Segment kontrolny

Infrastruktura segmentu naziemnego składa się z 12 stacji nadzoru rozmieszczonych możliwie blisko i równomiernie. Stacje te usytuowane są w okolicach równika. Takie rozlokowanie umożliwia całodobowy monitoring każdego z satelitów przez co najmniej dwie stacje.
Segment naziemny odpowiada za utrzymanie sprawności technicznej systemu. Pełni rolę nadzorującą i kontrolną. Jego najważniejsze zadania to: ciągłe śledzenie wszystkich satelitów, obliczanie orbit oraz poprawek dla satelitów oraz ogólnie kontrolę i nadzór nad systemem. Wszelkie prace naziemne prowadzone przez stacje, służą zapewnieniu stabilności, poprawianiu jakości sygnału a zarazem wzrostowi dokładności w wyznaczaniu pozycji przez GPS. Główna stacja nadzoru mieści się w Colorado Springs. Sześć stacji zarządzanych jest przez NGA Zadaniem wszystkich stacji jest ciągłe monitorowanie ruchu satelitów. Obserwacje są wysyłane do głównej stacji nadzoru, gdzie wyliczane są nowe parametry orbit satelitów. Prognozowane parametry położenia są wysyłane do satelitów nie rzadziej niż co 48 godzin. Następnie już dzięki systemom zamontowanym na satelitach, następuje transmisja sygnału do odbiorników.

Omówić służbę IGS

W połowie lat osiemdziesiątych próbowano opracować międzynarodowe

standardy archiwizacji i opracowania obserwacji GPS. Rezultatem kilku lat dyskusji, prób i analiz oraz rocznego programu pilotażowego w 1993 roku decyzją IAG (ang. International Association of Geodesy) powołano międzynarodową służbę IGS, która 1 stycznia 1994 roku weszła w fazę operacyjną.

Międzynarodowa Służba GNSS (IGS, ang. International GNSS Service) jest związkiem ponad 200 ogólnoświatowych agencji, które zbierają dane z permanentncyh stacji GPS i GLONASS. Podstawowym celem IGS jest:

- opracowanie efemeryd precyzyjnych (Sygnał GPS zawiera w sobie informacje o układzie satelitów na niebie (tzw. almanach) oraz informacje o ich teoretycznej drodze oraz odchyleniu od niej (tzw. efemeryd)),

- globalnych modeli jonosfery i troposfery,

- prowadzenie badań w dziedzinie geodezji, geofizyki i geodynamiki,

- działalność w zakresie wdrażania technologii GNSS.

Jest to możliwe dzięki wszechstronnej koordynacji i organizacji współdziałania stacji GPS, których liczba szybko wzrasta, i które obsługiwane są przez rozmaite instytucje naukowo-badawcze na całym świecie (na zasadzie dobrowolnej współpracy). Duża ilość danych obserwacyjnych GPS, gromadzonych z sieci permanentnej IGS, jest archiwizowana według ściśle ustalonych standardów, które również opracowano w celu numerycznej obróbki obserwacji i redystrybucji wyników obliczeń.

IGS jest członkiem FAGS(ang. Federation of Astronomical and Geophysical Data Analysis Services) i działa w ścisłej współpracy z IERS (ang. International Earth Rotation Service). Dzięki prowadzonemu w ramach tej współpracy zagęszczaniu układu ITRF, możliwe jest określanie współrzędnych każdej stacji IGS w jednolitym globalnym układzie odniesienia z dokładnością rzędu 5 mm. Jest to jedno z najważniejszych zadań IGS, ale nie jedyne. Inne z nich to wyznaczanie:

- wysokiej jakości efemeryd satelitarnych GPS/GLONASS,

- parametrów ruchu obrotowego Ziemi,

- prędkości stacji (roczne i miesięczne),

- poprawek zegarów satelitów i odbiorników GPS,

- parametrów refrakcji jonosferycznej i troposferycznej,

- oraz pozyskiwanie obserwacji meteorologicznych, jako uzupełnienia obserwacji satelitarnych.

Wśród efemeryd precyzyjnych satelitów GPS wyróżnić można zależnie od szybkości otrzymania: szybkie predykowane (ang. IGS Ultra Rapid), szybkie (ang. IGS Rapid) oraz końcowe (ang. IGS Final). Realizację zadań IGS zapewnia hierarchiczna struktura organizacyjna, w skład której wchodzą: stacje podstawowe oraz lokalne sieci satelitarne, centra danych, centra analiz oraz stowarzyszone centra analiz (ang. Analysis and Associate Analysis Centers), koordynator analiz (ang. Analysis Coordinator), biuro centralne (ang. Central Bureau), kierownictwo (ang. Governing Board).

