PYTANIA NA EGZAMIN Z GEODEZJI SATELITARNEJ

1. Krótko omówić altymetrię satelitarną.

• jedna z metod geodezji satelitarnej stosowana do wyznaczania geoidy i parametrów pola grawitacyjnego Ziemi na obszarze mórz i oceanów. Polega na precyzyjnym pomiarze odległości sztucznego satelity od powierzchni mórz i oceanów za pomocą umieszczonego na nim altimetru. Podstawową część altimetru stanowi dalmierz mikrofalowy (np. radar), a w pomiarze jest wykorzystywane zjawisko odbicia fal elektromagnetycznych od powierzchni wody; dokładność współczesnych altimetrów jest większa od 1 dm. Znając parametry orbity sztucznego satelity i jego pozycję względem Ziemi w momencie pomiaru (wyznaczone na podstawie obserwacji naziemnych lub specjalnych metod nawigacyjnych), przypisuje się zmierzone odległości konkretnym punktom na Ziemi. W jednym cyklu pomiarowym, trwającym kilka miesięcy, uzyskuje się sieć punktów pokrywających powierzchnię mórz i oceanów całej kuli ziemskiej, a następnie wyznacza geoidę na ich obszarze. Altimetria satelitarna dostarcza danych o zasięgu globalnym w stosunkowo krótkim czasie, co daje możliwość badania zmian powierzchni mórz i oceanów całej kuli ziemskiej w zależności od pory dnia, roku itp. Pomiary prowadzone w większym przedziale czasu dostarczają danych do badań pływów oceanicznych, prądów morskich i in.

• Altimetria satelitarna polega na wyznaczeniu odległości impulsowego nadajnika-odbiornika radarowego umieszczonego na orbicie (o wysokości ok. 700 do 1500 km) od rzeczywistej, chwilowej powierzchni morza. Do satelitarnych pomiarów altimetrycznych stosuje się radary pracujące w zakresie częstotliwości 14 GHz. Precyzję radarów altimetrycznych można obecnie szacować w przedziale +/- (0,1-0,03) m. Wynik pomiaru jest wartością uśrednioną do kręgu powierzchni morza o średnicy kilku do kilkunastu kilometrów.

Podstawowe równanie altimerii:

N = | r - R | - H - Δh

gdzie: N - wysokość geoidy nad elipsoidą (undulacje dochodzą do 100 m), r - promień wodzący satelity (wektor), R - promień wodzący punktu na elipsoidzie (wektor), H - mierzona wysokość, Δh - różnica wysokości powierzchni wody i geoidy (osiąga średnio wartości ok. 1m - można zaniedbać przy dokładności 1m).

Pomiar altimetryczny pozwala na wyznaczenie wysokości satelity nad powierzchnią morza z dokładnością 1dm. Najpowszechniej znane są wyznaczenia geoidy z misji satelitów: Skylab dokładność mierzonych wysokości szacuje na ok. 3m., GEOS-3 ok. +/-0,5 m., SEASAT ok. +/-0,1 m, GEOSAT. Pomiar altimetryczny pozwala wyznaczyć kształt powierzchni wód oceanicznych. Kształt powierzchni wód odbiega od kształtu geoidy ze względu na występowanie: prądów morskich, falowania wód oceanicznych, wiatrów, różnic ciśnień atmosferycznych, różnic zasolenia wód itd. Altimetria satelitarna ma znaczący udział w tworzeniu coraz dokładniejszych modeli potencjału grawitacyjnego Ziemi.

2. Wymienić i opisać segmenty składowe systemu GPS.

Segment kosmiczny

pytanie 3

Segment naziemny

Składa się z Głównej Stacji Nadzoru (MCS - Master Control Station) w Bazie Sił Powietrznych Falcon w Colorado Springs i stacji monitorujących na Hawajach, w Kwajalein, Diego Garcia i Ascesion. Wszystkie stacje monitorujące wyposażone są w anteny do łączności dwustronnej z satelitami. Stacje monitorujące biernie śledzą wszystkie widoczne satelity. Dane ze stacji monitorujących przesyłane są do MCS gdzie wyznaczane są efemerydy satelitów i parametry ich zegarów. MCS okresowo przesyła satelitom efemerydy i poprawki zegara w celu ich retransmisji w depeszy nawigacyjnej.

Stacje naziemne systemu:

• Prowadza ciągły nasłuch sygnałów z satelitów,

• sprawdzają poprawność działania satelitów,

• komunikują się ze stacja główną na specjalnych kanałach łączności.

Stacja centralna ma za zadanie:

• obliczanie parametrów orbit satelitów ( efemeryd ),

• wyznaczanie poprawek zegarów satelitów,

• przekazywanie do satelitów danych efemeryd i poprawek zegara w celu ich retransmisji w depeszy nawigacyjnej satelitów.

Stacja centralna MCS znajduje się na większej szerokości geograficznej niż inne stacje, dlatego mogą występować przerwy odbierania przez nią sygnałów z satelitów, gdy znajdują się one na dużych szerokościach geograficznych półkuli południowej.

Pozostałe stacje nadzoru są stacjami bezobsługowymi wykorzystywanymi do:

• śledzenia i telemetrycznego sprawdzania orbit satelitów ( pomiar pseudoodległości i przesunięć fazy nośnej ) w celu wzorcowanie zegara satelity,

• zbierania danych do poprawek jonosferycznych i pomiaru czasu,

• przesyłania informacji do stacji centralnej MCS,

• przekazywania informacji do satelitów ( odświeżanie pamięci pozycji satelity, synchronizacja zegara z zegarem stacji naziemnej, poprawki na stan jonosfery ).

Łączność stacji nadzorujących z satelitami odbywa się na dwóch kanałach roboczych w zakresie częstotliwości S.

Stacje kontrolne rozmieszczone są możliwe równomiernie wokół Ziemi w paśmie równikowym, co pozwala na śledzenie satelitów w całym zakresie szerokości geograficznych( od 55`S do 55`N ), w których satelity mogą znajdować się w zenicie. Obszary działania stacji naziemnych nakładają się, co pozwala na dodatkowe sprawdzenie ich działania poprzez porównanie wyników obserwacji oraz zwiększenie niezawodności systemu.

Schemat przepływu informacji wygląda następująco: sygnał z satelity jest najpierw odbierany przez stacje śledzące (ang. monitoring stations), gdzie obliczane są pseudoodległości do wszystkich widocznych satelitów. Dane te wraz z obserwacjami meteorologicznymi są następnie transmitowane do nadrzędnych stacji kontrolnych (ang. master control stations), gdzie obliczane są efemerydy satelitów w momencie wysłania przez nich sygnału oraz formułowana jest depesza nawigacyjna. Jest ona, z kolei, przesyłana do naziemnych anten i przez nie z powrotem do satelitów.

W system GPS włączone są także inne instytucje wspomagające jego prace, takie jak:

• Centrum Kontroli Satelitów Sil Powietrznych USA ( AFSCF - Air Force Satellite Control Facility) nadzorujące działanie wszystkich satelitów USA,

• Obserwatorium Marynarki Wojennej USA ( USNO - US Naval Observatory ) wyliczające wzorce czasu UTC,

• Wojskowe Biuro Kartograficzne USA ( DMA  -  Defence Mapping Agency ) określające dane potrzebne do wyznaczania orbit satelitów,

• Jet Propulsion Laboratory -  w zakresie obserwacji ciął niebieskich wpływających na położenie satelitów, głównie Słońca i Księżyca.

Ważnym elementem systemu jest siec komputerowa przetwarzającą sygnały z satelitów, oraz siec łączności miedzy poszczególnymi stacjami i instytucjami wspierającymi, wykorzystywane w szczególności do synchronizacji czasu  działania  poszczególnych urządzeń.

Istotną sprawą jest zapewnienie ciągłości pracy całego systemu w przypadku awarii urządzeń lub oprogramowania. Satelity mogą działać automatycznie i nawet w przypadku wyłączenia segmenty nadzoru będą jeszcze przez pewien czas transmitowały informacje nawigacyjne uzupełnione odpowiednimi ostrzeżeniami. W kolejnych fazach rozwoju systemu planuje się przeniesienie części funkcji segmentu naziemnego bezpośrednio do satelitów, zapewniając im większą autonomie działania.

Segment użytkownika

Składa się z różnorodnych wojskowych i cywilnych odbiorników GPS zaprojektowanych tak, by odbierać, dekodować i przetwarzać sygnały GPS. Są to odbiorniki samodzielnie funkcjonujące lub wbudowane w inne systemy. Zastosowania obejmują nawigację (powietrzną, morską, lądową), wyznaczanie pozycji, transfer czasu, pomiary geodezyjne i wiele innych. Ze względu na wielorakie zastosowania odbiorniki różnią się funkcjami i konstrukcją. Burzliwy rozwój techniki GPS stał się możliwy dzięki rozwojowi mikroelektroniki i elektronicznej techniki obliczeniowej. Na początku lat osiemdziesiątych, urządzenia odbiorcze Globalnego Systemu Pozycyjnego ważyły kilkanaście kilogramów, zajmowały objętość rzędu kilkuset litrów. Przełom nastąpił w momencie, gdy postęp w wytwarzaniu układów scalonych umożliwił wykorzystanie cyfrowych technik przetwarzania sygnału. We współczesnych odbiornikach układy analogowe wykorzystywane są jedynie w celu wzmocnienia sygnału. Dla potrzeb cyfrowego przetwarzania sygnału wykorzystuje się specjalizowane mikroukłady próbkujące sygnał z częstotliwością do kilkudziesięciu MHz. Pracę tych mikroukładów nadzorują procesory o bardzo dużej szybkości przetwarzania danych. Regułą jest implementowanie w odbiornikach GPS oprogramowania wielozadaniowego pracującego w czasie rzeczywistym. Przełączanie zadań odbywa się z częstotliwością rzędu 1 kHz. Współczesne najmniejsze i najprostsze odbiorniki, przeznaczone dla potrzeb nawigacyjnych ważą nie więcej niż kilkaset gram i mogą być trzymane w dłoni.

3. Opisz cechy charakterystyczne konstelacji satelitów GPS.

Satelity GPS poruszają się po sześciu prawie kołowych orbitach oddalonych od Ziemi o ok. 20 183km, okres jednego obiegu takiego satelity wokół Ziemi wynosi ok. 12 godzin. Kąt inklinacji i jest równy 55º z odchyłką ±3º. Na jednej orbicie znajduje się od 4 do 6 satelitów. Satelity rozmieszczone są tak, iż co najmniej 5 z nich powinno być widocznych z każdego punktu Ziemi z prawdopodobieństwem 0,9996. Taka konfiguracja umożliwia, z małymi wyjątkami, wyznaczenie współrzędnych dowolnego miejsca na powierzchni Ziemi w dowolnym momencie doby. Na nielicznych i niewielkich obszarach wyznaczenie pozycji trójwymiarowej jest niemożliwe w okresie nie dłuższym niż około 20 minut w ciągu doby.

