów

do sygnałów satelity i depeszy satelitarnej.

Departament Obrony zadeklarował, iż w czasie pokoju

SA zmniejszy dokładność pozycji dla użytkowników SPS

do 100 metrów (95%, 2D).
SA zostało wyłączone decyzją prezydenta USA z dniem

01.05.2000 r.

Anti-spoofing

(A-S) - jest włączany bez ostrzeżenia by

uniemożliwić imitowanie sygnałów PPS przez

nieprzyjaciela. Technika ta zmienia kod, szyfrując go.

Klucz do szyfru dostępny jest wyłącznie autoryzowanym

użytkownikom. W ten sposób uzyskują oni maksymalną

dostępną dokładność.

5.04.21

Fotogrametria i Systemy Info
rmacji Przestrzennej - Ćwicz
enia 2003/3

Standardowy serwis pozycyjny -

SPS

Standardowy serwis pozycyjny dostarcza informacji o

pozycji z dokładnością nie gorszą niż 100 metrów

(95%,2D) w rozwiązaniach dwuwymiarowych i 156

metrów (95%,3D) w rozwiązaniach trójwymiarowych.

Dokładność informacji o czasie określona jest na nie

gorszą niz. 337 nanosekund (95%) w stosunku do skali

UTC(USNO). SPS przeznaczony jest głównie dla

użytkowników cywilnych.

Sztucznie wprowadzone i niektóre naturalne

ograniczenia dokładności mogą być w dużym stopniu

wyeliminowane przy użyciu technik różnicowych.

Techniki te polegają na wykorzystaniu poprawek

wyznaczanych przez precyzyjnie zlokalizowane

odbiorniki, zwane stacjami referencyjnymi. Poprawki

różnicowe mogą być wprowadzane po pomiarze, lub w

czasie rzeczywistym, w tym ostatnim wypadku do ich

transmisji wykorzystuje się łącza radiowe.

Obecnie upowszechnione są już systemy dystrybucji

poprawek różnicowych z pokładu satelitów

komunikacyjnych.

5.04.21

Fotogrametria i Systemy Info
rmacji Przestrzennej - Ćwicz
enia 2003/3

GPS – c.d...

Zespół satelitów stanowi przestrzenny ruchomy

układ odniesienia wspólny dla całego globu

ziemskiego.

Specjalnie dobrane parametry orbit zapewniają

warunek widoczności

minimum pięciu

satelitów

ponad horyzontem w dowolnym

momencie i w każdym miejscu na Ziemi, co jest

niezbędne do pełnego (przestrzennego)

wyznaczenia położenia anteny odbiornika GPS.

Każdy z satelitów emituje dwa sygnały.
System GPS zapewnia dokładności pomiaru

rzędu kilkunastu metrów. Poprzez

wykorzystanie systemów wspomagających

EGNOS/WAAS

lub

OmniStar

dokładności te mogą być rzędu 1 metra.

5.04.21

Fotogrametria i Systemy Info
rmacji Przestrzennej - Ćwicz
enia 2003/3

Systemy wspomagania pomiarów GPS

System EGNOS

(European Geostationary Navigation

Overlay Service) został zaprojektowany, aby zwiększyć

dokładność pomiaru pozycji wyznaczanej technikami

GPS.

Na system EGNOS składają się stacje odbiorczo-

kontrolne i satelity geostacjonarne. Zadaniem stacji

odbiorczych jest odbieranie sygnałów z satelitów GPS

oraz obliczenie różnicy pomiędzy znaną pozycją stacji

odbiorczej, a pozycją obliczoną na podstawie

odebranych sygnałów GPS.

Korekcja pozycji przesyłana jest do satelitów

geostacjonarnych, które z kolei transmitują ją w

kierunku Ziemi.

System WAAS

jest amerykańskim odpowiednikiem

technologii satelitarnej transmisji poprawki różnicowej

dla odbiorników GPS. Korekcja jest posyłana z satelitów

geostacjonarnych wprost do anten odbiorników GPS

(tylko specjalnie do tej funkcji przygotowanych, tzn.

