Satelitarne Systemy Nawigacyjne

Satelitarne Systemy Nawigacyjne Wprowadzenie 1. Historia 2. System satelitarny GPS Navstar a) segment satelitarny b) segment kontroli c) segment uŝytkownika 3. Błędy GPS 4. Technologia pomiarów DGPS 5. Pomiary względne 6. Metody pomiarów GPS uŝywane w geodezji 7. System satelitarny Glonass 8. System satelitarny Galileo 9. Przewidywany rozwój technologii satelitarnego wyznaczania pozycji

Wykład opracowano na podstawie: Literatura 1. J. Narkiewicz; Globalny system pozycyjny, WKiŁ, 2003. 2. J. Przywara; Europejski system nawigacji satelitarnej, Geodeta, Nr 12 (91), GRUDZIEŃ 2002. 3. J. Tomczak - Janowski; GPS, http://www.heading.enter.net.pl/gps1.htm 4. P. H. Dana; Global Positioning System Overview, http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gps.html. 5. P. Frączyk, M. Figurski, G. Modliński, Z. Rzepecka, A. Tyranowska; Podstawy Technologii Satelitarnych Systemów Lokalizacyjnych GPS, GLONASS. 6. Praca zbiorowa; System nawigacyjny Galileo, WKŁ, 2006. 7. http://www.navi.pl/?mright=gps_artykuly_&mitem=podstawy 8. http://www.kowoma.de/en/gps/index.htm 9. http://www.educnet.education.fr 2

Wprowadzenie Satelitarne systemy nawigacyjne powstały, aby moŝna było w szybki i precyzyjny sposób wyznaczyć pozycję odbiornika danego systemu na powierzchni Ziemi. Wśród systemów wyróŝnić moŝna: GPS Navstar Glonass Galileo 3

Typowe zastosowania systemów satelitarnych 4

Działanie systemu GPS Zasada działania systemu opiera się na pomiarze odległości pomiędzy satelitą poruszającym się po ściśle wyznaczonej orbicie a odbiornikiem: Znana odległość od satelity lokuje odbiornik na sferze o promieniu równym zmierzonej odległości. Znana odległość od dwóch satelitów lokuje odbiornik na okręgu będącym przecięciem dwu sfer. Kiedy odbiornik zmierzy odległości od trzech satelitów, istnieją tylko dwa punkty, w których moŝe się on znajdować. Jeden z tych punktów moŝna wykluczyć jako znajdujący się zbyt wysoko lub poruszający się zbyt szybko. W ten sposób wyznaczamy swoją pozycję. Wyznaczenie odległości od co najmniej 4 satelitów pozwala na określenie pozycji w trzech wymiarach (X, Y, Z). 5

Działanie systemu GPS 6

Historia (1/3) 1957 Rosyjski Sputnik 1. Nasłuch jego transmisji radiowych wykazał wyraźną wędrówkę częstotliwości sygnałów satelity. 1958-1962 powstaje system Transit (właściwie Navy Navigation Satellite System - NNSS). W roku 1967 został udostępniony uŝytkownikom cywilnym. Satelity emitowały sygnały na częstotliwościach 150 MHz i 400 MHz. Dokładność systemu była stopniowo polepszana od 900 m w roku 1962, 185 m w 1969, do 36 metrów w roku 1971. 1960 r. system satelitarny MOSAIC (Mobile System for Accurate ICBM Control), przeznaczony do określania precyzyjnych koordynat ruchomych wyrzutni rakiet Minuteman. System nie został uruchomiony. 7

Historia (2/3) 1964 r. został uruchomiony system SECOR (Sequential Collation of Range), przeznaczony dla wojsk lądowych. 1967 r. ZSRR uruchomił pierwszego satelitę swojego systemu nawigacyjnego Cyklon (Kosmos-192). Z systemu Cyklon wywodzi się rosyjski ratowniczy system lokalizacyjny KOSPAS. W maju tego roku marynarka USA umieściła na orbicie pierwszego satelitę serii TIMATION. 1973 r. projekt DNSS (Defense Navigation Satellite System). Trzeci satelita DNSS był demonstratorem systemu GPS (Global Positioning System) Navstar. 8

