1. Charakterystyka satelitarnych systemów nawigacyjnych: NAVSTAR GPS, GLONASS, BeiDou i Galileo.

1. NAVSTAR GPS

Satelity systemu GPS krążą po orbitach na wysokości 20200 km nad ziemią w czasie 12 h czasu gwiazdowego. To zapewnia powtarzalną konfigurację o 4 minuty wcześniej w odniesieniu do czasu uniwersalnego. GPS posiada 24 satelity (w przyszłości ma być 30) na sześciu, prawie kołowych orbitach (po 4 satelity na orbitę). Kąt inklinacji (czyli nachylenie do równika) to 55°. Metoda kodowania CDMA Wyróżniamy segmenty:

• Satelitarny (zaprojektowany na 24 satelity)

• Kontrolny (Colorado Springs, Hawai. Diego Garcia, obliczanie efemeryd i rejestrowanie obserwacji)

• Użytkownika (nawigacja, odbiorniki GPS)

1. GLONASS

Rosyjski odpowiednik amerykańskiego GPS, stosowane są dwa kanały podobnie jak w GPS - precyzyjny dla zastosowań wojskowych oraz standardowy dla cywilów. GPS działa w oparciu o układ WGS-84, a GLONASS PZ 90. Inny jest też wzorzec czasu, dla GPS jest to czas uniwersalny UTC, a w przypadku systemu GLONASS rosyjski państwowy wzorzec czasu Etalon UTC. Posiada 24 satelity na 3 orbitach (po 8 satelitów na każdej orbicie). Metoda kodowania FDMA. Wysokość orbit - 19100 km, kąt inklinacji 65,8°.

1. Galileo

Europejski system nawigacji satelitarnej w trakcie budowy. System ma być równoważną alternatywą do amerykańskiego systemu GPS i rosyjskiego GLONASS, lecz w przeciwieństwie do nich będzie kontrolowany przez instytucje cywilne. Będzie składał się z 27 + 3 zapasowych satelitów na trzech orbitach. Wysokość orbity będzie wynosić 23 616 km, a kąt inklinacji 56°. Satelity będą nadawać 10 sygnałów w trzech pasmach częstotliwości. Sygnały oznaczone numerami 1, 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9 i 10. Pozostałe sygnały będą szyfrowane i dostępne tylko dla użytkowników mających dostęp do serwisu komercyjnego CS i serwisu regulowanego publicznie PRS. Część sygnałów nie będzie zawierać żadnych danych i będzie przeznaczona do wyznaczania poprawki jonosferycznej w celu zwiększenia dokładności. Jest to istotna przewaga Galileo nad systemem NAVSTAR-GPS dysponującym począwszy od satelitów bloku IIR-M zaledwie trzema częstotliwościami. System Galileo boryka się z wieloma problemami, jednym z nich jest fakt, że 2 maja 2000 r. Amerykanie wyłączyli kod zakłócający SA, przez to GPS stał się dużo dokładniejszy również dla cywili i Galileo stracił na wartości.

1. Beidou (Compass)

Chiński satelitarny system nawigacyjny, który na razie obejmuje swoim zasięgiem tylko obszar Azji. Docelowo ma być systemem globalnym. Aktualnie funkcjonuje system Beidou-1 składający się z 4 satelitów geostacjonarnych - 3 aktywnych i jednego zapasowego. Pierwsze satelity wystrzelono w 2000 roku. Obecnie (grudzień 2011) działają tylko dwa. System ten ma charakter wyłącznie testowy. Jego następcą ma być globalny system Beidou-2. System ten będzie złożony z 5 satelitów geostacjonarnych i 30 poruszających się po orbitach o średniej wysokości. Dokładność wyznaczania pozycji udostępniona komercyjnym użytkownikom będzie wynosiła około 10 metrów, a prędkości – 0,2 m/s. Kąt inklinacji 55°, wysokość orbity MEO – 21 500 km, IGSO – 35 786 km. Rząd chiński umieszcza mało informacji nt. tegoż systemu.

1. Parametry związane z układami WGS-84 i PZ-90

Na początku lat 80. – z uwagi na dalszy postęp technologiczny i towarzyszący mu wzrost dokładności i czasowo-przestrzennej rozdzielczości obserwacji satelitarnych – pojawiła się nagląca potrzeba stworzenia nowego globalnego systemu obserwacyjnego w miejsce dotychczasowego WGS72. Do zdefiniowania systemu nazwanego WGS84 (World Geodetic System 1984) posłużono się parametrami GRS80 oraz satelitarnymi obserwacjami dopplerowskimi i laserowymi, a także obserwacjami VLBI. WGS84 używany był powszechnie do końca lat 80. jako system odniesienia dla GPS.

• WGS-84

– zbiór parametrów (z 1984) określających wielkość i kształt ziemii oraz właściwości jej potencjału grawitacyjnego. System ten definiuje elipsoidę, która jest generalizacją kształtu geoidy, wykorzystywaną do tworzenia map.

System ten jest wynikiem pewnej niewielkiej modyfikacji systemu GRS-80 (Geodetic Reference System '80), starszego od WGS-84 o 4 lata. Ze względu na fakt, iż parametry elipsoid tych dwóch systemów różnią się o nieistotną wartość ok. 0,1 mm więc w praktyce nazwy elipsoid (tak jak nazwy modeli) przyjmuje się niekiedy wymiennie.

Elipsoida WGS-84 stała się podstawowym układem odniesienia w systemach nawigacji satelitarnej. Przy używaniu map opartych na innym układzie należy wprowadzać poprawki. Chociaż większość odbiorników nawigacji satelitarnej ma zaprogramowaną możliwość wyświetlania pozycji w innych układach, obecnie trwa proces upowszechniania map opartych o WGS-84.

Położenie punktów w odniesieniu do powierzchni elipsoidy określają współrzędne geodezyjne B, L oraz h (szerokość, długość, wysokość elipsoidalna) lub równoważne im geocentryczne współrzędne prostokątne X, Y oraz Z.

