Format RINEX

RINEX (Receiver Independent Exchange System) – 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[1].

W systemie RINEX zdefiniowano:

• wielkości obserwowane,

• nazwy standardowe plików,

• standardowe formaty danych,

• porządek w nagłówkach rekordów,

• ominięte informacje, zaznaczenia (marki) umożliwiające rozpoznanie określonych rekordów,

• poprawki zegarów odbiorników,

• dodatkowe wskazówki i oznaczenia zakończeń.

Większość pakietów oprogramowania GPS umożliwia korzystanie z plików zapisanych według formatu RINEX.

RINEX-format danych pomiarów statycznych do postprocessingu. Nagłówek: wersja pliku, typ obserwacji (G,R,M). Struktura: NNNNDOYSYYo(n,g,m). Zaw.: dane o narzędziach, antenie, odbiorniku (typ, nr ser), instytucja, data początku i końca obs., obserwacje i typy obs.,współczynniki l1/l2, przybliżone położenie, offset

Podstawową wersją obsługiwaną przez system ASG-EUPOS jest RINEX.211.

Wyznaczanie współrzędnych nawigacyjnych, współczynniki DOP

6. DZIAŁANIE ODBIORNIKA GPS

By wyznaczać pozycję, odbiornik GPS musi odbierać i śledzić sygnały satelitarne (by mierzyć pseudoodległości i przyrosty pseudoodległości) oraz kolekcjonować depesze nawigacyjną. Rezultaty pomiaru odległości nazywane są pseudoodległościami ze względu na obarczający je, jednakowy dla wszystkich satelitów błąd, spowodowany błędem zegara odbiornika.

6.1 Akwizycja sygnałów GPS

W procesie inicjacji odbiornika nawigacyjnego SPS wykonywane są między innymi następujące czynności:

• określenie przewidywanej konfiguracji satelitów, dopplerowskich przesunięć częstotliwości,

• wstępne ustawienie częstotliwości generatorów pętli fazowych,

• przesuwanie serii pseudolosowych kodu C/A odpowiadających wybranym satelitom do momentu uzyskania korelacji z sygnałami satelitarnymi,

• w momencie wykrycia korelacji włączenie automatycznych mechanizmów sterujących pętli fazowych i kodowych,

• synchronizacja bitowa sygnałów,

• odbiór efemerydy,

• wyznaczanie pozycji i poprawki czasu zegara odbiornika,

• odbiór almanachu.

Dla określenia przewidywanej konfiguracji satelitów niezbędna jest znajomość almanachu, przybliżonej pozycji, przybliżonego czasu. Jeśli odbiornik nie posiada tych informacji, wyboru satelitów dokonuje się w sposób dowolny, częstotliwości generatorów pętli fazowych wybierane są kolejno z całego zakresu częstotliwości dopplerowskich.

Serie losowe przesuwane są z ograniczoną prędkością, określoną przez przewidywany stosunek sygnału do szumu. W najbardziej niekorzystnym przypadku wielkość przesunięcia może być prawie równa okresowi kodu C/A, w takim wypadku korelacja zostanie uzyskana dopiero po kilku lub kilkunastu sekundach. Należy też liczyć się z błędną identyfikacją momentu korelacji, w takim wypadku przeszukiwanie należy kontynuować.

Po uzyskaniu synchronizacji kodu i nośnej, odbywa się proces synchronizacji bitowej. Wymaga on odbioru określonej sekwencji bitów, pojawiającej się co 6 sekund. Dla potwierdzenia stanu synchronizacji bitowej często oczekuje się na kolejne powtórzenie sekwencji synchronizującej. Okres przesyłania informacji efemerydalnej niezbędnej do wyznaczenia pozycji i poprawki zegara wynosi 18 sekund, powtarza się ona co trzydzieści sekund.

Interwał od momentu włączenia odbiornika do momentu uzyskania rozwiązania nawigacyjnego nazywamy czasem akwizycji. Wynosi on kilka lub kilkanaście minut w przypadku braku informacji niezbędnych do określenia aktualnej konfiguracji satelitów i skraca się do kilkudziesięciu sekund jeśli te informacje są znane. Nie może być jednak krótszy od około 30 sekund, gdyż odbiór aktualnej efemerydy jest niezbędny.

Poziom sygnału odbieranego przy powierzchni Ziemi jest niższy od poziomu szumu. Do wydzielenia sygnałów nawigacyjnych odbiornik wykorzystuje technikę uśredniania i korelacji. Typowe postępowanie mające na celu śledzenie sygnału rozpoczyna się od określenia widzialnych satelitów. Widzialność określana jest na podstawie podanych przez użytkownika: przybliżonego położenia i czasu oraz przechowywanego przez odbiornik almanachu. W sytuacji, gdy nie mamy uprzednio zachowanego almanachu lub nie dysponujemy przybliżoną pozycją, odbiornik w sposób systematyczny "przeszukuje niebo" próbując odebrać sygnał od jakiegokolwiek satelity. Śledząc danego satelitę odbiornik demoduluje depeszę nawigacyjną i odczytuje dane almanachu o wszystkich satelitach w konstelacji. Pętla śledzenia nośnej używana jest do śledzenia częstotliwości nośnej, a pętle śledzenia kodu używane są do śledzenia kodów C/A P. Pętle te muszą współdziałać by pozyskać i śledzić sygnał satelity.

