Systemy GNSS
Rodzaje systemów
Globalny system nawigacji satelitarnej (GNSS  ang. Global Navigation Satellite System)
składa się z dwóch podstawowych elementów: segmentu kosmicznego oraz segmentu
naziemnego. Ponadto funkcjonują szeroko rozumiane segmenty kontrolne, przez niektórych
uważane za części segmentu naziemnego. Aktualnie na świecie funkcjonują i są w fazie
operacyjnej:
·ð GPS-NAVSTAR (ang. Global Positioning System  Navigation Satellites with Timing
and Ranging),
·ð GLONASS,
ponadto trwają intensywne prace nad uruchomieniem systemów:
·ð Galileo,
·ð Compass,
·ð Gagan,
·ð i innych.
W amerykańskim systemie GPS-NAVSTAR segment kosmiczny składa się obecnie z 32
satelitów (początkowo zakładano 24 czynne i 5 zapasowych), krążących na 6 prawie-
kołowych orbitach na wysokości 20 200 km, o nachyleniu 55o do równika. Parametry te
zostały dobrane tak, aby w każdym miejscu na Ziemi widoczne były zawsze minimum 4
satelity systemu GPS. Okres obiegu satelitów w orbitach wynosi ok. 12 h. Satelity emitują
fale elektromagnetyczne w dwóch częstotliwościach L1 i L2 (planowane jest wprowadzenie
trzeciej  L5) dobranych tak, aby eliminować wpływ jonosfery na prędkość rozchodzenia się
fal. Na pokładzie satelitów znajdują się ponadto precyzyjne zegary atomowe (czas GPST 
ang. GPS Time).
Rosyjski system GLONASS operuje na 20 (początkowo zakładano 24) satelitach segmentu
kosmicznego, rozmieszczonych na 3 prawie-kołowych orbitach na wysokości 19 100 km,
o nachyleniu 64,8o do równika. Okres obiegu satelitów wynosi nieco ponad 11 h.
y
ródło: http://www.epncb.oma.be/ (2009)
Europejski (ESA) system Galileo docelowo ma posiadać 30 (27 czynnych i 3 zapasowe)
satelitów równomiernie rozmieszczonych na 3 orbitach na wysokości 23 200 km,
o nachyleniu 56o do równika. Obecnie system jest w fazie rozruchu  na swoich orbitach
znajdujÄ… siÄ™ 2 pierwsze satelity.
We wszystkich trzech systemach satelity segmentu kosmicznego transmitujÄ… na ZiemiÄ™ fale
elektromagnetyczne. w skład segmentu naziemnego wszystkich tych systemów wchodzą
sieci odbiorników naziemnych, które odbierając sygnały satelitarne dokonują obliczenia
odległości do satelitów, których współrzędne są znane. w ten sposób, na zasadzie
przestrzennego wcięcia liniowego wyznaczana jest pozycja każdej stacji naziemnej. z racji
funkcjonowania na pokładach satelitów GNSS precyzyjnych zegarów atomowych opartych
o wzorce cezowe i rubidowe, systemy te służą również globalnej dystrybucji czasu
atomowego, poprzez odbiorniki naziemne.
Wykres po prawej przedstawia widoczność satelitów GPS i GLONASS nad stacją
referencyjną LODZ, znajdującą się w centralnej części Polski. Widać wyraz
nie, że nad
polskim niebem satelity GNSS widoczne są przede wszystkim nad południowym horyzontem.
Organizacje międzynarodowe odpowiedzialne za GNSS
W styczniu 1994 roku powołano w ramach IAG (ang. International Association of Geodesy 
Międzynarodowa Asocjacja Geodezji) Międzynarodową Służbę GPS (IGS  ang.