• Pz-90

Jest geocentryczny, centrum masy jest zdeterminowany dla całej Ziemii
, w tym oceany i atmosfera.

Rozmiar odpowiada aktualnemu stanu wiedzy o wartości prędkości z światła , geocentryczny
grawitacyjny stały , i precyzją lasera satelity.
Pz-90 jest geodezyjną bazą dla systemu GLONASS i jest używany do zapewnienia lotu orbitalnego satelity i rozwiązania nawigacji

• Wybrane parametry związane z układami WGS−84 i PZ−90

Parametr WGS−84 PZ−90

Duża półoś elipsoidy odniesienia [m] 6 378 137 6 378 136

Mała półoś elipsoidy odniesienia [m] 6 356 752,314245 6 356 751,302

Odwrotność biegunowego spłaszczenia elipsoidy odniesienia 298,257

Parametr grawitacyjny [ 1014 m3 · s-2 ] 3,986004418 3,9860044

Prędkość obrotowa Ziemi [ 10-6 rad · s-1 ] 7 292 115 7 292 115

1. Segmenty systemu NAVSTAR GPS.

System NAVSTAR GPS składa się z : segmentu kosmicznego, segmentu użytkownika oraz segmentu kontroli. Segment kosmiczny składa się obecnie z 32 satelitów (początkowo zakładano 24 czynne i 5 zapasowych), krążących na 6 prawie-kołowych orbitach na wysokości ok.20 200 km, o nachyleniu 55^o 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. W  skład segmentu użytkownika 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. Segment kontroli(naziemny) jest to struktura koordynująca oraz wspierająca pozycjonowanie satelitarne. Segment ten składa się z 12 stacji nadzoru. Każda z 12 stacji jest rozmieszczona możliwie blisko i równomiernie na równiku celem ciągłej obserwacji każdego satelity przez co najmniej dwie stacje przez całą dobę. Główne Centrum Kontroli znajduje się w Bazie Sił Powietrznych Schriever. Kolejne 5 stacji monitorujących zarządzanych jest przez Siły Lotnicze USA. Pozostałymi 6 stacjami zarządza NGA (National Geospatial-Intelligence Agency). Znajdują się one w Ekwadorze, Waszyngtonie, Argentynie. Bahrajnie, Australii i Londynie.

1. Struktura sygnału systemu NAVSTAR GPS:

częstotliwość podstawowa, częstotliwości sygnałów,
kody nadawane przez satelity itd.

• Częstotliwość podstawowa, L1.

L1 = 1575,42 MHz (czyli 10,23 MHz * 154), długość fali 19,029 cm

Nadawane są na niej sygnały kodowe C/A, oraz P(y) znane również jako P1.
L1 jest, i była częstotliwością na której nadawane były obserwacje cywilne, na podstawie sygnałów C/a wysyła działają urządzenia GPS w telefonach, nawigacji samochodowej itd.

• Częstotliwość L2.

L2 = 1227,60 MHz (czyli 10,23 MHz * 120), długość fali 24,421 cm

Pierwotnie szyfrowana częstotliwość, przeznaczona do celów militarnych, obecnie nie szyfrowana.
Znajduje się na niej kod P2.

• Użycie danych kodów i częstotliwości.

• C/A – telefony, nawigacja

• C/A + L1 – pierwsze pomiary geodezyjne – można było uzyskać dużą dokładność, ale pomiar trwał długo. Jednoczęstotliwościowy

• L1 + L2 + C/A – Dwuczęstotliwościowy, krótszy czas obserwacji. Duża dokładność

• L1 + L2 + C/A + P1 + P2 - RTK

Warto również wiedzieć, że na sygnały C/A i P nałożona jest depesza nawigacyjna.

• Dodatkowe rzeczy.

PPS – usługa pozycjonowania, określania prędkości oraz transferu czasu.

Wykorzystuje częstotliwości L1 i L2, początkowo, poprzez dodatkowe kodowanie sygnału P, była dostępna jedynie dla celów wojskowych.

SPS – usługa pozycjonowania, wykorzystująca częstotliwość L1. Wykorzystywana powszechnie przez użytkowników na całym świecie

1. Depesza nawigacyjna: dane pozwalające wyznaczyć pozycje satelitów na orbitach.

Depesza nawigacyjna zawiera następujące dane:

• dane efemerydalne - umożliwiające precyzyjne obliczanie współrzędnych satelitów;

• almanach - dane orbitalne wszystkich satelitów w systemie;

• dane dotyczące korekcji zegara satelity;

• status systemu - określający jego zdolność do pracy;

• wartości korekcyjne wybranych parametrów: opóźnienia jonosferycznego, przesunięć czasów GPS i UTC i innych.

Dzięki powyższym danym można określić czas wysłania sygnału z satelity, określić pozycję satelity,wyznaczyć poprawkę zegara satelity, określić opóźnienie propagacyjne, wyznaczyć czas UTC(czas uniwersalny), określić stan pracy konstelacji satelitów.

1. SATELITARNE SYSTEMY WSPOMAGAJĄCE SBAS:

zasada działania systemów

Systemy te obliczają i przesyłają różnicowe dane korekcyjne i działają nie samodzielnie lecz jako uzupełnienie systemu GPS, a w przyszłości także Galilieo oraz innych.

Dzięki funkcjonowaniu systemów wspomagania satelitarnego zdecydowanej poprawie ulegają podstawowe parametry nawigacyjne systemów nawigacji satelitarnej tj.:

• dokładność, czyli zdolność systemu do określania pozycji mierzonego obiektu w granicach dopuszczalnego błędu systemu,

• wiarygodność, która określa poziom zaufania do dostarczanej przez system informacji,

• ciągłość, czyli zdolność systemu (satelitów) do nieprzerwanej pracy podczas całego swojego przelotu nad horyzontem użytkownika

• dostępność określaną jako prawdopodobieństwo pełnienia usług nawigacyjnych w dowolnym momencie.

