1. Budowa systemu GPS

Segment satelitarny (kosmiczny) jest konstelacją składającą się z co najmniej 24 satelitów (obecnie 32). Każdy z satelitów transmituje informację czasową oraz dane nawigacyjne. Satelity rozmieszczone są na 6 orbitach nachylonych pod kątem 55⁰ do równika, na wysokości około 20200km.

Segment nadzoru składa się z:
- Głównej stacji analizująca stan techniczny satelitów i decydująca o koniecznych korektach,
- bezzałogowych stacji śledzących, które stale mierzą pseudodległości, fazy nośne i gromadzą depesze nawigacyjne satelitów, (obserwacje satelitów, tworzenie skali czasu, kontrola efemeryd).
- stacje korygujące przesyłające dane aktualizujące pamięć satelitów, synchronizujące czas zegara satelity i inne komendy dotyczące ich funkcjonowania. (Anteny nadawcze- przesyłanie danych na satelitę.

Segment użytkowników składa się z różnorodnych odbiorników służących do odbioru oraz przetwarzania sygnału i dekodowania informacji satelitarnej. Zastosowania nawigacyjne, geodezyjne, transfer czasu.

2. Właściwości GPS:

- jest radiowym satelitarnym systemem wyznaczania pozycji, prędkości oraz transferu czasu

-jest systemem globalnym (dostępnym w każdym punkcie na ziemi).

-sygnał jest udostępniany nieodpłatnie od nieograniczonej liczby użytkowników wyposażonych w odpowiedni sprzęt.

3. Wyjaśnij pojęcia dane efemerydalne

Dane efemerydalne- szczegółowe elementy orbitalne satelity (obliczenie jego współrzędnych, określenie momentu wysłania sygnału, ustalenie czasu systemu GPS).

4. Co to PDOP?
   Błąd rozmycia dokładności pozycji (PDOP) - Stosunek pomiędzy w obliczeniu pozycji użytkownika a błędem w obliczeniu pozycji satelity, informuje o tym kiedy rozmieszczenie satelitów pozwoli uzyskać najdokładniejszy wynik. Pożądany PDOP jest mniejszy od 3. Wartości większe od 7 są bardzo niekorzystne.

5. Współczynnik DOP
   
   Wielkości DOP są pochodną konfiguracji geometrycznej układy satelity - odbiornik
   Interpretacje geometryczna współczynnika DOP można zapisać jako stosunek objętości wielomianu foremnego do objętości wielościanu obserwowanego. Im objętość obserwowanej figury będzie większa, tym lepsza geometria oraz mniejszy współczynnik DOP (lepsze warunki geometryczne)
   
   

6. Co to almanach?
   Almanach - dane dotyczące aktualnego stanu systemu, w tym przybliżone elementy orbitalne wszystkich satelitów, których znajomość przyśpiesza proces akwizycji i efemerydę - dokładne elementy orbitalne satelity nadającego depeszę, niezbędne do wyznaczania czasu i pozycji. Dodatkowo transmitowane są dane o stanie satelitów, aktualne współczynniki do obliczenia opóźnienia jonosferycznego i dane do obliczenia czasu UTC.

Almanach- stan systemu GPS, przybliżone elementy orbit satelitów ( określenie konfiguracji systemu oraz przyspieszenie procesu akwizycji).

7. Charakterystyka depeszy nawigacyjnej

-częstotliwość = 50 Hz nałożony na obydwa kody P(Y) i C/A

- dzieli się na 25 ramek o długości 1500 bitów.

- czas transmisji 30 sek. - pełna po 12,5 min

- zawiera wszystkie inf. o satelitach:

Almanach(przybliżone położenie satelity),

Współczynniki modelu opóźnienia jonosferycznego

Poprawki zegarów satelitarnych

Efemerydy pokładowe satelitów

8. Jakie rodzaje sygnałów transmituje satelita?
   
   Satelita GPS ciągle transmituje kodowane fazowo sygnały na 2 częstotliwościach fal radiowych L1 i L2 będących wielokrotnościami częstotliwości podstawowych
   L1 = 154•f0 = 1575,42 MHz
   L2 = 120•f0 = 1227,60 MHz
   
   Używane są dwa czynniki rozpraszające:

Kod C/A kod ogólnodostępny (coarse/acquisition-akwizycji zgrubnej) modulowany na częstotliwości L1. Długośc kodu wynosi 1023 bitów odmiennych dla każdego satelity. Czestotliwość = 1.023 MHz, Czas transmisji kodu 1 milisekunda.

