Pomiary bezwzględne i względne
Tylko jeden odbiornik satelitarny GPS może wyznaczyć 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 są głównie wykorzystywane w nawigacji morskiej i lotniczej, ze względu na swoją niską dokładność rzędu 1-15m. Należy przy tym pamiętać, że metodami geodezji klasycznej wyznaczanie współrzędnych bezwzględnych (odniesionych do środka ciężkości Ziemi) było możliwe z dokładnością co najwyżej kilkuset metrów.
W przypadku pomiarów względnych potrzebne są przynajmniej dwa odbiorniki GPS. W tych metodach nie wyznacza się współrzędnych X, Y, Z stanowisk, lecz różnice współrzędnych ΔX, ΔY, ΔZ pomiędzy wszystkimi punktami satelitarnymi uczestniczącymi w pomiarze. Dokładność tych metod jest znacznie wyższa głównie ze względu na fakt, że wiele błędów, którymi są obarczone pomiary satelitarne w wyznaczaniu różnic eliminują się. Metody względne można podzielić na technologie pomiarów:
Technologie pomiarów względnych
Technologia pomiarów statycznych GPS
Technologia pomiarów statycznych GPS jest technologią najwyższej dokładności. Oba odbiorniki uczestniczące w pomiarze pozostają stacjonarne w ciągu całej sesji (kampanii) obserwacyjnej. Możliwe jest zbieranie obserwacji z wielu sesji obserwacyjnych (np. po kilka godzin dziennie), zaś zebrany materiał jest poddawany opracowaniu po zakończeniu całej kampanii obserwacyjnej. Długość sesji (kampanii) obserwacyjnej zależy głównie od żądanej dokładności (przeznaczenia sieci) i od odległości między punktami i - jak wynika z wieloletnich doświadczeń różnych ośrodków - wynosi: 30-90 min. dla sieci lokalnych 1-2 dni dla punktów odniesienia sieci krajowych i geodynamicznych o charakterze lokalnym i państwowym 4-6 dni dla sieci kontynentalnych i podstawowych sieci geodynamicznych regionalnych
Ogólne wytyczne dla obserwacji w reżimie statycznym są następujące:
minimalna liczba satelitów obserwowanych przez jedną stację ma wynosić 4, minimalna wysokość każdego z satelitów nad horyzontem - 15°, maksymalna wartość parametru PDOP, charakteryzującego rozkład satelitów w przestrzeni względem stacji obserwacyjnej - 15, minimalny czas synchronicznych obserwacji dla wyznaczenia wektora lub kilku wektorów - 45 min gdy dysponujemy odbiornikiem o jednej częstotliwości L1 , to odległości pomiędzy stacjami nie powinny przekraczać 30 km, głównie ze względu na wpływ refrakcji jonosferycznej. Stosując efemerydy transmitowane przez satelity, tzw. efemerydy pokładowe , można spodziewać się, że wyniki wyznaczeń nie będą gorsze niż poniżej scharakteryzowane błędami średnimi: ±(0.01 + 0.002 s[km]) m dla wyznaczenia długości wektora, ±(1” + 5”/s[km]) dla wyznaczenia azymutu geodezyjnego i ±(0.02 + 0.002s[km]) m dla wyznaczenia wysokości elipsoidalnej.
Technologia pomiarów pseudo-statycznych GPS
Technologia pomiarów pseudo-statycznych należy do grupy metod pośrednich pomiędzy pomiarami statycznymi a kinematycznymi. Ta metoda polega na dwukrotnym pomiarze na każdym wyznaczanym punkcie , lecz nie wymagają ciągłej nieprzerwanej łączności z satelitami podczas transportu odbiornika z punktu na punkt. W pomiarze biorą udział przynajmniej dwa odbiorniki jeden ustawiony na punkcie odniesienia, drugi przemieszczający się z punktu na punkt. Pomiar na każdym punkcie trwa około 10-15 minut, wykonujemy pomiary na kolejnych punktach sieci, na ostatnim wyznaczanym punkcie czekamy 1-2 godzin na zmianę konfiguracji satelitów i ponownie wykonujemy pomiar GPS na punktach wyznaczanych.
Ogólne wytyczne dla obserwacji w reżimie pseudostatycznym są następujące:
minimalna liczba satelitów obserwowanych przez jedną stację ma wynosić 4, lecz zalecana 5, minimalna wysokość każdego z satelitów nad horyzontem - 15°, maksymalna wartość parametru PDOP, charakteryzującego rozkład satelitów w przestrzeni względem stacji obserwacyjnej - 5, dwie sesje pomiarowe dla każdego obserwowanego wektora mają trwać 2-10 minut każda. Interwał czasu pomiędzy powtórzonymi pomiarami powinien wynosić 1 godz. do pomiarów pseudostatycznych potrzeba, aby odbiornik był wyposażony w antenę kinematyczną.