Obserwacje kodowe-charakterystyka

Pseudoodległość: miara odległości między stacją a satelitą;

Sposób pomiaru: mierzymy czas przejścia sygnału od SV do anteny odbiornika poprzez porównanie identycznych kodów PRN generowanych przez SV i odbiornik.

Główne błędy: niedokładność chodu zegarów odbiornika i satelity.

t^p - emisja sygnału PRN z SV

t_k - odbiór w odbiorniku

t^p - t_k czas przejścia sygnału od satelity do odbiornika

Równanie obserwacyjne pseudoodległości:

ρ^j_A - odległość geometryczna stacja-SV

dt^j - poprawka chodu zegara SV

djon - popr jonosferyczna

dtrop - popr troposferyczna

εp - błędy

pseudoodległość,-mierzony jest czas przejścia sygnału od satelity do anteny odbiornika, poprzez porównanie (korelację) identycznych kodów PRN generowanych przez satelitę i odbiornik. Pseudoodległość może być wyznaczana w oparciu o pomiary składowych sygnału związanych z modulacją kodem C/A (na L1) lub P (na L1 i L2). 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. Pomiar pseudoodległości wykorzystywany jest najczęściej do zastosowań nawigacyjnych, przy technice DGPS, gdzie nie są wymagane duże dokładności. Czasem pomocniczo w innych zastosowaniach.

Obserwacje fazowe-charakterystyka

Pomiary fazowe - obserwacja fazowa jest różnicą pomiędzy fazą sygnału SV zmierzoną w odbiorniku a fazą sygnału generowanego w odbiorniku w danej epoce czasu.

φ_A^j(t) = φ^j(t) - φ_A(t)

Równanie obserwacyjne pomiaru fazowego:

λ-długość fali

N - nieoznaczoność

- Pomiar fazowy to różnica pomiędzy fazą sygnału satelity a fazą sygnału generowanego w odbiorniku w danej epoce czasu t. Jest to pomiar końcówki cyklu. Do pełnego pomiaru dochodzi jeszcze pomiar fazowy zakumulowany, czyli pomiar końcówki cyklu plus odczyt z licznika zliczającego zmiany fazy. Typowa dokładność tego pomiaru jest rzędu 1 mm. Pomiar fazy charakteryzuje się nieoznaczonością o wielkości równej długości fali nośnej L1 i L2. Usuwanie nieoznaczoności w pomiarach fazowych jest złożonym procesem obliczeniowym. Pomiar fazowy jest wykorzystywany do bardzo dokładnej nawigacji techniki RTK i w pomiarach geodezyjnych, geodynamicznych, gdzie wymagane są dokładności milimetrowe.

Pojedyncza różnica Podwójna różnica

Φ_ABⁱ(t) = Φ_Bⁱ(t) - Φ_Aⁱ(t) Φ_AB^ij(t) = Φ_AB^j(t) - Φ_ABⁱ(t) - X_AB^ij = x_B^j - x_Bⁱ - x_A^j + x_Aⁱ

Potrójna różnica

Φ_AB^ij(t₁₂) = Φ_AB^ji(t₂) - Φ_AB^ij(t₁)

Omówić system ASG-EUPOS

EUPOS jest to system pozycjonowania, udział w nim bierze szesnaście państw Europy Środkowej i Wschodniej. Są to: Bułgaria, Bośnia i Hercegowina, Czechy, Estonia, Litwa, Łotwa, Macedonia, Niemcy, Polska, Rumunia, Rosja, Serbia, Słowacja, Słowenia, Ukraina i Węgry. Budowane w ramach programu EUPOS krajowe systemy pozycjonowania, oparte są na tym samym standardzie, co pozwala na wymianę danych. W swoich założeniach projekt EUPOS posiada następujące cechy:

• wielofunkcyjność,

• wspomaganie nawigacji lądowej, powietrznej i morskiej,

• wspieranie precyzyjnych pomiarów geodezyjnych,

• dane geodezyjne są wyznaczane w układzie odniesienia będącym realizacją systemu EUREF'89, a następnie przeliczane do narodowych układów współrzędnych,

• jednolity standard techniczny, kompatybilny z niemieckim systemem SAPOS,

• odległość pomiędzy stacjami referencyjnymi powinny być mniejsze od 70 km,

dane z przygranicznych stacji referencyjnych będą udostępnianie pomiędzy krajami członkowskimi

ASG - EUPOS jest wielofunkcyjnym systemem pozycjonowania satelitarnego, opartego na powierzchniowej sieci stacji referencyjnych GNSS, w którym udostępniane są poprawki oraz dane obserwacyjne dla obszaru Polski. System ASG - EUPOS składa się z trzech segmentów, są to: segment odbiorczy, centrum zarządzające oraz segment użytkownika.