6.2 Śledzenie kodu C/A

Pętla śledzenia kodu używana jest do pomiarów pseudoodległości. W pętli generowana jest replika kodu C/A satelity. W celu dopasowania odbieranego sygnału i wewnętrznie generowanej repliki należy wykonać dwie czynności:

• dopasować częstotliwość środkową repliki do częstotliwości środkowej odbieranego sygnału,

• dopasować fazę repliki do fazy odbieranego kodu.

W ogólności, zanim zacznie się proces śledzenia, replika kodu nie będzie skorelowana z odbieranym kodem z powodu czasu potrzebnego sygnałowi na dotarcie do odbiornika i różnicę skal czasu zegarów satelity i odbiornika. Odbiornik będzie więc przesuwał generowaną replikę względem odbieranego kodu C/A by uzyskać maksymalną korelację, i w rezultacie śledzenie kodu.

6.3 Śledzenie nośnej

Pętla śledzenia nośnej odbiornika generuje lokalną replikę nośnej, która różni się od odbieranej nośnej przede wszystkim z powodu przesunięcia Dopplera. Przesunięcie Dopplera proporcjonalne jest do względnej prędkości między odbiornikiem a satelitą. Aby pętla śledzenia nośnej mogła wykonywać swą funkcję, przychodzący sygnał musi być najpierw przemnożony przez zsynchronizowaną replikę kodu. Pętla śledzenia nośnej zmienia generowaną częstotliwość tak długo, aż będzie ona zgodna z częstotliwością odbieranej nośnej i uzyskany zostanie stan synchronizacji fazowej.

6.4 Odbiór danych

Proces odbioru danych rozpoczyna się po uzyskaniu synchronizacji nośnej. W pierwszym etapie odbywa się proces synchronizacji ciągu danych. Po uzyskaniu synchronizacji bitowej dane są kolekcjonowane przez odbiornik. Wyrafinowana metoda kontroli poprawności przesyłanej informacji zapobiega możliwości wykorzystania zniekształconych danych.

6.5 Nawigacja

Odbiornik po odebraniu sygnałów czterech satelitów, osiągnięciu synchronizacji pętli kodowej i fazowej, odczytaniu depeszy nawigacyjnej jest gotów do rozpoczęcia nawigacji. Zazwyczaj odbiorniki uaktualniają dane o pseudoodległości i prędkościach względnych raz na sekundę. Celem nawigacji jest obliczenie pozycji i prędkości odbiornika oraz czasu w skali GPS. Czas jaki upłynął pomiędzy momentem wysłania i odebrania sygnału jest wprost proporcjonalny do odległości pomiędzy satelitą a odbiornikiem, jest więc niezbędne aby zarówno satelita jak i odbiornik używały tego samego czasu jako odniesienia. Odbiornik używa zrekonstruowanej skali czasu GPS do pomiaru momentu odbioru danych z satelity. W odbiorniku nie musi znajdować się wysokostabilny wzorzec jak na przykład wzorzec atomowy, znajdujący się na satelitach. Zamiast tego w odbiorniku znajduje się oscylator kwarcowy. Brak zgodności skali czasu generowanej przez ten oscylator ze skalą GPS jest korygowany w oparciu o rezultat pomiaru czterech pseudoodległości. Odbiornik GPS używa czterech pseudoodległości by rozwiązać układ czterech równań z czterema niewiadomymi: trzema współrzędnymi odbiornika i poprawką skali czasu odbiornika. Prędkość obliczana jest podobnie, lecz z użyciem względnych prędkości zamiast pseudoodległości. Ostateczne rozwiązanie nawigacyjne jest zazwyczaj uzyskiwane po wprowadzeniu rezultatów pomiaru do filtru Kalmana

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 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.

WSPÓŁCZYNNIKI DOP DOSTĘPNE W SYSTEMIE:

•GDOP (Geometric Dilution Of Precision); kompleksowa dokładność systemu (koordynaty 3D i czas)

•PDOP (Positional Dilution Of Precision); dokładność pozycji (koordynaty 3D)

•HDOP (Horizontal Dilution Of Precision); dokładność pozioma (koordynaty 2D)

•VDOP (Vertical Dilution Of Precision); dokładność pionowa (wysokość)

•TDOP (Time Dilution Of Precision); dokładność czasu (czas)

Wartości DOP wahają się w granicach od 1 do 50, przy czym 1 oznacza wartość idealną najlepszą, zaś 50 najbardziej niekorzystną.

Przy nawigacji NPA RNAV GNSS wartość GDOP (opisująca geometrię systemu) nie powinna być większa niż 5.

7. OCENA DOKŁADNOŚCI ROZWIĄZANIA NAWIGACYJNEGO

Parametrami używanymi przy charakteryzowaniu błędu pozycji wyznaczonej przez odbiornik są:

• SEP (Spherical Error Probable) - 50% pozycji wyznaczanych trójwymiarowo znajduje się w sferze o promieniu SEP,

• CEP (Circular Error Probable) - 50% pozycji wyznaczanych dwuwymiarowo znajduje się wewnątrz okręgu o promieniu CEP.

Ocena przewidywanej dokładności dokonywana jest zazwyczaj poprzez znajomość:

• UERE - estymowane odchylenie standardowe pomiaru odległości satelita-odbiornik, parametr ten jest transmitowany przez satelitę,

• DOP - współczynników wiążących błąd pomiaru odległości do satelity z błędem wyznaczenia pozycji, wielkości DOP są pochodną konfiguracji geometrycznej układu satelity-odbiornik.

