Wszystkie informacje na podstawie (znaczy cytowane praktycznie) stron: systemu ASG-EUPOS (http://www.asgeupos.pl/), jakiejś pracy Śledzia (http://www.geodezja-szczecin.org.pl/stara_strona/Akademia/Konf002/kom00204.html ) i wikipedi.pl (www. Wikipedia.pl).
Niestety trochę tego jest gdyż starałem się zostawić wszystko tak jak w oryginale. Na ustnym wystarczy chyba tylko kojarzyć o co chodzi więc warto poczytać o wszystkim.
Jeśli ktoś znajdzie błędy lub nieścisłości będę wdzięczny za informacje (gg: 3310764).
24. Ogólna charakterystyka działających i projektowanych systemów GNSS
(źródła: ASG-Eupos, wikipedia.pl)
Systemy GNSS:
Działające:
-GPS NAVSTAR (USA)
-GLONASS (Rosja)
W trakcie prac twórczych
-Galileo (UE)
-Compass (Chiny)
-i inne
Globalny system nawigacji satelitarnej (GNSS - ang. Global Navigation Satellite System) składa się z dwóch podstawowych elementów: segmentu kosmicznego oraz segmentu naziemnego. Ponadto funkcjonują szeroko rozumiane segmenty kontrolne, przez niektórych uważane za części segmentu naziemnego.
W amerykańskim systemie GPS-NAVSTAR segment kosmiczny składa się obecnie z 32 satelitów (początkowo zakładano 24 czynne i 5 zapasowych), krążących na 6 prawie-kołowych orbitach na wysokości 20 200 km, o nachyleniu 55o 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. Satelity emitują fale elektromagnetyczne w dwóch częstotliwościach L1 i L2 (planowane jest wprowadzenie trzeciej - L5) dobranych tak, aby eliminować wpływ jonosfery na prędkość rozchodzenia się fal. Na pokładzie satelitów znajdują się ponadto precyzyjne zegary atomowe (czas GPST - ang. GPS Time).
Rosyjski system GLONASS operuje na 20 (początkowo zakładano 24) satelitach segmentu kosmicznego, rozmieszczonych na 3 prawie-kołowych orbitach na wysokości 19 100 km, o nachyleniu 64,8o do równika. Okres obiegu satelitów wynosi nieco ponad 11 h.
Europejski (ESA) system Galileo docelowo ma posiadać 30 (27 czynnych i 3 zapasowe) satelitów równomiernie rozmieszczonych na 3 orbitach na wysokości 23 200 km, o nachyleniu 56o do równika. Obecnie system jest w fazie rozruchu - na swoich orbitach znajdują się 2 pierwsze satelity.
Chiński Beidou zasięgiem obejmuje Azję ale ma tez objąć resztę świata - 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. Aktualnie funkcjonuje system Beidou-1 składający się z 4 satelitów, z czego tylko dwóch działających. Ma on wyłącznie charakter testowy. Jego następcą (ale nie rozwinięciem) ma być globalny system Beidou-2 znany również pod eksportową nazwą Compass. Według zapewnień chińskich władz Compass ma ruszyć w 2012 roku (liczebność konstelacji: 20 aparatów), a pełną operacyjność (czyli 35 satelitów) ma osiągnąć do 2020 roku) (źródło wikipedia.pl)
We wszystkich trzech systemach satelity segmentu kosmicznego transmitują na Ziemię fale elektromagnetyczne. w skład segmentu naziemnego wszystkich tych systemów 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. z racji funkcjonowania na pokładach satelitów GNSS precyzyjnych zegarów atomowych opartych o wzorce cezowe i rubidowe, systemy te służą również globalnej dystrybucji czasu atomowego, poprzez odbiorniki naziemne.
Szczegóły obliczeń w dalszych pytaniach
25. Zasada wyznaczania pozycji w systemie GNSS i współczynniki PDOP
(źródło: ASG-EUPOS)
Systemy nawigacji satelitarnej (GNSS - ang. Global Navigation Satelite System) są to systemy w których do określenia położenia punktu opiera się na użyciu fal radiowych z emiterów znajdujących się w przestrzeni kosmicznej. W tym celu wykorzystuje się nadajniki zainstalowane na satelitach poruszających się po zdefiniowanych orbitach. Znajomość orbity danego satelity pozwala na obliczenie jego położenie w przestrzeni, a nadawany z nich sygnał umożliwia określenie odległości między satelitą, a odbiornikiem. Punkt, którego współrzędnych są poszukiwane, leży mianowicie na sferach o długości promienia równej odległości odbiornik-nadajnik i środku tożsamym z satelitą. Jeśli do dyspozycji będą dane z kilku satelitów, lub jednego w pewnym odstępach czasowych możliwe będzie określenie kilku takich sfer, a gdy ich liczba przekroczy cztery możliwe będzie jednoznaczne określenie położenie punktu jako miejsca przecięcia się wszystkich sfer.
