G P S     1. Globalny System Pozycjonowania (GPS) Navstar Globalny System Pozycjonowania składa się z trzech powiązanych ze sobą zespołów: 1) segmentu kosmicznego - satelitów okrążających Ziemię, 2) segmentu kontroli - stacji kontrolujących i monitorujących prowadzonych przez DOD (Departament Obrony USA), 3) segmentu użytkownika - odbiorników GPS, będących w posiadaniu osób prywatnych, instytucji, firm i wojska. 1.1. Segment kosmiczny Segment kosmiczny składa się z konstelacji 24 aktywnych satelitów, okrążających Ziemię w ciągu 12 godzin. Na każdej z sześciu orbit konstelacji znajdują się cztery satelity na wysokości ponad 20 000 km nad powierzchnią Ziemi. Orbity są rozmieszczone wokół całej Ziemi i nachylone do powierzchni równika pod kątem 55o. 1.2. Jak działa system GPS? Każdy satelita transmituje dwa rodzaje sygnałów: L1 (1575.42 MHz) i L2 (1227.60 MHz). Sygnał L1 jest przetwarzany dwoma pseudo-przypadkowymi sygnałami zagłuszającymi: chronionym kodem P i kodem C/A. Sygnał L2 zawiera jedynie kod P. Każdy satelita wysyła inny sygnał, co ułatwia odbiornikom rozpoznanie, z którego satelity pochodzi dany sygnał. Cywilne odbiorniki do nawigacji wykorzystują jedynie kod C/A na częstotliwości L1. Niemniej jednak niektóre wyspecjalizowane cywilne odbiorniki geodezyjne mogą przetwarzać sygnał o częstotliwości L2 w celu uzyskania dokładnych pomiarów. Odbiornik na podstawie czasu wysłania sygnału przez satelitę i czasu dotarcia sygnału do odbiornika oblicza czas potrzebny na pokonanie tej drogi. Jeśli odbiornik posiada bardzo dokładny zegar, dobrze zsynchronizowany z zegarem satelity, do określenia trójwymiarowej pozycji wystarczają jedynie pomiary z trzech satelitów. Niestety, zwykłe odbiorniki nawigacyjne ze względu na swoją cenę jak i rozmiary nie są wyposażone w tak dokładne zegary, w związku z tym, do usunięcia błędu zegara potrzebny jest dodatkowy pomiar z czwartego satelity. Pomiar z jednego satelity określa pozycję na powierzchni sfery, której środkiem jest miejsce położenia danego satelity. W związku z błędem zegara cztery sfery satelitów wykorzystywanych do pomiaru mogą nie przecinać się w jednym punkcie. Odbiornik dostosowuje odczyty czasu z poszczególnych zegarów i w ten sposób podaje dokładną informację o czasie i pozycji. W związku z tym, że odbiornik synchronizuje swój zegar z czasem GPS, może być wykorzystywany jako dokładne narzędzie podawania czasu. Więcej informacji na ten temat znajduje się na stronie internetowej http://aleph.gsfc.nasa.gov/GPS/totally.accurate.clock/ 1.3. Jakiej dokładności pomiaru można oczekiwać? Standardowy serwis pozycjonowania dostępny dla użytkowników cywilnych zapewnia dokładność poziomą rzędu 20 m przez 95% czasu. Do 1 maja 2000 roku dokładność ta była mniejsza (ok. 100 m) ze względu na celowe zagłuszanie sygnału przez DOD (Departament Obrony USA) zwane ograniczonym dostępem (tzw. SA). Dokładność pionowa jest około 1.5 razy mniejsza niż dokładność pozioma. Firma Trimble Navigation w broszurze pt. ?GPS - A guide to the next utility" podaje następujące oszacowanie błędów dla komercyjnych odbiorników nawigacyjnych: błąd zegara satelity - 0,6 m błąd efemerydy - 0,6 m błędy odbiornika - 1,2 m błędy spowodowane wpływem atmosfery/ jonosfery - 3,6 m SA - 7,5 m. Przewidywaną dokładność oblicza się poprzez pomnożenie powyższych wartości przez wskaźnik PDOP (rozmycie dokładności pozycji), który zazwyczaj wynosi od 4 do 6. Daje to dokładność rzędu 30 m. Dokładność oferowaną przez system można poprawić poprzez uśrednienie pomiarów wykonanych w danym przeciągu czasu. 