Laboratorium z Miernictwa Górniczego Materiały pomocnicze I Planowanie warunków obserwacji satelitów GPS/GLONASS Opracował dr inż. Jan Blachowski jan.blachowski@pwr.wroc.pl, pok. 505, bud. K-1, tel. 320 68 73 Zakład Geodezji i Geoinformatyki Instytut Górnictwa Politechnika Wrocławska 1
1. Zadanie Ćwiczenie obejmuje określenie przewidywanej widoczności satelitów systemów GPS oraz GLONASS dla określonego miejsca pomiarowego w trakcie planowanego pomiaru. Obejmuje ono analizę wpływu przesłonięć (w warunkach gęstej zabudowy, środowiska kopalni odkrywkowej, terenów górskich itp.) na dostępność satelitów. Interpretacja wykonywania jest na podstawie sporządzonych wykresów liczby dostępnych satelitów (NSats) oraz wartości współczynników DOP (ang. Dilution of Precision - Rozmycia dokładności), zazwyczaj PDOP (Position Dilution of Precision). Analizie poddawana jest (a) sytuacja teoretyczna (bez przesłonięć) oraz z przesłonięciami dla (b) tylko satelitów GPS oraz (c) łącznie satelitów GPS i GLONASS. Prowadzenie analiz widoczności satelitów dla pomiarów GPS oraz ich wpływu na dokładność satelitarnych pomiarów wynika z potrzeby określenia optymalnych okresów obserwacji. Powinny one charakteryzować się zadaną wcześniej wielkością spodziewanych błędów pomiarowych. Ćwiczenie przekazywane jest w sprawozdaniu nr 1 Pomiary kodowe GPS. 2. Zakres ćwiczenia Procedura analizy widoczności polega na wykonaniu w terenie szkicu przesłonięć (rys. 2). Następnie w laboratorium korzystając np. z programu Trimble Planning Software wprowadza się informacje konieczne do określenia przewidywanych warunków pomiaru. Są to: - planowany dzień i/lub czas pomiaru (w naszym wypadku planowany dzień pomiaru 0:00-24:00 oraz czas pomiaru np. 14:00-16:00) - miejsce pomiaru (współrzędne punktu dla którego wykonano szkic przesłonięć), - almanach (almanac)*, - zaznaczone w terenie przesłonięcia nieba (na podstawie szkicu terenowego). Na ich podstawie geberowane są wspomniane wyżej wykresy (NSats i PDOP) charakteryzujące przewidywane warunki obserwacji GPS oraz GPS i GLONASS. Określenie optymalnych czasów do prowadzenia pomiarów satelitarnych dla danego miejsca realizowane jest poprzez podanie parametrów takich jak: minimalna liczba widocznych satelitów (Number Sats), czas potrzebny na wykonanie obserwacji (Working hours), dopuszczalna wartość współczynnika PDOP (PDOP). 2
3. Informacje do ćwiczenia Almanach plik z danymi o aktualnym stanie systemu GPS, zawiera m. in. przybliżone orbity wszystkich satelitów (jest to zestawienie informacji o keplerowskich parametrach orbit poszczególnych satelitów systemu). Informacje te są niezbędne do określenia przewidywanej konfiguracji satelitów. Plik jest on zapisywany przy każdorazowym uruchomieniu odbiornika GPS w terenie na podstawie danych przesłanych w depeszy satelitarnej transmitowanej przez satelity systemu lub jest publikowany w internecie przez segment kontroli systemu. DOP (Dilution of Precision) Rozmycie dokładności. Zestaw współczynników wiążących błąd pomiaru odległości do satelity z błędem wyznaczenia pozycji. Wartości DOP są pochodną konfiguracji geometrycznej układu satelity-odbiornik. Mniejsze