Składają się z:

- sieci naziemnych stacji referencyjnych, odbierających sygnały satelitów;

- stacji głównych (centralnych, nadzoru), przetwarzających sygnały ze stacji referencyjnych, oraz obliczających poprawki przesyłane do użytkowników;

- stacji utrzymujących łączność z satelitami;

- satelitów geostacjonarnych przekazujących poprawki z stacji głównych do użytkowników.

1. WAAS (Wide Area Augmentation System) - amerykański satelitarny system wspomagający system NAVSTAR-GPS. Za pośrednictwem dwóch satelitów geostacjonarnych obejmujących terytorium Stanów Zjednoczonych transmituje do odbiorników GPS poprawki kompensujące błędy jonosfery, zegara i efemeryd. Zwiększa to dokładność wyznaczenia pozycji poziomej przez odbiornik GPS do 2-3 m. Segment naziemny systemu składa się z 25 współpracujących ze sobą naziemnych stacji referencyjnych WRS (ang. Wide Area Reference Station). Stacje te odbierają sygnały z satelitów i przesyłają je do stacji głównej WMS (ang. Wide Area Master Station). Stacja główna przetwarza dane i określa wartość poprawek. Obliczone poprawki dzięki stacją GUS (ang. Grodnu Uplink System) są przekazywane do satelitów geostacjonarnych. .

Poprawki systemu WAAS mają za zadanie skompensowanie trzech największych, co do wartości błędów: błąd jonosfery, zegara i efemeryd satelitów. Ponieważ błędy zegara są błędami szybko zmieniającymi się w czasie, poprawki dla nich są uaktualniane co 60 s. Natomiast błędy jonosfery i efemeryd wolno zmieniają się w czasie, więc poprawki dla nich uaktualniane są co 2 minuty. Poprawki zegara i efemeryd dotyczą określonego położenia odbiornika natomiast poprawka jonosferyczna dotyczy określonego położenia odbiornika. W tym celu obszar kuli ziemskiej podzielono na dziewięć sektorów o szerokości 40o każdy, a w każdym sektorze wyróżniono ok. 200 punktów. Stacja główna oblicza poprawki z sygnałów otrzymanych od stacji referencyjnych i wysyła je do satelitów. Dzięki systemowi WAAS dokładność wyznaczania pozycji wzrasta do ok. 3 m.

1. MSAS - japoński system wspomagania satelitarnego- obejmuje swoim zasięgiem przestrzeń lotniczą wokół Japonii. Zarządzany jest przez Japońskie Biuro Lotnictwa Cywilnego JCAB (ang. Japanese Civil Aviation Bureau) oraz Japońską Agencję Meteorologiczną JMA (ang. Japan Meteorological Agency). System ten wspomaga zarządzanie ruchem powietrznym na obszarze Japonii poprzez wspomaganie nawigacji, nadzór przestrzeni powietrznej a także łączność. Służy on również do przekazywania informacji głosowych oraz innych informacji pomiędzy samolotami a wieżą kontroli ruchu powietrznego, a także bezpośredniej łączności między samolotami. Umożliwia także automatyczną lokalizację statków powietrznych i przekaz tych informacji kontrolerom ruchu lotniczego. System używany jest również do przekazywania na Ziemię wyników obserwacji meteorologicznych. MSAS działa na podobnej zasadzie jak system WAAS. Nadaje sygnały odległości w formacie sygnałów GPS, poprawki pseudoodległości satelitów GPS oraz informacje o statusie i wiarygodności danych.

2. EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service)- europejski system satelitarny wspomagający systemy GPS i GLONASS, a w przyszłości Galileo.

EGNOS ma służyć zwiększeniu wiarygodności i dokładności wyznaczania pozycji, być źródłem informacji o czasie UTC oraz w lotnictwie aby umożliwić lądowania w CAT-1. Czas otrzymywania informacji o poprawności działania systemu oraz ostrzeżenie o jego awarii ma wynosić do 6 sekund.

Do transmisji poprawek użytkownikom wykorzystywane są trzy satelity. Dwa z nich to satelity Inmarsat: jeden umieszczony nad Oceanem Atlantyckim, a drugi nad Oceanem Indyjskim. Trzeci z nich satelita Artemis znajduje się nad Afryką. Numery PRN tych satelitów wynoszą 120, 126, i 124. System EGNOS działa w następujący sposób. 34 stacje pomiarowo-obserwacyjne RIMS odbierają sygnały i informacje z widocznych satelitów systemu GPS (w przyszłości także GLONASS i GALILEO). Informacje te przekazują do stacji nadzoru, w której, na ich podstawie obliczane są poprawki różnicowe odległości od satelitów, opóźnienia jonosferyczne oraz efemerydy satelitów geostacjonarnych. Następnie obliczone poprawki wysyłane są do satelitów geostacjonarnych w formacie RTCA 229. Satelity systemu EGNOS na częstotliwości L1 C/A nadają poprawki pseudoodległości oraz informacje o stanie systemu. Dodatkowo użytkownicy mają możliwość obliczenia pseudoodległości od satelitów geostacjonarnych systemu EGNOS .

4) System wspomagający typu LAAS

Local Area Aug­mentation System. Jest systemem lądowania samolotów w każdych warunkach pogodowych na podstawie czasu rzeczywistego korekcji różnicowej sygnału GPS. Lokalne odbiorniki referencyjne , zlokalizowane wokół lotniska wysyłają dane do centralnej lokalizacji na lotnisku. Te dane są stosowane do formułowania komunikatu korygującego, który jest następnie przesyłany do użytkownika za pośrednictwem łącza danych VHF . Odbiornik na samolocie używa tych informacji, aby skorygować sygnał GPS.

