Rozwój systemów satelitarnych i metod obserwacji w geodezji Szkolenie nt. Wykorzystania systemu wspomagania pomiarów satelitarnych i nawigacji ASG-EUPOS Poznań, 17-18 czerwca 2015 r. Dominik Próchniewicz Janusz Walo Politechnika Warszawska Wydział Geodezji i Kartografii
Plan prezentacji 1. Systemy GNSS 2. System GPS 3. System GLONASS 4. System Galileo 5. System BDS/COMPASS 6. Rozwój systemów GNSS 7. Satelitarne metody obserwacji 8. Podsumowanie Rozwój systemów satelitarnych i metod obserwacji w geodezji Poznań, 17-18 czerwca 2015 r. 2/38
Systemy GNSS Zasada działania Zasada wyznaczania pozycji w systemach nawigacji satelitarnej: Pomiar czasu propagacji sygnału odległość odbiornika do satelity; Wyznaczenie współrzędnych na podstawie przestrzennego liniowego wcięcia wstecz; Punkty osnowy satelity; współrzędne osnowy elementy orbity; Sygnał emitowany przez satelitę: fala nośna + informacja kodowa; Rozwój systemów satelitarnych i metod obserwacji w geodezji Poznań, 17-18 czerwca 2015 r. 3/38
Systemy GNSS Zasada działania Pomiary kodowe: dwa zegary synchronizacja 4. satelita Kod emitowany przez satelitę Czas satelity Kod odbierany przez odbiornik Kod generowany przez odbiornik Czas odbiornika Czas GNSS Czas propagacji sygnału (0.07s) odległość Synchronizacja zegarów Pomiary fazowe: wyznaczenie nieoznaczoności fazy fali nośnej inicjalizacja Całkowita wielokrotność długości fali nieoznaczoność fazy fali nośnej Mierzone przesunięcie fazowe Satelita emituje falę nośną Długość fali ok. 20 cm Propagacja sygnału Odbiornik rejestruje falę nośną Rozwój systemów satelitarnych i metod obserwacji w geodezji Poznań, 17-18 czerwca 2015 r. 4/38
Obserwacje fazowe i kodowe GNSS: Błędy obserwacji GNSS: Systemy GNSS Zasada działania Kodowe Fazowe Długość fali 30 300 m 0.19 0.25 m Szum pomiarowy 0.1 3 m 0.2 5 mm Nieoznaczoność C/A: 300 km (1 ms) 0.2 m Błąd wielodrożności 0.2 3 m 1 50 mm Źródło Satelita Propagacja sygnału Odbiornik Efekt Błąd zegara satelity Błąd orbity Refrakcja jonosferyczna Refrakcja troposferyczna Zmiany centrum fazowego Błąd zegara odbiornika Błąd wielodrożności Rozwój systemów satelitarnych i metod obserwacji w geodezji Poznań, 17-18 czerwca 2015 r. 5/38
Systemy GNSS Budowa Segmenty systemów nawigacji satelitarnej: 1. Segment kosmiczny: Konstelacja: 24 32 satelitów; Wysokość orbity: 19 100 23 600 km; Okres obiegu: 11:58 14:00 [hh:mm]; Nachylenie orbity: 55 65 ; 2. Segment kontrolny: Stacje monitorujące główna stacja kontrolna anteny naziemne; Ciągłe monitorowanie i kontrola systemu; Konserwacja systemu czasu; Wyznaczanie i przesyłanie do satelitów orbit i poprawek zegarów; 3. Segment użytkowników: Użytkownicy: autoryzowani (wojsko), nieautoryzowani (cywile); Odbiorniki kodowe: nawigacja, turystyka, GIS; Dokładność: absolutne (SPS) m; względne (DGNSS) dm m; Odbiorniki fazowo-kodowe: geodezja, precyzyjna nawigacja; Dokładność: absolutne (PPP) cm dm; względne (statyczne, RTK) mm cm; Rozwój systemów satelitarnych i metod obserwacji w geodezji Poznań, 17-18 czerwca 2015 r. 6/38