Kod P/Y zarezerwowany dla celów militarnych USA i innych upoważnionych odbiorców (precise-dokładny) moduluje obie częstotliwości L1 i L2. Kod P jest sekwencją trwającą 266 dni, każdy z satelitów ma przypisany jednotygodniowy segment tego kodu. Struktura kodu jest niejawna. Częstotliwość = 10.23 MHz (dł. Fali = 29.31 m)

Depesza nawigacyjna nałożona jest na kod P i kod C/A. Dane depeszy nawigacyjnej uaktualniane są co 4 h. Depesza zawiera dane efemerydalne i dane o zegarze oraz almanach. Dodatkowo transmitowane są dane o "zdrowiu" satelitów, współczynniki do modelu opóźnienia jonosferycznego, współczynniki umożliwiające obliczenie czasu UTC.

9. Jakie błędy występują w pomiarach GPS?
   
   I Błędy wynikające z działania systemu:
   -Błędy efemeryd
   Różnica między prawdziwymi a podawanymi w depeszy nawigacyjnej położeniami satelity na orbicie.
   Wynikają one z niedokładności modelu ruchu satelity oraz nieprzewidywalnych perturbacji, a także mogą być fałszowane degradacja sygnału SA (do 2.1m)
   
   - Zegara w satelitach i odbiornikach
   Spowodowany niedokładną synchronizacją wzorców satelitarnych do czasu GPS
   
   - Wynikające z konstelacji satelitów (DOP)
   Wzajemne geometryczne ustawienie satelitów. (im mniejszy DOP tym lepiej)
   
   II Wynikające z faktu propagacji sygnału w ośrodku materialnym oraz błędy powstające w urządzeniach odbiorczych oraz celowe zakłócenia (SA)
   
   -Refrakcja jonosferyczna
   Obecność swobodnych elektronów w jonosferze zmienia kierunek i prędkość propagacji sygnału satelitarnego GPS. Zależy od stanu aktywności jonosfery, może wynosić od kilku metrów do 10-20 w czasie jej silnej aktywności
   - Refrakcja troposferyczna
   Na zniekształcenie pomiaru odległości do satelity wpływają zmiany prędkości rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w troposferze na skutek zmian gęstości powietrza, wilgotności, temperatury i ciśnienia. Wpływ na błędy pseudodległości wynoszą 2m dla satelity w zenicie i aż 20 -25 dla satelity o wys. horyz. 5º. Błędy refrakcji troposferycznej można wyeliminować do 90% w pomiarach GPS używając modelu uwzględniającego wysokość elewacji satelity.
   -Multipath (wielotorowość)
   Ma miejsce wtedy, gdy do anteny odbiornika docierają nie tylko sygnały bezpośrednio (najkrótszą drogą) lecz także odbite od obiektów będących w pobliżu anteny. Błąd pomiaru pseudodległości w granicach 10 do 20 m, a w pewnych przypadkach, wśród wysokich budynków nawet do 100m.
   Wpływ efektu multipath można określić z pewnym przybliżeniem wykorzystując 2-częstotliwoścowe obserwacje kodowe i fazowe lub stosując specjalne anten, które niwelują efekt odbić sygnałów.
   -SA - patrz niżej
   