Historia (3/3) Styczeń 1978 r. Pierwszy satelita systemu został umieszczony na orbicie Lipiec 1995 r. system uzyskał pełną sprawność operacyjną. Obecnie system jest zarządzany przez dowództwo sił powietrznych USA, a konkretnie połączone biuro Navstar (GPS JPO - Navstar GPS Joint Program Office). Rosyjskim odpowiednikiem GPS Navstar jest system GLONASS. Pod koniec roku 1999 w ramach Unii Europejskiej podpisano porozumienie o budowie nowego satelitarnego systemu nawigacyjnego GALILEO. Pierwszy satelita z tego systemu został umieszczony na orbicie przez rosyjską rakietę w grudniu 2005 roku. 9

2. GPS - NAVSTAR Satelitarny system nawigacyjny znany pod nazwą GPS (Global Positioning System) satelitarny system nawigacyjny Navstar (Navigational Satellite Time and Ranging) został zaprojektowany jako precyzyjny system określania połoŝenia o zasięgu globalnym. Obecnie system jest zarządzany przez dowództwo sił powietrznych USA, a konkretnie połączone biuro Navstar (GPS JPO - Navstar GPS Joint Program Office), złoŝone z przedstawicieli sił powietrznych, marynarki, sił lądowych, piechoty morskiej, straŝy przybrzeŝnej, US Defence Mapping Agency, kwatery głównej NATO i Australii. 10

2. System satelitarny GPS Navstar Na system GPS Navstar składają się trzy segmenty: a/ segment satelitarny b/ segment kontroli c/ segment uŝytkownika 11

2 a/ Segment satelitarny GPS Segment satelitarny składa się z 27 satelitów (z czego 3 rezerwowe) krąŝących ponad 20200km ponad ziemią. Rozmieszczone są na sześciu orbitach (cztery satelity na kaŝdej), co pozwala na odbiór sygnału od pięciu do dwunastu satelitów z kaŝdego punktu globu. Płaszczyzny orbit nachylone są pod kątem 55 stopni do równika. Czas obiegu orbity wynosi około 12 godzin. Satelity rozmieszczone są tak, Ŝe prawdopodobieństwo dostępności co najmniej 5 z nich w dowolnym punkcie Ziemi wynosi 0.9996. 12

2 a/ Segment satelitarny GPS Satelita Navstar (SV - Space Vehicle) działa w oparciu o 9 systemów podstawowych: System wprowadzania na orbit System kontroli wysokości i prędkości System śledzenia i kontroli System nawigacyjny System wykrywania wybuchów jądrowych NUDET (Nuclear Detonation Detection System) System kontroli termicznej Blok Zasilania 13

2 a/ Segment satelitarny GPS 14

2 b/ Segment kontroli GPS Segment kontroli tworzy system czterech stacji monitorujących i główne centrum kontroli (MCS - Master Control Station) w Colorado Springs - baza lotnicza Schriever. Stacje odbierają sygnały kontrolne i telemetryczne satelitów - w razie potrzeby dokonują zdalnej korekty. 15

2 b/ Segment kontroli GPS Stacje monitorujące śledzą trajektorię satelitów. W razie wystąpienia odchyleń od modelu orbitalnego ruchu, zostają wyliczone precyzyjne dane korekcyjne (efemerydy) i korekty zegara. Poprawki takie są wyliczane dla kaŝdego z satelitów. Dane te są wysyłane z głównego centrum poprzez stacje nadawcze do poszczególnych satelitów. Poprawki te są następnie przesyłane wraz z sygnałem satelity do uŝytkowników systemu w postaci depeszy nawigacyjnej. Raz do roku kaŝdy z satelitów zostaje poddany procesowi repozycjonowania, trwa to około 12 godzin. W tym czasie satelita jest nieaktywny. Stacja monitorująca moŝe śledzić jednocześnie do 11 satelitów. 16