Orbity nie są równomiernie rozmieszczone, również nierównomiernie są rozmieszczone satelity na każdej z sześciu orbit.

W lutym 2006 r. konstelację 29 satelitów systemu GPS stanowiły: 1 satelita z bloku II, 15 satelitów z bloku IIa, 12 satelitów z bloku IIR oraz 1 satelita z bloku IIR-M. Na 8 satelitach wykorzystywany jest wzorzec cezowy na reszcie wzorzec rubidowy. Podstawowe parametry orbitalne konstelacji to:

- mimośród bliski zeru ( e=0,02, odbita prawie kołowa )

- okres obiegu ok. 12h - orbita półsynchroniczna (dokładnie 11 h 57 min 58,3 s)

- znikomy wpływ perturbacji od atmosfery

4. Prawa Keplera w opisie ruchu sztucznych satelitów Ziemi.

I prawo Keplera mówi o tym, ze ruch satelity względem ciała centralnego ( Ziemi ) odbywa się po orbicie będącej krzywa stożkową , przy czym ciało centralne znajduje się w jednym z ognisk orbity.

Równanie orbity satelity :

r = p/ (1+e cosδ)

r - promien wodzacy satelity, δ - anomalia prawdziwa, p - parametr ogniskowej orbity

e = ( (a² - b²)/a²)^1/2 p = a (1 - e²)

II prawo Keplera mówi o tym, że promień wodzący satelity zakreśla podczas obiegu Ziemi wycinki powierzchni o równych polach, co oznacza ze istnieje stała prędkość polowa satelity. Powierzchnia sektora zmienia się proporcjonalnie do czasu.

III prawo Kelera mówi o tym, ze ciało centrale (Ziemia) o masie M_Z i satelita S o masie m krążą wokół umownego wspólnego środka mas Ś_Mzm z prędkością kątowa ω_k

M_Z ω_k² r₁ = m ω_k² r₂ = GM_Zm/r²

Kwadraty okresów obiegu P dwóch planet maja się do siebie w takim stosunku. jak sześciany ich średnich promieni wodzących (wielkich półosi elips, a).

5. Podstawowe cechy charakteryzujące satelity systemu GPS i GLONASS.

	GPS	GLONASS
Rozmieszczenie:
Liczba satelitów (aktywne)	24 (28)	24 (18)
Średnia masa satelity (kg)	815	700
Liczba planów orbitalnych	6	3
Rozmieszczenie satelitów na orbicie (deg)	60	120
Inklinacja* (deg)	55	65.8
Wysokość orbit (km)	20200	19100
Czas okrążenia Ziemi (hr:min)	11:58	11:16
Geodezyjny układ odniesienia	WGS 84	PZ 90 (SGS 85)
Charakterystyka sygnału:
Częstotliwość nośna (MHz) SPS	L1: 1575.42	L1: 1602+0.5625n (n=1,2,...,24)
Częstotliwość nośna (MHz) PPS	L2: 1227.60	L2: 1246+0.4375n, (n=1,2,...,24)
Częstotliwość sygnałów (MHz)	C/A code: 1.023 P code: 10.23	C/A: 0.511 P : 5.11
Transmisja danych (bity/s)	50	50
Metoda kodowania	CDMA	FDMA
Dokładność systemu (standard)	Pozioma (m): 100 Pionowa (m): 100 Prędkość 15 cm/s	Pozioma (m): 57 - 70 Pionowa (m): 70 Prędkość 15 cm/s

6. Co to są keplerowskie elementy orbity?

Elementy orbity są wielkościami pozwalającymi określić w każdym momencie położenie satelity w przestrzeni i jego prędkość.

• Położenie płaszczyzny orbity w przestrzeni określają dwa elementy orbity:

i - nachylenie płaszczyzny orbity względem równika,

Ω - położenie węzła wstępującego orbity (tj. punktu, w którym rzut orbity na sferę niebieską przecina się z równikiem niebieskim; w punkcie tym satelita przechodzi z półkuli południowej na północną); elementem orbity może być albo długość geograficzna węzła wstępującego λ_Ω (liczona od południka Greenwich), albo rektascensja węzła wstępującego αΩ (liczona od punktu równonocy wiosennej, czyli punktu Barana).

• Położenie orbity w jej płaszczyźnie określa jeden element orbity pokazujący położenie punktu perigeum, czyli punktu orbity położonego najbliżej Ziemi; elementem tym jest odległość kątowa punktu perigeum od węzła wstępującego liczona wzdłuż orbity:

ω - argument perigeum orbity.

• Wielkość i kształt orbity określają (w najbardziej ogólnym przypadku orbity eliptycznej) dwa elementy; zazwyczaj są to:

a - duża półoś orbity,

e - mimośród orbity.

• Powiązanie ruchu satelity z czasem następuje przez określenie czasu przejścia satelity przez wybrany punkt orbity (w zależności od rodzaju orbity i jej nachylenia względem równika mogą to być: perigeum orbity, węzeł wstępujący orbity, przecięcie z południkiem Greenwich itd.).

Należy wspomnieć, że niektóre rodzaje orbit nie wymagają określania sześciu elementów. Na przykład do zdefiniowania orbity kołowej potrzebne są tylko 4 z nich. Nie posiada ona bowiem punktu perigeum - nie występuje więc argument perigeum ω. Z kolei jej mimośród wynosi 0, więc wielkość orbity kołowej określa tylko jeden element - promień r.

7. Wykaż różnicę między orbitą keplerowską a oskulacyjną.

Satelita porusza się po orbicie keplerowskiej o stale zmieniających się parametrach. Rzeczywista orbita satelity jest zawsze ściśle styczna do coraz to innej, zmieniającej się orbity keplerowskiej, a punktem styczności jest punkt, w którym znajduje się satelita. Taką ciągle zmieniającą się orbitę nazywamy orbitą oskulacyjną (chwilową). Jest ona liczona na dany moment.

8. Wymień źródła perturbacji satelitarnych, oszacuj ich wielkość.

9. Ogólna charakterystyka systemu GLONASS.

Oprócz systemu GPS istnieje rosyjski system nawigacyjny GLONASS ( Global Navigation Satellite System ). System GLONASS składa się z takich samych elementów co system GPS.

Segment kosmiczny - pełna konstelacja satelitów GLONASS składa się 24 obiektów rozmieszczonych na trzech płaszczyznach orbitalnych o inklinacji 64.8 stopnia. Po skompletowaniu na początku 1996 roku, pełen zestaw satelitów był dostępny przez okres około 40 dni. Pod koniec roku 1996 na orbicie znajdowało się 21 aktywnych obiektów. Na każdej płaszczyźnie powinno znajdować się 8 równomiernie rozmieszczonych satelitów. Każdy satelita transmituje sygnały w dwóch pasmach częstotliwości: L1 ( 1602 MHz ) i L2 ( 1246 MHz ). Sygnały są modulowane kodem C/A i wojskowym kodem P. Orbity są kulowe i znajdują się na wysokości około 19100 km. Okres obiegu wynosi 11h15m. Ponieważ, inaczej niż w przypadku GPS, ruch satelitów nie jest synchroniczny z okresem obrotu Ziemi, ilość manewrów orbitalnych niezbędnych do utrzymania stałej konfiguracji jest mniejsza. Przy takim okresie obiegu widok konstelacji z określonego punktu na powierzchni Ziemi powtarza się co 5 dni. Co najmniej 5 satelitów powinno być widocznych w każdym momencie doby, z każdego punktu na powierzchni Ziemi, w konfiguracji zapewniającej prawidłowe wyznaczenie pozycji. W chwili obecnej sygnały systemu GLONASS nie są zakłócane.

Segment orbitalny systemu tworzą satelity Kosmos, produkowane przez Zjednoczenie Naukowo - Produkcyjne Mechaniki Stosowanej Poljot. Wiadomo o czterech seriach satelitów, ale niektóre źródła wymieniają aż 26 odmian. Pierwsze, serii Ia, ważyły 12250 kg i miały żywotność rzędu 1 roku. Ostatnio produkowane satelity II W, wyposażone w zegary cezowe, ważą 1400 kg i mają działać około 4 lat. Ich baterie słoneczne mają moc 1.6 kW. Rakieta nośna Proton zabiera jednorazowo trzy satelity. Obecnie (tzn. 29 stycznia 1999) aktywnych jest 18 satelitów z 34 umieszczonych na orbicie.

Segment kontrolny - tworzą naziemne, stacjonarne i ruchome stacje śledzące podległe Ministerstwu Obrony Rosji ze stacją główną w miejscowości Goliszyno k. Moskwy. Rozmieszczone są one tylko na terytorium państwa byłego ZSRR co znacznie ogranicza dokładność obliczania efemeryd satelitów. Stacje monitorujące znajdują się w St. Petersburgu, Ternopolu, Jenisiejsku i Komsomolsku nad Amurem. Niezależnie w Niemczech działa stacja monitorująca Neustrelitz.

Segment użytkowy - stanowią odbiorniki nawigacyjne ( w tym różnicowe ) o przeznaczeniu wojskowym. W ostatnim okresie rozpoczęto produkcję odbiorników przeznaczonych dla użytkowników cywilnych. W systemie GLONASS korzysta się z jednej sekwencji pseudolosowej, a każdy z satelitów nadaje swoje sygnały w odrębnym kanale. Odbiornik tego systemu musi posiadać dużo bardziej złożony radiowy tor odbiorczy. Odbiorniki GLONASS produkcji rosyjskiej są przeważnie typami wojskowymi lub okrętowymi. Produkcja cywilnych odbiorników 12 lub 24-kanałowych jest dopiero przygotowywana. Odbiorniki uniwersalne (dla GPS i GLONASS) są produkowane przez niektórych producentów zachodnich: 3S Navigation R100/30T, Ashtech Z18 i inne

10. Charakterystyka częstotliwości sygnałów GPS.

11. W jaki sposób jest modulowana fala nośna w systemie GPS?

12. Co zawiera depesza satelitarna GPS.

Treść sygnału informacyjnego zawiera między innymi:

• Almanach - dane dotyczące aktualnego stanu systemu, w tym przybliżone elementy orbitalne wszystkich satelitów, których znajomość przyśpiesza proces akwizycji,

• Efemerydę - dokładne elementy orbitalne satelity nadającego depeszę, niezbędne do wyznaczania czasu i pozycji.