Zadaniem segmentu odbiorczego jest zbieranie danych obserwacyjnych i przekazywanie ich w czasie rzeczywistym do Centrum Obliczeniowego. W skład segmentu odbiorczego wchodzą także stacje referencyjne, mają one wyznaczone współrzędne w układzie EUREF'89 a także w układach państwowych. Stacje referencyjne zlokalizowane są na budynkach administracji państwowej lub innych budynkach publicznych, w taki sposób aby zapewnić dogodne warunki obserwacji satelitów, zainstalowano w nich precyzyjne odbiorniki dwuczęstotliwościowe. Obecnie działają osiemdziesiąt cztery stacje z modułem GPS, czternaście stacji GPS/GLONASS oraz dwadzieścia stacji zagranicznych.

Centrum Zarządzające ma za zadanie obliczanie i udostępnianie danych, na podstawie obserwacji wysyłanych na bieżąco ze stacji referencyjnych. Obliczenia dokonywane są automatycznie, a pracownicy centrum zarządzającego odpowiadają jedynie za wykonywanie testów poprawności działania systemu. Bezpośrednio z Centrum Zarządzającego można pobrać pliki obserwacyjne z poszczególnych stacji lub przesłać własne pliki i uzyskać precyzyjną pozycję. Oprócz tego Centrum Zarządzające pełni funkcję związaną z konserwacją państwowego układu odniesienia - cotygodniowe kontrolne pomiary pozwalają na bieżącą kontrolę stałości położenia stacji, które stanowią punkty podstawowej osnowy geodezyjnej I klasy. Centra obliczeniowe znajdują się w Warszawie i Katowicach.

ASG - EUPOS daje możliwość skorzystania z różnych serwisów, są to serwisy czasu rzeczywistego, oraz tak zwane serwisy postprocesingu.

System ASG - EUPOS umożliwia korzystanie z następujących serwisów (usług):

• POZGEO - serwis automatycznych obliczeń w trybie postprocesingu obserwacji GNSS (?w chwili obecnej faktycznie jedynie z systemu GPS?) wykonywanych metodą statyczną, z deklarowanym błędem średnim wyznaczenia współrzędnych nie większym niż 0,01 m przy wykorzystaniu odbiornika L1/L2 i nie większym niż 0,1 m przy wykorzystaniu odbiornika L1,

• POZGEO D - serwis pobierania obserwacji satelitarnych GNSS w formacie RINEX z wybranych przez użytkownika stacji referencyjnych systemu ASG -EUPOS, ?teoretycznie, po spełnieniu szeregu wyspecyfikowanych kryteriów i warunków, pozwalający na osiągnięcie najwyższych „gwarantowanych” przez system dokładności wyznaczeń współrzędnych pnktów,?

• KODGIS - serwis udostępniający poprawki RTK/DGNSS, umożliwiający wyznaczenie współrzędnych z błędem średnim nie większym niż 0,25 m przy korzystaniu z odbiornika L1/L2 oraz nie większym niż 1,5 m przy wykorzystaniu odbiornika L1,

• NAWGIS - serwis udostępniający poprawki DGNSS, umożliwiający wyznaczenie współrzędnych z błędem średnim nie większym niż 3,0 m przy wykorzystaniu odbiornika L1,

• NAWGEO - serwis udostępniający poprawki RTK, umożliwiający wyznaczenie współrzędnych płaskich z błędem średnim nie większym niż 0,03 m oraz wysokości z błędem średnim nie większym niż 0,05 m przy wykorzystaniu odbiornika L1/L2 RTK. W systemie ASG-EUPOS udostępniane są trzy rodzaje poprawkek sieciowych: VRS (ang. Virtual Reference Station), MAC (ang. Master and Auxiliary Concept) oraz FKP (niem. Flächenkorrekturparameter). Dla użytkownika nie jest istotne, z którego formatu korzysta ponieważ informacje w nich zawarte generowane są przez to samo oprogramowanie i dają bardzo zbliżone rezultaty. Testy przeprowadzone przez wykonawcę systemu oraz zewnętrzne podmioty potwierdzają, że w optymalnych warunkach pomiarowych wszystkie poprawki pozwalają osiągnąć powtarzalność wyznaczeń w granicach ±0,03 m w poziomie i ±0,05 m w pionie. Do wygenerowania strumienia poprawek w oparciu o dane z grupy stacji ASG-EUPOS, system obliczeniowy musi mieć informację o przybliżonej pozycji użytkownika, przesyłanej w depeszy NMEA GGA. w odpowiedzi na przybliżoną pozycję użytkownika, moduł obliczeniowy systemu ASG-EUPOS generuje strumień poprawek sieciowych w wybranym formacie i przesyła go protokołem NTRIP w formacie RTCM. Oprócz poprawek sieciowych dostępne w serwisie NAWGEO są także poprawki z pojedynczej stacji, jednak wraz ze wzrostem odbiornika od stacji referencyjnej zmniejsza się dokładność wyznaczenia pozycji, dlatego zalecane jest wykorzystywanie poprawek sieciowych. Współrzędne punktów pomierzonych metodą RTK z wykorzystaniem poprawek z serwisu ASG - EUPOS są wyznaczane w geodezyjnym układzie odniesienia, który jest realizowany przez stacje referencyjne serwisu.