2 b/ Segment kontroli GPS Stacja monitorująca Hawaje 17

2 c/ segment uŝytkownika GPS W GPS segment uŝytkownika tworzą odbiorniki. Istnieje wiele typów odbiorników GPS: ręczne wielkości telefonu komórkowego profesjonalne zestawy do nawigacji i geodezji wysokiej klasy moduły GPS, sprzęŝone z systemami nawigacyjnymi samolotów komunikacyjnymi i wojskowymi odbiorniki do urządzeń przenośnych 18

Poziomy dokładności System GPS oferuje dwa poziomy dokładności określania pozycji: PPS (Precise Position System) Precyzyjny System Nawigacji, dostępny jedynie dla Armii USA, Agencji Rządowych i autoryzowanych uŝytkowników SPS (Standard Position System) Standardowy System Nawigacji, powszechnie dostępny bez Ŝadnych opłat. 19

Zasada działania 20

Sygnały GPS Satelity GPS (space vehicles (SVs)) emitują dwa sygnały podnośne mikrofalowe: 1/ L1 (1575.42 MHz) niosący informacje nawigacyjną i sygnały kodowane dla uŝytkowników SPS, 2/ L2 (1227.6 MHz) jest uŝywany do pomiarów opóźnienia jonosferyczne uwzględnianego przez odbiorniki segmentu SPS. Trzy kody binarne są nakładane na te dwie podnośne: a/ kod C/A (Coarse/Clear Acquisition) moduluje fazę L1. b/ kod P/Y (Precise) moduluje zarówno podnośną L1 jak i L2. c/ depesza nawigacyjna moduluje L1. 21

Ad a/ kod C/A (Coarse/Clear Acquisition) moduluje fazę L1, kod ten jest dla kaŝdego satelity inny - daje moŝliwość identyfikacji satelity, przy normalnym odbiorze do złudzenia przypominają one szum - nazywa się je sygnałem pseudolosowym (PRN - Pseudo - Random Noise). Kod C/A jest sygnałem binarnym, nadawanym z prędkością transmisji 1.023 Mb/s. Jego podobieństwo do szumu bierze się z długiego okresu - powtarza się on co 1023 bity. Sekwencja ta jest inna dla kaŝdego satelity. Dzięki temu odbiorniki są w stanie rozróŝnić sygnały z poszczególnych źródeł. 22

Ad b/ kod P/Y (Precise) moduluje zarówno podnośną L1 jak i L2. Dostęp do kodu P pozwala na osiąganie dokładności przeznaczonych do zastosowań militarnych. Kod P jest pozornie podobny do kodu C/A, ale ma bardziej złoŝoną strukturę. Jego prędkość transmisji wynosi 10.23 MHz. Jest on właściwie sekwencją trwającą 267 dni. KaŜdy z satelitów ma przypisany mniej-więcej ośmiodniowy segment tej sekwencji, będący jego kodem PRN. 23

ad c/ depesza nawigacyjna moduluje L1. Na sygnały P i C/A nałoŝona jest depesza nawigacyjna, uaktualniana co cztery godziny ze stacji naziemnych. Depesza zawiera między innymi almanach - dane dotyczące aktualnego stanu systemu, w tym przybliŝone elementy orbitalne wszystkich satelitów, których znajomość przyśpiesza proces akwizycji i efemerydę - dokładne elementy orbitalne satelity nadającego depeszę, niezbędne do wyznaczania czasu i pozycji. Dodatkowo transmitowane są dane o stanie satelitów, aktualne współczynniki do obliczenia opóźnienia jonosferycznego i dane do obliczenia czasu UTC (GPS Satellite Universal Coordinated Time). 24

Pokładowymi wzorcami czasu są cztery zegary atomowe (dwa rubidowe i dwa cezowe). Dokładność pomiaru czasu wynosi 340 nanosekund dla SPS (Standard Positioning Service) i 100 ns dla PPS (Precise Positioning Service) Tak wysoka dokładność jest konieczna, poniewaŝ błąd rzędu miliardowej części sekundy powoduje błąd pomiaru rzędu 50 cm. Zakładana dokładność pomiaru czasu PPS (zastosowania militarne) skutkuje dokładnościami pomiaru pozycji: 22 metry horyzontalnie 27.7 metry wertykalnie 200 nanosekundy dokładność w pomiarze czasu Zakładana dokładność pomiaru czasu SPS (zastosowania cywilne) skutkuje dokładnościami pomiaru pozycji: 100 metry horyzontalnie 156 metry wertykalnie 340 nanosekundy dokładność w pomiarze czasu 25