wartości współczynników DOP odpowiadają lepszym warunkom obserwacji satelitów. Podstawowe wskaźniki DOP to: - GDOP (Geometrical Dilution of Precision) - geometryczne rozmycie dokładności, współczynnik ten jest odwrotnie proporcjonalny do objętości bryły, której wierzchołkami są pozycje obserwowanych satelitów i odbiornika, - PDOP (Position Dilution of Precision) - trójwymiarowe rozmycie dokładności, w uproszczeniu współczynnik ten jest odwrotnie proporcjonalny do objętości bryły, której wierzchołkami są pozycje obserwowanych satelitów i odbiornika GPS (rys. 1), - HDOP (Horizontal Dilution of Precision)- poziome rozmycie dokładności. Patrz także DOP, - VDOP (Vertical Dilution of Precision) - pionowe rozmycie dokładności. Patrz także DOP, - TDOP (Time Dilution of Precision) - rozmycie dokładności czasu. Korzystne jest wykonywanie pomiarów przy wartość współczynnika PDOP<4, pow. 8 dopuszczalne, w przypadku wartości PDOP>20 warunki wykonywania pomiaru uważa się za niekorzystne [Lamparski, 2001]. PDOP V 1,, S1 K,2,3,4 Rys. 1. Geometryczna interpretacja współczynnika PDOP 3
Rys. 2. Przykład terenowego szkicu przesłonięć 4
4. Procedura wykonania ćwiczenia W trakcie zajęć powinieneś/aś zrealizować i zamieścić w sprawozdaniu z ćwiczenia: 1. Krótkie wprowadzenie (0.5-1 strony A4) obejmujące charakterystykę współczynników DOP (PDOP), omówić czynniki wpływające na dostępność satelitów i zmiany wartości współ. PDOP i zależność jakości pomiarów GPS od ilości obserwowanych satelitów i wartości współ. DOP (PDOP), 2. Podać cel i zakres ćwiczenia, 3. Opisać wykonane czynności, w terenie (m.in. czas, miejsce, sprzęt, zakres wykonanych prac) oraz w laboratorium (procedura planowania sesji pomiarowej), 4. Załączyć terenowy szkic przesłonięć (budynki, drzewa) dla planowanego miejsca obserwacji GPS z opisem występujących przeszkód terenowych (zaznaczonych na szkicu), 5. Załączyć wykresy ilości satelitów GPS (NSats) przy odkrytym niebie (a) dla satelitów GPS oraz (b) GPS + GLONASS, 6. Załączyć wykresy współczynnika PDOP przy odkrytym niebie (c) dla satelitów GPS oraz (d) GPS + GLONASS, 7. Załączyć komputerowy szkic przesłonięć (wykonany na podstawie szkicu terenowego), 8. Załączyć wykresy ilości satelitów GPS (NSats) po uwzględnieniu przesłonięć (e) dla satelitów GPS oraz (f) GPS + GLONASS, 9. Załączyć wykresy współczynnika PDOP po uwzględnieniu przesłonięć (g) dla satelitów GPS oraz (h) GPS + GLONASS, 10. Dokonać analizy warunków pomiarów satelitarnych bez przesłonięć i z przesłonięciami (na podst. wykresów), 11. Ocenić warunki obserwacji z uwzględnieniem przesłonięć i określić optymalne okresy obserwacji dla (a) tylko satelitów GPS (b) satelitów GPS + GLONASS (na podst. wykresów), 12. Wymienione wcześniej załączniki, 13. Spis wykorzystanej literatury. W punkcie 10 powinieneś/aś udzielić odpowiedzi m.in. na następujące pytania: - Ile jest aktywnych satelitów GPS a ile GLONASS? - Jak zmienia się liczba widocznych satelitów GPS w dniu planowanego pomiaru? - Jak zmienia się liczba widocznych satelitów GLONASS w dniu planowanego pomiaru? - Ile maks. satelitów jest jednocześnie widocznych? - Jak zmienia się wartość współczynnika PDOP w dniu pomiaru (dla satelitów GPS)? - Jak zmienia się wartość współczynnika PDOP w dniu pomiaru (dla satelitów GPS + GLONASS)? W punkcie 11 powinieneś/aś: - Odpowiedzieć na powyższe pytania z uwzględnieniem przesłonięć(,) - Określić kiedy występuje najlepszy, według Ciebie, okres dla przeprowadzenia pomiarów satelitarnych? - A kiedy najgorszy? - Ocenić czy uwzględnienie satelitów GLONASS poprawia spodziewane warunki pomiaru satelitarnego? 5