Systemy GNSS Istniejące systemy Global Navigation Satellite System(s), GNSS GPS Global Positioning System; GLONASS Global Navigation Satelite System; Galileo; BDS BeiDou Navigation Sateliite System / COMPASS Rozwój systemów satelitarnych i metod obserwacji w geodezji Poznań, 17-18 czerwca 2015 r. 7/38
System GPS Podstawowe informacje Konstelacja satelitów: Wysokość orbity: 20 200 km; Nachylenie orbity: 55 ; Okres obiegu: 11:58 [hh:mm]; Liczba satelitów: 24 (31); NAVSTAR NAVigation System with Timing And Ranging GPS Global Positioning System Charakterystyka sygnałów: Częstotliwość podstawowa: f 0 = 10, 23 MHz; Częstotliwość fal nośnych: L1: 154 f 0, λ = 0, 1903 m (kod C/A i P); L2: 120 f 0, λ = 0, 2442 m (kod P); L5: 115 f 0, λ = 0, 2548 m; Pozostałe informacje: Zarządca: DoD USA, system militarny; System współrzędnych: WGS-84; System czasu: GPS (UTC+sekundy przestępne); Full Operational Capability: 27.04.1995 r.; Rozwój systemów satelitarnych i metod obserwacji w geodezji Poznań, 17-18 czerwca 2015 r. 8/38
System GPS Najważniejsze daty Kalendarium: Lata 40-te XX wieku systemy radionawigacji morskiej (Decca, Gee, LORAN); 1962 rozpoczęcie badań nad nowym systemem satelitarnego pozycjonowania (dr Ivan Getting); 1971 testy założeń systemu; 1973 akceptacja budowy systemu Defense Navigation Satellite System (NAVSTAR-GPS); 1978 wyniesienie na orbitę pierwszego satelity systemu GPS; 1990 wykorzystanie systemu GPS w czasie wojny w Zatoce Perskiej; uruchomienie degradacji sygnału S/A (Selective Availability); 1993 24 satelity na orbicie Initial Operational Capability (IOC); 1994 utworzenie sieci IGS (International GPS/GNSS Service); 1995 Full Operational Capability (FOC); 2000 wyłączenie S/A; Rozwój systemów satelitarnych i metod obserwacji w geodezji Poznań, 17-18 czerwca 2015 r. 9/38
System GPS Segment kosmiczny Generacje satelitów GPS: 1. Blok I (SVN1 11), lata 1978/85, obecnie nieużywane; 2. Blok II/IIA (SVN13 40), lata 1988/97, obecnie 3 SVs IIA: 2 atomowe zegary rubidowe i 2 cezowe; częstotliwości: L1 i L2; kod C/A (cywilny) na L1 i P(Y) (wojskowy) na L1 i L2; czas działania: 7,5 roku (w praktyce 12-23 lata); degradacja sygnału: anti-spoofing (AS) i S/A; 3. Blok IIR (SVN41 52), lata 1997/2004, obecnie 12 SVs: 2 atomowe zegary rubidowe i 1 cezowy; częstotliwości L1 i L2, kody C/A i P(Y); przewidywany czas działania: 10 lat; większa moc nadawanych sygnałów; tryb AUTONAV (180 dni), Crosslink; Rozwój systemów satelitarnych i metod obserwacji w geodezji Poznań, 17-18 czerwca 2015 r. 10/38
System GPS Segment kosmiczny 4. Blok IIR-M (SVN53 60), 2005/2009, obecnie 7 SVs: przebudowa 8 satelitów Block-IIR; nowy sygnał wojskowy kod M na L1 i L2; nowy (drugi) sygnał cywilny kod L2C (IOC:2015, FOC:2018); nowa depesza nawigacyjna CNAV na L2C (31.12.2014); 5. Blok IIF (SVN61 63), 2010/..., obecnie 9 SVs: cyfrowe zegary atomowe: 2 cezowe, 2 rubidowe; poprawiona dokładność, precyzja i moc sygnału; nowy (trzeci) sygnał cywilny na L5 (moc 2 L1/2, CNAV, FOC:2021); żywotność: 12 lat; Rozwój systemów satelitarnych i metod obserwacji w geodezji Poznań, 17-18 czerwca 2015 r. 11/38