1. System ASG-EUPOS – zasada działania, serwisy i ich zastosowanie.

(Aktywna Sieć Geodezyjna EUPOS) – ogólnopolska sieć stacji referencyjnych, uruchomiona w 2008 roku i zarządzana przez Główny Urząd Geodezji i Kartografii, na których wykonywane są ciągłe obserwacje satelitów systemów GNSS, której punkty odniesienia stanowią podstawową poziomą osnowę geodezyjną i szczegółową wysokościową osnowę geodezyjną.

Integralną częścią systemu ASG-EUPOS jest sprzęt i oprogramowanie umożliwiające obliczanie i udostępnianie poprawek DGNSS i RTK (w tym poprawek sieciowych), zapis i udostępnianie obserwacji satelitarnych ze stacji referencyjnych oraz wykonywanie automatycznych obliczeń z pomiarów statycznych poprzez serwisy systemu.

System oraz serwisy systemu ASG-EUPOS służą do generowania i wysyłania do odbiorców poprawek do sygnału GNSS (czyli GPS i GLONASS), dzięki czemu można znacznie zwiększyć dokładność lokalizacji (w postaci przyjętego układu współrzędnych X, Y, H) mierzonego punktu na powierzchni Ziemi za pomocą urządzeń GPS

Serwisy systemu ASG-EUPOS:

POZGEO – serwis wykonuje automatyczne obliczenia w trybie postprocessingu obserwacji (pomiarów) GPS wykonanych metodą statyczną. Umożliwia wyznaczenie współrzędnych w państwowym systemie odniesień przestrzennych. Zgodnie z zaleceniami technicznymi dopuszcza się wykorzystanie serwisu do wyznaczenia współrzędnych punktów geodezyjnej poziomej osnowy pomiarowej, przy czym współrzędne powinny być obliczone w serwisie POZGEO ze zbiorów obserwacyjnych o długości co najmniej 40 minut;

POZGEO D – serwis udostępnia zbiory obserwacji satelitarnych GNSS z wybranych przez użytkownika stacji referencyjnych systemu ASG-EUPOS, a także obserwacje interpolowane dla pozycji określonej przez użytkownika. W serwisie POZGEO D udostępnia się: zbiory obserwacyjne ze stacji znajdujących się na terenie Polski w formacie RINEX, w dowolnych przedziałach czasowych i interwałach rejestracji danych wynoszących 1, 2, 5, 10, 15, 20, 30, 60 sekund, oraz zbiory obserwacyjne obliczone dla dowolnego punktu znajdującego się na terenie Polski, określonego współrzędnymi geodezyjnymi dla dowolnie przyjętych przedziałów czasowych i interwałów rejestracji danych.

NAWGEO – serwis czasu rzeczywistego, obejmujący udostępnianie poprawek RTK w czasie rzeczywistym pomiaru, umożliwiający wyznaczenie pozycji poziomej z błędem średnim nieprzekraczającym ±0,03 m i wysokości ±0,05 m przy wykorzystaniu odbiornika L1/L2. Pomiary wykonywane w oparciu o ten serwis nie mogą służyć do wyznaczania wysokości elementów naziemnych sieci uzbrojenia terenu;

KODGIS – serwis czasu rzeczywistego, obejmujący udostępnianie poprawek DGNSS w czasie rzeczywistym pomiaru, umożliwiający wyznaczenie współrzędnych z błędem średnim nie przekraczającym ±0,25 m przy korzystaniu z odbiorników L1/L2 oraz nieprzekraczającym ±1,5 m przy wykorzystaniu odbiorników L1;

NAWGIS – serwis czasu rzeczywistego, obejmujący udostępnianie poprawek DGNSS w czasie rzeczywistym pomiaru, umożliwiający wyznaczenie współrzędnych z błędem średnim nieprzekraczającym ±3,0 m przy wykorzystaniu odbiorników L1.

W geodezji, system ASG-EUPOS (przy wykonywaniu pomiarów geodezyjnych) jest wykorzystywany:

do zakładania szczegółowych poziomych osnów geodezyjnych II i III klasy,

do zakładania osnów pomiarowych: poziomych i wysokościowych,

w pomiarach sytuacyjno-wysokościowych,

w pomiarach realizacyjnych,

w pomiarach związanych z katastrem nieruchomości,

w pomiarach związanych z pozyskiwaniem danych do krajowego systemu informacji o terenie,

do innych prac geodezyjnych, jeżeli dokładności gwarantowane w wykorzystywanych serwisach systemu są wystarczające dla konkretnych asortymentów robót

1. Zasada pomiaru pseudoodległości – pomiar kodowy i fazowy. Co oznacza termin pseudoodległość ?

Pseudoodległość jest to odległość między środkiem fazowym anteny odbiornika GPS a danym satelitą, obarczona błędami jonosfery, troposfery, błędami zegarów odbiornika i nadajnika.

Pomiar pseudoodległości polega na pomiarze opóźnienia sygnału przychodzącego do anteny GPS w odniesieniu do sygnału generowanego.

Wzór wyrażający pseudoodległość dla pomiarów fazowych (wyrażana w cyklach)

$$\Phi_{p}^{j}\left( t \right) = \frac{1}{\lambda}\varphi_{p}^{j}\left( t \right) + N_{p}^{j} + f^{j}\text{Δδ}_{p}^{j}(t)$$

φ- pseudoodległość

λ - $\frac{f}{c}\ $- długość fali

N- nieoznaczoność (nieznana liczba pełnych kresów fali nośnej)
f- częstotliwość pomiaru
δ-suma błędów zegarów satelity i odbiornika
ρ- odległość geometryczna
j- satelita, p- odbiornik, t – epoka pomiarowa

Wzór wyrażający pseudoodległość dla pomiarów kodowych (wyrażana w metrach)

P = (t_p−t^j) * C

t_p-czas odbioru sygnału
t^j-czas nadania sygnału
C- prędkość światłła

Metody pomiaru pseudoodległości

Pomiary odległości pomiędzy odbiornikiem a satelitą można dokonywać za pomocą dwóch metod: kodowej oraz fazowej.