1.5. W jaki sposób niektórzy użytkownicy uzyskują centymetrową dokładność pomiaru GPS? Wspomniana powyżej 20 metrowa dokładność dotyczy jednoczęstotliwościowych odbiorników nawigacyjnych, które aktualizują swoją pozycję co sekundę. Bardzo dokładne pomiary przeprowadza się przy użyciu innych odbiorników określanych mianem ?systemów kartograficznych/geodezyjnych". Systemy te używają obydwu częstotliwości oraz skorygowanych danych, uzyskanych poprzez porównanie pomiarów z odbiornika ruchomego i pomiarów z odbiornika stacjonarnego o znanej lokalizacji. Mogą one również dokonywać uśredniania pozycji co pewien okres czasu. Uśrednianie to pozwala raczej określić bardzo dokładnie różnice w pomiarze pozycji pomiędzy odbiornikiem ruchomym i stacjonarnym, niż absolutną pozycję obydwu odbiorników. 1.6. Jaka jest różnica pomiędzy czasem GPS i UTC? Różnica pomiędzy czasem GPS a UTC jest zawarta w danych wysyłanych przez satelitę, zatem odbiorniki mogą (i większość odbiorników tak robi) wyświetlać aktualny czas UTC lub czas strefowy, a nie czas systemu GPS. Obecnie różnica ta wynosi 11 sekund. Tom Clark wysłał następujący tekst do sci.geo.satellite-nav 31 grudnia 1995 roku: ?Satelity GPS wysyłają informację o tym, że w danej chwili występuje taka różnica. Np. dnia 1 stycznia godzina 00:00:00 UTC = 00:00:11 GPS. Wobec czego należy o 11 sekund skorygować odbiornik. Nie wszystkie odbiorniki wykonają to prawidłowo, ze względu na skróty, jakie ich konstruktorzy umieścili w oprogramowaniu. Niektóre odbiorniki GPS posiadają przesunięcie czasu GPS-UTC na stałe zakodowane w wewnętrznej pamięci ROM. Niektóre starsze modele odbiorników spóźniają się już kilka sekund, ponieważ projektanci zignorowali specyfikację komunikatu GPS. Opóźnienie nie jest zatem winą systemu GPS, a niedopatrzeniem konstruktorów odbiorników." 2. Odbiorniki nawigacyjne 2.1. Dlaczego pozycje podawane przez odbiornik mogą być nieprawidłowe? Powodem może być inny układ odniesienia używany przez odbiornik niż układ GPS. 2.2. Co to jest poziomy układ odniesienia i jakiego należy używać w odbiorniku GPS? Geodeci potrzebują bardziej złożonego wytłumaczenia tego problemu, ale poniższe powinno wystarczyć do celów nawigacyjnych. Więcej informacji znajduje się na odpowiednich stronach WWW. Poziomy układ odniesienia określa, gdzie na powierzchni Ziemi znajdują się linie południków i równoleżników. Dawniej pomiary kartograficzne bazowały na punktach wyznaczonych podczas obserwacji astronomicznych i fizycznych pomiarów na powierzchni Ziemi. W związku z tym obecnie na świecie istnieje wiele minimalnie różniących się od siebie regionalnych siatek południków i równoleżników. System GPS zmusza natomiast do korzystania z jednej ogólnoświatowej siatki. Pozycje wyznaczane przez system GPS opierają się na poziomym układzie odniesienia zwanym WGS84 ("World Geodetic System of 1984"). W niektórych miejscach na świecie lokalny układ odniesienia może różnic się od układu WGS84 o około 1,61 km. Wiele odbiorników GPS można skonfigurować tak, aby wyświetlały pozycje w lokalnym układzie odniesienia a nie w układzie WGS84. Większość odbiorników firmy Garmin może wyświetlać pozycję w ponad 100 różnych układach. Odbiorniki te przechowują informacje o pozycjach w układzie WGS84 i jeśli jest to potrzebne konwertują te dane do aktualnie wybranego układu. Podczas nawigacji z odbiornikiem GPS i mapą należy zwrócić uwagę na to, aby wybrany układ odniesienia pokrywał się z układem odniesienia mapy. W przeciwnym wypadku współrzędne odbiornika i mapy dla tych samych punktów nie będą ze sobą korespondowały. 