Depesza nawigacyjna nałożona jest na kod P i kod C/A. Szybkość transmisji wynosi 50 bitów na sekundę. Składa się ona z 25 ramek, każda złożona z 1500 bitów. Każda ramka podzielona jest na 5 podramek, po 300 bitów każda. Odebranie jednej ramki danych zajmuje więc 30 sekund, a odebranie wszystkich 25 ramek zajmuje 12.5 minuty. Podramki 1,2 i 3 powtarzają te same 900 bitów danych we wszystkich 25 ramkach, umożliwia to odbiornikowi odebranie krytycznych danych w ciągu 30 sekund. Dane depeszy nawigacyjnej uaktualniane są co cztery godziny. Depesza zawiera informację o momencie transmisji Hand Over Word (HOW), umożliwiającą przejście od śledzenia kodu C/A do śledzenia kodu P(Y), dane efemerydalne i dane o zegarze oraz almanach (czyli zgrubne parametry ruchu i statusy dla wszystkich satelitów w konstelacji). Dodatkowo transmitowane są dane o "zdrowiu" satelitów, współczynniki do modelu opóźnienia jonosferycznego, współczynniki umożliwiające obliczenie czasu UTC.

13. Jakie dane są przesyłane z satelity GPS do odbiornika?

14. Co to jest precyzyjny serwis pozycyjny GPS?

PPS dostarcza informacji o pozycji z dokładnością nie gorszą niż 16 metrów (50%,3D) i informacji o czasie z dokładnością nie gorszą niż 100 nanosekund (1 sigma) w stosunku do czasu UTC(USNO) (Universal Coordinated Time US Naval Observatory. PPS dostępny jest jedynie dla autoryzowanych użytkowników i przeznaczony głównie dla celów wojskowych. Do autoryzowanych użytkowników należą: Siły Zbrojne USA i NATO. O autoryzacji użytkownika decyduje Departament Obrony USA.

Dostęp do PPS kontrolowany jest dwiema metodami:

• Ograniczony Dostęp (SA - Selective Availability) pozwala na zmniejszenie dokładności pozycji i czasu dostępnych dla nieautoryzowanych użytkowników. SA działa poprzez wprowadzanie kontrolowanych błędów do sygnałów satelity i depeszy satelitarnej. Departament Obrony zadeklarował, iż w czasie pokoju SA zmniejszy dokładność pozycji dla użytkowników SPS do 100 metrów (95%, 2D).

• Anti-spoofing (A-S) jest włączany bez ostrzeżenia by uniemożliwić imitowanie sygnałów PPS przez nieprzyjaciela. Technika ta zmienia kod P, szyfrując go, w kod oznaczony jako kod Y. Nie ma to wpływu na odbiór kodu C/A. Klucz do szyfru dostępny jest wyłącznie autoryzowanym użytkownikom umożliwiając im usunięcie wpływu SA i A-S. W ten sposób uzyskują oni maksymalną dostępną dokładność.

Odbiorniki PPS mogą używać kodu P(Y), kodu C/A lub obydwu. Największa dokładność uzyskiwana jest przy użyciu kodu P(Y) sygnałów o częstotliwościach L1 i L2. Różnica w czasie propagacji sygnałów o różnych częstotliwościach używana jest do wyznaczenia poprawki jonosferycznej. Zazwyczaj odbiorniki PPS używają kodu C/A w celu inicjacji śledzenia sygnałów satelitów i wyznaczenia przybliżonej fazy kodu P(Y).

15. Co to jest standardowy serwis pozycyjny GPS?

Standardowy serwis pozycyjny dostarcza informacji o pozycji z dokładnością nie gorszą niż 100 metrów (95%,2D) w rozwiązaniach dwuwymiarowych i 156 metrów (95%,3D) w rozwiązaniach trójwymiarowych. Dokładność informacji o czasie określona jest na nie gorszą niz. 337 nanosekund (95%) w stosunku do skali UTC(USNO). SPS przeznaczony jest głównie dla użytkowników cywilnych. Wymieniona dokładność zawiera wpływ SA, który jest głównym źródłem błędów SPS. Rozkład błędów wyznaczenia pozycji przypomina rozkład normalny z długookresową średnią równą zeru.

A-S uniemożliwia użytkownikom SPS dostęp do kodu Y. Tak więc użytkownicy SPS nie mogą opierać się na bezpośrednim pomiarze kodu P, by zmierzyć dokładnie różnice w propagacji częstotliwości L1 i L2, a zatem określić wielkość poprawki jonosferycznej - kod C/A nadawany jest tylko na częstotliwości L1. Typowy odbiornik SPS do wyznaczenia poprawek jonosferycznych używa modelu jonosfery transmitowanego w depeszy satelitarnej, jest to procedura znacznie mniej dokładna niż pomiar na dwóch częstotliwościach. Dokładność pozycji przy użyciu SPS podana na początku tego punktu uwzględnia też błąd modelowania jonosfery. Odbiorniki geodezyjne używają rozmaitych wyrafinowanych metod do określenia różnicy czasów propagacji, bez jawnej znajomości transformacji kodu P do Y.

Sztucznie wprowadzone i niektóre naturalne ograniczenia dokładności mogą być w dużym stopniu wyeliminowane przy użyciu technik różnicowych. Techniki te polegają na wykorzystaniu poprawek wyznaczanych przez precyzyjnie zlokalizowane odbiorniki, zwane stacjami referencyjnymi. Poprawki różnicowe mogą być wprowadzane po pomiarze, lub w czasie rzeczywistym, w tym ostatnim wypadku do ich transmisji wykorzystuje się łącza radiowe. W najbliższym czasie przewiduje się upowszechnienie systemów dystrybucji poprawek różnicowych z pokładu satelitów komunikacyjnych.

16. Przedstaw ogólną zasadę działania odbiornika GPS.

By wyznaczać pozycję, odbiornik GPS musi odbierać i śledzić sygnały satelitarne (by mierzyć pseudoodległości i przyrosty pseudoodległości) oraz kolekcjonować depesze nawigacyjną. Rezultaty pomiaru odległości nazywane są pseudoodległościami ze względu na obarczający je, jednakowy dla wszystkich satelitów błąd, spowodowany błędem zegara odbiornika.

Akwizycja sygnałów GPS

W procesie inicjacji odbiornika nawigacyjnego wykonywane są między innymi następujące czynności:

• określenie przewidywanej konfiguracji satelitów, dopplerowskich przesunięć częstotliwości,

• wstępne ustawienie częstotliwości generatorów pętli fazowych,

• przesuwanie serii pseudolosowych kodu C/A odpowiadających wybranym satelitom do momentu uzyskania korelacji z sygnałami satelitarnymi,

• w momencie wykrycia korelacji włączenie automatycznych mechanizmów sterujących pętli fazowych i kodowych,

• synchronizacja bitowa sygnałów,

• odbiór efemerydy,

• wyznaczanie pozycji i poprawki czasu zegara odbiornika,

• odbiór almanachu.

Dla określenia przewidywanej konfiguracji satelitów niezbędna jest znajomość almanachu, przybliżonej pozycji, przybliżonego czasu. Jeśli odbiornik nie posiada tych informacji, wyboru satelitów dokonuje się w sposób dowolny, częstotliwości generatorów pętli fazowych wybierane są kolejno z całego zakresu częstotliwości dopplerowskich.

Serie losowe przesuwane są z ograniczoną prędkością, określoną przez przewidywany stosunek sygnału do szumu. W najbardziej niekorzystnym przypadku wielkość przesunięcia może być prawie równa okresowi kodu C/A, w takim wypadku korelacja zostanie uzyskana dopiero po kilku lub kilkunastu sekundach. Należy też liczyć się z błędną identyfikacją momentu korelacji, w takim wypadku przeszukiwanie należy kontynuować.

Po uzyskaniu synchronizacji kodu i nośnej, odbywa się proces synchronizacji bitowej. Wymaga on odbioru określonej sekwencji bitów, pojawiającej się co 6 sekund. Dla potwierdzenia stanu synchronizacji bitowej często oczekuje się na kolejne powtórzenie sekwencji synchronizującej. Okres przesyłania informacji efemerydalnej niezbędnej do wyznaczenia pozycji i poprawki zegara wynosi 18 sekund, powtarza się ona co trzydzieści sekund.

Interwał od momentu włączenia odbiornika do momentu uzyskania rozwiązania nawigacyjnego nazywamy czasem akwizycji. Wynosi on kilka lub kilkanaście minut w przypadku braku informacji niezbędnych do określenia aktualnej konfiguracji satelitów i skraca się do kilkudziesięciu sekund jeśli te informacje są znane. Nie może być jednak krótszy od około 30 sekund, gdyż odbiór aktualnej efemerydy jest niezbędny.

Poziom sygnału odbieranego przy powierzchni Ziemi jest niższy od poziomu szumu. Do wydzielenia sygnałów nawigacyjnych odbiornik wykorzystuje technikę uśredniania i korelacji. Typowe postępowanie mające na celu śledzenie sygnału rozpoczyna się od określenia widzialnych satelitów. Widzialność określana jest na podstawie podanych przez użytkownika: przybliżonego położenia i czasu oraz przechowywanego przez odbiornik almanachu. W sytuacji, gdy nie mamy uprzednio zachowanego almanachu lub nie dysponujemy przybliżoną pozycją, odbiornik w sposób systematyczny "przeszukuje niebo" próbując odebrać sygnał od jakiegokolwiek satelity. Śledząc danego satelitę odbiornik demoduluje depeszę nawigacyjną i odczytuje dane almanachu o wszystkich satelitach w konstelacji. Pętla śledzenia nośnej używana jest do śledzenia częstotliwości nośnej, a pętle śledzenia kodu używane są do śledzenia kodów C/A P. Pętle te muszą współdziałać by pozyskać i śledzić sygnał satelity.

Śledzenie kodu C/A

Pętla śledzenia kodu używana jest do pomiarów pseudoodległości. W pętli generowana jest replika kodu C/A satelity. W celu dopasowania odbieranego sygnału i wewnętrznie generowanej repliki należy wykonać dwie czynności:

• dopasować częstotliwość środkową repliki do częstotliwości środkowej odbieranego sygnału,

• dopasować fazę repliki do fazy odbieranego kodu.

W ogólności, zanim zacznie się proces śledzenia, replika kodu nie będzie skorelowana z odbieranym kodem z powodu czasu potrzebnego sygnałowi na dotarcie do odbiornika i różnicę skal czasu zegarów satelity i odbiornika. Odbiornik będzie więc przesuwał generowaną replikę względem odbieranego kodu C/A by uzyskać maksymalną korelację, i w rezultacie śledzenie kodu.