System GPS Modernizacja Modernizacja segmentu kosmicznego: Satelity nowej (V) generacji Blok III: nowy (czwarty) sygnał cywilny kod L1C (IOC:2020, FOC:2026); ulepszona niezawodność, dokładność i spójność sygnału; brak S/A; NAVWAR możliwość lokalnego wyłączenia systemu; wzajemna wymiana informacji (Crosslink); żywotność: 15 lat; pierwszy start: 2016; Rozwój systemów satelitarnych i metod obserwacji w geodezji Poznań, 17-18 czerwca 2015 r. 12/38
System GPS Modernizacja Modernizacja segmentu kontrolnego: Advanced Operational Control Segment (III): GPS Control Segment Greenland Alaska Vandenberg AFB California Hawaii Schriever AFB Colorado New Hampshire USNO Washington Cape Canaveral Florida United Kingdom Bahrain South Korea Ecuador Guam Kwajalein Ascension Diego Garcia Argentina South Africa Australia New Zealand Master Control Station Ground Antenna Air Force Monitor Station Alternate Master Control Station AFSCN Remote Tracking Station NGA Monitor Station Updated April 2014 wsparcie dla nowych sygnałów (L2C, L5, L1C); lepsza dokładność efemeryd pokładowych; nowy format depeszy nawigacyjnej (CNAV); wsparcie dla GPS Block IIF i III; zwiększenie liczby satelitów z 32 do 62; gotowość operacyjna 2018; Rozwój systemów satelitarnych i metod obserwacji w geodezji Poznań, 17-18 czerwca 2015 r. 13/38
System GLONASS Podstawowe informacje Konstelacja satelitów: Wysokość orbity: 19 100 km; Nachylenie orbity: 64, 8 ; Okres obiegu: 11:15 [hh:mm]; Liczba satelitów: 24; GLONASS GLobal NAvigation Satellite System Charakterystyka sygnałów: Wielodostęp: FDMA; Częstotliwość fal nośnych: L1: λ = 0, 1860 0, 1882 m (kod C/A i P); L2: λ = 0, 2391 0, 2424 m (kod C/A od 2003 i P); L3: λ = 0, 2594 m; Pozostałe informacje: Zarządca: ROSKOSMOS; System współrzędnych: PZ-90.02 (zgodny z ITRF2000); System czasu: UTC(SU); Full Operational Capability: 7.03.1995 r.; Rozwój systemów satelitarnych i metod obserwacji w geodezji Poznań, 17-18 czerwca 2015 r. 14/38
System GLONASS Najważniejsze daty Kalendarium: 1970 rozpoczęto studia nad nowym systemem satelitarnego pozycjonowania; 1976 rząd ZSRR uruchamia program budowy GLONASS, start pierwszego satelity testowego; 1982 pierwszy satelita operacyjny na orbicie; 1982 1991 wyniesiono 43 satelity, żywotność ok. 3 lat; 1993 12 satelitów na orbicie Initial Operational Capability (IOC); 1995 24 satelity na orbicie Full Operational Capability (FOC); 1995 2001 brak środków na utrzymanie, liczba satelitów spada do 6; 1999 zgodnie z dekretem prezydenta Rosji GLONASS ma służyć również celom cywilnym; 2001 rząd Rosji przyjmuje priorytetowy program rozwoju na lata 2002 2011; 2007 zmiana układu współrzędnych z PZ-90 na PZ-90.02 (zgodny z ITRF2000); 2011 24 aktywne satelity na orbicie; Rozwój systemów satelitarnych i metod obserwacji w geodezji Poznań, 17-18 czerwca 2015 r. 15/38