W wyniku pomiarów metodą pseudostatyczną można się spodziewać, że błędy średnie nie przekroczą niżej podanych wartości, gdy będziemy stosować standardowe, firmowe programy obliczeniowe i firmowe zalecenia dotyczące procedury obserwacyjnej. ±(0.03 + 0.002 s[km]) m dla wyznaczenia długości wektora, ±(2” + 5”/s[km]) dla wyznaczenia azymutu geodezyjnego i ±(0.04 + 0.002s[km]) m dla wyznaczenia wysokości elipsoidalnej.
Technologie szybkie statyczne GPS
W pomiarze biorą udział, podobnie jak poprzednio, przynajmniej dwa odbiorniki GPS, jeden ustawiony na punkcie odniesienia, drugi przemieszczający się z punktu na punkt. Technologia wymaga jednokrotnego pomiaru na każdym wyznaczanym punkcie, nie wymaga nieprzerwanej ciągłości śledzenia satelitów w czasie transportu odbiornika z punktu na punkt. Istotą pomiaru jest szybkie wyznaczenie nieoznaczoności fazy przy wykorzystaniu kombinacji pomiarów kodowych i fazowych na obu częstotliwościach L1 i L2. Ogólne wytyczne dla obserwacji szybkich statycznych są następujące:
wymagane są dwuczęstotliwościowe odbiorniki GPS z kodem precyzyjnym P, zaleca się stosowanie interwału zliczeń w przedziale 5-15 sekund, minimalna liczba satelitów obserwowanych przez jedną stację ma wynosić 4, lecz zalecana 6,
minimalna wysokość każdego z satelitów nad horyzontem - 20°, czas pomiaru zależy od liczby obserwowanych satelitów, od jakości sygnałów satelitarnych oraz od długości mierzonego wektora i zawiera się w przedziale 5-20 minut, gdy czas pomiaru był krótszy niż 10 minut, należy obserwacje wykonać powtórnie, najlepiej następnego dnia, w celu zwiększenia pewności poprawnego wyznaczenia, długość mierzonego wektora nie powinna być większa niż 20 km
Szybkie pomiary statyczne pozwalają na skrócenie czasu gromadzenia sygnałów satelitarnych na stacji obserwacyjnej do kilku czy kilkunastu minut, przy czym wyniki takich wyznaczeń mają parametry dokładnościowe takie same lub niewiele niższe niż wyniki wyznaczeń statycznych ±(0.01 + 0.002 s[km]) m dla wyznaczenia długości wektora, ±(1” + 5”/s[km]) dla wyznaczenia azymutu geodezyjnego i ±(0.02 + 0.002s[km]) m dla wyznaczenia wysokości elipsoidalnej.
Technologia pomiarów kinematycznych GPS
Technologia ta jest typową technologią nawigacyjną. W pomiarze bierze udział jeden odbiornik stacjonarny, względem którego wyznaczana jest pozycja drugiego ruchomego odbiornika umieszczonego na obiekcie poruszającym się. Możliwe jest otrzymywanie pozycji obiektu ruchomego w czasie rzeczywistym (natychmiastowe, np. co 1 sekundę, co 5 sekund; będzie to tzw. „real time positioning”) albo też cały zebrany materiał obserwacyjny może być poddany opracowaniu po zakończeniu pomiarów („postprocesing”). Podczas całej sesji obserwacyjnej niezbędna jest ciągła łączność z obserwowanymi satelitami. Jeżeli pomiar ma być dokonywany metodą fazową to dla wyznaczenia nieoznaczoności fazy niezbędna jest inicjalizacja pomiaru. Znamy dzisiaj metody inicjalizacji statyczne i kinematyczne. Przed przystąpieniem do pomiaru kinematycznego inicjalizację metodą statyczną można wykonać jednym z trzech następujących sposobów:
inicjalizacja za pomocą krótkiego pomiaru statycznego, wykonywana przy pomocy dwóch odbiorników, przy czym jeden ustawiony jest na punkcje odniesienia, natomiast drugi w niewielkiej odległości (5 - 10m.) od odbiornika referencyjnego. Pomiar statyczny powinien trwać co najmniej 25 minut. Po zakończeniu pomiaru odbiornik referencyjny pozostaje na punkcje odniesienia a ruchomy odbiornik montuje się na ruchomym obiekcje stale zachowując łączność z obserwowanymi satelitami inicjalizacja za pomocą pomiaru na znanej bazie, na punktach o znanych przyrostach współrzędnych, odległych od siebie o 5 -10m. Na jednym z nich, który jest punktem odniesienia, ustawiamy odbiornik stacjonarny a na drugim ustawiamy odbiornik ruchomy. Pomiar statyczny wykonujemy przez około 5 - 10 minut.