International GPS Service), póz
niej przemianowaną na Międzynarodową Służbę GNSS (IGS
 ang. International GNSS Service). Jej głównym zadaniem jest wsparcie badań naukowych,
działalności edukacyjnej i innej poprzez dostarczanie środowisku międzynarodowemu
produktów GNSS o wysokiej precyzji. Służba IGS dostarcza poprzez swoją witrynę
internetową następujących produktów:
·ð efemerydy satelitów GPS i GLONASS,
·ð współrzÄ™dne i prÄ™dkoÅ›ci stacji IGS,
·ð parametry zegarów satelitów i stacji IGS,
·ð parametry EOP (ruchu obrotowego Ziemi),
·ð parametry jonosfery (mapy TEC  ang. Total Electron Content),
·ð paramery troposfery (opóz
nienie troposferyczne  ZPD  ang. Zenith Path Delay).
Zasada i metodyka pomiarów GNSS
W systemach GNSS zastosowano rozwiniętą w latach 70-tych metodę dystrybucji sygnałów
satelitarnych  fal elektromagnetycznych, służących do określania odległości od satelitów do
anten, których pozycję chcemy wyznaczyć. Za przodka obecnych systemów GNSS można
uznać system TRANSIT, w którym wykorzystywano efekt Dopplera do pomiaru odległości
do satelitów. Aktualnie wykorzystuje się powszechnie w tym celu (jednakże nie są to jedyne
stosowane metody) dwie metody określania odległości: kodową i fazową.
W metodzie kodowej na sygnał satelitarny nakładany jest specjalny kod (poprzez modulację)
 w przypadku systemu GPS wykorzystywane sÄ… 2 kody: C/A (ang. Coarse Aquisition  kod
mniej dokładny) i P (ang. Precise  kod precyzyjny). Mierząc czas propagacji fali
elektromagnetycznej (wiemy kiedy dany fragment kodu został wyemitowany przez nadajnik
satelity oraz znamy moment dotarcia tego kodu do anteny odbiorczej) możemy określić drogę
propagacji na podstawie prostego wzoru:
D = c · t
c  prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w ośrodku,
t - wyznaczony czas propagacji.
Naturalnie najsłabszym ogniwem powyższego równania jest prędkość c, którą jest bardzo
trudno wyznaczyć z dużą precyzją z uwagi na niejednorodność ośrodka przez jaki przechodzi
sygnał. Ponadto problemem jest synchronizacja czasu zegarów odbiornika i nadajnika fali
elektromagnetycznej tak, aby wyeliminować jej wpływ na wynik.
Metoda fazowa pomiaru odległości polega na wyznaczeniu fazy sygnału docierającego do
anteny odbiorczej. Jednakże określenie odległości D wymaga również znajomości liczby
pełnych odłożeń (cykli fazowych) fali elektromagnetycznej na drodze nadajnik-odbiornik N.
Odległość wyznaczona jest w ten sposób na podstawie wzoru:
D = (N + Ć) · "D
"D - długość fali elektromagnetycznej,
N  liczba całkowitych cykli fazowych,
Ć  pomierzona faza sygnału przychodzącego
W celu zmniejszenia wpływu ośrodka na wyznaczoną odległość do satelitów stosuje się
pomiar na dwóch lub więcej powiązanych ze sobą częstotliwościach. Przykładowo
w systemie GPS stosowane są obecnie dwie podstawowe częstotliwości L1 i L2,
wprowadzana jest nowa, trzecia częstotliwość L5.
Pomiary różnicowe
Aby wyeliminować lub zmniejszyć wpływ czynników takich, jak wielotorowość sygnału
(odbicie lub zakrzywienie sygnału przez przeszkody terenowe), opóz
nienie atmosferyczne
i jonosferyczne, niedokładności i asynchronizacja zegarów nadajnika i odbiornika GNSS, itp.
stosuje się m. in. różnicowe metody pomiarów GNSS. z zasady pomiarów różnicowych
korzystajÄ… wszystkie systemy  referencyjne , m. in. ASG-EUPOS.