System GLONASS Segment kosmiczny Generacje satelitów GLONASS: 1. I Generacja GLONASS, lata 1982/2003: zegary 5 10 13 s.; częstotliwości: L1 i L2; kod C/A (cywilny) na L1 i P na L1 i L2; czas działania: 3 lata (w praktyce 4,5 roku); 2. GLONASS-M, lata 2003/2014, obecnie 24 SVs operacyjne + 1 Sv rezerwowy + 1 Sv w testach: zegary 1 10 13 s.; częstotliwości L1 i L2; kod C/A i P na L1 i L2; czas działania: 7 lat; lepsza stabilizacja; Inter Satellite Link; Laser Ranging; Rozwój systemów satelitarnych i metod obserwacji w geodezji Poznań, 17-18 czerwca 2015 r. 16/38
System GLONASS Modernizacja Modernizacja segmentu kosmicznego: 3. GLONASS-K1, 2011/..., obecnie 2 SVs w testach: czas działania: 10 lat; kod C/A i P na L1 i L2 (FDMA); nowy sygnał L3(L5), kod C/A (CDMA); zegary 5 10 14 s.; pierwszy start: 02.2011, drugi: 11.2014; 4. GLONASS-K2, 2016/... : czas działania: 10 lat; kod C/A i P na L1 i L2 (FDMA); nowy sygnał L1, L2, L3(L5), kod C/A i P (CDMA); zegary 1 10 14 s.; Rozwój systemów satelitarnych i metod obserwacji w geodezji Poznań, 17-18 czerwca 2015 r. 17/38
System GLONASS Modernizacja Modernizacja segmentu kontrolnego: luty 2012 pierwsza stacja poza Rosją (Brazylia); umowy z Hiszpanią, Australią i Indonezją; 2013 nowe centrum kontrolne w Moskwie; docelowo 30 stacji zagranicznych; Rozwój systemów satelitarnych i metod obserwacji w geodezji Poznań, 17-18 czerwca 2015 r. 18/38
System Galileo Podstawowe informacje Konstelacja satelitów: Wysokość orbity: 23 600 km; Nachylenie orbity: 56 ; Okres obiegu: 14:00 [hh:mm]; Liczba satelitów: 27+3; Charakterystyka sygnałów: Częstotliwość podstawowa: f 0 = 10, 23 MHz; Częstotliwość fal nośnych: E1: 154 f 0, λ = 0, 1903 m; E5a/E5b: 116, 5 f 0, λ = 0, 2515 m; E6: 125 f 0, λ = 0, 2368 m; Pozostałe informacje: Zarządca: UE; System współrzędnych: GTRS (zgodny ±3 cm z ITRS); System czasu: GST(Galileo System Time, UTC+15 s.); Full Operational Capability: 2008/2012/2016/2018... ; Rozwój systemów satelitarnych i metod obserwacji w geodezji Poznań, 17-18 czerwca 2015 r. 19/38
System Galileo Najważniejsze daty Kalendarium: 1999 prace koncepcyjne (Niemcy, Francja, Wielka Brytania, Włochy); 2003 umowa UE i ESA, 1,1 mld e do 2005 r., FOC:2010, 2/3 kosztów sektor prywatny (PPP); 2004 umowa UE i USA o interoperacyjności Galileo i GPS; 12.2005 Giove-A (Galileo In-Orbit Validation Element) na orbicie (06.2006 termin rezerwacji częstotliwości w ITU); 2007 załamanie się koncepcji PPP, rezolucja PE o wolu budowy Galileo ze środków UE; 2007 wspólny sygnał L1/E1 dla Galileo i GPS-III; 2008 Giove-B na orbicie (pierwszy maser wodorowy w kosmosie); 2008 PE zatwierdził 3,4 mld e na budowę systemu (2008-2014); Rozwój systemów satelitarnych i metod obserwacji w geodezji Poznań, 17-18 czerwca 2015 r. 20/38
System Galileo Najważniejsze daty Kalendarium: 2009 KE: brakuje 1,5 1,7 mld e na budowę pełnego systemu; 2010 kontrakt na budowę segmentu kontrolnego, siedziba Praga; 2011 start 2 pierwszych satelitów IOV z Kourou; 2012 start 2 kolejnych satelitów IOV; 2013 przyznano 6,3 mld e na budowę pełnego systemu 2014-2020; 2013 pierwsze wyznaczenie pozycji na podstawie sygnałów Galileo; 2014 nieudana próba wyniesienia 2 satelitów (FOC-FM1 i FOC-FM2); 2015 aktualna konstelacja: 3 IOV (2011-2012), 4 FOC (2014-2015); 2018(?) FOC:27/30 satelitów; Rozwój systemów satelitarnych i metod obserwacji w geodezji Poznań, 17-18 czerwca 2015 r. 21/38