Pomiary kodowe

Pomiar kodowy polega na pomiarze pseudoodległości na podstawie przesunięcia kodów pseudoprzypadkowych. Kodem pseudoprzypadkowym lub ciągiem nazywa się ciąg binarny, którego widmo ma właściwości szumu białego. Satelita wysyła charakterystyczną sekwencję kodową z załączonym czasem jej wysłania. Odbiornik odbiera sygnał z pewnym opóźnieniem, które jest wprost proporcjonalne do odległości pomiędzy satelitą i odbiornikiem. Czas opóźnienia wyznacza się porównując odebrany sygnał z identycznym sygnałem wygenerowanym przez generator kodów odbiornika tzw. repliką kodu. Kod przychodzący z satelity jest opóźniony względem kodu wzorcowego generowanego przez odbiornik. W odbiorniku następuje ponowne przesunięcie kodów aż do uzyskania korelacji. Na podstawie zmierzonej wielkości przesunięcia wylicza się czas, który pomnożony przez prędkość rozchodzenia się fal elektromagnetycznych wyznacza dokładną odległość z punktu na Ziemi do satelity.

Pomiary fazowe

Pomiary fazowe opierają się na pomiarze w odbiorniku przesunięcia fazy fali nośnej odbieranej z satelity względem sygnału generowanego w odbiorniku. Technika pomiaru jest podobna do pomiarów kodowych. Różnicą jest mała długość fali co skutkuje tzw. nieoznaczonością pomiaru fazy. Nieoznaczoność to niewiadoma wielkość początkowa pełnych cykli fazowych dzielących satelitę i odbiornik od której rozpoczęto pomiar. Wynika ona z okrężnego systemu jej pomiaru w ramach jednego jej okresu odpowiadającego długości fali. Dzieje się tak, gdyż ta sama wartość sygnału powtórzy się np. w systemie GPS co 20 cm (długość fali) odległości dzielącej satelitę i odbiornik. Niewłaściwe wyznaczenie liczby początkowych cykli fazowych może skutkować błędem wyznaczania pseudoodległości.

1. Równanie obserwacji kodowych

W procesie opracowania obserwacji satelitarnych GPS w sieciach precyzyjnych wykorzystywane są zarówno obserwacje fazowe, jak i kodowe. W przypadku ob-serwacji kodowych podstawową wielkością podlegającą opracowaniu jest pseudo-odległość PR_r^s, czyli różnica momentów czasu transmisji t^s i t_r odbioru sygnału pomnożona przez prędkość światła c. Równanie pseudoodległości wyraża następu-jąca zależność:

	P Rr^s = (tr − t^s)c = ρr^s + c (δtr − δt^s) + δTr^s + δIr^s + δr^s + ǫP
gdzie:
t^s, tr – momenty czasu transmisji i odbioru sygnału w skali czasu GPS [s]
δt^s, δtr – błąd zegara satelity i odbiornika [s],
c – prędkość światła w próżni [m/s],
ρr^s – odległość geometryczna między satelitą a odbiornikiem [m]:
	ρr^s = (X ^s − Xr )^2 + (Y ^s − Yr )^2 + (Z^s − Zr )^2
	δTr^s – opóźnienie sygnału spowodowane refrakcją troposferyczną [m],
	δIr^s – opóźnienie sygnału spowodowane refrakcją jonosferyczną [m],

δ_r^s – błędy systematyczne satelity i odbiornika [m],
ǫ_P – błędy przypadkowe obserwacji kodowych (szum) [m].

W równaniu znana jest pozycja satelity X ^s, Y ^s, Z^s oraz błąd jej zegara δt^s, niewiadome to pozycja odbiornika X_r , Y_r , Z_r oraz błąd zegara odbiornika δt_r . Obliczenie niewiadomych jest zatem możliwe w przypadku obserwacji do minimum 4 satelitów (układ minimum 4 równań pseudoodległości).

1. Równanie obserwacji fazowych.

Fazowa pseudoodległość: φ_P^J(t)= $\frac{1}{\lambda}$ 𝜌_P^J(t) +N_P^J+ f△ð_P^J(t) gdzie λ= $\frac{f}{c}\ $- długość fali, 𝜌_P^J(t) – odległość geometryczna miedzy pkt P i satelita J, f – częstotliwość sygnału, △ð_P^J(t)= ð^J (t) – ð_p(t) –suma błędów zegarów satelity i odbiornika. Pseudoodleglość może być wyznaczona tez z pomiarów fazy fali nośnej : φ_P^J(t) - f^Jð^J(t)= $\frac{1}{\lambda}$ 𝜌_P^J(t) +N_P^J- f^J ð_P(t) gdzie to po lewej stronie jest znane z danych efemerydalnych

Pierwsze różnice pomiarów fazowych: φ_AB^J(t)= $\frac{1}{\lambda}$ 𝜌_AB^J(t) +N_AB^J+ f^J ð_AB(t) gdzie na pkt AB stoją odbiorniki GNSS. Wyeliminowany jest błąd zegara satelity, zredukowane błędy jonosfery i troposfery

Podwójne różnice pom fazowych : φ_AB^Jk(t)= $\frac{1}{\lambda}$ 𝜌_AB^Jk(t) +N_AB^Jk Wyeliminowane są błędy zegarów odbiorników na obu pkt (A,B) i zredukowane błędy zegarów satelitów i odbiorników GNSS. Podwójne różnice pom fazowych są wykorzystywane do obliczenia współrzędnych wektora AB (gdy odległość miedzy nimi jest nieduża) gdyż redukują znacznie błędy jonosfery i troposfery

Potrójne różnice pomiarów fazowych : φ_AB^Jk(t₁₂)= $\frac{1}{\lambda}$ 𝜌_AB^Jk(t₁₂) Eliminują nieoznaczoność fazy fali nośnej. Korzyścią z zastosowania jest wyeliminowanie efektów mających niekorzystny wpływ na rozwiązanie nieoznaczoności tj. identyfikacja epok pomiarowych posiadających tzw. „cycle slip”- utratę cykli.