Technologie pół-kinematyczne. Technologia „STOP&GO”
Technologia ta jest kombinacją technologii statycznych i kinematycznych. W pomiarze biorą udział przynajmniej dwa odbiorniki, jeden umieszczony na punkcie odniesienia, drugi przemieszczający się z punktu na punkt. Niezbędna jest inicjalizacja statyczna na początku pomiaru. Zaletą tej technologii jest to, że odbiornik ruchomy wykonuje pomiary na kolejnych punktach tylko przez 1 - 2 minuty. Jednak w ciągu całej sesji pomiarowej (w czasie pomiaru na punktach i nawet w czasie transportu z punktu na punkt ) niezbędna jest nieprzerwana łączność z przynajmniej 4 satelitami GPS. Jest to podstawowa wada tej technologii uniemożliwiająca jej zastosowanie w terenie o wysokiej zabudowie, w lesie itp. Pomiary wymagają stosowania odbiorników dostosowanych do pomiarów kinematycznych, gdyż śledzenie satelitów w czasie przemieszczania odbiornika odbywa się w kinematycznym trybie jego pracy. Instrukcje tej metody zawierają następujące wytyczne do pomiarów: minimalna liczba śledzonych satelitów 4, lecz zaleca się śledzenie 5 satelitów, minimalna wysokość satelitów ponad horyzontem ma wynosić 15°, konfiguracja satelitów powinna być taka, aby liczba PDOP nie przekraczała 5, na każdym punkcie, tzn. podczas pracy odbiornika nieruchomego na stanowisku należy zarejestrować 2-8 cykli pomiarowych, zaleca się dwukrotny pomiar na każdym punkcie, można wykonywać pomiary względne w odległości do 10 km od odbiornika stacjonarnego, gdy wykonuje się pomiary za pomocą jednej częstotliwości L1 i do20 km, gdy wykorzystujemy odbiorniki dwuczęstotliwościowe. Można się spodziewać, że błędy średnie wyników pomiarów metodą stop-and-go nie przekroczą następujących wartości: ±(0.05 + 0.002 s[km]) m dla wyznaczenia długości wektora, ±(5” + 5”/s[km]) dla wyznaczenia azymutu geodezyjnego i ±(0.05 + 0.002s[km]) m dla wyznaczenia wysokości elipsoidalnej.
Technologia pomiarów różnicowych w czasie rzeczywistym (RTK)
Komplet pomiarowy składa się ze stacji bazowej, ze stacji ruchomej oraz z łącza radiowego z modemem. Ustawiona na znanym punkcie odniesienia stacja bazowa wykonuje przez cały czas pomiary bazowe satelitów GPS. Przetwarzając wyniki tych pomiarów, uwzględnia się stałe współrzędne stacji. W procesie tym w sposób ciągły, wyznacza się poprawkę korygującą obserwacje fazowe stacji bazowej do zadanej pozycji, którą określają geodezyjne współrzędne stacji w przyjętym układzie odniesienia. Stacja ruchoma (lub kilka stacji) prowadzi również ciągłe obserwacje fazowe tych samych satelitów. Na podstawie tych pomiarów oraz odebranych drogą radiową danych ze stacji bazowej, dotyczących obserwacji fazy fali nośnej oraz wspomnianej poprawki, wyznacza się pozycje stacji ruchomej względem stacji bazowej.
Ogólne wytyczne dla pomiarów różnicowych w czasie rzeczywistym (RTK) wynoszą: wymagane są dwuczęstotliwościowe odbiorniki GPS, zaleca się stosowanie interwału w przedziale 5 - 15 sekund, minimalna liczba satelitów obserwowanych przez te same stacje ma wynosić 4, minimalna wysokość każdego z satelitów nad horyzontem - 20, minimalny czas pomiaru wynosi 3 sekundy, długość mierzonego wektora nie powinna być większa niż 10 km
Wykorzystanie tej technologii jest ograniczone nie tylko poprzez zakłócenia w obiorze sygnałów satelitarnych ale też przez zakłócenia radiowej łączności pomiędzy stacją bazową i stacją ruchomą. W wyniku tych pomiarów błędy średnie wynoszą:
±(0.01 + 0.002 s[km]) m dla wyznaczenia współrzędnych horyzontalnych ±(0.02 + 0.002 s[km]) m dla wyznaczenia wysokości geometrycznej