System Galileo Segment kosmiczny Satelity Galileo: 1. Giove, Galileo In-Orbit Validation Element: satelita testowy; rezerwacja częstotliwości; Giove-A: 2005, Giove-B: 2008; 2. IOV, In-Orbit Validation: satelita testowy zbliżony do operacyjnego; 2 masery wodorowe i 2 zegary rubidowe; wyniesiono 4 satelity (2011-2012); pierwsza pozycja fixed; po fazie testów zasilą FOC; 3. FOC: Full Operational Capability : satelita operacyjny; 2010: zatwierdzono budowę 14 FOC; 2012: zatwierdzono budowę dodatkowych 8 FOC; obecnie na orbicie 4 FOC (ostatnie 27.03.2015); Rozwój systemów satelitarnych i metod obserwacji w geodezji Poznań, 17-18 czerwca 2015 r. 22/38
System Galileo Sygnały/Segment kontrolny Serwisy i sygnały systemu Galileo: 1. OS Open Space, E1/E5a/E5b; 2. CS Commercial Service, E5a/E5b/E6, płatna licencja, kodowany; 3. PRS Public Regulated Service, E1/E6, kodowany; 4. SOL Safety of Live Service, E1/E5a/E5b, informacja o wiarygodności; Galileo Ground Control Segment (GCS): Rozwój systemów satelitarnych i metod obserwacji w geodezji Poznań, 17-18 czerwca 2015 r. 23/38
System BDS/COMPASS Podstawowe informacje Konstelacja satelitów: Wysokość orbity: 21 500 km; Nachylenie orbity: 55 ; Okres obiegu: 12:53 [hh:mm]; Liczba satelitów: 27 MEO + 5 GEO + 3 IGSO; BDS BeiDou Navigation Satellite System COMPASS/BeiDou-2 Charakterystyka sygnałów: Częstotliwość podstawowa: f 0 = 10, 23 MHz; Częstotliwość fal nośnych (CDMA): B1: 152, 6 f 0, λ = 0, 1920 m; B2: 118 f 0, λ = 0, 2483 m; B3: 124 f 0, λ = 0, 2368 m; Pozostałe informacje: Zarządca: ChRL; System współrzędnych: China Geodetic System; System czasu: UTC(Cn); Full Operational Capability: 2020 r.; Rozwój systemów satelitarnych i metod obserwacji w geodezji Poznań, 17-18 czerwca 2015 r. 24/38
System BDS/COMPASS Najważniejsze daty Kalendarium: 2000 2007 4 satelity testowe GEO (BeiDou-1); 2007 pierwszy satelita na orbicie MEO (COMPASS-M1); 2009 pierwszy satelita GEO (COMPASS-G2); 2009 Chiny ogłaszają, że BDS będzie transmitował wspólny sygnał L1/E1; 2010 pierwszy satelita IGSO (COMPASS-IGSO1); 2012 publikacja Interface Control Document (ICD); 2012 pokrycie regionalne (Chiny): 4 MEO, 5 GEO, 5 IGSO; 2014 III faza budowy systemu pokrycie globalne; 31.03.2015 Wystrzelenie satelity BeiDou III generacji, B1/L1/E1; 2015 aktualny stan konstelacji: 4 MEO, 5 GEO, 5 IGSO + 1 IGSO (w rozruchu); 2020 FOC: 27 MEO, 5 GEO, 3 IGSO; Rozwój systemów satelitarnych i metod obserwacji w geodezji Poznań, 17-18 czerwca 2015 r. 25/38
Rozwój systemów GNSS Aktualna konstelacja http://www.fsd.mw.tum.de SVs 2015 2020 GPS 31 32 GLONASS 24 24 Galileo 3+4 27 BDS(MEO) 4 27 Multi-GNSS 66 110 Rozwój systemów satelitarnych i metod obserwacji w geodezji Poznań, 17-18 czerwca 2015 r. 26/38