5. Dane do ćwiczenia - Plik almanac pobierasz ze strony http://www.trimble.com/gpsdataresources.shtml - Data pomiaru zostanie podana na zajęciach laboratoryjnych - Współrzędne miejsca pomiaru to: gdzie n to Twój numer na liście B = 51 06 + ( n minut) 0 L = 17 01 0 - Darmową wersję programu Trimble Planning Software możesz pobrać ze http://www.trimble.com/planningsoftware_ts.asp 6
6. Materiały pomocnicze (instrukcja użytkownika programu Trimble Planning) 6.1. Jak pobrać plik almanachu? Rys. 3. Lokalizacja plików almanachu (*.alm) na stronie http://www.trimble.com/gpsdataresources.shtml 6.2. Jak wczytać plik almanachu w programie? zakładka Almanac polecenie Load (rys. 4) Rys. 4. Wczytanie pliku alamachu do programu Planning Software 6.3. Jak wprowadzić miejsce i czas planowanego pomiaru? Informacje dotyczące miejsca planowanego pomiaru takie jak: współrzędne, data planowanego pomiaru, strefa czasowa oraz przesłonięcia (Obstacles) wprowadzasz w edytorze stacji (Station Editor) w zakładce File. 7
zakładka File polecenie Station (rys. 5) Rys.5. Wybór podstawowych parametrów analizowanego punktu. (1) Nadajemy nazwę (np. Wrocław) miejsca, (2) Podajemy współrzędne oraz wysokość punktu, (2) Ustawiamy tzw. maskę elewacji (Elevation Cutoff), (3) Wprowadzamy datę (Start Date, Start Time) oraz czas (Duration) trwania planowanego pomiaru. Pamiętaj o wyborze odpowiedniej strefy czasowej (Time Zone) (4) w której znajduje się miejsce pomiaru. Możesz także wybrać interwał co jaki analizowana będzie przez program konfiguracja satelitów (Interval). Informacje dodatkowe miejsce pomiaru możesz także wybrać z mapy (Map) lub listy miast (City) (rys. 6). 8
Rys. 6. Możliwości wyboru położenia miejsca pomiaru. Tutaj z predefiniowanej listy miast 6.4. Jak wybrać system pozycjonowania satelitarnego? Możesz wybrać czy w prognozie analizowane będą satelity GPS, GLONASS czy GPS i GLONASS razem zaznaczając odpowiednie okienka (punkt 5 na rys. 7). 6.5. Jak aktywować / dezaktywować poszczególne satelity systemu? Selekcji satelitów wchodzących w skład poszczególnych systemów (GPS, GLONAS) dokonasz w menu Satelity (Satellites) poleceniem Selekcja (Selection) (punkt 6 na rys. 7). zakładka Satellites polecenie Selection 6.6. Jak przeglądać informacje o poszczególnych satelitach systemu? W oparciu o plik almanach u możesz przeglądać informacje o poszczególnych satelitach GPS lub GLONASS (punkt 7 na rys. 7). zakładka Satellites polecenie Information 9