System ASG - EUPOS:

• stanowi zagęszczenie sieci EPN i realizuje stabilny i jednolity układ odniesienia zgodny z europejskim systemem odniesienia ETRS'89,

• wraz z punktami sieci EUREF-POL, POLREF i EUVN stanowi osnowę podstawową kraju,

• dotychczasową hierarchiczność osnów zastępuje bezpośrednim nawiązaniem do aktywnych punktów I klasy,

• stopniowo zacznie zanikać potrzeba zakładania osnów pośrednich, którymi są osnowy poziome II i III klasy, a w osnowach wysokościowych sieci III klasy i osnowy IV klasy,

• potrzeba osnów szczegółowych będzie ograniczona do obszarów bardzo zurbanizowanych i zadrzewionych,

• stwarza dużą szansę na popularyzację systemu GNSS i jego wykorzystanie w pracach geodezyjnych i kartograficznych,

• w wielu zastosowaniach stwarza możliwości zwiększenia efektywności pracy i zmniejszenia ich kosztów,

• dla zapewnienia pełnego i optymalnego jego wykorzystania wymaga pilnego dokończenia pewnych prac na przykład wykonania dowiązania niwelacyjnego wszystkich stacji systemu.

System Współrzędnych - Jest to zespół stałych i definicji niezbędny do jednorodnego

opracowania danych geodezyjnych. W ramach systemu współrzędnych określona jest geometria Ziemi

(w dotychczasowych systemach jest to elipsoida obrotowa, ale może być również elipsoida trójosiowa

lub inna powierzchnia), orientacja układu współrzędnych, stała grawitacji, prędkość światła, skala

czasu, itp. Rodzaj i wartość stałych zależy od rodzaju systemu i technik pomiarowych, dla jakich

został zdefiniowany. Inne stałe zdefiniowane zostały dla systemów globalnych GRS1980 (Geodetic

Reference System 1980) i WGS84 (World Geodetic System 1984) a inne dla „Systemu odniesienia

krajów socjalistycznych 1942”.

Układ Współrzędnych Geodezyjnych - Zgodnie z Polską Normą jest to układ

współrzędnych, w którym położenie punktów w przestrzeni zdefiniowano poprzez odpowiedni dobór

powierzchni odniesienia, sposobu rzutowania, rodzaju współrzędnych oraz początku układu.

Porównując obydwie definicje można przyjąć, że układ współrzędnych geodezyjnych jest fizyczną

realizacją systemu współrzędnych. A także, że takich realizacji (układów) może być w ramach

systemu więcej niż jedna.

W przypadku systemu ITRS (International Terrestial Reference System) mamy kolejne realizacje

układu ITRF (International Terrestrial Reference Frame) - ITRF94, ITRF96, ITRF2000 i aktualny

ITRF2005.

SLAJdY Z WYKŁADU

System WGS‐84 został opracowany przez DoD i jest wykorzystywany do wyznaczania

parametrów orbit satelitów GPS nadawanych w depeszy nawigacyjnej

WGS‐84 jest systemem CTS (Conventional Terrestrial Reference System) i bazuje na

GRS‐80 (elipsoida GRS80, model geoidy EGM96)

System WGS‐84 jest realizowany poprzez współrzędne stacji NGA i USAF

W latach 1994, 1996, 2002 wyznaczano kolejne realizacje WGS‐84

i na przestrzeni lat powstały układy:

WGS‐84(G730)

WGS‐84(G873)

WGS‐84(G1150) - obecnie obowiązujący i zgodny z układem

ITRF2000 w granicach kilku cm

International Terrestrial Reference System (ITRS)