"WAAS ready"). Dokładność pozycji wykazywanej przez

odbiornik po uwzględnieniu poprawki WAAS/EGNOS

wynosi ok. 1-2 m.

5.04.21

Fotogrametria i Systemy Info
rmacji Przestrzennej - Ćwicz
enia 2003/3

Systemy wspomagania GPS - EGNOS

W ciągu kilkunastu

minut pracy na

stałym punkcie

współrzędne nie

wykroczyły poza

okrąg o średnicy

2 metrów.

Cena – ok. 10 tys.

5.04.21

Fotogrametria i Systemy Info
rmacji Przestrzennej - Ćwicz
enia 2003/3

Systemy wspomagania pomiarów GPS

System OmniStar

działa na zasadzie podobnej

co systemy EGNOS.

Różnica polega na tym, że jest on systemem o

ogólnoświatowym zasięgu i korzystanie z niego

jest płatne.

System, po wykupieniu subskrypcji, pozwala na

uzyskiwanie dokładności GPS poniżej 1 metra.

5.04.21

Fotogrametria i Systemy Info
rmacji Przestrzennej - Ćwicz
enia 2003/3

GPS – wyznaczanie pozycji

Każdy z satelitów wyposażony jest w zespół atomowych

wzorców częstotliwości generujący lokalną skalę

czasu. Jej zasadniczą cechą jest stabilność. Parametry

satelitarnych

skal

czasu

parametry

orbit

satelitarnych wyznaczane są przez Naziemne Centra

Śledzące. Informacje te przesyłane są na pokłady

satelitów celem dalszej retransmisji do użytkowników

systemu.

Struktura sygnału satelitarnego umożliwia odbiornikowi

wyznaczenie czasu jaki upłynął od momentu wysłania

sygnału do momentu odbioru i określenie w ten

sposób odległości pomiędzy użytkownikiem a satelitą.

Dane nawigacyjne służą odbiornikowi do określenia

położenia satelity w momencie nadawania sygnału.

Odległości do satelitów i ich współrzędne są

wystarczającymi danymi do wyznaczenia położenia

odbiornika.

Dla trójwymiarowego określenia położenia odbiornika

potrzebne są dane z czterech satelitów

, ponieważ

oprócz trzech współrzędnych wyznaczyć należy

również poprawkę zegara odbiornika.

5.04.21

Fotogrametria i Systemy Info
rmacji Przestrzennej - Ćwicz
enia 2003/3

GPS – metody pomiarów

Wyznaczenie pozycji anteny odbiornika może odbywać

się w dwojaki sposób:

• na zasadzie pomiarów absolutnych
• w sposób różnicowy
Absolutne

wyznaczenie

współrzędnych

przestrzennych

odbywa się na zasadzie rejestracji

jednym odbiornikiem sygnałów pochodzących z

minimum czterech satelitów.

Ze względu na duży wpływ środowiska na właściwości

propagacji fal radiowych (jonosfera, troposfera,

sygnały odbite), niedokładności parametrów orbit

satelitów wyznaczane tą metodą współrzędne osiągają

dokładność od kilku do kilkunastu metrów

5.04.21

Fotogrametria i Systemy Info
rmacji Przestrzennej - Ćwicz
enia 2003/3

Metoda bezwzględnego pomiaru GPS –

c.d...

Bezwzględne wyznaczenie przestrzennej pozycji anteny

odbiornika GPS

5.04.21

Fotogrametria i Systemy Info
rmacji Przestrzennej - Ćwicz
enia 2003/3

Metoda różnicowego pomiaru GPS –

c.d...

Metoda różnicowa

wymaga synchronicznych obserwacji

przy zastosowaniu co najmniej dwóch odbiorników

GPS, gdzie jeden z nich traktowany jest jako

stacja

bazowa

zaś drugi – jako

stacja ruchoma

Wymagane jest, aby dla stacji bazowej znane były

współrzędne przestrzenne wyznaczone w tym samym

układzie odniesienia, w którym funkcjonuje system

GPS. W tym przypadku wyznaczane są różnice

współrzędnych

pomiędzy

stacją

bazową

odbiornikiem ruchomym. Ze względu na niewielkie

odległości (do 500 km) pomiędzy odbiornikami w

stosunku do odległości satelitów od powierzchni Ziemi

przyjmuje się, że sygnały docierające do obydwu anten

przechodzą przez jednorodne środowisko. Założenie to

pozwala usunąć w procesie obliczeniowym prawie cały

wpływ wspomnianych źródeł błędów na wyznaczane

pozycje anteny odbiornika ruchomego.