Do wyznaczenia dystansu pokonanego przez falę wykorzystuje się kilka sposobów. Pierwszą wykorzystywaną metodą było wykorzystywanie zjawiska Dopplera. Właśnie w ten sposób określano odległość pomiędzy satelitami a anteną w przodku współczesnych systemów nawigacyjnych - systemie TRANSIT. Z czasem jednak pojawiły się nowsze sposoby, które wyparły metody dopplerowskie. Najpopularniejsze z nich (lecz nie jedyne) to metoda kodowa i fazowa.
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.
26. Technologie pomiarowe GNSS (opis Wg. GPS)
(źródło: dzieło Śledzia)
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 (tzw. "postprocessing"). Długość sesji (kampanii) obserwacyjnej zależy głównie od żądanej dokładności (przeznaczenia sieci) i od odległości między punktami i - jak wynika to z wieloletnich doświadczeń różnych ośrodków - wynosi (a) 30-90 min. dla sieci lokalnych, (b) 1-2 dni dla punktów odniesienia sieci krajowych i geodynamicznych o charakterze lokalnym i państwowym, (c) 4-6 dni dla sieci kontynentalnych i podstawowych sieci geodynamicznych regionalnych. Dla przykładu możemy podać, że dla pomiaru sieci geodezyjnej lokalnego znaczenia o bokach do 15-20 km wystarcza wykonanie obserwacji około 1 godziny, dla sieci typu EUREF (European Reference Frame) nawiązującej polski układ geodezyjny do układu geodezyjnego Europy Zachodniej stosowano długość obserwacji 5 dni; tyle samo czasu trwały europejskie kampanie pomiaru sieci geodynamicznej CERGOP (Central Europe Regional Geodynamics Project) i EXTENDED SAGET (Satellite Geodynamic Traverses).
Pomiary kinematyczne - technologia ta jest typowa 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 ("postprocessing") w wyniku którego otrzymujemy obraz trasy, jaką przebył ruchomy obiekt. Podczas całej sesji obserwacyjnej niezbędna jest ciągła łączność z obserwowanymi satelitami. Jeśli pomiar ma być dokonywany metodą fazową, to - jak wspomniano w p. 3 - dla wyznaczenia nieoznaczoności fazy (wyznaczenia liczby N) niezbędna jest inicjalizacja pomiaru. Znamy dzisiaj dwie grupy metod inicjalizacji - metody statyczne i kinematyczne. Przed przystąpieniem do pomiaru kinematycznego inicjalizację metodą statyczną można wykonać albo (1) przez około 25 minutowy pomiar statyczny dowolnej bazy, albo (2) przez pomiar znanego wektora (jeśli znamy współrzędne dwóch punktów oddalonych o kilkanaście metrów, wykonujemy na nich pomiar statyczny przez około 5-10 minut), albo też (3) przez pomiar statyczny z zamianą anten (oba odbiorniki wykonują pomiar statyczny przez około 5 minut, a następnie zamienia się w odbiornikach anteny i nadal obserwuje się około 5 minut).
Wykonywanie inicjalizacji pomiarów metodą statyczną w technologiach kinematycznych jest czynnością dość uciążliwą. W ostatnim czasie pojawiły się nowe metody inicjalizacji pozwalające na wyznaczenie liczby N z obserwacji odbiornikiem ruchomym. Nie wymagane są tu pomiary statyczne przed rozpoczęciem pomiaru kinematycznego. Typowa metodą tej grupy jest kinematyczna metoda inicjalizacji nazywana "On-the-fly" (OTF). Nowsze typy odbiorników GPS mają zainstalowane wewnętrzne oprogramowanie pozwalające stosować tę metodę inicjalizacji polegającą na łącznym wykorzystaniu pomiarów kodowych i fazowych).
Technologie pół-kinematyczne (STOP & GO) - wysiłki konstruktorów odbiorników i geodetów szły w kierunku skrócenia czasu pomiaru GPS w terenie i stworzenia technologii wyznaczania położenia punktów, która nie wymagałaby wykonywania długotrwałych obserwacji statycznych. Pierwszą taką technologią była technologia znana pod nazwą "stop and go", co można by przetłumaczyć jako "zatrzymaj się i idź dalej". Technologia ta będąca kombinacją technologii statycznych i kinematycznych wydawała się w pewnym okresie czasu bardzo atrakcyjną, jednak jej wady spowodowały, że w dalszym ciągu poszukiwano lepszych rozwiązań technologicznych. W pomiarze technologią "stop and go" biorą udział przynajmniej dwa odbiorniki, jeden umieszczony na punkcie odniesienia, drugi przemieszczający się z punktu na punkt. Niezbędna jest inicjalizacja statyczna na początku pomiaru. Niewątpliwą zaletą tej technologii jest to, że odbiornik ruchomy wykonuje pomiary na kolejnych punktach sieci tylko przez 1-2 minuty (rzeczywiście przemieszczając się z punktu na punkt na każdym punkcie tylko się "zatrzymujemy" i zaraz "idziemy dalej"). Jednak w ciągu całej sesji pomiarowej (w czasie pomiaru na punktach i nawet w czasie transportu instrumentu 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 itd. Przejazd pod drzewami, pod wiaduktem lub mostem przerywa pomiar. Technologię tę można zatem stosować tylko w otwartym, nie porośniętym i niezabudowanym terenie.