2.3. Dlaczego wartości wysokości podawane przez odbiornik GPS różnią się tak bardzo od siebie? Sytuacja taka może być efektem geometrii satelitów, z których korzysta odbiornik. W celu uzyskania najbardziej dokładnej wysokości i lokalizacji, należy używać satelitów zlokalizowanych jak najdalej od siebie (ale niezbyt nisko położonych nad horyzontem) i jednego dokładnie nad głową. Niemniej jednak satelity występują częściej bliżej linii horyzontu, jak również odbiornik częściej wybiera satelity bliższe horyzontu w celu uzyskania bardziej dokładnej pozycji poziomej, na tym bowiem zależy większości użytkowników odbiorników nawigacyjnych. Dlatego też błąd w obliczaniu wysokości jest większy, zazwyczaj 1.5 razy w stosunku do błędu poziomego. Powoduje to duże różnice wartości wysokości w danym punkcie. 2.4. Czym jest DGPS? Różnicowy GPS (DGPS) to sposób korygowania niektórych błędów systemu GPS przy wykorzystaniu błędów zaobserwowanych w miejscu o znanej lokalizacji, które następnie są używane do skorygowania odczytów pozycji ruchomego odbiornika. Podstawą korekcji jest to, że stacja referencyjna ?zna" swoją pozycję i w ten sposób określa różnicę pomiędzy znaną pozycją i pozycją określoną przez odbiornik GPS. Uzyskany pomiar błędu jest następnie przesyłany do ruchomego odbiornika, który może poprawić obliczone przez siebie pozycje. Niestety wielkość błędów zależy od tego, które satelity zostały wykorzystane do pomiaru pozycji, dlatego też stacja referencyjna nie może po prostu ?zalecić" przesunięcie wszystkich pozycji np. o 100 m na południe. Różnicowa stacja referencyjna oblicza błędy w pomiarze pseudoodległości oddzielnie dla każdego satelity, będącego w jej polu widzenia i nadaje informację o błędach oraz informację o statusie systemu. Różnicowy odbiornik radiowy odbiera i dekoduje tą informację a następnie wysyła ja do różnicowego odbiornika GPS. Odbiornik GPS łączy odebraną informacje z indywidualnymi pomiarami pseudoodległości zanim obliczy swoją pozycję. Dla zastosowań morskich, amerykańska i kanadyjska straż wybrzeża (oraz podobne agencje w innych państwach) zainstalowały stacje DGPS, które nadają dane korekcji różnicowej przez morskie odbiorniki radiowe na częstotliwości 250-350 kHz. Ten serwis morski jest dostępny bezpłatnie w Stanach Zjednoczonych i w Kanadzie, w innych krajach natomiast może być wymagana subskrypcja. DGPS eliminuje błędy wprowadzane dawniej przez ograniczony dostęp (SA) oraz błędy spowodowane przez opóźnienie sygnału w jonosferze. Dzięki temu błąd obliczonej pozycji wynosi około 10 m przez 95% czasu dla typowych systemów morskich DGPS, używających niedrogich odbiorników nawigacyjnych GPS. Lepsze odbiorniki oferują dokładność rzędu 3 m. Dane korekcyjne DGPS mogą być wykorzystywane w odległości 1500 km od stacji referencyjnej, jeśli są one częścią większej sieci monitorującej. Należy zauważyć, że zalecany zakres dla radioodbiorników morskich wynosi jedynie 92-370 km, wobec czego na większe odległości musza być wykorzystywane inne sposoby transmisji danych. Dane korekcji różnicowej są powszechnie transmitowane przy użyciu standardu RTCM-104. Standard ten definiuje liczbę różnych komunikatów z danymi w formacie binarnym. Pierwszy komplet komunikatów od 1 do 17 został przewidziany do wykorzystania przez odbiorniki śledzące kod C/A i otrzymujące dokładność ok. 10 m. Koryguje on błędy spowodowane przez opóźnienie jonosferyczne, SA oraz inne, jednakże w ramach dokładności oferowanej przez kod C/A. Komunikaty od 18 do 21 zawierają dane korekcyjne fazy GPS używane w pomiarach kartograficznych. 