Błędy związane z segmentem kosmicznym i segmentem nadzoru są poza wpływem użytkownika. Wszystkie błędy traktuje się zazwyczaj jako losowe i mające rozkład normalny.

Spośród współczynników DOP wyróżnić należy:

• GDOP - Geometrical Dilution of Precision, geometryczne rozmycie dokładności, współczynnik ten jest odwrotnie proporcjonalny do objętości bryły, której wierzchołkami są pozycje obserwowanych satelitów i odbiornika,

• PDOP - Position Dilution of Precision, trójwymiarowe rozmycie dokładności, w pierwszym przybliżeniu wielkość PDOP jest nieco mniejsza od GDOP,

• HDOP - Horizontal Dilution of Precision, poziome rozmycie dokładności,

• VDOP - Vertical Dilution of Precision, pionowe rozmycie dokładności,

• TDOP - Time Dilution of Precision, rozmycie dokładności czasu.

Wstępną ocenę przewidywanej dokładności uzyskać mnożąc odpowiedni współczynnik DOP przez UERE. Mniejsze wartości współczynników DOP odpowiadają lepszym warunkom geometrycznym.

9. WIELKOŚCI MIERZONE PRZEZ ODBIORNIK GPS

Wielkościami pomiarowymi uzyskiwanymi z sygnału satelitów GPS są:

• pseudoodległość, wielkość różniąca się o stałą od czasu propagacji sygnału pomnożonego przez prędkość światła. Pseudoodległość może być wyznaczana w oparciu o pomiary składowych sygnału związanych z modulacją kodem C/A lub P. Pomiar pseudoodległości przy użyciu składowej związanej z kodem P charakteryzuje się większą precyzją. Typowa dokładność pomiaru z użyciem kodu C/A wynosi: 3-30m, z użyciem kodu P: 0.3-3m. Nieoznaczoność związana z pomiarem przy użyciu kodu C/A jest rzędu 300 metrów, kodu P 30 metrów. Nieoznaczoności te są proste do usunięcia. Współczesne odbiorniki korygują pomiar pseudoodległości w oparciu o pomiar scałkowanej fazy fali nośnej.

• faza odtworzonej fali nośnej. Typowa dokładność tego pomiaru jest rzędu 1 mm. Pomiar fazy charakteryzuje się nieoznaczonością o wielkości równej długości fali nośnej - około 19cm. Gdy zastosowane rozwiązanie techniczne nie pozwala na bezpośrednie wyodrębnienie fali nośnej z uwagi na system "Anti - Spoofing", pomiar fazy na częstotliwości L1 charakteryzować się może nieoznaczonością 1/2 długości fali i zazwyczaj obarczony jest dodatkowymi błędami. Usuwanie nieoznaczoności w pomiarach fazowych jest złożonym procesem obliczeniowym, o komplikacji wzrastającej z odległością pomiędzy współpracującymi odbiornikami.

• zintegrowana faza odtworzonej fali nośnej. Jest to wielkość analogiczna do pseudoodległości, mierzona jednak ze znacznie większą dokładnością. Ciągłe śledzenie fali nośnej ogranicza ilość wielkości nieoznaczonych do jednej, związanej z wartością fazy w momencie rozpoczęcia pomiaru.

Skale czasu GPS i GLONASS

Techniki pomiarów satelitarnych wykorzystywane w geodezji

• Metody pomiarowe GPS

• VLBI

• SLR

• LLR

• DORIS

21. Jakie znamy techniki pomiarowe geodezji kosmicznej i satelitarnej oraz jakie są ich wady i zalety?

Kosmiczna:

 SLR - Satellite Laser Ranging

 GPS – Global Positioning System

 GLONASS - Globalnaja Nawigacionnaja Sputnikowaja Sistiema

 GALILEO

 COMPASS

Satelitarna:

 DORIS - Doppler Orbitography by Radiopositioning Integrated on Satellite

 SST - Satellite to Satellite Tracking

 EGNOS - European Geostationary Navigation Overlay

 Service (Europejski System Wspomagania Satelitarnego)

 Altimetria Satelitarna

 VLBI - Very Long Baseline Interferometry

Ziemskie i niebieskie systemy odniesienia i ich realizacje

33 - definicje systemu i układu odniesienia

System odniesienia- zbiór zaleceń wraz z opisem modeli potrzebnych do zdefiniowania początku, skali i orientacji osi oraz ich zmian w czasie

Układ odniesienia- stanowi praktyczną realizację systemu odniesienia. Jest on zdefiniowany poprzez zbiór fizycznych punktów o dobrze wyznaczonych współrzędnych w układzie określonym w definicji systemu odniesienia. Na układ odniesienia składają się wyznaczone z obserwacji wartości parametrów opisujących początek układu, skalę (metrykę) i orientację jego osi oraz ich zmienność w czasie.

34- definicja i zastosowanie układu ziemskiego

Układ ziemski (ziemski układ odniesienia)- Podstawowa oś układu ziemskiego- oś obrotu Ziemi. Właściwości :

- geocentryczny, o początku w środku masy Ziemi wraz z oceanami i atmosferą

- orientacja osi zgodna z orientacją BIH (Międzynarodowe Biuro Czasu)na epokę 1984

- zmiana orientacji w czasie następuje z założeniem, że suma poziomych ruchów tektonicznych nie zawiera składowych obrotu

Zastosowanie - pozwala na rozwiązywanie zadań geodezyjnych- związany z Ziemią - realizowany przez określenie współrzędnych i prędkości punktów technikami VLBI, LLR, GNSS, SLR oraz DORIS-ITRF

35 - definicja i zastosowanie układu niebieskiego

Układ niebieski- pozwala na wyznaczenie położenia osi obrotu Ziemi w przestrzeni- obserwacje obiektów nie związanych z Ziemią.