Śledzenie nośnej

Pętla śledzenia nośnej odbiornika generuje lokalną replikę nośnej, która różni się od odbieranej nośnej przede wszystkim z powodu przesunięcia Dopplera. Przesunięcie Dopplera proporcjonalne jest do względnej prędkości między odbiornikiem a satelitą. Aby pętla śledzenia nośnej mogła wykonywać swą funkcję, przychodzący sygnał musi być najpierw przemnożony przez zsynchronizowaną replikę kodu. Pętla śledzenia nośnej zmienia generowaną częstotliwość tak długo, aż będzie ona zgodna z częstotliwością odbieranej nośnej i uzyskany zostanie stan synchronizacji fazowej.

Odbiór danych

Proces odbioru danych rozpoczyna się po uzyskaniu synchronizacji nośnej. W pierwszym etapie odbywa się proces synchronizacji ciągu danych. Po uzyskaniu synchronizacji bitowej dane są kolekcjonowane przez odbiornik. Wyrafinowana metoda kontroli poprawności przesyłanej informacji zapobiega możliwości wykorzystania zniekształconych danych.

Nawigacja

Odbiornik po odebraniu sygnałów czterech satelitów, osiągnięciu synchronizacji pętli kodowej i fazowej, odczytaniu depeszy nawigacyjnej jest gotów do rozpoczęcia nawigacji. Zazwyczaj odbiorniki uaktualniają dane o pseudoodległości i prędkościach względnych raz na sekundę. Celem nawigacji jest obliczenie pozycji i prędkości odbiornika oraz czasu w skali GPS. Czas jaki upłynął pomiędzy momentem wysłania i odebrania sygnału jest wprost proporcjonalny do odległości pomiędzy satelitą a odbiornikiem, jest więc niezbędne aby zarówno satelita jak i odbiornik używały tego samego czasu jako odniesienia. Odbiornik używa zrekonstruowanej skali czasu GPS do pomiaru momentu odbioru danych z satelity. W odbiorniku nie musi znajdować się wysokostabilny wzorzec jak na przykład wzorzec atomowy, znajdujący się na satelitach. Zamiast tego w odbiorniku znajduje się oscylator kwarcowy. Brak zgodności skali czasu generowanej przez ten oscylator ze skalą GPS jest korygowany w oparciu o rezultat pomiaru czterech pseudoodległości. Odbiornik GPS używa czterech pseudoodległości by rozwiązać układ czterech równań z czterema niewiadomymi: trzema współrzędnymi odbiornika i poprawką skali czasu odbiornika. Prędkość obliczana jest podobnie, lecz z użyciem względnych prędkości zamiast pseudoodległości. Ostateczne rozwiązanie nawigacyjne jest zazwyczaj uzyskiwane po wprowadzeniu rezultatów pomiaru do filtru Kalmana.

17. Podaj źródła błędów ograniczających dokładność pomiarów GPS.

Błędy orbit satelitarnych (perturbacje satelitarne):

• pole grawitacyjne Ziemi,

• opór atmosfery,

• grawitacyjne oddziaływanie Słońca i Księżyca oraz innych ciał niebieskich,

• ciśnienie promieniowania słonecznego,

• pływy skorupy ziemskiej i pływy oceaniczne,

• oddziaływanie sił elektromagnetycznych,

• efekty relatywistyczne.

Zakłócenia propagacyjne:

• refrakcja jonosferyczna i troposferyczna,

• szumy atmosfery i kosmiczne,

• interferencja fal wtórnych,

Aparatura odbiorcza:

• niestabilność wzorców częstotliwości,

• szumy własne odbiornika,

• wariacje centrum fazowego anten GPS.

Błędy i nieznajomość modeli zjawisk geofizycznych krótko i długookresowych:

• pływy skorupy ziemskiej,

• pływy oceaniczne,

• pływy atmosferyczne,

• model ruchu płyt kontynentalnych.

Intencjonalne ograniczenia dokładności i dostępu:

• AS, Anti-Spoofing, system zapobiegania intencjonalnym próbom zakłócenia pracy systemu,

• SA, Selective Availability, system ograniczania dostępu.

Błędy systematyczne obserwacji fazowych:

• nieoznaczoność fazy,

• nieciągłości fazy

18. Podaj algorytm wyznaczania pozycji z obserwacji pseudoodległości.

Pseudoodległość jest obserwacją kodową określającą odległość pomiędzy anteną odbiornika, a satelitą systemu GPS w epoce transmisji sygnału (rys. 2.5). Pomiar tej wielkości polega na określeniu opóźnienia pomiędzy rejestrowanym sygnałem satelitarnym, a jego repliką (ang. replica code) generowaną w odbiorniku. Pomnożenie tej wielkości przez prędkość światła umożliwia określenie pseudoodległości.

Czas wysłania sygnału jest określony poprzez porównanie identycznych kodów pseudo-przypadkowych generowanych przez satelitę i odbiornik na takiej zasadzie, że pętla śledzenia kodu wewnątrz odbiornika przesuwa replikę kodu PRN w czasie, aż do momentu uzyskania pełnej zgodności. Na pomierzoną pseudoodległość mają duży wpływ błędy zegarów zarówno odbiornika, jak i satelity, ponieważ na ich podstawie generowany jest wewnętrzny kod odbiornika.

Pseudoodległości mogą być wyznaczane zarówno na podstawie kodu P, jak i C/A. 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.

Zasadę określania pseudoodległości określa wzór:

(2.1)

przekształcony do postaci:

(2.2)

gdzie:

t_K - czas generowany przez odbiornik k;

t^P - czas generowany przez satelitę p;

I^P_K - opóźnienie jonosferyczne;

T^P_K - opóźnienie troposferyczne;

c - prędkość światła;

ρ^P_K - topocentryczna odległość pomiędzy odbiornikiem, a satelitą na epokę transmisji i odbioru sygnału;

e_p - błąd pomiarowy pseudoodległości.

19. Co to są nieoznaczoności fazy i w jaki sposób można je eliminować?

Nieoznaczoność fazy jest liczbą całkowitą interpretowaną jako różnica początkowej fazy i odległości. Zachowuje ona stałą wartość podczas całego procesu pomiarowego do momentu, w którym nie nastąpi przerwa w śledzeniu sygnału satelitarnego. Wystąpienie takiego zaburzenie powoduje powstanie nieciągłości fazy (ang. cycle slip), czyli zmianę rejestrowanej fazy o całkowitą liczbę cykli, podczas, gdy ułamkowa część fazy pozostaje niezmienna.

Przyczyny występowania tego rodzaju zakłóceń mogą być dwojakiego rodzaju:

1. Zależne od obserwacji, np.

• przeszkody uniemożliwiające ciągły kontakt z satelitą, w szczególności przy obserwacjach metodą kinematyczną;

• szumy zakłócające sygnał powodowane głównie przez wielodrożność sygnału i refrakcję jonosferyczną;

• niska wysokość satelitów, wywołująca niskie natężenie sygnału;

2. Zależne od odbiornika, np.

• słabe natężenie sygnału częściowo powodowane przez jego interferencję;

• pochylenie anteny, szczególnie widoczne w przypadku zastosowania metody GPS do pomiarów kinematycznych, np. na statku czy samolocie;

• powodowane przez przetwarzanie danych.

Wielkość utraty cykli może być różna i wahać się w granicach od kilku cykli do kilku milionów. W pewnych okolicznościach pojawia się również przesunięcie fazy o 180° powodowane przez zakłócenia w pętli śledzenia odbiornika.

Istnieją dwie metody eliminacji przesunięcia cykli. Po pierwsze zakłócenie to powinno być usuwane w czasie obróbki danych, po drugie zaś można precyzować dla każdej pseudoodległości nową nieoznaczoność fazy. Znacznym ułatwieniem w wykrywaniu i eliminacji utraty cykli jest ułożenie podwójnych lub potrójnych różnic, gdyż generalna zasada jest taka, że przesunięcie cykli jest zawarte we wszystkich pojedynczych i podwójnych różnicach zaczynających się w epoce t, ale już tylko w jednej z potrójnych różnic.

20. Omów różnicowanie obserwacji GPS.

21. Co to jest współczynnik PDOP, od czego zależy i co charakteryzuje?

DOP - (Dilution Of Precision) jest to kilka parametrów opisujących wpływ geometrii konstelacji satelitów na wyznaczenie pozycji w systemie NAVSTAR-GPS. Można rozróżnić: GDOP - parametr geometryczny opisujący dokładność położenia punktu w 3 wymiarach, HDOP - dla współrzędnych płaskich, VDOP - dla wysokości, TDOP - dla pomiaru czasu oraz PDOP - współczynnik opisujący stosunek między błędem pozycji użytkownika a błędem pozycji satelity.

Interpretacją geometryczną współczynnika PDOP jest odwrotność objętości V ostrosłupa utworzonego przez wyznaczane stanowisko i cztery satelity wykorzystywane do obliczeń. Im objętość ostrosłupa jest większa, tym współczynnik PDOP mniejszy i korzystniejsza konfiguracja geometrii satelitów. Przyjmuje się, że jeśli PDOP wynosi 1-3, to warunki do obserwacji są bardzo dobre, gdy 4-5 - dobre, gdy 6 - słabe (ale dostateczne), natomiast nie należy wykonywać obserwacji, gdy PDOP przekroczy 6. Wartość współczynnika charakteryzującego w danej chwili geometrię konstelacji satelitów można odczytać z odbiornika satelitarnego GPS.

Rysunek 1: Point Dilution of Precision (PDOP)

Im więcej satelitów jest dostępnych w danym czasie nad danym terenem, oraz im mniejsze jest zakrycie nieba, tym dokładniejszy będzie wynik pomiaru.

22. Scharakteryzuj zaburzenia jonosferyczne.

Zmienność opóźnienia jonosferycznego jest jednym z najpoważniejszych obiektywnych źródeł błędu wyznaczania pozycji. Duża zmienność warunków jonosferycznych, zarówno dobowa jak i długookresowa, powoduje, iż model opóźnienia jonosferycznego transmitowany przez satelitę pozwala na redukcję odpowiedniego błędu co najwyżej w 50 procentach. Dokładniejszą wartość opóźnienia jonosferycznego obliczyć można w oparciu o rezultaty pomiarów wykonywanych jednocześnie na częstotliwościach L1 i L2. Wymaga to użycia odbiornika dwuczęstotliwościowego.