26

Na depeszę nawigacyjną składa się 25 ramek, kaŝda złoŝona z 1500 bitów. PoniewaŜ wiele pozycji z depeszy jest powtarzane, odebranie wszystkich 25 ramek zajmuje 12.5 minuty przy szybkości transmisji 50 bitów na sekundę. Docierające do odbiornika sygnały pseudolosowe satelitów są przesunięte względem swoich częstotliwości zasadniczych wskutek zjawiska Dopplera; zaleŝnie od połoŝenia odbiornika względem torów lotu satelitów. Odbiornik musi zatem przeczesać pasmo radiowe w którym naleŝy się spodziewać uŝytecznych sygnałów. Odnalezione sygnały satelitów muszą zostać sprawdzone czy nadają się do wykorzystania, poniewaŝ poziom sygnału odbieranego przy powierzchni Ziemi jest niŝszy od poziomu szumów. 27

Odbiornik jest gotów do rozpoczęcia nawigacji po złapaniu pod śledzenie czterech satelitów, osiągnięciu synchronizacji i odczytaniu depeszy nawigacyjnej. Dlatego od włączenia odbiornika do otrzymania pierwszego odczytu musi minąć pewien czas, określany jako czas akwizycji (TIFF - Time to First Fix), który jest jednym z podstawowych parametrów określających klasę (i cenę) odbiornika. Z odległości do czterech śledzonych satelitów i danych o ich trajektorii procesor wylicza współrzędne przestrzenne odbiornika. Zazwyczaj odbiorniki aktualizują swoje dane raz na sekundę. Dla określenia przewidywanej konfiguracji satelitów niezbędna jest znajomość almanachu, przybliŝonej pozycji, przybliŝonego 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. 28

Procedura obliczania pozycji początkowej rozpoczyna się od określenia widzialnych satelitów. KaŜdy odbiornik ma w pamięci wzorce kodów PRN wszystkich satelitów (34 kody). Wzorce te są przyrównywane po kolei do odbieranych sygnałów do momentu zidentyfikowania jednego, co oznacza rozpoczęcie śledzenia. Śledząc satelitę odbiornik demoduluje depeszę nawigacyjną i odczytuje dane almanachu o wszystkich satelitach w konstelacji. Na podstawie danych efemerycznych i almanachu synchronizuje swój zegar wewnętrzny z zegarami satelitów i uwzględnia wszystkie konieczne dane korekcyjne. MoŜliwość określenia satelitów które mogą znaleźć się w zasięgu i ograniczenie ilości sprawdzanych kodów PRN znacznie skraca czas poszukiwania. Drogie odbiorniki profesjonalne pamiętają zarówno dokładny czas, jak i prognozowane trasy satelitów. Czas akwizycji takich odbiorników jest dosyć krótki, o ile zbyt radykalnie nie zmieni się jego lokalizacji w czasie "uśpienia". 29

Akwizycja sygnałów GPS W procesie inicjacji odbiornika nawigacyjnego SPS 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. 30

Pozycja przestrzenna obliczona odległości od satelitów byłaby odniesiona do orbity satelitów, podczas gdy rzeczywiste parametry pozycyjne są odnoszone do powierzchni Ziemi, a konkretnie uśrednionego poziomu morza. Satelitarny system nawigacyjny musi zatem uŝywać uniwersalnego układu odniesienia. Geodezyjny układ odniesienia jest matematycznym modelem kształtu Ziemi, jak najlepiej dopasowanym do rzeczywistej geoidy. Definiuje się go poprzez wielkość i kształt elipsoidy i połoŝenie środka elipsoidy w odniesieniu do środka Ziemi. Obecnie uŝywany układ odniesienia WGS-84 (World Geodetic System 1984) opisuje elipsoidę której dłuŝsza oś ma długość 6378.137 km, a współczynnik spłaszczenia wynosi 1/298.257223563. WGS 84 jest wykorzystywany przez system GPS od stycznia 1987 roku 31