Wyznaczane tą drogą współrzędne względne osiągają

dokładności rzędu od

1 m do kilku milimetrów

zależności od typu odbiorników i stosowanych metod

pomiarowych).

5.04.21

Fotogrametria i Systemy Info
rmacji Przestrzennej - Ćwicz
enia 2003/3

Metoda różnicowego pomiaru GPS –

c.d...

Metoda różnicowa wyznaczenia pozycji (wektora)

5.04.21

Fotogrametria i Systemy Info
rmacji Przestrzennej - Ćwicz
enia 2003/3

GPS – metody pomiarów

Zależnie od stosowanej techniki przetwarzania

sygnału

danych,

rezultaty

pomiarów

wykonywanych z wykorzystaniem sygnałów

satelitów GPS charakteryzują się różną

dokładnością i dostępnością. Najważniejsze z

kategorii cywilnych

zastosowań GPS to:

 Nawigacja w czasie rzeczywistym
 Pomiary geodezyjne Static, Fast Static
 Pomiary geodezyjne Kinematic, Stop & Go
 Real Time Kinematic
 Inne technologie

5.04.21

Fotogrametria i Systemy Info
rmacji Przestrzennej - Ćwicz
enia 2003/3

GPS – metody pomiarów

Nawigacja w czasie rzeczywistym

Wyznaczanie w czasie rzeczywistym pozycji

obiektów lądowych, morskich, lotniczych,

kosmicznych. Czas trwania pomiaru jest

bardzo krótki, zazwyczaj nie przekracza

sekundy, typowa dokładność jest rzędu

kilkudziesięciu metrów, przy wykorzystaniu

technik

różnicowych

osiąga

wielkości

submetrowe.

Uzyskane

informacje

wykorzystywane mogą być między innymi dla

potrzeb nawigacyjnych, w systemach nadzoru

ruchu obiektów.

5.04.21

Fotogrametria i Systemy Info
rmacji Przestrzennej - Ćwicz
enia 2003/3

GPS – metody pomiarów

Pomiary geodezyjne Static, Fast Static

Dla potrzeb geodezyjnych wyznacza się wektory

o długościach do kilkuset kilometrów, przy

dokładności pomiaru długości wektora rzędu

kilku milimetrów. Pomiar taki wykonuje się

przy użyciu pary odbiorników, czas wykonania

pomiaru wynosi, zależnie od odległości

pomiędzy

odbiornikami

warunków

widoczności satelitów, do kilkudziesięciu

minut. Pomiary wykonywane techniką GPS

stanowią istotną konkurencję dla pomiarów

geodezyjnych

wykonywanych

metodami

tradycyjnymi a przy tworzeniu sieci wyższego

rzędu są regułą ze względu na dokładność i

niskie koszty.

5.04.21

Fotogrametria i Systemy Info
rmacji Przestrzennej - Ćwicz
enia 2003/3

GPS – metody pomiarów

Pomiary geodezyjne Kinematic, Stop & Go

W pomiarach tego typu wykorzystuje się fakt, iż

przemieszczenia anteny odbiornika GPS, nie

tracącej kontaktu z sygnałami satelitarnymi

mogą być natychmiast wyznaczone z dużą

dokładnością.

Rozpoczynając

pomiar

punktu o znanych współrzędnych, możemy

wyznaczać pozycje kolejnych punktów z

dokładnością centymetrową, z czasem pobytu

na punkcie rzędu sekund. Zasadniczą różnicą,

istotną

dla

użytkownika

przy

wyborze

odpowiedniego typu urządzenia, jest sposób

inicjalizacji

pomiarów

kinematycznych.