Efekt jonosferyczny wynika z wpływu jonosfery, górnej warstwy atmosfery rozciągającej się od wysokości 50 - 1000 km nad powierzchnią Ziemi. Zjonizowane gazy w jonosferze, powstałe w wyniku ultrafioletowego promieniowania Słońca i oddziaływania wiatru słonecznego, powodują zmianę prędkości fal elektromagnetycznych. Ta zmiana prędkości jest zależna, przeciwnie niż w przypadku troposfery od częstotliwości fali elektromagnetycznej. Zjawisko zależności prędkości fali od częstotliwości jest nazywane dyspersją.

W jonosferze, w przypadku fal elektromagnetycznych o częstotliwościach powyżej 30 MHz, czoło fali ulega opóźnieniu, podczas gdy faza fali przyspieszeniu. Konsekwencją tego zjawiska są zmiany rejestrowanej fazy i pseudoodległości. Efekty przyspieszenia fazy i opóźnienia czoła fali mają w takim środowisku zbliżoną wielkość lecz przeciwny znak.

Wielkość efektu jonosferycznego jest proporcjonalna do liczby swobodnych elektronów TEC (ang. Total Electron Content), mieszczących się w jednostkowym prostopadłościanie od odbiornika do satelity. Wynikające z tego opóźnienie można wyrazić przybliżonym wzorem:

TEC jest funkcją wielu zmiennych czynników: pory dnia, aktywności słonecznej, położenia geograficznego i wysokości zenitalnej satelity. Efekt jonosferyczny przybiera największą wartość w strefie równika magnetycznego. Obszar ten nie obejmuje Polski. Typowa wielkość efektu jonosferycznego dla satelity GPS w zenicie osiąga 5 m lecz może dochodzić nawet do 100m w okresach wzmożonej aktywności słonecznej lub burz jonosferycznych.

Wielkość efektu jonosferycznego jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu częstotliwości fali. Taka zależność umożliwia wykorzystanie odbiorników dwuczęstotliwościowych do eliminacji opóźnienia poprzez porównanie pseudoodległości PL1 i PL2, zmierzonych odpowiednio w pasmach L1 i L2 zgodnie z wzorem:

W przypadku obserwacji fazowych eliminacja wpływu jonosfery jest możliwa zarówno za pomocą odbiorników dwuczęstotliwościowych korzystających z kodu P jak i bezkodowych. Opóźnienie fazowe ion jest wyrażone wzorem:

W odbiornikach jednoczęstotliwościowych przybliżona poprawka obliczona jest za pomocą modelu, którego parametry transmitowane są przez satelitę.

23. Podaj metody eliminowania wpływu refrakcji jonosferycznej z obserwacji GPS.

24. Jaki jest wpływ troposfery na obserwacje GPS?

Opóźnienie troposferyczne wynika ze zmian prędkości sygnału przy przejściu przez troposferę - dolną warstwę atmosfery rozciągającą się od powierzchni Ziemi do wysokości około 10 km. Sygnały radiowe GPS, tak jak i inne sygnały radiowe o częstotliwościach poniżej 30 GHz, nie podlegają zjawisku dyspersji przy przejściu przez troposferę co oznacza, iż wielkość opóźnienia jest niezależna od częstotliwości fali radiowej. Troposfera powoduje opóźnienie sygnału i dlatego wyznaczona poprawka troposferyczna jest odejmowana od rejestrowanej pseudoodległości lub fazy.

Znaczna część całkowitego opóźnienia, około 90%, jest spowodowana poprzez oddziaływanie fali elektromagnetycznej z suchym powietrzem, podczas gdy pozostałe 10% przez oddziaływanie z parą wodną. Część sucha opóźnienia może być oszacowana z błędem od 2 - 5 % za pomocą odpowiedniego modelu atmosfery. Część mokra opóźnienia troposferycznego może być wyznaczana przy pomocy radiometrów mikrofalowych WVR (Water Vapor Radiometer). Główną przeszkodą ich praktycznego wykorzystania jest ich wysoka cena oraz złożoność. Dlatego zazwyczaj błąd powodowany przez część mokrą atmosfery jest w praktyce pomijany. Modele pozwalające obliczyć wielkość opóźnienia troposferycznego uwzględniają wysokość satelity nad horyzontem, jak również od parametrów meteorologicznych w miejscu obserwacji - temperaturę, ciśnienie i wilgotność. W praktyce często zamiast wyników aktualnych pomiarów meteorologicznych używa się parametrów standardowych.

25. Wymień metody pomiarowe GPS i krótko je scharakteryzuj (niestety nie krótko).

Historia zaczyna się od pomiarów statycznych i kinematycznych. Przewidywano niegdyś, że opracowanie tych dwóch technologii - pomiarów statycznych i kinematycznych - zadowoli zarówno wojskowych, jak i cywilnych użytkowników GPS. Jednak potrzeba zwiększania dokładności wyników i skrócenia czasu pomiaru (a w konsekwencji - ulepszanie systemu GPS i konstruowanie coraz bardziej skomplikowanych odbiorników wyposażonych w zaawansowane oprogramowanie) doprowadziła do powstania następnych technologii. Każda z nich służy do wyznaczania różnic współrzędnych, co oznacza, że do pomiaru niezbędne są przynajmniej dwa odbiorniki geodezyjne.

1. Pomiar na pojedynczym punkcie

Można ogólnie stwierdzić, że w wyniku pomiarów metodą GPS otrzymujemy odległość pomiędzy anteną satelity, a anteną odbiornika, która jest funkcją współrzędnych satelity oraz poszukiwanych współrzędnych punktu w postaci :

(4.1)

gdzie:

X_S, Y_S, Z_S - współrzędne satelity GPS;

X_P, Y_P, Z_P - wyznaczane współrzędne punktu.

Jako niewiadome w pomiarach GPS traktuje się siedem następujących wielkości: dwa błędy zegarów, trzy współrzędne odbiornika oraz opóźnienia tropo- i jonosferyczne. Wpływ błędu zegara satelity jest zwykle pomijany, gdyż zegary te są kontrolowane i synchronizowane do czasu GPS poprzez stacje kontrolne. Aktualna poprawka aproksymowana za pomocą odpowiednich wielomianów i transmitowana jako część depeszy nawigacyjnej bezpośrednio do odbiornika, natomiast opóźnienia atmosferyczne obliczane są za pomocą specjalnych modeli.

W związku z tym pozostają już tylko cztery niewiadome, a więc do ich wyznaczenia potrzebne są cztery jednocześnie pomierzone pseudoodległości, na podstawie których tworzy się układ równań następującej postaci:

(4.2)

Tak więc sposób pomiaru, polegający na wyznaczeniu na stanowisku w jednej epoce obserwacyjnej czterech pseudoodległości nosi nazwę metody pojedynczego punktu (ang. single point positioning).

2. Metoda względna

Współrzędne wyznaczone za pomocą metody pojedynczego punktu są obarczone wpływem błędów właściwych dla satelity, mianowicie błędów zegara satelitarnego, orbity oraz opóźnień jonosferycznych i troposferycznych, których wspólną cechą jest częściowa lub całkowita eliminacja w pewnym lokalnym obszarze. I to właśnie założenie jest podstawą metody względnej (ang. relative positioning), którą opisuje

W metodzie tej zwykle jeden z odbiorników jest umieszczany na punkcie znanym, natomiast drugi na punkcie lub punktach, których współrzędne są wyznaczane.

3. Metoda statyczna

Ogólna zasada metody statycznej polega na tym, że odbiornik GPS pozostaje na stanowisku bez jakiejkolwiek zmiany swojego położenia dopóki nie zakończy prowadzenia obserwacji, której czas wynosi minimum 15 minut dla odbiorników dwuczęstotliwościowych lub 30 minut dla jednoczęstotliwościowych.

Czas pomiaru na stanowisku obserwacyjnym jest w bardzo dużym stopniu związany z dokładnością, jaką chcemy uzyskać, mianowicie wyznaczenie linii bazowej (ang. baseline) z większą dokładnością wymaga dłuższego czasu obserwacji.

Metoda statyczna jest wykorzystywana do precyzyjnych jednoczesnych pomiarów, mających na celu określenie wektora pomiędzy dwoma punktami. Dokładność tej metody jest bardzo duża i dochodzi do 0.01 mm na 1 km długości bazy (błąd względny - 10^-8).

Te wysokie dokładności wynikają z faktu, że opracowanie wyników pomiarów w obserwacjach prowadzonych metodą statyczna wymaga zastosowania specjalnych programów do redukcji tych obserwacji. Zawierają one algorytmy umożliwiające stosowanie precyzyjnych efemeryd satelitarnych oraz korekcji ze względu na refrakcję jonosferyczną i troposferyczną.

4. Metody kinematyczne

W ciągu ostatnich kilku lat opracowano wiele nowych metod prowadzących do otrzymania precyzyjnych współrzędnych punktów wyznaczanych, nawet w przypadku bardzo krótkiego czasu pomiaru, co więcej odbiornik, którego pozycję określamy może się poruszać i wtedy takie metody wyznaczania pozycji nazywa się pomiarem kinematycznym GPS. W dodatku utworzono wiele określeń opisujących poszczególne metody pomiarów,jak np. pół-kinematyczna, pseudo-kinematyczna, pseudo-statyczna, RapidStatic (lub FastStatic) czy Stop-and-Go.

Istnieje już tak wiele procedur działania, że czasami inne określenia odpowiadają tym samym sposobom pomiarów, jednak ogólnie można powiedzieć, że schemat podziału jest następujący:

1. Metody szybkie statyczne (np. RapidStatic);

2. Metody pół-kinematyczne (np. Stop-and-Go);

3. Metody kinematyczne.

Różnica pomiędzy wyżej wymienionymi metodami zależy od tego, czy będąc w ruchu odbiornik wykonuje pomiar w celu wyznaczenia trajektorii swojego ruchu, czy tryb kinematyczny w czasie transportu jest wyłączony, a współrzędne są wyznaczane tylko wtedy, gdy antena jest ustawiona na stałe nad konkretnym punktem (tryb statyczny).

Dla osiągnięcia wyższej dokładności niezbędne jest zastosowanie pomiarów fazowych, których ogólna zasada polega na określeniu czasu przebiegu sygnału generowanego przez satelitę. W tym celu użytkownik systemu powinien posiadać kopię kodu sekwencyjnego w swoim odbiorniku, która jest przesunięta w fazie o pewną wartość, której wielkość jest ściśle skorelowana z czasem przebiegu sygnału pomiędzy anteną satelity, a anteną odbiornika.