1. Różnice fazowe.

1. Opóźnienie troposferyczne

wynika ze zmian prędkości sygnału przy przejściu przez troposferę – dolną warstwę atmosfery rozciągającą się od powierzchni Ziemi do wysokości około 10 km. Sygnały radiowe GPS, tak jak i inne sygnały radiowe o częstotliwościach poniżej 30 GHz, nie podlegają zjawisku dyspersji przy przejściu przez troposferę co oznacza, iż wielkość opóźnienia jest niezależna od częstotliwości fali radiowej. Troposfera powoduje opóźnienie sygnału i dlatego wyznaczona poprawka troposferyczna jest odejmowana od rejestrowanej pseudoodległości lub fazy.

Zmienność opóźnienia jonosferycznego jest jednym z najpoważniejszych obiektywnych źródeł błędu wyznaczania pozycji. Duża zmienność warunków jonosferycznych, zarówno dobowa jak i długookresowa, powoduje, iż model opóźnienia jonosferycznego transmitowany przez satelitę pozwala na redukcję odpowiedniego błędu co najwyżej w 50 procentach. Dokładniejszą wartość opóźnienia jonosferycznego obliczyć można w oparciu o rezultaty pomiarów wykonywanych jednocześnie na częstotliwościach L1 i L2. Wymaga to użycia odbiornika dwuczęstotliwościowego. Efekt jonosferyczny wynika z wpływu jonosfery, górnej warstwy atmosfery rozciągającej się od wysokości 50 – 1000 km nad powierzchnią Ziemi. Zjonizowane gazy w jonosferze, powstałe w wyniku ultrafioletowego promieniowania Słońca i oddziaływania wiatru słonecznego, powodują zmianę prędkości fal elektromagnetycznych. Ta zmiana prędkości jest zależna, przeciwnie niż w przypadku troposfery od częstotliwości fali elektromagnetycznej.

Zjawisko zależności prędkości fali od częstotliwości jest nazywane dyspersją. W jonosferze, w przypadku fal elektromagnetycznych o częstotliwościach powyżej 30 MHz, czoło fali ulega opóźnieniu, podczas gdy faza fali przyspieszeniu. Konsekwencją tego zjawiska są zmiany rejestrowanej fazy i pseudoodległości.

Efekt jonosferyczny przybiera największą wartość w strefie równika magnetycznego. Obszar ten nie obejmuje Polski. Typowa wielkość efektu jonosferycznego dla satelity GPS w zenicie osiąga 5 m lecz może dochodzić nawet do kilkunastu a nawet kilkudziesięciu metrów w okresach wzmożonej aktywności słonecznej lub burz jonosferycznych. Wielkość efektu jonosferycznego jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu częstotliwości fali. Taka zależność umożliwia wykorzystanie odbiorników dwuczęstotliwościowych do eliminacji opóźnienia poprzez porównanie pseudoodległości PL1 i PL2, zmierzonych odpowiednio  w pasmach L1 i L2.

Opóźnienie jonosferyczne

Obecność swobodnych elektronów w jonosferze zmienia kierunek i prędkość propagacji sygnału satelitarnego GPS. Droga sygnału radiowego przy przejściu przez jonosferę wydłuża się na skutek dyspersji fal elektromagnetycznych (prędkość rozchodzenia się fali zależy od jej częstotliwości). Oznacza to, że odległość wyznaczona w odbiorniku jest większa w stosunku do swojej rzeczywistej wartości. Wpływa na to również pozycja satelity w stosunku do użytkownika systemu. Im większa jest wysokość topocentryczna satelity, tym błąd opóźnienia jonosferycznego jest mniejszy. Ograniczenie tego błędu uzyskuje się poprzez pomiar pseudoodległości za pomocą dwóch różnych częstotliwości L1 i L2 emitowanych przez satelitę, jak również przez wysłanie odpowiednich poprawek w depeszy nawigacyjnej, co jest jedyną możliwością korekty tego błędu w przypadku użytkowników usługi SPS. Maksymalne wartości błędów wynikłych z działania opóźnienia jonosferycznego są na poziomie 5 metrów dla SPS i 2.3 metra dla PPS.

Opóźnienie troposferyczne

Podobnie jak w przypadku jonosfery, troposfera również jest warstwą o właściwościach dyspersyjnych. Sygnał toru radiowego wydłuża zmiana prędkości rozchodzenia się fal elektromagnetycznych, która zależy od temperatury, gęstości, wilgotności i ciśnienia powietrza. Ich zmiana pociąga za sobą zmianę współczynnika załamania. Troposfera jest warstwą atmosfery, w której przebiega zdecydowana większość zjawisk meteorologicznych, dlatego wartość współczynnika załamania jest trudna do wyznaczenia przez zmiany temperatury i ciśnienia. Również położenie satelity względem obserwatora ma kluczowe znaczenie dla zmian błędu opóźnienia troposferycznego. Dla satelity znajdującego się w zenicie wartość tego błędu jest o ok. 10 razy mniejsza niż dla satelity o minimalnej użytkowej wysokości topocentrycznej 5°. Błąd jest najmniejszy gdy satelity są na dużych wys. topocentrycznych w stosunku do użytkownika.