   5. Opisać SA
   
   Ze względów strategicznych przewidziano dwa poziomy dostępu - dostęp standardowy dla odbiorców cywilnych oraz precyzyjny dla armii USA. Standardowy dostęp ze względów technicznych daje dokładność rzędu kilku metrów. Jednak ze względu na możliwość zastosowania nawet takiej informacji w działaniach militarnych, sygnał cywilny był zakłócany pseudolosowym błędem - w wybranych miejscach Ziemi, a później globalnie. Dokładność ustalenia pozycji spadała do około 100 m w płaszczyźnie i do ok 150 w pionie. Błąd ten można było kompensować pod warunkiem znajomości metody zakłócania, oczywiście tajnej. Zakłócanie sygnału nazywane było Selective Availability. Selective Availability polegało na wprowadzeniu zmian parametrów orbit w depeszy nawigacyjnej oraz zaburzenia częstotliwości zegara satelity. Cywilni odbiorcy znaleźli co prawda metody na omijanie tych zakłóceń - wystarczyło stojąc w jednym miejscu uśredniać wskazania przez dłuższy okres czasu. Taki sposób nie nadawał się jednak do zastosowania np. na pocisku kierowanym przez GPS. Odbiorniki cywilne są wyposażane w zabezpieczenia uniemożliwiające zastosowanie ich w niektórych dziedzinach. W szczególności, przestają działać po przekroczeniu pewnej prędkości - starsze odbiorniki 160 km/h, nowsze rzędu 1665 km/h. 1 maja 2000 prezydent USA Bill Clinton nakazał usunięcie celowego zakłócania sygnału, dzięki czemu dokładność określania pozycji dla zwykłych użytkowników wzrosła do około 4-12 m.
   

10. Pomiar pseudoodległości

Pomiar pseudoodległości polega na wyznaczeniu w odbiorniku satelitarnym GPS podziału czasowego między momentem odbioru sygnału t_u a momentem transmisji sygnału z satelity t_s. W momencie zidentyfikowania satelity i jego numeru PRN rozpoczyna się generowanie takiego samego kodu PRN. W następnej kolejności replika kodu jest przesuwana aż do mamentu maksymalnej korelacji z kodem PRN danego satelity. Wzór: ρ=c*∆t_p= c*(t_u-t_s)

R= c*∆t_p = c*(∆t_wu - ∆t_ws - ∆t_su)

ρ prawdziwa odległość, odległość topocentryczna

t_s moment wysłania sygnału przez nadajnik,

t_u moment w którym powinien być odebrany sygnał przy braku opóżnienia ∆t_su

∆t_ws odchyłka wzorca nadajnika satelity

∆t_wu odchyłka wzorca odbiornika użytkownika

R pseudoodległlość

11. Zastosowanie GPS
    
    1. Pomiary statyczne
    -projektowanie sieci osnów gps
    - wyznaczanie współrz. punktów osnów geodezyjnych
    - transformacje współrzędnych do układów lokalnych
    - modernizacje szczegółów osnowy geodezyjnej
    - modernizacje ewidencji gruntów
    2. Dynamiczne techniki DGPS i RTK
    - nawigacja pojazdów
    - inwentaryzacja istniejących osnów geod.
    - wytyczanie tras rurociągów
    - tworzenie mapy numerycznych
    3. Nawigacja i monitoring pojazdów
    - nawigacja lądowa
    ♣ samochodowa
    ♣ policja, straz pozanra itp
    - powietrzna
    - po wodzie
    ♣ batymetryczne
    ♣ zanieczyszcenia - monitorowanie

12. Budowa odbiornika GPS
    
    -zegar (wykorzystujący oscylator kwarcowy) stanowiący wzorzec czasu i częstotliwości
    -generator ciągów losowych, którymi modulowane są sygnały nadawane przez GPS
    - antena
    - źródło zasilania
    - nośnik danych
    - interface użytkownika
    

13. Konstelacja satelitów
    
    Orbity satelitów są równomiernie rozmieszczone wokół kuli ziemskiej. Oprócz 21 satelitów podstawowych krążą 3 aktywne rezerwowe, uzupełniające „wątpliwe” miejsca w konstelacji. Wszystkie 24 są rozmieszczone na orbitach w taki sposób, aby w każdym punkcie globu znajdowały się co najmniej cztery nad horyzontem obserwatora. Satelity umieszczone są na wysokości ok. 20 200 km.
    