Pomiar kinematyczny rozpoczyna się zwykle od pomiarów statycznych na dwóch znanych punktach, z których jeden jest punktem stałym w czasie obserwacji (ang. fixed station), natomiast antena ustawiona na drugim punkcie jest anteną poruszającą się od punktu do punktu (ang. roving antenna). Podstawową wadą tej metody jest to, że obie anteny muszą utrzymywać nieprzerwaną łączność z satelitami. Na zakończenie pomiarów poruszający się odbiornik powinien powrócić na punkt początkowy lub inne stanowisko o znanych współrzędnych i ponownie dokonać obserwacji w trybie statycznym.

Jeśli chodzi o dokładność określenia pozycji to zauważalne są znaczne różnice pomiędzy metodami statycznymi i dynamicznymi. W pomiarach statycznych większość błędów przypadkowych jest eliminowana w procesie wyrównania, podczas gdy w metodach kinematycznych wpływają one bezpośrednio na współrzędne i dlatego przy obecnym stanie techniki pomiarowej osiągnięcie decymetrowego poziomu dokładności dla pomiarów kinematycznych jest możliwe tylko przy zastosowaniu pomiarów fazowych.

W przypadku geodezyjnych zastosowań techniki GPS wymagane są przynajmniej dwa odbiorniki, aby wyznaczyć względną pozycję punktu. Jest to idea tzw. szybkich metod wyznaczeń (ang. rapid methods), gdzie jeden odbiornik zwykle pozostaje nieruchomy, natomiast drugi porusza się pomiędzy punktami, których współrzędne są wyznaczane.

4.1 Szybkie metody statyczne

W metodach tych można wyróżnić 2 procedury działania:

1. Metoda RapidStatic (lub FastStatic) - kilkuminutowy pomiar na jednym punkcie;

2. Metoda pseudo-statyczna - pomiar dwukrotny, z powrotem na ten sam punkt po upływie około godziny.

W pierwszym przypadku (1) wymagane jest zastosowanie technik szybkiego rozwiązania problemu nieoznaczoności fazy, np.

- kombinacja kod-fala nośna w odbiornikach dwuczęstotliwościowych z kodem P;

- wyznaczenie nieoznaczoności przy pomocy 6 lub większej ilości widocznych na raz satelitów.

W drugim natomiast przypadku (2) następuje ponowny pomiar na każdym punkcie po upływie od 50 do 120 minut. Wymagany czas pomiaru jest stosunkowo krótki- od 4 do 8 minut. W czasie przejścia pomiędzy punktami nie jest wymagana nieprzerwana łączność z satelitą, a nawet odbiornik może zostać na czas transportu wyłączony.

Idea tej metody polega na tym, że dane z dodatkowych obserwacji przy różnych konfiguracjach geometrycznych satelitów są używane do rozwiązania problemu nieoznaczoności fazy. Ta sama procedura działania jest używana przy pomiarach metodą statyczną, a ewentualna utrata cykli jest obliczana poprzez ułożenie podwójnych lub potrójnych różnic, choć przesunięcie cykli powstałe w wyniku utraty łączności z satelitą na okres powyżej 30 minut może być wyznaczone tylko przy wysokiej jakości danych (małe szumy, niewielka wielodrożność sygnału i efekt atmosferyczny oraz duża dokładność centrowania) oraz identyczności obserwowanych satelitów, gdyż dla każdego dodatkowego sygnału trzeba generować nową nieoznaczoność fazy.

Opisana powyżej technika wymaga widoczności co najmniej 4 satelitów i nie jest konieczna łączność z nimi w czasie transportu, co czyni tę metodę bardzo użyteczną na terenach pokrytych lasem lub zabudowanych.

4.2. Metoda pół-kinematyczna

Metoda ta opiera się na założeniu, że nie istnieją zasadnicze różnice pomiędzy metodą statyczną, a kinematyczną w momencie, gdy rozwiązany jest problem nieoznaczoności fazy i utrzymywana jest stała łączność. Gdy spełnione są te warunki to pomiar kinematyczny może być uznawany jako przenoszenie początkowej nieoznaczoności fazy z jednego punktu do drugiego.

W związku z tym czas pomiaru na punkcie jest niezwykle krótki (od kilku sekund do minuty), natomiast trajektoria ruchu odbiornika jest bez znaczenia, aczkolwiek wymagana jest ciągła łączność z co najmniej 4 satelitami. Podstawowym problemem tej metody jest określenie początkowej nieoznaczoności fazy przed rozpoczęciem właściwych pomiarów. Można to osiągnąć dzięki:

• kilkuminutowym pomiarom statycznym na punkcie początkowym;

• obserwacjom na znanej linii bazowej;

• zamianie anten.

Pierwszy z wymienionych sposobów jest raczej czasochłonny i w związku z tym rzadko używany w praktyce.

Sposób drugi wymaga precyzyjnie znanej linii bazowej, tzn. wszystkie trzy współrzędne w układzie kartezjańskim muszą być wcześniej wyznaczone z dokładnością do kilku centymetrów. Jest to metoda dość szybka, ponieważ wymagane są dane z pomiarów przez około 1 minutę. Po tej inicjalizacji jeden odbiornik pozostaje na miejscu, natomiast drugi zaczyna się poruszać.

Trzeci sposób jest najszerzej stosowany ze wszystkich wymienionych, ponieważ jest on szybki, dokładny, wiarygodny i nie wymaga znajomości współrzędnych linii bazowej. Polega on na tym, że mamy dwa odbiorniki, z których jeden znajduje się na punkcie o znanych współrzędnych, który jest jednocześnie punktem odniesienia tej metody, natomiast położenie drugiego odbiornika jest w tym momencie bez znaczenia. Przy takim ustawieniu należy wykonać pomiary statyczne przez okres około minuty, a następnie stale utrzymując kontakt z satelitą zamienić anteny i ponownie wykonać pomiar przez 1 minutę i cały proces inicjalizacji zostaje zakończony. Niektóre odbiorniki wymagają powtórzenia tej procedury ponownie po zakończeniu pomiarów dla celów kontrolnych.

Metoda pół-kinematyczna znajduje szerokie zastosowanie w otwartych terenach, bez jakichkolwiek przeszkód w kontakcie z satelitą. Gdy natomiast łączność zostanie przerwana i pojawiające się przesunięcie cykli nie da się usunąć, wtedy należy ponownie przeprowadzić proces inicjalizacji - poruszający się odbiornik powinien wrócić na ostatnio pomierzony punkt o znanych współrzędnych.

4.3 Metoda kinematyczna

Dla wielu celów wymagana jest nie tylko dokładna znajomość współrzędnych pojedynczych punktów, ale również całej trajektorii poruszającego się odbiornika. W tym przypadku oczywiście metody, w których istnieje możliwość pojawienia się przesunięcia cykli bez możliwości jego wyznaczenia są nie do zaakceptowania. Wymagane są do tego celu metody, które są niezależne od początkowej inicjalizacji oraz posiadają możliwość odtworzenia ewentualnego przesunięcia cykli w czasie ruchu (ang. on the fly techniques). Dopiero po spełnieniu powyższych warunków pomiar może być nazwany kinematycznym.

Istnieją dwie metody wyznaczenia nieoznaczoności w ruchu :

Kombinacja kodu i fali nośnej dla odbiornika dwuczęstotliwościowego i dwukodowego.

Fala nośna może być uważana jako zróżnicowana w czasie pseudoodległość o znacznie większym poziomie dokładności niż otrzymana z pomiarów kodowych. Kombinacja tych dwóch obserwacji z odpowiednim ich wagowaniem prowadzi do otrzymania wygładzonych pseudoodległości, co przedstawia następujący wzór:

(4.8)

gdzie:

PR_r(t) - obserwowana pseudoodległość w epoce t;

PR_Φ(t) - wygładzona pseudoodległość za pomocą fazy na epokę t;

w_PR(t) - waga obserwowanej pseudoodległości;

w_Φ(t) - waga wyrażenia
.

Pomiędzy wagami w_PR(t) i w_Φ(t) zachodzi następująca zależność:

(4.9)

Wygładzona za pomocą fazy pseudoodległość (ang. carrier phase smoothed pseudorange) ma mniejszy poziom szumu pomiarowego na skutek uśredniania różnic fazy i pseudoodległości w określonych przedziałach czasowych (praktycznie nie większych niż 5 minut), a cały proces wygładzania redukuje wpływ losowych błędów pomiarowych oraz umożliwia precyzyjniejsze wyznaczenie współrzędnych punktu, niż tylko przy użyciu surowych obserwacji.

Poszukiwanie nieoznaczoności dla 6 lub więcej widocznych na raz satelitów.

Nominalna dokładność metody kinematycznej wynosi ok. 10 cm, choć może ona osiągać nawet wartości pojedynczych centymetrów, przy spełnieniu pewnych warunków (odpowiednia konstelacja satelitów, małe szumy odbiorników, niski stopień wielodrożności).

5. Różnicowe pomiary DGPS

Metoda różnicowa DGPS opiera się na pomiarach kodowych wyznaczenia pojedynczych pseudoodległości. Wyznaczanie pozycji za pomocą tej metody zarówno w czasie rzeczywistym, jak i w czasie późniejszej obróbki danych wymaga minimum dwóch odbiorników GPS, z których zwykle jeden jest umieszczany na stanowisku o znanych współrzędnych, natomiast drugi na punkcie lub punktach wyznaczanych. Na podstawie obserwacji minimum czterech satelitów stacja referencyjna oblicza poprawki do pojedynczych pseudoodległości, a następnie transmituje je do punktu wyznaczanego , co w konsekwencji podnosi dokładność wyznaczenia pozycji.

Metoda ta ma szczególne zastosowanie wszędzie tam, gdzie użytkownik systemu GPS potrzebuje wyznaczyć pozycję w czasie rzeczywistym z dokładnością od 2 do 5 metrów. Niewątpliwą zaletą tej metody jest brak wymogu wizury pomiędzy punktem wyznaczanym i punktem odniesienia oraz nieprzerwanej łączności z satelitą, co jest z kolei nieodzownym warunkiem prowadzenia pomiarów fazowych.

Wszystkie te cechy oraz niższy koszt aparatury sprawia, że DGPS zaczyna być coraz szerzej stosowany w nawigacji, pomiarach geofizycznych i geologicznych, do sprowadzania samolotów w czasie lądowania, wyznaczenia elementów orientacji zewnętrznej kamery w połączeniu z fotogrametrią oraz w polowych pracach geodezyjnych nie wymagających wysokich dokładności (np. wytyczanie punktów).