pseudo-statyczne (pseudo-kinematyczne) - Następną technologią usuwającą podstawową wadę technologii "stop and go" jest technologia pseudo-statyczna (pseudo-kinematyczna) polegająca na dwukrotnym pomiarze GPS na każdym wyznaczanym punkcie, lecz niewymagająca ciągłej nieprzerwanej łączności z satelitami podczas transportu odbiornika z punktu na punkt. W pomiarze biorą udział - jak zwykle - 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 (reoccupation). Ten podwójny pomiar GPS na każdym stanowisku przy różnych konfiguracjach satelitów zastępuje proces inicjalizacji. Zaletą tej technologii jest to, że nie jest wymagana łączność z satelitami podczas transportu odbiornika z punktu na punkt, wadą tej technologii jest natomiast konieczność dwukrotnego stawania na tym samym punkcie wyznaczanym.
Szybka statyczna - 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, jednak pomiar tą technologią można wykonać jedynie odbiornikami dwuczęstotliwościowymi (z kodem P) z wbudowanym specjalnym oprogramowaniem wewnętrznym. Czas obserwacji na stanowisku zależy od liczby obserwowanych satelitów i wynosi od około 10 do 20 minut przy obserwacji 6-4 satelitów. Istotą pomiaru jest szybkie wyznaczanie nieoznaczoności fazy przy wykorzystaniu kombinacji pomiarów kodowych i fazowych na obu częstotliwościach L1 i L2. Technologia ta należy dzisiaj do najczęściej używanych.
Pomiary DGPS (deferencyjne) są szczególnym przypadkiem pomiarów względnych GPS. Technologia DGPS opiera się w zasadzie na pomiarach nawigacyjnych kodowych (pseudoodległości) wykonywanych w czasie rzeczywistym, jednak w ostatnim czasie w technologiach tych zaczynają być stosowane również pomiary fazowe i opracowanie typu "postprocessing". Istotą technologii DGPS jest to, że stacja bazowa transmituje do odbiornika ruchomego poprawki, które są na bieżąco wykorzystywane przez odbiornik ruchomy do obliczania poprawionej pozycji anteny odbiornika ruchomego. Dokładność pomiarów DGPS opartych tylko na pomiarach kodowych wynosi 1-2 m. Jest to dokładność zupełnie wystarczająca dla celów nawigacyjnych, np. wyznaczania (ustalania) pozycji radiowozów policyjnych, ambulansów pogotowia ratunkowego, pojazdów straży pożarnej, pociągów, środków transportu samochodowego itd. Na tej zasadzie pracują dzisiaj różne systemy nawigacyjne morskie i lotnicze.
40. Zasada kodowego i fazowego wyznaczania pseudoodległości
(źródło: ASG-EUPOS)
W metodzie kodowej na sygnał satelitarny nakładany jest specjalny kod (poprzez modulację) - w przypadku systemu GPS wykorzystywane są 2 kody: C/A (ang. Coarse Aquisition - kod mniej dokładny) i P (ang. Precise - kod precyzyjny). Mierząc czas propagacji fali elektromagnetycznej (wiemy kiedy dany fragment kodu został wyemitowany przez nadajnik satelity oraz znamy moment dotarcia tego kodu do anteny odbiorczej) możemy określić drogę propagacji na podstawie prostego wzoru:
D = c / t
c - prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w ośrodku,
t - wyznaczony czas propagacji.
Naturalnie najsłabszym ogniwem powyższego równania jest prędkość c, którą jest bardzo trudno wyznaczyć z dużą precyzją z uwagi na niejednorodność ośrodka przez jaki przechodzi sygnał. Ponadto problemem jest synchronizacja czasu zegarów odbiornika i nadajnika fali elektromagnetycznej tak, aby wyeliminować jej wpływ na wynik.
Metoda fazowa pomiaru odległości polega na wyznaczeniu fazy sygnału docierającego do anteny odbiorczej. Jednakże określenie odległości D wymaga również znajomości liczby pełnych odłożeń (cykli fazowych) fali elektromagnetycznej na drodze nadajnik-odbiornik - tzw. nieoznaczoności fazy N. Odległość wyznaczona jest w ten sposób na podstawie wzoru:
D = (N + φ) · ΔD
ΔD - długość fali elektromagnetycznej,
N - nieoznaczoność fazy,
φ - pomierzona faza sygnału przychodzącego
W celu zmniejszenia wpływu ośrodka na wyznaczoną odległość do satelitów stosuje się pomiar na dwóch lub więcej powiązanych ze sobą częstotliwościach. Przykładowo w systemie GPS stosowane są obecnie dwie podstawowe częstotliwości L1 i L2, wprowadzana jest nowa, trzecia częstotliwość L5.