Układ niebieski- parametry orientacji Ziemi:

1. zmiana położenia osi obrotu Ziemi względem gwiazd/ układu niebieskiego- precesja, nutacja

2. zmiana położenia osi obrotu względem bryły Ziemi- ruch bieguna

3. niejednostajność obrotu Ziemi- długość doby

Zastosowanie: Współrzędne obiektów pozaziemskich wyznacza się w układzie niebieskim (quasi- inercjalnym)

36 - realizacja ICRS

ICRS- International Celestial Reference System – Niebieski Układ Odniesienia)

- obowiązuje od 1.01.1988 r, zastępując FK5

- oparty na wynikach obserwacji VLBI (radioźródła) opracowanych na zasadach OTW

- początek systemu w barycentrum Układu Słonecznego (barycentrum- środek masy)

- układ quasi- inercjalny (bez rotacji względem przestrzeni inercjalnej)

- biegun układu wynika z modelu precesji i nutacji IAU (Międzynarodowa Unia Astronomiczna)

- początek rektascensji zdefiniowany jest poprzez wartość rektascensji radioźródła 3C 273B z katalogu FK5 na epokę 2000

- realizację stanowią α i δ pozagalaktycznych radioźródeł wyznaczanych techniką VLBI_ICRF

- realizowany poprzez katalog fundamentalny (FK5) zawierający pewną liczbę pozycji gwiazd fundamentalnych i ich ruchów oraz poprzez system stałych astronomicznych

- praktycznymi realizacjami ICRS są Międzynarodowy Niebieski Układ Odniesienia (ICRF) oraz (w dziedzinie widzialnej widma) układ definiowany przez katalog pozycyjny Hipparcos.

37- realizacja ITRS

ITRS- International Terrestrial Reference System (Umowny Układ Ziemski)

Ziemski system odniesienia (ITRS) jest systemem przestrzennym obracającym się wraz z Ziemią. W systemie tym pozycje punktów związanych z powierzchnią Ziemi są określone przez współrzędne, które podlegają jedynie małym zmianom w czasie, spowodowanym przez efekty geofizyczne (ruchy tektoniczne, deformacje pływowe)

Realizacjami ITRS są międzynarodowe ziemskie układy odniesienia ITRF o kolejnych rozwiązaniach: ITRF88, ITRF89, …, ITRF96, ITRF97, ITRF2000, ITRF2005, ITRF2008. Każda z wersji ITRF zawiera pozycje i prędkości stacji wraz z ich charakterystyką dokładnościową

12. Jak nazywa się obecnie obowiązujący niebieski system odniesienia, jak jest zdefiniowany oraz co jest jego realizacją?

Od 1991 roku zgodnie z rezolucją Generalnego Zgromadzenia IUGG w Wiedniu obowiązującym systemem odniesienia stał się Conventional Terrestrial Reference System(CTRS). Początkiem CTRS jest środek masy Ziemi z uwzględnieniem oceanów i atmosfery. Jest to system geocentryczny, którego jednostką jest m (SI), a orientacja osi zgodna z orientacją osi systemu BTS84 (BIH Terrestrial System84), zaś zmienność tej orientacji w czasie jest określona przez zastosowanie warunku, że suma ruchów poziomych płyt tektonicznych nie zawiera składowej obrotu. Systemowi nadano później nazwę(International Terrestrial Reference System(ITRS). Realizacją systemu ITRS jest układ odniesienia International Terrestrial Reference Frame(ITRF): Układy ITRF88, ITRF89, …, ITRF96, ITRF97, ITRF2000, ITRF2005 i ITRF2008, zostały wyznaczone z obserwacji technik VLBI, SLR, LLR, GPS i DORIS.

Transformacja ICRF ITRF

Systemy WGS-84 i PZ-90

35/37. System WGS84

• Parametry:

1)      Duża półoś (a)

2)      Odwrotność spłaszczenia (1/f)

3)      Prędkość kątowa ruchu wirowego Ziemi (ω)

4)      Geocentryczna stała grawitacyjna (GM)

• System geocentryczny

• Skala zgodna z teorią względności

• Położenie osi zgodne z ruchem czasu WG84

• Suma wypadkowych obrotu = 0

• Ukł. WGS84 jest zgodny z układem ITRF na poziomie 10cm

 

36/37 . System PZ90 (Parameters of the Earth 1990, PE-90)

PZ 90(Parametry Zemil 1990)- system, w oparciu o który pracuje GLONASS. Dokładne położenie bieguna północnego zostało w nim określone jako średnia/ przeciętna pozycja bieguna z lat 1900-1905. Przeciewnie do systemu WGS84 używanego przez GPS, który to przyjmuje pozycję bieguna z roku 1984.