Station Default North 52 24' East 16 56' Height 0m Elevation cutoff 0 Obstacles 0% Time 2015-06-17 00:00-2015-06-18 00:00 (UTC+2.0h) Satellites 31 GPS 31 [almanac.alm (2015-06-14)] Station Default North 52 24' East 16 56' Height 0m Elevation cutoff 0 Obstacles 0% Time 2015-06-17 00:00-2015-06-18 00:00 (UTC+2.0h) Satellites 74 GPS 31 Glonass 24 Galileo 6 Compass 13 [almanac.alm (2015-06-14)] Station Default North 52 24' East 16 56' Height 0m Elevation cutoff 0 Obstacles 0% Time 2015-06-17 00:00-2015-06-18 00:00 (UTC+2.0h) Satellites 31 GPS 31 [almanac.alm (2015-06-14)] Station Default North 52 24' East 16 56' Height 0m Elevation cutoff 0 Obstacles 0% Time 2015-06-17 00:00-2015-06-18 00:00 (UTC+2.0h) Satellites 74 GPS 31 Glonass 24 Galileo 6 Compass 13 [almanac.alm (2015-06-14)] Rozwój systemów GNSS Aktualna konstelacja Poznań, 17.06.2015 r., maska: 0 (Trimble Planning): GPS: 31 Visibility DOP Position 20 18 1.90 1.80 Position Number of Satellites 16 14 12 10 8 6 4 DOP Position 1.70 1.60 1.50 1.40 1.30 1.20 2 1.10 Copyright (C) 2001-2010 by Trimble Navigation Limited. 0 1.00 00:00 00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 24:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 24:00 Copyright (C) 2001-2010 by Trimble Navigation Limited. Multi-GNSS: 31 GPS, 24 GLONASS, 6 Galileo, 13 BDS Visibility DOP Position 40 1.05 Position 36 1.00 Number of Satellites 32 28 24 20 16 12 8 DOP Position 0.95 0.90 0.85 0.80 0.75 4 0.70 0 0.65 00:00 00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 24:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 24:00 Copyright (C) 2001-2010 by Trimble Navigation Limited. Copyright (C) 2001-2010 by Trimble Navigation Limited. Rozwój systemów satelitarnych i metod obserwacji w geodezji Poznań, 17-18 czerwca 2015 r. 27/38
Station Default North 52 24' East 16 56' Height 0m Elevation cutoff 30 Obstacles 0% Time 2015-06-17 00:00-2015-06-18 00:00 (UTC+2.0h) Satellites 31 GPS 31 [almanac.alm (2015-06-14)] Station Default North 52 24' East 16 56' Height 0m Elevation cutoff 30 Obstacles 0% Time 2015-06-17 00:00-2015-06-18 00:00 (UTC+2.0h) Satellites 74 GPS 31 Glonass 24 Galileo 6 Compass 13 [almanac.alm (2015-06-14)] Station Default North 52 24' East 16 56' Height 0m Elevation cutoff 30 Obstacles 0% Time 2015-06-17 00:00-2015-06-18 00:00 (UTC+2.0h) Satellites 31 GPS 31 [almanac.alm (2015-06-14)] Station Default North 52 24' East 16 56' Height 0m Elevation cutoff 30 Obstacles 0% Time 2015-06-17 00:00-2015-06-18 00:00 (UTC+2.0h) Satellites 74 GPS 31 Glonass 24 Galileo 6 Compass 13 [almanac.alm (2015-06-14)] Rozwój systemów GNSS Aktualna konstelacja Poznań, 17.06.2015 r., maska: 30 (Trimble Planning): GPS: 31 Visibility DOP Position 10 9 20 18 Position Number of Satellites 8 7 6 5 4 3 2 DOP Position 16 14 12 10 8 6 1 4 Copyright (C) 2001-2010 by Trimble Navigation Limited. 