    Orbity satelitów GPS:
    - sześć orbit po 4 satelity każda
    - mimośród bliski zeru (orbity prawie kołowe)
    - okres obiegu ok. 12 h gwiazdowych
    - nachylenie 55°
    - równomierne cofanie się węzłów wstępujących 6 płaszczyzn orbitalnych
    - znikomy wpływ perturbacji atmosfery
    

14. Porównać pomiary odległości od satelity kodowe z fazowymi

Pomiar odległości od satelitów
Kodowe	Fazowe
Dokładność metrowa	Dokładność centymetrowa, milimetrowa
Jeden pomiar do 4 satelitów pozwala na wyznaczenie współrzędnych punktu w przestrzeni	Wymagana inicjalizacja odbiornika (wyznaczenie pełnej liczby cykli n)
Nie jest wymagana inicjacja odbiornika	Obecnie często stosowana metoda szybkiej inicjalizacji OTF wymagająca łącznego wykorzystania pomiarów kodowych i fazowych
Metoda wygodna w zastosowaniach nawigacyjnych

15. Dokładność GPS
    
    autonomiczna - do 5m
    DGPS - do 1m (0,5-do 3m w zależności od sprzętu)
    RTK - 2-3cm
    

16. Pomiary kodowe DGPS
    
    Metoda lokalnych pomiarów różnicowych. DGPS wykorzystuje do wyznaczania pozycji w czasie rzeczywistym kodowe pomiary pseudodległości na częstotliwości L1.
    Używa się co najmniej 2 odbiorników, 1 z nich umieszczony na punkcie o znanych, precyzyjnie wcześniej wyznaczonych, współrzędnych i stanowy tzw. stację referencyjną. Drugi ruchomy odbiornik określa pozycję anteny i poprawia ją wykorzystując odebrane ze stacji referencyjnej poprawki poprzez radiomodem lub telefon komórkowy.
    W ten sposób eliminowane są błędy:
    -wpływ jonosfery i troposfery na propagację sygnału radiowego
    - błędy zegara satelity
    - błędy efemerydalne
    - SA
    Całkowicie wyeliminowane zostały błędy zegara satelity (ok. 2m) oraz degradacji SA (ok. 30m). Błąd opóźnienia jonosferycznego z ok. 8m może zmniejszyć do ok. 0.4m, zaś opóźnienia troposferycznego z ok. 2m do ok. 0.3m
    Pozycję obiektu ruchomego można w czasie rzeczywistym wyznaczyć z dokł. 0,5-do 3m w zależności od sprzętu i warunków satelitarnych w trakcie obserwacji.
    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.

17. Jakie błędy eliminuje DGPS?
    
    Całkowicie wyeliminowane zostały błędy zegara satelity (ok. 2m) oraz degradacji SA (ok. 30m). Błąd opóźnienia jonosferycznego z ok. 8m może zmniejszyć do ok. 0.4m, zaś opóźnienia troposferycznego z ok. 2m do ok. 0.3m

18. Oblicz ∆L i ∆B dla danej szerokości β= 54⁰04^'37^'' oraz φ=? R=637100

19. Obliczyć ∆L dla szerokości 0⁰,30⁰,60⁰,90⁰.

20. Parametry odbiornika GPS

- czas akwizycji: zimny start: odbiornik będzie nieużywany przez czas dłuższy niż miesiąc

Ciepły start: odbiornik był niedawno używany

-czas reakwizycji: czas potrzebny na to aby odbiornik po chwilowym zaniku sygnału mógł ponownie wyznaczyć współrzędne np. przy wjeździe do tunelu.

-czy ma możliwość pracy w trybie różnicowym DGPS I RTK. Odbiorniki poprawiają sygnał z satelity i opierają się o wyniki stacji referencyjnych

- musi być możliwość zdefiniowania własnego układu współrzędnych

- możliwość importowania map i podkładów cyfrowych (wektorowych)

- możliwość podłączenia anteny zewnętrznej

-dopuszczalna dynamika (jakim obciążeniom +- przyśpieszenia można wygenerować aby odbiornik przesłał wyznaczać współrzędne)

-soft w odbiorniku.

21. Obliczyć prędkość liniową z jaka porusza się satelita po orbicie wiedząc, że wysokość satelity nad elipsoidą ziemską to 20200 km , promień ziemi R= 6371 km, a czas w jakim satelita okrąża orbitę to t=0,5 doby gwiazdowej (11h 58min 57 sek) Wyniki podaj w km/s z dokładnością do 1/100 km/s

---