• Parametry

1)      Prędkośc obrotowa Ziemi (ω)

2)      Stała grawitacyjna Ziemi (µ)

3)      duża półoś (a)

4)      Spłaszczenie (f)

• System geocentryczny współrzędnych prostokątnych

• Oś Z zgodna z biegunem, tak jak system IERS

• Dokładność układu współrzędnych jest porównywalna z innymi układami na poziomie 1-3cm

Sieci stacji permanentnych

• budowa stacji permanentnej GNSS

odbiornik sygnałów satelitarnych, który bez przerwy wykonuje pomiary, obserwacje, zapisuje i udostępnia je dalej. Odbiornik ze stacją zasilającą, odbiornik przekazuje info. Do pamięci np. na dysk komputera. Głównym zadaniem stacji jest obserwacja, gromadzenie i udostępnianie danych.

• zadania serwisu IGS

International GNSS Service (dawniej ang. International GPS Service for Geodynamics: Międzynarodowa Służba GPS do badań geodynamicznych) – międzynarodowa służba cywilna czuwająca m.in. nad dokładnością globalnych systemów nawigacji satelitarnej (umożliwiających wyznaczenie pozycji na podstawie sygnałów odbieranych od satelitów)[1]. Służba została zainicjowana w 1990 roku.

• IGS dane i produkty

  • Precyzyjne orbity satelitów GPS i GLONASS

  • Parametry ruchu obrotowego Ziemi (IERS)

  • Współrzędne i prędkości ruchu stacji IGS

  • Korekty zegara satelitów i odbiorników na stacjach IGS

  • Parametry opóźnienia troposferycznego na stacjach

  • Globalne mapy jonosfery

• IGS w Polsce

W Polsce stacje IGS znajdują się w miejscowościach: Borowa Góra, Józefosław, Lamkówko, Borówiec i Wrocław[2]. Wymaga się, aby stacje były wyposażone w odbiorniki GPS z kodem precyzyjnym P i aby były w stanie przesyłać wyniki swoich dobowych obserwacji do regionalnych ośrodków opracowania danych w przeciągu 24 godzin i w przeciągu 72 godzin do ośrodków danych o sieci IGS.

• zadania sieci EPN

analiza szeregów czasowych, pozycjonowanie trójwymiarowe (B, L, H) dla określonego momentu czasowego, badania geodynamiki Ziemi

Zadanie to zagęszczanie sieci IGS: stacje śledzące, centra operacyjne, centra danych(7), centra analiz (w Polsce MUT i WUT), combination centre.

• EPN dane i produkty

Dane: obserwacje satelitarne GNSS: dobowe, godzinne, 15-minutowe(strumień danych)

Produkty:

-rozwiązanie tygodniowe

-wsp. i prędkość stacji

-analizy szeregów czasowych

-troposfera

• EPN w Polsce –

11 punktów w nawiązaniu do ETRF, rozszerzone o 348 stacji EUREF-POL

• System EUPOS

870 stacji, start 2002r., sieć stacji referencyjnych, Europa centralna i wschodnia,

-stacje GLONASS I GPS (i GALILEO)

-ok. 900 stacji z 18 krajów

-nawigacja geodezyjna, poprawki DGNSS i RTK

-realizacja układu ETRS 89

(każdy kraj ma swoje, ale wszystkie należą do jednego systemu na tej samej zasadzie)

• budowa ASG-EUPOS

98 stacji, dokładność od metra do kilku mm, 18 stacji poza granicami, centra Warszawa, Katowice, wysokości normalne

Obserwacje satelitarne GNSS przekazywane są na bieżąco (strumieniem danych) do centrum obliczeniowego (Warszwa GODGIK i Katowice) skąd użytkownicy mogą pobierać gotowe dane. Dokładniej:

Opis systemu ASG-EUPOS –

a) Stacje referencyjne

Jednym z trzech głównych segmentów systemu ASG-EUPOS jest segment odbiorczy. Jego rolą jest zbieranie danych obserwacyjnych do satelitów GNSS i przekazywanie ich w czasie rzeczywistym do Centrum Obliczeniowego. Składa się on z równomiernie rozłożonych na obszarze Polski i państw sąsiadujących stacji referencyjnych GNSS. Zgodnie ze standardem EUPOS przy budowie segmentu odbiorczego przyjęto następujące założenia:

-średnia odległość pomiędzy stacjami wynosi 70km,

-do sieci stacji referencyjnych włączone zostały istniejące stacje EPN i IGS,

-współrzędne stacji wyznaczone zostaną w systemie ETRS89 oraz układach państwowych,

-w stacjach referencyjnych wykorzystano jedynie precyzyjne dwuczęstotliwościowe odbiorniki GNSS.

-miejsca zainstalowania stacji referencyjnych wybrano tak, aby zapewnić dogodne warunki obserwacji satelitów GNSS.

Aktualnie segment ten składa się z następujących grup stacji referencyjnych:

-81 stacje krajowe z modułem GPS,

-18 stacji krajowych z modułem GPS/GLONASS,

-22 stacje zagraniczne.

b) Centrum Zarządzające

Główną funkcją Centrum Zarządzającego jest wyliczenie i udostępnianie danych dla poszczególnych serwisów świadczonych przez system ASG-EUPOS. Stacje referencyjne wysyłają w sposób ciągły swoje obserwacje GNSS prosto do Centrum Zarządzającego za pomocą łącz teleinformatycznych. Na podstawie tych obserwacji wyliczane są poprawki RTK/DGNSS, które następnie zostają udostępnione dla użytkowników systemu. Cały proces obliczeń i dostarczenia poprawek odbywa się automatycznie. W tym przypadku pracownicy Centrum Zarządzania są odpowiedzialni za ciągłość obserwacji satelitarnych oraz wykonywanie testów poprawności działania całego systemu.