0 2 00:00 00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 24:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 24:00 Copyright (C) 2001-2010 by Trimble Navigation Limited. Multi-GNSS: 31 GPS, 24 GLONASS, 6 Galileo, 13 BDS Visibility DOP Position 20 18 6.5 6.0 Position Number of Satellites 16 14 12 10 8 6 4 DOP Position 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2 2.0 0 1.5 00:00 00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 24:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 24:00 Copyright (C) 2001-2010 by Trimble Navigation Limited. Copyright (C) 2001-2010 by Trimble Navigation Limited. Rozwój systemów satelitarnych i metod obserwacji w geodezji Poznań, 17-18 czerwca 2015 r. 28/38
Rozwój systemów GNSS Orbity GPS Orbity IGS: Typ Dokładność Opóźnienie Broadcast 100 cm real-time Ultra Rapid 5 cm real-time 3 cm 3 9 h Rapid 2, 5 cm 17 41 h Final 2, 5 cm 12 18 d Rozwój systemów satelitarnych i metod obserwacji w geodezji Poznań, 17-18 czerwca 2015 r. 29/38
Rozwój systemów GNSS Zegary GPS Zegary IGS: Typ Dokładność Opóźnienie Broadcast 2, 5 ns real-time Ultra Rapid 1, 5 ns real-time 50 ps 3 9 h Rapid 25 ps 17 41 h Final 20 ps 12 18 d 1 ns 0,3 m; 10 ps 3 mm; Rozwój systemów satelitarnych i metod obserwacji w geodezji Poznań, 17-18 czerwca 2015 r. 30/38
Satelitarne metody obserwacji Techniki pomiarowe Satelitarne techniki pomiarowe wykorzystywane w geodezji: GNSS; VLBI (Very Long Baseline Interferometry): Pomiary radio-astronomiczne promieniowania dalekich radioźródeł (kwazarów); Wyznaczenia względne na podstawie różnicy czasu przybycia sygnału; Bazy międzykontynentalne z dokładnością < 1 cm; Pomiar ruchu płyt tektonicznych ( 0.1 cm/rok); Wyznaczanie długości doby ( 0.1 ms); Modelowanie zjawisk geofizycznych (ruch obrotowy Ziemi, pływy ziemskie, etc.); Podstawa tworzenia układów odniesienia; Rozwój systemów satelitarnych i metod obserwacji w geodezji Poznań, 17-18 czerwca 2015 r. 31/38
Satelitarne metody obserwacji Techniki pomiarowe Satelitarne techniki pomiarowe wykorzystywane w geodezji: SLR (Satellite Laser Ranging): Pomiar odległości pomiędzy teleskopem z laserem a satelitami wyposażonymi w reflektor zwrotny (< 1 cm); LLR pomiar do zwierciadła na Księżycu; Pomiar impulsowy, mierzony czas przelotu sygnału; Wykorzystywany przy tworzeniu układów odniesienia; Określanie środka masy Ziemi; Wyznaczanie orbit; DORIS (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite); Pomiar efektu dopplera; Obserwacje satelitów, odbiornik na satelicie, nadajnik na Ziemi; Wyznaczanie orbit satelitów (LEO) ( 2 cm); Rozwój systemów satelitarnych i metod obserwacji w geodezji Poznań, 17-18 czerwca 2015 r. 32/38
Satelitarne metody obserwacji Technologie GNSS Technologie pomiarów GNSS: 1. Postprocessing: Statyczna/Szybka statyczna; Pseudostatyczna; Pomiar 5 10 min dwukrotnie po ok. 1 2 godz.; Zastąpiona przez metodę Szybką statyczną; 2. Czas rzeczywisty: RTK (Real-Time Kinematic); RTN (Network RTK); DGNSS (Differential RTK); PPP (Precise Point Positioning); Półkinematyczna (Stop and go); Pomiar 1 2 min po inicjalizacji; Niezbędna ciągłą łączność z 4 satelitami; Zastąpiona przez metodę RTK; Kinematyczna; Rozwój systemów satelitarnych i metod obserwacji w geodezji Poznań, 17-18 czerwca 2015 r. 33/38