1. Błąd wielotorowości

Błąd wielotorowości powstaje wówczas gdy sygnał od tego samego satelity dociera do odbiornika różnymi torami. Fala może się odbić od różnych obiektów takich jak budynki, garaże, drzewa. Taki sygnał będzie dochodził do odbiornika w innych momentach, dodawał się do siebie i powodował zakłócenia. Ma to wpływ na pomiar pseudoodległości. Efekt wielotorowości zależy od tego w jakim terenie wykonujemy pomiar jak również od budowy anteny i oprogramowania odbiornika. Wielotorowość jest istotnym problemem w precyzyjnych zagadnieniach wyznaczania współrzędnych punktów. Wzory wyprowadzeń i eliminacji tego błędu dla ambitnych. Maksymalny błąd pomiaru pseudoodległości na podstawie kosdu C/A wynosi około ⁺_- 146,4m dla kodu P ⁺_-14,64m zaś dla fazowych dla L1⁺_- 4,8cm oraz ⁺_- 6,1cm dla L2

1. Rozwiń i wyjaśnij akronim: SPS, PPS, SA, AS, GNSS,

FDMA, CDMA, DOP, RINEX, ARP.

SPS - Standard Positioning Service, standardowa usługa pozycjonowania, dokładność pozycjonowania podczas pomiarów GPS na podstawie pomiarów jednej częstotliwości L1 kod C / A

PPS -Precise Positioning Service, precyzyjna usługa pozycjonowania

SA (Selective Availability) – selektywna dostępność (kod zakłócający)

Kluczowe znaczenie dla użytkowników cywilnych miało wyłączenie 2 maja 2000 roku tzw. selektywnej dostępności SA (Selective Availability), która stanowiła celowe zakłócenie pracy systemu ograniczające jego dokładność. Selektywną dostępność stosowano w celu uniemożliwienia wrogiego wykorzystania systemu GPS. Deklarowana dokładność określania położenia poziomego przed wyłączeniem SA wynosiła poniżej 100 metrów, natomiast po wyłączeniu znacznie się poprawiła i obecnie wynosi od kilku do kilkunastu metrów zależnie od odbiornika i warunków odbioru.

AS Anti-spoofing moduł deszyfryjący wykorzystywany w wojskowych odbiornikach GPS do tłumaczenia kodu P do postaci kodu Y. Wyposażone w deszyfrator odbiorniki wojskowe mają dostęp do precyzyjnej usługi pozycjonowania PPS.

GNSS Global Navigation Satellite System Globalny System Nawigacji satelitarnej, zawiera wszystkie systemy związane z lokalizowaniem tj. GPS+GLONASS+GALILEO+SBAS+GBAS

CDMA wielokrotny dostęp z podziałem kodowym, metoda dostępu do medium transmisyjnego polegająca na przypisaniu poszczególnym użytkownikom korzystającym z tego samego kanału do przesyłania danych, sekwencji rozpraszających, dzięki którym odbiornik jednoznacznie zidentyfikuje przeznaczoną dla niego transmisję. Transmisja z rozpraszaniem ma charakterystykę podobną do sygnałów szumowych.

FDMA system współdzielenia medium poprzez przydział odpowiednich częstotliwości. Jest najstarszym i jednocześnie najprostszym rodzajem wielodostępu. W metodzie tej, całkowite pasmo, które przeznaczone jest do transmisji, podzielone zostaje na przedziały częstotliwości tzw. kanały o określonej szerokości, które mogą być używane w indywidualnej transmisji między dwoma dowolnymi użytkownikami systemu.

DOP 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 DOP≥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.

RINEX niezależny od odbiornika format wymiany danych został przyjęty w roku 1989 jako pewna norma formatu danych GPS niezależna nie tylko od odbiornika, ale także od programu, za pomocą którego dane były przetwarzane.

ARP Antenna Reference Point- fizyczny pkt na antenie GPS, do którego są redukowane pomiary, różni się od geometrycznego środka anteny. Różne położenie w poszczególnych modelach anten.

1. Wyjaśnij i omów terminy: wysokość topocentryczna, nieoznaczoność pomiarów fazowych (rozwiązanie typu FIX i FLOAT), ang. cycle slip, ang. loss of lock, centrum fazowe odbiornika.

Wysokość topocentryczna (zazwyczaj oznaczana jako h_t) to wysokość na jakiej widziany jest satelita z powierzchni Ziemi wyznaczana przez kąt między płaszczyzną styczną do powierzchni Ziemi zawierającą punkt, z którego satelita jest obserwowany, a linią prostą łączącą ten punkt z satelitą .

Nieoznaczoność pomiarów fazowych – tzw. nieoznaczoność fazy fali nośnej – nieznana liczba pełnych okresów fali nośnej;  niewiadoma wielkość początkowa pełnych cykli fazowych dzielących satelitę i odbiornik, od której rozpoczęto pomiar. Jest liczbą całkowitą tzw. „całkowita nieoznaczoność” lub „całkowita niewiadoma”. Wyznaczenie nieoznaczoności jako wartości rzeczywistych nazywane jest rozwiązaniem typu float („float solution”), natomiast przy parametrach nieoznaczoności zaokrąglonych do liczb całkowitych mamy do czynienia z rozwiązaniem typu fixed („fixed solution”). Nieoznaczoność jest to wielkość różna dla każdego obserwowanego satelity, zachowuje stałą wartość podczas pomiarów, jeżeli nie nastąpi zaburzenie procesu śledzenia sygnału satelitarnego. Wystąpienie takiego zaburzenia powoduje powstanie nieciągłości fazy. Cycle slip – nieciągłość fazy, czyli skokowa zmiana rejestrowanej fazy o całkowitą liczbę cykli; inaczej przesunięcie okresu fali nośnej, czyli przerwanie ciągłości śledzenia odległości do satelity spowodowane zgubieniem informacji o całkowitej liczbie długości fal na odcinku satelita – odbiornik - Loss of lock .