Bezpośrednio z Centrum Zarządzającego użytkownik może pobrać pliki obserwacyjne z poszczególnych stacji referencyjnych systemu ASG-EUPOS lub przesłać własne pliki obserwacyjne w celu uzyskania precyzyjnej pozycji mierzonych szczegółów terenowych.

Poza zapewnieniem usług związanych z wyznaczaniem pozycji Centrum Zarządzające pełni funkcję dotyczącą konserwacji państwowego układu odniesienia. Cotygodniowe wyliczenie współrzędnych stacji referencyjnych pozwala na bieżącą kontrolę stałości stacji, które definiują ten układ.

C) Użytkownicy –

Prócz stacji referencyjnych i centrum obliczeniowego w skład struktury systemu ASG-EUPOS wpisują się także użytkownicy.

Użytkownicy systemu mają możliwość wyboru sprzętu pomiarowego z szerokiego wachlarza urządzeń dostępnych na rynku. Poszczególne serwisy świadczone przez system ASG-EUPOS mogą być wykorzystane zarówno przez jedno, jak i dwuczęstotliwościowe odbiorniki GPS wyposażone w moduł komunikacyjny. Rozwiązania przyjęte w systemie dają możliwość korzystania z niego także użytkownikom nie posiadającym kosztownej aparatury pomiarowej, a wyposażonym przykładowo w prosty odbiornik turystyczny GPS.

Dzięki ciągłej dostępności na obszarze całej Polski oferowanych serwisów użytkownik, który zdecyduje się na korzystanie z systemu ASG-EUPOS dysponuje możliwością precyzyjnego określenia swojej pozycji niezależnie od miejsca i czasu.

• serwisy i produkty ASG-EUPOS

  • NAWGEO - poprawki dają dokładność poziomą 3 mm i pionową 5mm

  • KODGIS – dokładność kilkudziesięciu cm, na potrzeby SIT

  • NAWGIS – dokładność 3m

  • POZGEO – postprocessing, metoda statyczna, obserwacje fazowe, min. 720 epok

  • POZGEO D – wirtualne stacje referencyjne, postprocessing, format RINEX

• budowa MSPP

obszar województwa małopolskiego, stacje referencyjne udostępnione w MSPP są jednocześnie stacjami ogólnokrajowego systemu pozycjonowania satelitarnego ASG-EUPOS.
Właścicielem i operatorem systemu MSPP jest Urząd Marszałkowski Województwa Małopolskiego z siedzibą w Krakowie

• serwisy i produkty MSPP

poprawki RTK i DGPS,

• protokół Ntrip

Protokół komunikacji użytkownika z systemem, możemy za pomocą tego protokołu przesyłać takie dane jak:

• dane korekcyjne w formatach producenta odbiornika GPS,

• dane RAW w formatach producenta,

• dane tekstowe/informacyjne NMEA,

• inne dane.Protokół NTRIP jest obecnie standardem przyjętym we wrześniu 2004 przez komisje RTCM do dystrybucji korekt różnicowych przez Internet.

Transmisja danych następuję w oparciu o moduł komunikacji HTTP/TCP/IP oraz moduły sprzętowo/programowe: moduł stacji referencyjnych, moduł Castera oraz moduł klienta. 

Schemat działania systemu dystrybucji danych z wykorzystaniem protokołu NTRIP prezentują poniższe rysunki. 

Sygnały satelitarne w systemach GNSS

Sygnał GPS zawiera trzy ciągi danych:

•Kod C/A

•Kod P

•Ciąg danych nawigacyjnych i systemu (NAV/system data)

Kod C/A zapewnia standardową usługę pozycjonowania i jest dostępny dla wszystkich użytkowników.

Kod P zapewnia precyzyjną usługę pozycjonowania – jego użycie jest limitowane dla sił zbrojnych USA oraz innych autoryzowanych użytkowników. Niedostępny dla lotnictwa cywilnego.

NAV/system data – kod zawierający dane orbit, poprawki: orbit, zegara inne dane nawigacyjne oraz informacje o statusie satelitów. Odbiór pełnego zestawu danych (sygnał 50Hz) wymaga 12.5 minuty. Jest to wymagany czas konfiguracji odbiornika GPS przy „pierwszym” użyciu.

Selective Availability (S/A)

Do maja 2000 stosowany był przez USA dodatkowy kod zakłócający tzw. Selective Availability (S/A). Jego zadaniem była redukcja dokładności pozycjonowania GPS w celu eliminacji wykorzystania sygnału GPS do potencjalnie wrogich zastosowań. Wprowadzany pseudolosowo dodatkowy błąd zegara i informacji nawigacyjnej powodował zmniejszenie dokładności pozycji do 100m. Częściowo – efekt stosowania S/A można niwelować poprzez stosowanie DGPS.

Od maja 2000 (wyłączenia S/A) nominalna dokładność pozycji wynosi 10-15m.

Rząd USA gwarantuje dokładność dla SIS (signal in space - bez uwzględniania błędów odbiornika) w normalnych warunkach (brak awarii): 36m poziomo, 77m pionowo.

Wpływ jonosfery i troposfery

61. W jaki sposób jonosfera wpływa na błąd pomiaru odległości w technice GPS, oraz w jaki sposób wyeliminować jej wpływ na błąd pomiaru?