Odbiorniki dwu-częstotliwościowe mogą być

inicjalizowane

locie

(On-The-Fly),

praktyce oznacza to, iż odbiornik może

rozpoczynać i kontynuować pracę w trybie

kinematycznym bez potrzeby umieszczania

anteny na punkcie o znanych współrzędnych.

5.04.21

Fotogrametria i Systemy Info
rmacji Przestrzennej - Ćwicz
enia 2003/3

GPS – metody pomiarów

Real Time Kinematic

Jest to najbardziej zaawansowana technologia

różnicowa. Wymaga łącza radiowego o dużej

szybkości, jednak umożliwia wyznaczanie

pozycji w czasie rzeczywistym z dokładnością

centymetrową. Jej zasięg ograniczony jest do

promienia kilkunastu kilometrów od stacji

bazowej.

Inne technologie

Powyższy przegląd nie wyczerpuje wszystkich

możliwości cywilnego wykorzystania systemu

GPS. Często, specyficzne warunki wykonania

pomiaru

umożliwiają

uzyskanie

dużych

dokładności, nietypowych dla danej techniki.

Stosunkowo łatwe w realizacji jest np. ciągłe

wyznaczanie

przemieszczeń

budowli,

konstrukcji inżynierskich z dokładnością

milimetrową, z częstotliwością rzędu kilku lub

kilkunastu Hz.

5.04.21

Fotogrametria i Systemy Info
rmacji Przestrzennej - Ćwicz
enia 2003/3

GPS – na co zwracać uwagę przy

pomiarach?

1. Przed przystąpieniem do prac terenowych z

wykorzystaniem odbiorników GPS należy zaplanować

sesje pomiarowe. Na dokładność wyznaczanych

współrzędnych bardzo istotny wpływ (poza czynnikami

środowiskowymi,

np.:

warstwy

atmosfery,

przesłonięcie horyzontu, fale odbite) mają:

liczba i

konstelacja satelitów

. Ponieważ satelity GPS

poruszają się po swych orbitach, ich rozmieszczenie

na nieboskłonie ulega ciągłej zmianie.

2. Liczba i rozmieszczenie satelitów na nieboskłonie

(wsp.

PDOP

)

3. Moc odbieranego sygnału GPS (wsp.

SNR

)

4. Wysokość i zwarcie drzewostanu, a szczególnie

występowanie w bezpośrednim sąsiedztwie dużych pni

drzew

5.04.21

Fotogrametria i Systemy Info
rmacji Przestrzennej - Ćwicz
enia 2003/3

GPS – na co zwracać uwagę przy

pomiarach?

•

mmiejsce pomiaru:

Polska

•

lliczba satelitów:

min 5

•

mmaska

horyzontalna: 20

•

wwspółczynnik

PDOP: < 8

Przykład
zaplanowanej
sesji pomiarowej
dla Warszawy,
dnia
17.01.2001 r.

5.04.21

Fotogrametria i Systemy Info
rmacji Przestrzennej - Ćwicz
enia 2003/3

Pomiary geodezyjne, GPS

Elementy zestawu umożliwiającego pomiar odległości z

dokładnością
3-5 cm oraz pozycji geograficznej z
dokładnością około 1 m

Pathfinder Pro XRS

dalmierz

laserowy
Impulse 200

5.04.21

Fotogrametria i Systemy Info
rmacji Przestrzennej - Ćwicz
enia 2003/3

GPS w aktualizacji Leśnej Mapy

Numerycznej

W listopadzie 2000 r. Dyrekcja Generalna Lasów
Państwowych przeprowadziła testy urządzeń GPS, celem:
oceny dokładności lokalizacji geograficznej (orientacji w
układzie współrzędnych 1965) map numerycznych
wybranych nadleśnictw i oraz przydatności techniki GPS
do ich aktualizacji.

Do testu wybrano 7 nadleśnictw posiadających mapy
numeryczne wykonane przez różnych wykonawców i
leżące w różnych częściach kraju (w tym 3 nadleśnictwa
górskie).

LESKO

PIWNICZNA

STĄPORKÓW

KLUCZBORK

GROTNIKI

KARTUZY

SZKLARSKA
PORĘBA

Document Outline