Centrum fazowe odbiornika – jest to miejsce anteny odbiornika, do którego od satelity dociera fala elektromagnetyczna, która zostaje przetworzona na prąd elektryczny. Zwykle miejsce to różni się znacznie od geometrycznego centrum anteny, dlatego IGS (The International GPPS Service) zdefiniowało ARP (Antena Reference Point) - miejsce w danym modelu anteny, do którego zostały wyznaczone przesunięcia wertykalne i horyzontalne od centrum fazowe Położenie elektrycznego centrum fazowego anteny jest zróżnicowane dla poszczególnych satelitów i zależy od azymutu, elewacji, siły sygnału satelitarnego oraz częstotliwości, na której nadawany jest sygnał.

1. Różnicowy pomiar kodowy – DGPS

Poprawienie obserwacji pseudoodległości w pomiarach GPS jest możliwe poprzez przesyłanie drogą radiową poprawek do tych obserwacji z ustawionych na stałe stacji pomiarowych GPS. Stacje te są wyposażone w odpowiednie radiostacje, od których zasięgu zależy obszar działania DGPS.

Odbiornik odniesienia(stacja referencyjna) jest ustawiony w punkcie o dokładnie znanych, wyznaczonych wcześniej wspł. Poprzez wykorzystanie dokładnej pozycji oraz aktualnych pomiarów GPS można określić poprawki do pomiarów pseudoodległości. Są one, po przetworzeniu do właściwych standardów, wysyłane w postaci depeszy radiowej do użytkowników, uczestniczących w operacji DGPS.

Istota DGPS polega na działaniu stacji referencyjnej GPS ustawionej w dokładnie wyznaczonym punkcie, najlepiej w układzie współrzędnych WGS84 oraz obliczaniu i przesyłaniu do użytkowników drogą radiową odpowiednich poprawek. Taka procedura pozwala usunąć większą część błędów występujących w indywidualnych wyznaczeniach GPS

1. Pomiary RTK-OTF

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 zaliczyć konieczność 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,

• dokładność ±1–2 cm + 2 ppm × D dla składowych horyzontalnych i około ±3 cm + 2 ppm × D dla składowej wysokościowej.

• Metody czasu rzeczywistego RTK z inicjalizacją On-The-Fly (OTF) umożliwiają szybkie (prawie natychmiastowe, w czasie rzeczywistym) wyznaczenie położenia centrum fazowego anteny satelitarnej odbiornika z dokładnością 1-3 cm. Metody OTF polegają na szybkim rozwiązaniu problemu nieoznaczoności pomiarów fazowych przez odbiornik ruchomy GPS(obserwatora) na podstawie przesłanych telemetrycznie (przez fale krótkie, GSM/GPRS, CSD), ze stacji referencyjnej GPS, poprawek do pseudoodległości oraz surowych danych pomiarów fazy sygnałów L1 i L2.

1. Odbiornik geodezyjny a odbiornik nawigacyjny.

• Odbiornik geodezyjny

Najbardziej zaawansowanymi cywilnymi odbiornikami GPS są urządzenia tworzone na potrzeby pomiarów geodezyjnych. Umożliwiając uzyskanie poprawek różnicowych, pozwalają na określenie położenia obiektu z dokładnością submetrową (mniejszą niż 1 m), a przy zastosowaniu specjalnych procedur poniżej 1cm. Typowy zestaw buduje zewnętrzna antena umieszczana na tyczce przy pomiarach stacjonarnych lub wystająca z małego plecaka dla mobilnego użytkownika kartującego teren oraz z rejestratora w formie komputera przenośnego - przypominającego palmtopa, jednak o zdecydowanie zwiększonej odporności na czynniki zewnętrzne i dłuższej możliwości pracy na bateriach, ewentualnie tabletu z ekranem dotykowym. Rejestratory mają często możliwość wykonywania zdjęć wbudowanym aparatem cyfrowym, łączności z innymi urządzeniami przez Bluetooth, komunikację przez Wi-Fi czy odbieranie poprawek DGPS z sieci GSM. Odbiorniki geodezyjne korzystają z dwóch częstotliwości L1 + L2 (o milimetrowej rozdzielczości pomiaru) oraz z kodu C/A. Natomiast zaawansowane odbiorniki geodezyjne – L1 + L2, C/A, P1 i P2.

• Odbiornik nawigacyjny

Znajduje się niemal w każdym smart fonie, występuje także jako osobne urządzenie. Umożliwiają wyznaczenie aktualnej pozycji odbiornika i zazwyczaj zapisywanie śladu przebytej drogi (tzw. waypoint) oraz oznaczania punktów z nadawaniem im odpowiednich atrybutów (nazw, wartości etc.). Niektóre z tego typu odbiorników ułatwiają dotarcie do wyznaczonej z góry pozycji czy nawigowanie na podkładzie wgranej wcześniej mapy wektorowej i/lub rastrowej.. Komórki i ubogie odbiorniki nawigacyjne korzystają z kodu C/A – jest to kod „gruboziarnisty”. Lepsze odbiorniki korzystają z C/A i L1 (są to już odbiorniki geodezyjno-nawigacyjne).

Ogólnie są to odbiorniki mało precyzyjne z dużymi błędami.

1. Precyzja a dokładność. Wiarygodność pomiarów .

Dokładność pomiaru jest miarą tego jak wyniki doświadczalne są bliskie wartości prawdziwej.

Precyzja określa stopień spójności pomiędzy różnymi wynikami pomiaru.

Precyzja i dokładność pomiaru są wartościami niezależnymi od siebie, metoda może być mało precyzyjna przez co pozyskane wyniki mają duży rozrzut ale mimo to jest dokładna, jeśli uzyskane wyniki są bliskie wartościom rzeczywistym.

Natomiast gdy średnia pomiarów mocno różni się od wartości prawdziwej a rozrzut wyników jest mały, mamy do czynienia z metodą niedokładną ale precyzyjną.

metoda dokładna, mała precyzja

duża precyzja, mała dokładność

Wiarygodność pomiarów satelitarnych:

Pomiary satelitarne cechują się dużą wiarygodnością, potwierdzają to liczne badania.