Jonosfera jest górną warstwą atmosfery od wysokości50 to 500 km. Składa się z naładowanych cząstek. Gęstość jonosfery zależy od aktywności Słońca zatem jej oddziaływanie na błąd pomiaru GPS zmniejsza sięw ciągu nocy. Własności jonosfery zmieniają się również z 11 letnim cyklem aktywności Słońca. Jej efekt był maksymalny w 1998r. natomiast minimalny w 2004r.

Cząstki naładowane w jonosferze spowalniają prędkość fal elektromagnetycznych w sposób odwrotnie proporcjonalny do kwadratu częstotliwości fali (1/freq)2(niższe częstotliwości mają mniejszą prędkość). Po porównaniu czasów przyjścia fali na częstotliwościach L1 i L2 można wyznaczyć zmianę prędkości fali w jonosferze, a tym samym dokładniejszą odległość do satelity i współrzędne miejsca obserwacji.

W celu zmniejszenia błędów opóźnienia jonosferycznego i troposferycznego należy obserwować satelity znajdujące się powyżej 15onad horyzontem, gdyż przy mniejszych kątach fale elektromagnetyczne od satelity przechodzą przez grubsze warstwy jonosfery i troposfery.

62. W jaki sposób troposfera wpływa na błąd pomiaru w technice GPS?

Troposfera to dolna warstwa atmosfery (do kilkunastu kilometrów od powierzchni Ziemi), gdzie na propagację fal radiowych główny wpływ mają temperatura oraz zawartość pary wodnej. Troposfera zagina fale radiowe (refrakcja), oraz zmniejsza prędkość tych fal w stosunku do prędkości w próżni. Prędkość fali przechodzącej przez parę wodną nie zależy od częstotliwości fali. Opóźnienie troposferyczne można podzielić na część suchą (hydrostatyczną) oraz mokrą.

Odległość S, jaką pokonuje fala elektromagnetyczna pomiędzy satelitą a odbiornikiem w neutralnej atmosferze (troposferze) wzdłuż drogi s(ang. raypath), przedstawia zależność:

  s s nds ds vc S

s– droga fali elektromagnetycznej od satelity do odbiornika [m],

c– prędkość światła w próżni [m/s],

v– prędkość propagacji [m/s],

n = c/v –współczynnik załamania troposfery.

W celu zmniejszenia błędów opóźnienia jonosferycznego i troposferycznego należy obserwować satelity znajdujące się powyżej 15onad horyzontem, gdyż przy mniejszych kątach fale elektromagnetyczne od

satelity przechodzą przez grubsze warstwy jonosfery i troposfery.

Kombinacje obserwacji fazowych i kodowych

Zastosowanie:

• inicjalizacja odbiornika

• eliminacja efektu wielotorowości

Często stosowana technologia szybka statyczna polega na pomiarach odbiornikami dwuczęstotliwościowymi w około 5-20 minutowych sesjach pomiarowych (czas obserwacji zależy od liczby obserwowanych satelitów). Kombinacja pomiarów kodowych i fazowych na obu częstotliwościach pozwala na szybkie wyznaczenie nieoznaczoności fazy. Dzięki temu w tej metodzie nie jest konieczne ciągłe śledzenie satelitów.

Wielotorowość sygnału

Sygnał GPS docierający na Ziemię może zostać odbity od różnych przeszkód. Antena odbiera sygnał bezpośredni, a następnie odbity ( z opóźnieniem). W celu zapobiegania tego typu zjawiskom stosuje się różnego rodzaju anteny.

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.

31

Zmiana położenia środka fazowego anteny

Wyznaczenie charakterystyk anten

Nieoznaczoność fazy

Nieoznaczoność pomiaru fazy N jest arbitralną liczbą całkowitą. Wielkość ta może być interpretowana jako różnica wielkości początkowej zintegrowanej fazy i odległości. Jest to wielkość różna dla każdego obserwowanego satelity. Nieoznaczoność N zachowuje stałą wartość podczas pomiarów, jeżeli nie nastąpi zaburzenie procesu śledzenia sygnału satelitarnego. Wystąpienie takiego zaburzenia powoduje powstanie nieciągłości fazy (ang. Cycle Slip), czyli skokowej zmiany rejestrowanej fazy o całkowitą liczbę cykli. Wykrycie i poprawienie nieciągłości fazy jest krytyczne dla precyzyjnych pomiarów geodezyjnych z wykorzystaniem obserwacji fazowych, w tym szczególnie techniki RTK.

Przepisy prawne

Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 9 listopada 2011 r.

§ 8. Geodezyjne pomiary sytuacyjne i wysokościowe

mogą być wykonywane metodą precyzyjnego pozycjonowania,

przy pomocy globalnego systemu nawigacji

satelitarnej, zwanego dalej „GNSS”, jeżeli:

1) zapewniony jest bezpośredni odbiór sygnałów

emitowanych przez satelity;

2) sygnały emitowane przez satelity nie są zakłócane

przez urządzenia emitujące fale elektromagnetyczne,

w szczególności: nadajniki i przekaźniki radiowe

i telewizyjne, linie energetyczne, stacje telefonii

cyfrowej.

§ 9. Przy wykonywaniu geodezyjnych pomiarów

sytuacyjnych i wysokościowych metodą precyzyjnego

pozycjonowania przy pomocy GNSS stosuje się pomiarowe

techniki zapewniające wyznaczenie położenia

szczegółów terenowych z dokładnością określoną

w § 29 ust. 1 oraz w § 36 ust. 1 i 2, w szczególności:

1) technikę statyczną;

2) technikę szybką statyczną;

3) technikę kinematyczną RTK lub RTN.