Zalety rozwiązania sieciowego RTN: Satelitarne metody obserwacji Rozwiązanie sieciowe Modelowanie błędów zależnych od długości wektora: refrakcji jonosferycznej, geometrycznej, błędów orbit; Eliminacja błędów ( 8 cm): różnicowanie obserwacji 10 km, korekcje różnicowe 30 50 km; Szybsza inicjalizacja (rozwiązanie instantaneous), wymaga dużej liczby satelitów (min. 5 6); Kontrola danych dostarczanych przez stacje referencyjne: jakość obserwacji, stabilność układu odniesienia, dokładność korekt różnicowych; Error ε Accuracy [cm] ε1 RS δε εr δ1 δ2 Rover real error influence ε 1st order polynomial RS 1 2 d 9 6 3 without Network with Network 5 10 15 20 25 [km] Rozwój systemów satelitarnych i metod obserwacji w geodezji Poznań, 17-18 czerwca 2015 r. 34/38
Satelitarne metody obserwacji PPP Precise Point Positioning (PPP): Metoda absolutna; dwu(wielo)-częstotliwościowe obserwacje fazowe; Wymaga precyzyjnych orbit i poprawek zegarów satelitów, modeli błędów; Wykorzystuje globalną sieć stacji referencyjnych IGS; Możliwa do zastosowania w czasie rzeczywistym IGS Real-Time Service; Osiągana dokładność cm dm (real-time), cm (static); Wrażliwa na liczbę satelitów Multi-GNSS; Standard Network RTK Reference GPS Station Corrections Processing Center Clientuser of corrections Baseline PPP RTK Rozwój systemów satelitarnych i metod obserwacji w geodezji Poznań, 17-18 czerwca 2015 r. 35/38
Satelitarne metody obserwacji PPP Zalety: Wyznaczenie pozycji w globalnym układzie odniesienia; Wymagany jeden odbiornik użytkownika i kilkadziesiąt stacji referencyjnych na całym świecie; Dostarcza informacji o stanie atmosfery (np. zawartość pary wodnej); Wady: Wymaga długiego pomiaru (ok. 20 min.) dla osiągnięcia centymetrowej dokładności (float); Duża trudność wyznaczenia nieoznaczoności fazy fali nośnej initial phase bias; Rozwój systemów satelitarnych i metod obserwacji w geodezji Poznań, 17-18 czerwca 2015 r. 36/38
Podsumowanie i wnioski (i) Wzrost liczby satelitów GNSS oraz modernizacja sygnałów pozwalają na szybsze i dokładniejsze wyznaczenie pozycji oraz zwiększają dostępność precyzyjnego rozwiązania, zwłaszcza w trudnych warunkach pomiarowych; (ii) Rosnąca liczba satelitów oraz sygnałów umożliwia dokładniejsze modelowanie błędów pomiarowych (błędów orbit i zegarów, poprawek atmosferycznych); (iii) Dostępność dokładnych modeli błędów oraz poprawek atmosferycznych w czasie rzeczywistym stwarza możliwość wykorzystania metody Real-Time PPP dla celów geodezyjnych; (iv) Rozwój systemów satelitarnych stwarza możliwość szerszego wykorzystania satelitarnych metod pomiarowych w badaniach środowiska np. w modelowaniu stanu atmosfery czy prognozowaniu pogody; Rozwój systemów satelitarnych i metod obserwacji w geodezji Poznań, 17-18 czerwca 2015 r. 37/38
Dziękuję za uwagę Dominik Próchniewicz d.prochniewicz@gik.pw.edu.pl Rozwój systemów satelitarnych i metod obserwacji w geodezji Poznań, 17-18 czerwca 2015 r. 38/38