2.6. Czy można podłączyć odbiornik GPS do komputera lub autopilota? Większość odbiorników nawigacyjnych wysyła dane w formacie NMEA-0183, które mogą być przyjmowane przez autopiloty i inne urządzenia. NMEA-0183 to standardowy format danych stworzony przez National Marine Electronics Association do przesyłania danych pomiędzy przyrządami morskimi. Dane w formacie NMEA-0183 są czystym tekstem ASCII przesyłanym w paśmie 4800. Poziom sygnału różni się od formatu RS-232, używanego w większości komputerowych portów szeregowych, ale zazwyczaj współpracuje z tym portem. Więcej informacji o formacie NMEA-0183 oraz programów na PC do monitorowania danych znajduje się na stronie: ftp://sundae.triumph.ca/pub/peter/index.html Wiele odbiorników posiada również własne formaty danych, które są wykorzystywane (w przypadku odbiorników nawigacyjnych) do przesyłania listy punktów drogi, danych track log i innych danych pomiędzy odbiornikiem i komputerem, jak również do przesyłania danych, które nie są przetworzone w formacie NMEA. 3. Systemy pomiarowe Pomiarowe systemy GPS były jednymi z pierwszych komercyjnych zastosowań systemu GPS. Dokładność tego typu systemów jest znacznie większa od dokładności popularnych odbiorników nawigacyjnych, dzięki zastosowaniu postprocessingowej korekcji różnicowej, wykorzystującej w tym celu dane zgromadzone przez stację referencyjną oraz poprzez uśrednianie danej pozycji przez pewien okres czasu śledząc fazę sygnału (carrier phase) oraz innych technik, aby uzyskać zwiększoną dokładność. Tego typu systemy mogą zapewnić dokładność nawet poniżej 1 cm, jednak są bardzo drogie: ceny wynoszą od ok. 7.000 do 30.000 dolarów i więcej. 3.1. Systemy pomiarowe DGPS Do niektórych pomiarów są używane systemy DGPS krótkiego dystansu. Pracują one na stosunkowo niewielkich odległościach i oferują dokładność od 0,5 do 1 m. W tym wypadku dokładność przeprowadzanych pomiarów zależy od jakości i parametrów technicznych odbiornika oraz odległości pomiędzy odbiornikiem ruchomym a stacją referencyjną. Najbardziej elastycznym rozwiązaniem tego typu pomiarów jest posiadanie własnej stacji referencyjnej, co niestety podwaja koszty zestawu pomiarowego. 3.2. Pomiary statyczne Odbiorniki GPS mogą zostać umieszczone na poszczególnych pozycjach przez pewien okres czasu (od ok. 2 min., dla niewielkich odległości, nawet do 1 godziny) i rejestrować niesformatowane dane pseudoodległościowe. Tak zarejestrowane dane można następnie poddać procesowi post - processingu, który wykorzystuje je jako punkt odniesienia dla ustalenia np. odległości i azymutu. Tak wyznaczona pozycja może osiągać dokładność rzędu 1 mm, ale w przypadku asymetrycznego rozmieszczenia satelitów lub większych odległości może być znacznie mniej dokładna. Metoda ta może zostać wykorzystana do wyznaczania bardzo dokładnych współrzędnych danego punktu (np. punktu triangulacyjnego lub współrzędnych punktu umieszczenia anteny na dachu). W ten właśnie sposób wyznaczane są nowe punkty referencyjnych stacji DGPS. . .

---