Rys. 7. Wybór systemu pozycjonowania, aktywacja/dezaktywacja satelitów oraz przegląd informacji o poszczególnych satelitach 6.7. Jak wygenerować wykresy ilości satelitów oraz wartości współczynnika PDOP? Wszystkie wykresy obrazujące spodziewane warunki pomiaru wygenerujesz poleceniami zgrupowanymi w menu Wykresy (Graphs). W ćwiczeniu wykorzystasz dwa z nich. Są to: Liczba satelitów (Number of Satellites) na wykresie Widoczności (Visibility) oraz PDOP (DOP Position). - Wykres widoczności - Liczby satelitów (rys. 8 punkt 8) zakładka Graphs polecenie Numbers of Satellites - wykresu wartości współczynnika PDOP (rys. 8 punkt 9) zakładka Graphs DOP polecenie DOP-Position Uwaga Prezentowany na rys. 8 przykład dotyczy sytuacji bez wprowadzonych przesłonięć dla satelitów systemu GPS. Podobne wykresy generujesz dla obu systemów (GPS i GLONASS) bez przesłonięć, z przesłonięciami dla systemu GPS oraz z przesłonięciami dla systemów GPS i GLONASS (patrz punkt 4). 10
Rys.8. Wykresy liczby satelitów (Visibility Number of Satellites) oraz wartości współczynnika PDOP (DOP Position) dla systemu GPS bez wprowadzonych przesłonięć 6.8. Jak wprowadzić przesłonięcia? Przesłonięcia opisane w trakcie rekonesansu terenowego wprowadzisz do programu korzystając z Edytora przesłonięć (Obstruction Editor) dostępnego pod poleceniem Przeszkody (Obstacles) (Rys. 9). zakładka Files Station polecenie Obstacles Edytor przesłonięć podaje procent obszaru zasłoniętego (Shaded) oraz pozwala na zapisanie (Write) lub wczytanie (Read) zapamiętanych przesłonięć. 11
Rys.9. Widok edytora przesłonięć z wprowadzonymi przeszkodami. Na rys. powyżej wynoszą one 25% 6.9. Dodatkowe informacje - analiza trajektorii satelitów Polecenie Sky Plot pozwala na śledzenie trajektorii orbit satelitów nad miejscem pomiaru z uwzględnieniem wprowadzonych przesłonięć (rys. 10). zakładka Graphs polecenie Sky Plot Rys. 10. Widzialność satelitów nad miejscem pomiaru, bez przesłonięć (po lewej), z przesłonięciami (po prawej) 6.10. Dodatkowe informacje Generowanie zestawień parametrów W menu Zestawienia (Lists) zgrupowano polecenia umożliwiające generowanie raportów dla poszczególnych satelitów GPS i GLONASS obliczanych dla kolejnych rozpatrywanych konfiguracji satelitów w ustalonych interwałach (np. co 10 minut). Rys. 11 przedstawia zestawienie wartości współczynników DOP oraz liczby widocznych satelitów. 12
zakładka Lists Polecenie DOP Values Rys.11. Zestawienie wartości współczynników DOP oraz liczby satelitów dostępnych w kolejnych rozpatrywanych przedziałach. W oknie w lewym górnym rogu znajdują się informacje o planowanym pomiarze oraz numery rozpatrywanych satelitów GPS i GLONASS Uwaga Zestawienie przedstawione na rys. 11 może być przydatne podczas szczegółowej analizy warunków pomiarów. 7. Literatura Lamparski J., NAVSTAR GPS od teorii do praktyki, Wyd. UWM, Olsztyn 2001, Januszewski J., Systemy satelitarne GPS, Galileo i inne, Wydaw. Naukowe PWN, 2006 Czarnecki K., Geodezja współczesna w zarysie, Wyd. Wiedza i Życie, 1997, GPS Tutorial, http://www.trimble.com/gps; 13
Załącznik 1 Przykładowe wykresy NSATS I PDOP (bez przesłonięć) 14
Załącznik 2 Przykładowe wykresy NSATS I PDOP (z przesłonięciami) Okres nieodpowiednich warunków obserwacji satelitarnych Okres dobrych warunków obserwacji satelitarnych 15
Załącznik 3 Szkic przesłonięć / Nazwisko i imię / nr indeksu data.. Grupa Opis miejsca obserwacji (szkic terenowy na odwrocie)