ITRS został zdefiniowany przez przestrzenny obrót względem nie obracającego się systemu

geocentrycznego ICRS (Międzynarodowy Niebieski System Odniesienia) przy zachowaniu

następujących warunków:

�� jest systemem geocentrycznym o początku w centrum mas Ziemi (łącznie z oceanami i

atmosferą)

�� jednostka długości jest metr (SI)

�� orientacja ITRS jest zgodna z orientacja Międzynarodowego Biura Czasu (Bureau International

de l'Heure) BIH dla epoki 1984.0

�� zmienność orientacji w czasie jest określana poprzez zastosowanie warunku, że globalna suma

poziomych ruchów tektonicznych nie zawiera składowych obrotu.

International Terrestrial Reference System (ITRS) (http://www.iers.org)

ITRS jest pierwszym systemem kinematycznym i jest realizowany poprzez estymację

współrzędnych i prędkości stacji w oparciu o obserwacje VLBI, LLR, GPS, SLR i DORIS

prowadzone na tych stacjach.

Realizacje te noszą nazwę: International Terrestrial Reference Frame (ITRF ‐Międzynarodowy Ziemski Układ Odniesienia).

Co kilka lat na podstawie nowych obserwacji wyznaczana jest nowa realizacja systemu

ITRS nazywana ITRFxx, gdzie xx oznacza rok realizacji,

np.: ITRF96, ITRF2000 i obecnie obowiązująca ITRF2005 (ITRF2008 jest w

przygotowaniu)

Europejski Ziemski System Odniesienia

European Terrestrial Reference System 89 (ETRS89)

Definicja

Zgodnie z Rezolucja nr 1 Podkomisji EUREF Międzynarodowej Asocjacji Geodezji (IAG) ziemski

system odniesienia EUREF jest zgodny z ITRS na epokę 1989.0 przy założeniu stałości Płyty

Euroazjatyckiej i nazywa się Europejski Ziemski System Odniesienia 89 (European Terrestrial

Reference System 89 ‐ ETRS89)

Realizacja

Układ ETRF jest realizacja systemu ITRS na epokę t0 = 1989:0 (ITRF89). Rozwiązanie to nosi nazwę

ETRF89 i stanowi układ odniesienia dla większości państw europejskich. Od roku 1997 układ ETRF

jest realizowany przez siec stacji permanentnych (EUREF Permanent Network ‐ EPN).

System ETRS'89 jest standardowym, precyzyjnym systemem współrzędnych dla całej Europy

wspieranym przez UE

ETRS'89 jest podstawą wszystkich geodezyjnych, geodynamicznych i geograficznych

projektów w całej Europie zarówno na poziomie narodowym jak i międzynarodowym

ETRS'89 jest zarządzany przez podkomisję EUREF IAG

Sieć EPN realizująca układ ETRF'89 zrzesza ponad 100 europejskich instytucji (w tym UWM)

EPN CB znajduje się w Royal Obserwatory of Belgium

Realizacja układu ETRF'89 w Polsce (EUREF‐89)

Geodezyjny układ odniesienia, zwany dalej

"EUREF‐89", jest rozszerzeniem

europejskiego układu odniesienia ETRF'89

na obszar Polski, w wyniku kampanii

pomiarowej EUREF‐POL 92,

Układ współrzędnych płaskich prostokątnych "2000"

�� Układ współrzędnych płaskich prostokątnych "2000" jest

utworzony na podstawie matematycznie jednoznacznego

przyporządkowania punktów powierzchni Ziemi odpowiednim

punktom na płaszczyźnie według teorii odwzorowania

kartograficznego Gaussa-Krügera.

�� Obszar kraju dzieli się na cztery pasy południkowe o szerokości

3° długości geograficznej, każdy i o południkach osiowych: 15°,

18°, 21° i 24° długości geograficznej wschodniej, ponumerowane

odpowiednio numerami: 5, 6, 7 i 8.

�� Współczynnik zmiany skali w południku osiowym każdego pasa

południkowego równa się 0.999923.

�� Punkt przecięcia się obrazu równika z obrazem południka

osiowego otrzymuje współrzędną x = 0, a punkty leżące na

południku osiowym współrzędną y = 500.000 m.

�� W celu jednoznacznego określenia położenia punktu przed

współrzędną y podaje się numer pasa południkowego, co dla

przykładu punktów leżących na południku osiowym oznacza:

• 5.500.000 m przy południku Lo = 15°

• 6.500.000 m przy południku Lo = 18°

• 7.500.000 m przy południku Lo = 21°

• 8.500.000 m przy południku Lo = 24°.

---