26. Jakie elementy wchodzą w skład procesu wyznaczania współrzędnych metodą satelitarną GPS?

27. Co zawiera analiza warunków pomiarowych ( z wykorzystaniem techniki GPS)?

28. Podaj metody wyznaczania wysokości normalnych z wykorzystaniem techniki GPS.

29. Podaj związek miedzy ziemskim układem odniesienia a quasi-inercjalnym układem odniesienia.

30. Scharakteryzuj ITRF i ITRS.

ITRS (International Terrestrial Reference System) jest skróconą nazwą globalnego (międzynarodowego) systemu odniesień przestrzennych. Samo pojęcie systemu ma charakter bardzo ogólny. Obejmuje on zarówno definicję układu współrzędnych w ujęciu teoretycznym i aplikacyjnym (definicję układu odniesienia), jak też całą strukturę organizacyjno-techniczną oraz naukową związaną z realizacją tego układu, jego funkcjonowaniem i permanentną kontrolą.

Definicje układów współrzędnych opierają się na matematyczno-fizycznych modelach Ziemi (określanych rezolucjami Międzynarodowej Unii Geodezji i Geofizyki oraz Międzynarodowej Asocjacji Geodezji), metryce i standaryzacji przestrzeni geodezyjnej. Stosowane obecnie modele to GRS'80 (ang. Geodetic Reference System'80) oraz zmodyfikowany później WGS'84 (ang. World Geodetic System' 84). Model Ziemi obejmuje zbiór parametrów geometryczno - fizycznych. Elementem geometrycznym jest elipsoida odniesienia, która przyjmuje nazwę modelu. Elipsoidy GRS'80 i WGS'84 nie różnią się istotnie parametrami geometrycznymi (różnica półosi b nie przekracza 0.1mm), dlatego w odwzorowaniach kartograficznych nie dokonuje się w zasadzie rozróżniania elipsoid. WGS'84 jest aktualnie przyjętą elipsoidą globalnego, satelitarnego systemu obserwacyjno - pozycyjnego GPS (ang. Global Positioning System). Elipsoidę GRS'80 stosuje się formalnie w Polsce w odwzorowaniach kartograficznych, nowych państwowych układów współrzędnych 1992, 2000.

Praktyczną (fizyczną) realizacją (aplikacją) układu współrzędnych w systemie ITRS jest układ odniesienia ITRF (International Reference Frame) tworzony fizycznie przez sieć stacji obserwacyjnych, rozlokowanych w stabilnych tektonicznie rejonach świata. Układ odniesienia w rozumieniu zbioru punktów powiązanych z Ziemią, jest obiektem dynamicznym, poddanym permanentnym obserwacjom. Stanom quasi-statycznym (epokowym) sieci stacji ITRF przypisuje się indeks epoki obserwacyjnej. Celem ujednolicenia pomiarów geodezyjnych, obserwacje aktualne, dotyczące wyznaczeń położeń punktów, redukuje się do umownego stanu początkowego.

***

Realizacjami ITRS są Międzynarodowe Ziemskie Układy Odniesienia ITRF (International Terrestrial Reference Frame). Do 1993 roku początki układów ITRF (włącznie z ITRF93) i ich skale wyznaczane były na podstawie wybranych rozwiązań satelitarnych obserwacji laserowych. Układy te orientowano zgodnie z ziemskim systemem BTS87 opartym na parametrach ruchu obrotowego Ziemi wyznaczanych przez BIH (do orientacji ITRF93 użyto parametrów ruchu obrotowego Ziemi IERS). Zmiany orientacji w ITRF w czasie określano początkowo na podstawie modelu ruchu płyt tektonicznych AM0-2 (Minster i Jordan, 1978), a od 1991 roku - na podstawie modeli NNR-NUVEL-1, NNR-NUVEL-1A (Argus i Gordon, 1991), z wyjątkiem ITRF93 (IERS, 2003).

Już od ITRF94 początki układów ITRF wyznaczane są jako średnia ważona rozwiązań SLR i GPS, zaś skala układów określana jest jako średnia ważona rozwiązań VLBI, SLR i GPS, poprawiona o 0.7 ppb (1 ppb = 1 x 10^-9) z uwagi na używanie przez centra analiz skali czasu TT zamiast zaleconej przez IAU i IUGG skali TCG. Układy te są zorientowane zgodnie z ITRF92. Zmiany orientacji określone są na podstawie modelu NNR-NUVEL-1A i wyrażone jako pochodne względem czasu 7 parametrów transformacji (IERS, 2003). Orientacja ITRF i zmiany tej orientacji określają równik ITRF (a tym samym biegun ITRF) oraz południk zerowy ITRF.

Rozszerzeniem ITRS są regionalne systemy odniesienia wpasowane w ITRS. Przykładem takiego systemu jest European Terrestrial Reference System 89 (ETRS89), którego realizacja oparta jest na obserwacjach wyłącznie z europejskich stacji permanentnych. ETRS89 został zdefiniowany jako pokrywający się z ITRS na epokę 1989.0 i związany ze stabilną częścią płyty euroazjatyckiej. Realizacją ETRS89 jest układ odniesienia European Terrestrial Reference Frame 89 (ETRF89), który jest obecnie w większości krajów europejskich - w tym również w Polsce - państwowym geodezyjnym przestrzennym układem odniesienia stosowanym w pracach geodezyjnych oraz w systemach informacji o terenie.

***

Z praktycznego punktu widzenia pomiarów geodezyjnych z użyciem technik satelitarnych w sposób naturalny wykorzystuje się układy zbliżone, a nawet identyczne z układem WGS-84.

W czasie XIX Zgromadzenia Generalnego Międzynarodowej Unii Geodezji i Geofizyki w 1987r. w Vancouver powołano w ramach Komisji X (Sieci Kontynentalne) Międzynarodowej Asocjacji Geodezji nową permanentną podkomisję EUREF (European Reference Frame). Zadaniem podkomisji EUREF było opracowanie zasad tworzenia nowego jednolitego układu odniesienia dla Europy z wykorzystaniem technik VLBI, LLR, SLR i GPS.

Podstawę systemu EUREF stanowi geocentryczny układ globalny definiowany przez ITRS (International Terrestrial Reference System). Ze względu na wzajemne ruchy jednostek tektonicznych, pociągające za sobą zmiany współrzędnych stacji, zaistniała konieczność odnoszenia układu do określonej epoki. Taka reprezentacja układu ITRS, w postaci zbioru współrzędnych na epokę np. 1989.0, nosi nazwę układu odniesienia ITRF-89 (International Terrestrial Reference Frame). Na terenie Europy znajduje się kilkadziesiąt stacji GPS, SLR i VLBI, które definiują system europejski (ETRS - European Terrestrial Reference System), zaś ich współrzędne odtwarzają układ ITRF w zakresie ograniczonym do kontynentu europejskiego w postaci zbioru współrzędnych stacji tworząc w ten sposób tzw. ETRF (Europen Terrestrial Reference Frame). Nie uwzględniając lokalnych zmian tektonicznych, a biorąc pod uwagę jedynie ruchy płyt kontynentalnych, można uważać, że współrzędne ETRF-89, sztywno związane z naszym kontynentem będą się zmieniały względem ITRF w granicach 1-3 cm rocznie.

Podstawowe cele układu ETRS:

- odnoszenie wyników pomiarów geodezyjnych GPS do tego samego układu w jakim zostały wykonane pomiary

- jednolitość baz danych dla współczesnych opracowań kartograficznych,

- ujednolicenie w zakresie nawigacji lotniczej, lądowej i morskiej.

Wyjaśnienia wymaga problem niewielkich rozbieżności pomiędzy układami ITRF i ETRF. Współrzędne w układzie ETRF będą mogły być wyznaczane z dokładnością, która jest ograniczona przez ruch płyt kontynentalnych. Aby zmniejszyć ten nieuchronny efekt, układ ETRF jest czasowo synchronizowany z układem ITRF. Odbywa się to przez ponowny pomiar na stacjach EUREF w celu ich dowiązania do ITRF. Wynika z tego nowy zbiór obserwacji i wyników w postaci katalogu współrzędnych stacji EUREF, aktualny dla danej epoki i realizacji układu ITRF. W ten sposób, w wyniku okresowych aktualizacji układu ETRF, rozbieżność pomiędzy tym układem, a ściślej jego reprezentacją przez współrzędne stacji EUREF i układem globalnym ITRF, w którym są wyrażone współrzędne satelitów GPS, jest okresowo redukowana. Oczywiście, tą niewielka rozbieżność w wielu praktycznych zastosowaniach można bez większych strat na dokładności pomijać.

31. Z czego wywodzi się system ETRS?

ETRS (European Terrestrial Reference System) - europejski (jako podsystem kontynentalny) system odniesień przestrzennych.

32. Scharakteryzuj sieci WSS, EUREF-POL, POL-REF.

33. Omów układ współrzędnych 2000, 1992, UTM.

34. Jaka jest zależność pomiędzy układami ITRF a ETRF.

35. Wymień przykłady zastosowania GPS.

Zależnie od stosowanej techniki przetwarzania sygnału i danych, rezultaty pomiarów wykonywanych z wykorzystaniem sygnałów satelitów GPS charakteryzują się różną dokładnością i dostępnością. Najważniejsze z kategorii cywilnych zastosowań GPS wymieniono poniżej.

Nawigacja w czasie rzeczywistym

Wyznaczanie w czasie rzeczywistym pozycji obiektów lądowych, morskich, lotniczych, kosmicznych. Czas trwania pomiaru jest bardzo krótki, zazwyczaj nie przekracza sekundy, typowa dokładność jest rzędu kilkudziesięciu metrów, przy wykorzystaniu technik różnicowych osiąga wielkości submetrowe. Uzyskane informacje wykorzystywane mogą być między innymi dla potrzeb nawigacyjnych, w systemach nadzoru ruchu obiektów.

Systemy informacji geograficznej

Tworzenie baz informacji geograficznej, szybkie pomiary kartograficzne. Odbiorniki, wyposażone w odpowiednie oprogramowanie umożliwiają rejestrację informacji o terenie skojarzonej z aktualną pozycją. Opracowanie informacji z odbiornika GPS ma miejsce zazwyczaj po sesji pomiarowej, z wykorzystaniem danych zarejestrowanych przez odbiornik i stację referencyjną. Pojedynczy pomiar trwa od kilku do kilkudziesięciu sekund, uzyskiwana dokładność wyznaczenia pozycji jest rzędu metra lub lepsza.

Pomiary geodezyjne Static, Fast Static

Dla potrzeb geodezyjnych wyznacza się wektory o długościach do kilkuset kilometrów, przy dokładności pomiaru długości wektora rzędu kilku milimetrów. Pomiar taki wykonuje się przy użyciu pary odbiorników, czas wykonania pomiaru wynosi, zależnie od odległości pomiędzy odbiornikami i warunków widoczności satelitów, do kilkudziesięciu minut. Pomiary wykonywane techniką GPS stanowią istotną konkurencję dla pomiarów geodezyjnych wykonywanych metodami tradycyjnymi a przy tworzeniu sieci wyższego rzędu są regułą ze względu na dokładność i niskie koszty.

