Rodzaje pomiarów GPS (pytanie nr 6)

W systemie GPS możemy wykonywać pomiary na dwa sposoby. Pierwszym z nich jest pomiar bezwzględny, w którym wykorzystuje się tylko jeden odbiornik satelitarny. Wyznacza się tym samym współrzędne stanowiska anteny w układzie, w którym podawane są orbity satelitów GPS (układ geocentryczny WGS 84) odniesione do początku układu, tj. do środka ciężkości Ziemi. Pomiary te, charakteryzują się niską dokładnością (kilka metrów). Należy jednak pamiętać o tym, że metodami geodezji klasycznej wyznaczanie współrzędnych bezwzględnych (odniesionych do środka ciężkości Ziemi) było możliwe z dokładnością co najwyżej kilkuset metrów.

Ze względu na spore błędy spowodowane zakłóceniami sygnałów wymyślono metodę "obejścia" tego problemu. Sposobem tym jest pomiar względny, w którym zamiast współrzędnych X, Y, Z stanowisk wyznacza się różnice ΔX, ΔY, ΔZ, pomiędzy wszystkimi punktami uczestniczącymi w pomiarze. Zasada funkcjonowania tych obserwacji jest bardzo prosta. Należy jednak posiadać przynajmniej dwa odbiorniki. Jeden z nich ustawia się na znanym punkcie. Na skutek zakłócenia sygnału będzie on określał pozycję podlegającą ciągłym zmianom. Jeżeli jednak obliczymy różnicę pomiędzy pozycją zmierzoną przez odbiornik, a jego rzeczywistym położeniem, to otrzymamy tzw. wektor błędu. Otrzymane w ten sposób informacje (tzw. dane korekcyjne) uwzględnia się w danych gromadzonych przez odbiorniki wykonujące pomiary w terenie. Uzyskana w ten sposób pozycja jest tym dokładniejsza, im bliżej siebie znajdują się baza korekcyjna i odbiornik wykonujący pomiary. W odległości kilkunastu kilometrów od bazy można uzyskiwać dokładności centymetrowe. Większa precyzja pomiarów względnych w stosunku do bezwzględnych jest spowodowana głównie tym, że wiele błędów, którymi są obarczone pomiary satelitarne w przypadku wyznaczania różnic, eliminuje się.

Wartości współrzędnych uzyskiwanych z pomiarów satelitarnych GPS wyrażone są w quasi-geocentrycznym układzie odniesienia WGS84, przyjętym w roku 1992 przez Międzynarodową Asocjację Geodezyjną. Początek układu współrzędnych WGS84 pokrywa się ze środkiem mas Ziemi, oś Z jest skierowana do umownego bieguna ziemskiego (Conventional Terrestrial Pole - CTP). Kierunek osi X jest wyznaczony przez przecięcie płaszczyzny południka zerowego i płaszczyzny równika związanego z CTP, a oś Y uzupełnia prawoskrętny ortogonalny układ współrzędnych. Początek układu WGS84 jest jednocześnie środkiem geometrycznym elipsoidy WGS'84 a oś Z jej osią obrotu. Pozycje satelitów wyrażone są natomiast w układzie, w jakim zostały wyznaczone pozycje stacji śledzących. Jest to konwencjonalny układ ziemski (CTS - Conventional Terrestial System).

W systemie GPS wyróżnić możemy dwie kategorie mierzonych wielkości. Są to pomiary pseudoodległości i pomiary fazy. Te pierwsze, zwane są również pomiarami kodowymi (wykorzystują kody C/A i P) i działają w następujący sposób: Kod emitowany przez satelitę docierając do odbiornika jest przesunięty w czasie w stosunku do identycznego kodu (replica code) wytwarzanego wewnątrz odbiornika. Przesunięcie to jest miarą przebiegu sygnału "satelita-odbiornik" i jest proporcjonalne do przebytej drogi. W odbiorniku następuje dopasowanie kodów do momentu uzyskania zgodności między nimi. Metoda ta ma dokładność "metrową" i jest bardzo wygodna w zastosowaniach nawigacyjnych. Pomiary fazowe polegają natomiast na obserwacjach różnic faz częstotliwości fali nośnej satelitów systemu GPS mierzonej w odbiorniku i częstotliwości wytwarzanej w nim samym w momencie obserwacji. W pomiarze tym występuje bardzo ważna wielkość, a jest ni ą wartość nieoznaczoności N w momencie rozpoczęcia pomiaru t, czyli liczba pełnych cykli fazowych. Określenie jej jest podstawową trudnością tej metody gdyż dobrze mierzona jest tylko jej część ułamkowa. Dlatego też wartość nie uzyskiwaną bezpośrednio z pomiaru, oblicza się metodą iteracyjną. Na podstawie współrzędnych satelity, dzięki pomiarom kodowym, określamy przybliżoną pozycję naziemnego urządzenia odbiorczego. Następnie wykorzystując zbiory obserwacyjne pomiarów zarówno kodowych jak i fazowych tworzymy ich liniowe kombinacje, dążąc do poprawnego określenia współrzędnych mierzonego punktu. Dokładność pomiarów fazowych szacuje się do milimetrów.