§ 10. Do wykonywania pomiarów metodą precyzyjnego

pozycjonowania przy pomocy GNSS wykorzystuje

się system ASG-EUPOS oraz inne systemy

stacji referencyjnych, jeżeli dane określające położenie

tych stacji włączone zostały do PZGiK, a serwisy

tych systemów zapewniają osiągnięcie dokładności

położenia szczegółów terenowych z  dokładnością

określoną w § 29 ust. 1 oraz w § 36 ust. 1 i 2.

§ 11. Przed rozpoczęciem i  po zakończeniu sesji

pomiarowej metodą precyzyjnego pozycjonowania

przy pomocy GNSS ustala się wysokość anteny odbiornika

z dokładnością do 0,01 m.

§ 12. 1. Przed rozpoczęciem lub w  trakcie każdej

sesji pomiarowymi technikami kinematycznymi RTK

oraz RTN wykonuje się pomiar kontrolny na co najmniej

dwóch punktach poziomej osnowy geodezyjnej,

zlokalizowanych w  odległości nie większej niż

5 km od punktów będących przedmiotem pomiaru.

2. Odchyłka liniowa ustalona na podstawie pomiaru

kontrolnego nie może przekraczać:

1) w  odniesieniu do współrzędnych prostokątnych

płaskich — 0,12 m (dx, dy ) 0,12 m);

2) w odniesieniu do wysokości — 0,09 m (dh ) 0,09 m).

§ 13. 1. Przy wykonywaniu geodezyjnych pomiarów

sytuacyjnych i  wysokościowych pomiarowymi

technikami statyczną oraz szybką statyczną przebieg

czynności pomiarowych utrwala się w dzienniku pomiarowym.

2. W dzienniku pomiarowym umieszcza się nastę-

pujące informacje:

1) numer punktu pomiarowego;

2) datę wykonania sesji pomiarowej na punkcie;

3) czas GMT i czas lokalny rozpoczęcia i zakończenia

sesji pomiarowej;

4) typ anteny i odbiornika GNSS użytego w sesji pomiarowej;

5) wyniki pomiarów wysokości anteny;

6) imię i nazwisko osoby wykonującej sesję pomiarową.

Do kategorii przepisów technologicznych nie wyznaczających standardów technicznych zaliczyć można także zalecenia wydane przez Głównego Geodetę Kraju. Przykładem są tutaj zalecenia techniczne „Pomiary satelitarne GNSS oparte na systemie stacji referencyjnych
ASG-EUPOS” [18]. Określają one zasady prawidłowego wykonania i opracowania pomiarów satelitarnych GNSS, z uwzględnieniem metod pomiaru: statycznej, technik DGNSS (Differential GNSS) oraz RTK. Wprawdzie rozporządzenie w sprawie standardów technicznych [4] w pewnym zakresie reguluje kwestię pomiarów GNSS, jednak zalecenia techniczne ujmują zagadnienie bardziej precyzyjnie.

Wśród zasad dotyczących pomiaru techniką RTK wymienić należy [18]:

1. Zaleca się stosowanie odbiorników L1/L2 z możliwością pomiaru RTK przy wykorzystaniu poprawek sieciowych.

2. Oprogramowanie kontrolera powinno umożliwiać wizualizację parametrów pomiaru, w tym: liczbę obserwowanych satelitów, wartość współczynnika PDOP, odchylenie standardowe, tryb pracy odbiornika, liczba wyznaczeń pozycji lub czas pomiaru na punkcie.

3. Opracowanie wyników, czyli wyznaczenie współrzędnych punktów w pomiarach RTK następuje w oparciu o dane z satelitów GNSS oraz poprawki RTK z serwisu NAWGEO systemu ASG-EUPOS, przy czym może być użyta poprawka sieciowa albo poprawka
   z pojedynczej stacji.

4. Minimalne warunki techniczne pomiaru sytuacyjnego to:

   • odbiornik powinien pracować w trybie precyzyjnym RTK,

   • minimalna liczba obserwowanych jednocześnie satelitów nie powinna być mniejsza od 5,

   • odbiornik powinien wyznaczać pozycję w oparciu o satelity znajdujące się powyżej 10 ̊ nad horyzontem,

   • maksymalna wartość parametru PDOP nie powinna przekraczać wartości 6,0.

5. Minimalne warunki techniczne pomiaru dla osnowy pomiarowej, szczegółów sytuacyjnych będących przedmiotem EGiB oraz punktów dostosowania wykorzystywanych w transformacji to:

   • minimalna liczba obserwowanych jednocześnie satelitów nie powinna być mniejsza od 6,

   • maksymalna wartość parametru PDOP nie powinna przekraczać wartości 3,

   • odchylenie standardowe pozycji dla składowej poziomej nie powinno przekraczać ±0,02 m,

   • przy interwale zapisu pozycji co 1 s, pomiar ma trwać co najmniej 30 s,

   • odbiornik powinien uwzględniać poprawki sieciowe lub poprawki ze stacji referencyjnej oddalonej nie więcej niż 5 km.

6. Pomiary RTK wykonywane w oparciu o serwis NAWGEO nie mogą służyć do wyznaczania wysokości elementów naziemnych sieci uzbrojenia terenu.