Pomiary geodezyjne Kinematic, Stop&Go

W pomiarach tego typu wykorzystuje się fakt, iż przemieszczenia anteny odbiornika GPS, nie tracącej kontaktu z sygnałami satelitarnymi mogą być natychmiast wyznaczone z dużą dokładnością. Rozpoczynając pomiar od punktu o znanych współrzędnych, możemy wyznaczać pozycje kolejnych punktów z dokładnością centymetrową, z czasem pobytu na punkcie rzędu sekund.

Zasadniczą różnicą, istotną dla użytkownika przy wyborze odpowiedniego typu urządzenia, jest sposób inicjalizacji pomiarów kinematycznych. Odbiorniki dwu-częstotliwościowe mogą być inicjalizowane w locie (On-The-Fly), w praktyce oznacza to, iż odbiornik może rozpoczynać i kontynuować pracę w trybie kinematycznym bez potrzeby umieszczania anteny na punkcie o znanych współrzędnych. Dla inicjalizacji odbiornika jedno-częstotliwościowego niezbędne jest umieszczenie anteny na punkcie o znanych współrzędnych. W braku takiego punktu niezbędne jest wykonanie pomiaru metodą Static lub Fast Static.

Różnice pomiędzy odbiornikami jedno i dwu-częstotliwościowymi stają się jaskrawsze przy pomiarach wykonywanych na średnich i dużych odległościach. Błąd odbiornika jedno-częstotliwościowego wzrasta szybciej wraz ze wzrostem odległości od bazy niż błąd odbiornika dwu-częstotliwościowego.

Real Time Kinematic

Jest to najbardziej zaawansowana technologia różnicowa. Wymaga łącza radiowego o dużej szybkości, jednak umożliwia wyznaczanie pozycji w czasie rzeczywistym z dokładnością centymetrową. Jej zasięg ograniczony jest do promienia kilkunastu kilometrów od stacji bazowej.

Transfer czasu i częstotliwości wzorcowej

Typowy odbiornik systemu GPS przeznaczony do dystrybucji czasu podaje aktualny czas UTC(USNO) i emituje skojarzony impuls sekundowy, o zgodności ze skalą UTC lepszej od 0.5 mikrosekundy. Technika różnicowa, określana nazwą "common view", umożliwia porównywanie zegarów z dokładnością do kilku nanosekund. Często wykorzystuje się odbiorniki GPS do sterowania pracą dyscyplinowanego wzorca częstotliwości. Uzyskuje się długookresową stabilność częstotliwości rzędu 10-12.

Wyznaczanie orientacji

Odbiornik GPS wykorzystujący sygnały dochodzące z kilku anten wyznaczać może orientację obiektu, np. przechylenia boczne i wzdłużne okrętu, samolotu.

Inne technologie

Powyższy przegląd nie wyczerpuje wszystkich możliwości cywilnego wykorzystania systemu GPS. Często, specyficzne warunki wykonania pomiaru umożliwiają uzyskanie dużych dokładności, nietypowych dla danej techniki. Stosunkowo łatwe w realizacji jest np. ciągłe wyznaczanie przemieszczeń budowli, konstrukcji inżynierskich z dokładnością milimetrową, z częstotliwością rzędu kilku lub kilkunastu Hz.

GPS znajduje obecnie zastosowanie w prawie wszystkich gałęziach gospodarki ze szczególnym znaczeniem w: transporcie, telekomunikacji, energetyce, budownictwie, gospodarce przestrzennej.

ZASTOSOWANIA - OGÓLNIE:

• Geodezja - wyznaczanie współrzędnych naziemnych obiektów (pozycja bezwzględna), wyznaczanie wektora swobodnego łączącego dwie stacje (pozycja względna), pomiary związane z wykorzystaniem mapy zasadniczej, katastralnej oraz z wykorzystaniem operatorów ewidencji gruntów, tworzeniem GIS, w tworzeniu przestrzennych sieci geodezyjnych, osnów szybkiego kartowania i realizacji projektów inżynierskich oraz w badaniach szkód górniczych i skutków trzęsień Ziemi

• Archeologia - ewidencja i mapy stanowisk

• Eksploatacja dróg i inżynieria ruchu drogowego - tyczenie dróg i autostrad, rejestracja stanu nawierzchni, ewidencja uszkodzeń, automatyczna lokalizacja pojazdów, rejestracja przebiegów, tras, czasów oczekiwania itp.

• Fotogrametria - wyznaczanie położenia fotopunktów i obliczanie położenia środków rzutów w kamerach lotniczych,

• Geologia - ewidencja zasobów, mapy zasobów, nawigacja.

• Górnictwo - rejestracja przemieszczeń gruntu, nawigacja platform wiertniczych

• Geodynamika - obserwacja takich zjawisk jak: pływy, ruchy kontynentów, stabilność ruchu obrotowego Ziemi, położenie biegunów

• Kartografia - sporządzanie i aktualizacja map topograficznych

• Leśnictwo - wytyczanie przecinek dróg leśnych itp.

• Ochrona środowiska - ewidencja zanieczyszczeń, mapy obszarów skażonych

• Transport kolejowy - badanie stanu torowisk, sporządzanie map tras i obiektów kolejowych, automatyczne śledzenie ruchu pociągów i dystrybucja dokładnego czasu

• Telefonia komórkowa, turystyka

• Hydrologia - nadzór przemieszczeń, ewidencja obiektów, szybka aktualizacja map.

• Lotnictwo - nawigacja, badanie zasięgu radarów, precyzyjne lądowania

• Banki - dystrybucja dokładnego czasu.

• Budownictwo Przemysłowe - wytyczania, nadzór przemieszczeń, przesunięć.

• Energetyka - ewidencja obiektów, przebiegu tras, dystrybucja czasu, synchronizacja zegarów.

• rejestracja przebiegów, dystrybucja dokładnego czasu.

• Meteorologia - Sondowanie jono i troposfery.

• Ochrona mienia - automatyczna lokalizacja obiektów.

• Oświetlenie dróg - ewidencja obiektów, ewidencja uszkodzeń, mapy natężenia oświetlenia.

• Radiokomunikacja - mapy zasięgu nadajników, wyznaczanie teoretycznych zasięgów nadajników, projektowanie radiolinii.

• Rurociągi - mapy przebiegów, ewidencja obiektów, ewidencja uszkodzeń, nawigacja

• Rolnictwo Precyzyjne - dawkowanie nawozów, cieczy opryskowych.

• Policja - automatyczna lokalizacja pojazdów, dokumentacja miejsca przestępstwa,

• Ratownictwo - lokalizacja miejsc katastrof, odszukiwanie rozbitków.

• Rolnictwo - zbieranie informacji o zasobach, plonach stowarzyszonych z pozycją, inteligentne opryski, nawożenie.

• Rybołówstwo - ewidencja łowisk, nawigacja.

• Straż pożarna - automatyczna lokalizacja obiektów, ewidencja zagrożeń, lokalizacja zagrożeń na dużych obszarach - łąki, lasy, automatyczne tworzenie "zielonej fali".

• Taksówki - automatyczna lokalizacja pojazdów, informacja o miejscu zagrożenia.

• Telekomunikacja - paszportyzacja, lokalizacja obiektów, aktualizacja przebiegu tras kablowych.

• Transport - automatyczna lokalizacja obiektów, nadzór nad przewozem ładunków niebezpiecznych, informacja o miejscu zagrożenia.

• Zieleń Miejska - ewidencja zasobów.

• Żegluga - nawigacja, monitorowanie przechyłów, pochyłów.

1. Co to jest współczynnik geometryczny i od czego zależy? Podaj warunek, kiedy jest on największy i najmniejszy

2. Scharakteryzuj układ odniesienia stosowany obecnie w Polsce (elipsoidalny i wysokościowy).

3. Jaka jest zależność między wysokością ortometryczną i elipsoidalną. Z czego ona wynika.

4. Krótko opisz techniki pomiarowe GPS. Podaj szacunkową dokładność współrzędnych uzyskiwanych przy ich wykorzystaniu.

5. W jakich przypadkach można używać do pomiarów odbiorniki jednoczęstotliwościowe, a w jakich dwuczęstotliwościowe.

Wyjaśnij skróty i pojęcia:

• efemeryda pokładowa

• efemeryda precyzyjna

• ETRS

• POLREF

• ITRF

• WGS-84

Ogólnie mówiąc, system współrzędnych WGS-84 jest związany ze środkiem ciężkości Ziemi. Początek systemu (0,0,0) jest umieszczony w środku masy Ziemi i przyjmuje się, że oś Z prawie pokrywa się z osią obrotu Ziemi. Oś obrotu Ziemi zmienia nieznacznie swe położenie w bryle ziemskiej. Zjawisko to jest znane pod nazwą ruchu bieguna. Kierunek osi Z będzie jednoznacznie zdefiniowany, jeśli zostanie odniesiony do pewnego średniego położenia bieguna. Po raz pierwszy wyznaczono średnie położenie bieguna w początkach XX wieku, wówczas to z zaobserwowanych w latach 1900-1905 ruchów bieguna wyznaczono jego średnie położenie, znane pod nazwą CIO (Conventional International Origin). Ostatnio uściślono definicję średniego bieguna i przyjęte jego średnie położenie znam jest pod nazwą CTP (Conventional Terrestrial Pole). Osie X, Y układu WGS84 są prostopadłe do osi Z, z tym że oś X przechodzi przez punkt przecięcia południka Greenwich z płaszczyzną równika . Położenie południka Greenwich tradycyjnie jest definiowane przez znak wycięty na słupie w Starym Obserwatorium Greenwich w Londynie. Obecnie położenie południka jest zdefiniowane przez Międzynarodową Służbę Bieguna ( International Earth Rotation Service) w Paryżu, poprzez współrzędne wybranych stacji laserowych i interferometrycznych.

Parametry elipsoidy zostały wyznaczone na podstawie licznych pomiarów sygnałów ze znajdujących się na orbitach wokółziemskich satelitów systemu pozycyjnego GPS (Global Positioning System).

Elipsoida WGS 84 jest wykorzystana do opracowania geocentrycznego układu współrzędnych kartezjańskich (przestrzennych) WGS 84, na którym zrealizowano układ współrzędnych geograficznych (geodezyjnych) oraz układ współrzędnych prostokątnych płaskich UTM.

• GRS-80- Geodezyjny System Odniesienia GRS 1980

---