W przeciwieństwie do wyznaczeń absolutnych (bezwzględnych), w pomiarach różnicowych
GNSS pozycja określana jest względem stacji referencyjnej (lub grupy stacji) o znanych,
stałych współrzędnych. Bierzemy tu pod uwagę założenie, że wpływ czynników
zewnętrznych na propagację sygnałów satelitarnych jest w przybliżeniu jednakowy lub
liniowo zmienny na ograniczonym obszarze  maksymalnie w promieniu kilkunastu do
kilkudziesięciu kilometrów. Zatem znając precyzyjne współrzędne danego punktu
i jednocześnie wykonując na nim obserwacje GNSS, możemy wyznaczyć poprawki do tych
obserwacji (pomiary w czasie rzeczywistym). Poprawki transmitowane do odbiornika
ruchomego (tzw. rovera)  pozwalają na podniesienie dokładności wyznaczeń  nawet do
poziomu pojedynczych centymetrów.
W przypadku pomiarów statycznych, opracowanych w tzw. post-processingu, zasada
pomiarów różnicowych wykorzystywana jest przy wyznaczaniu wektorów pomiędzy
antenami uczestniczącymi w tym pomiarze. Wektory te podlegają póz
niej procesowi
wyrównania w celu wyznaczenia szukanych współrzędnych punktów.
Najważniejsze parametry charakteryzujące pomiar GNSS
Każdy użytkownik satelitarnych systemów nawigacyjnych, aby prawidłowo posługiwać się
sprzętem pomiarowym, powinien zapoznać się z podstawowymi pojęciami i parametrami,
charakteryzującymi warunki pomiarowe. Wśród nich należałoby wymienić:
DOP  (ang. Dilution of Precision)
Współczynnik określający geometryczny rozkład satelitów GNSS widocznych w danym
miejscu i czasie, w wolnym tłumaczeniu jest to współczynnik  rozmycia precyzji pomiaru.
Wyraża on stosunek objętości półkuli określonej przez orbity satelitarne i punkt, w którym
znajduje się obserwator, do wielościanu opartego na aktualnie widocznych satelitach
i obserwatorze. Wynika z tego, że współczynnik DOPe"1. Przyjmuje się, że rozkład satelitów
charakteryzowany poprzez DOP"<1,3> jest bardzo dobry, przy DOP"<3,6> jest on
akceptowalny, natomiast przy DOP>6 nie powinno się wykonywać precyzyjnych pomiarów.
W terminologii dotyczącej GNSS stosuje się często warianty cząstkowe współczynnika DOP,
tj. GDOP (geometryczny), PDOP (pozycji), HDOP (pozycji poziomej), VDOP (pozycji
pionowej), TDOP (czasu), charakteryzujące wpływ rozmieszczenia satelitów na jedną lub
więcej wyznaczanych wielkości.
Poniżej przedstawiono przykładowy rozkład współczynnika DOP nad Warszawą w dn.
8.04.2009 r.
y
ródło: Trimble Planning
SNR  (ang. Signal-to-Noise Ratio)
Stosunek mocy sygnału satelitarnego docierającego do odbiornika GNSS do szumu. Wysoki
SNR świadczy o braku lub znikomym wpływie zakłóceń zewnętrznych na sygnał satelitarny,
a co za tym idzie  relatywnie dobrych warunkach pomiarowych.
y
ródło: Trimble GPSNet
Wielotorowość (wielodrożność) sygnału  (ang. multipath)
Sygnał satelitarny na drodze satelita  antena odbiorcza może zostać odbity. w takim
przypadku do odbiornika trafia sygnał bezpośredni oraz odbity, co w przypadku gdy
odbiornik nie jest w stanie odróżnić tych sygnałów i odfiltrować odbitego, wpływa na błędny
pomiar odległości do satelity. Zjawisku wielotorowości w pobliżu odbiornika sprzyjają
zwłaszcza: jednolite gładkie powierzchnie, tafle szklane, tafla wody, przesłonięcie nieba przez
drzewa, itp. Rysunek po prawej przedstawia wpływ wielotorowości na wyznaczaną odległość
do satelity dla przykładowej stacji referencyjnej.