Dostęp do kodu P daje moŝliwość natychmiastowego określania pozycji z dokładnością do 10 m, a przy uŝyciu kodu C/A 15 do 20 m, przy 95% poziomie ufności. Sztucznie wprowadzone i niektóre naturalne ograniczenia dokładności mogą być w duŝym stopniu wyeliminowane Wpływ SA i anti-spoofingu (rozmyślnie wprowadzone błędy w sygnałach SPS, znane jako SA (Selective Availability) i Anti-spoofing), a takŝe wielu czynników naturalnych moŝna praktycznie wyeliminować przy zastosowaniu technik róŝnicowych. Techniki te polegają na wykorzystaniu poprawek wyznaczanych i rozpowszechnianych przez precyzyjnie zlokalizowane naziemne stacje referencyjne. 32

Budowa odbiornika GPS 33

3. Błędy GPS Błędy GPS mogą być rozmaitej natury. Ogólnie moŝna je podzielić na błędy wynikające z: przyczyn technicznych przyczyn naturalnych. Są one kombinacją: A/ noise - szumów nadajnika i odbiornika, B/ bias złej synchronizacji z zegarem satelitów C/ blunders - popełnianych róŝnych innych pomyłek 34

3. Błędy GPS 35

3. Błędy GPS Ad a/ błędy wynikające z szumów są kombinacją efektu szumów kodu PRN (około 1m) i szumów wnoszonych przez odbiornik (około 1m) Ad b/ błędy podstawy wynikają z ograniczonego dostępu i z innych czynników Ograniczony dostęp Selective Availability (SA) dostęp jest degradowany przez zmianę poziomu odniesienia sygnałów przez DOD. Potencjalna dokładność kodu C/A około 30 m jest redukowana do 100 m. Poziomy S.A. Na kaŝdym satelicie są nieco róŝne i obliczona pozycja jest wynikiem danych z kilku satelitów. Poprawki S.A. są wolnozmienne. Od 1 maja 2000 roku na mocy decyzji prezydenta Clintona sygnał SA został wyłączony do odwołania. Nie oznacza to moŝliwości ewentualnego ponownego włączenia tego sygnału. 36

Inne źródła błędów podstawy: 3. Błędy GPS Błąd zegara satelity. RóŜnica pomiędzy idealnym czasem GPS a wskazaniem zegara satelity skutkuje błędem połoŝenia około 1 m. Błąd efemeryd. Polega na róŝnicy między połoŝeniem satelity, wyliczonym z danych orbitalnych a rzeczywistym. Powodowany jest przez grawitację Słońca i KsięŜyca, a takŝe wiatr słoneczny. Poprawki róŝnicowe eliminują ten błąd prawie całkowicie 1 m. Opóźnienie troposferyczne. Opóźnienie to powstaje w dolnych warstwach atmosfery i jest zaleŝne od temperatury, ciśnienia i wilgotności. MoŜe wynosić od 1 do 3 metrów. Opóźnienie jonosferyczne. Błąd odległości wywołany opóźnieniem w propagacji fal radiowych wynosi od 20-30 metrów w dzień do 3-6 metrów w nocy (średnio 10 m). Wielodrogowość fal. Wynika z odbić fal w pobliŝu odbiornika, niemoŝliwe do skompensowania 0.5 m błedu 37

3. Błędy GPS Ad c/ błędy wynikające z popełnianych pomyłek mogą dochodzić do setek kilometrów - błędy popełniane w ośrodku kontroli, błędy oprogramowania, błędy obsługi popełniane przez ludzi, - Błędy popełniane prze uŝytkowników, np. przyjęcie niewłaściwych danych odniesienia geograficznego itp. - Błędy odbiornika wynikające z przyjęcia błędnego oprogramowania itp. 38

Geometryczne rozmycie dokładności Niedokładność samego wyznaczania geometrycznej pozycji względem połoŝenia satelitów nazywa się geometrycznym rozmyciem dokładności - Geometric Dilution of Precision (GDOP). 39

Geometryczne rozmycie dokładności Rozmycie moŝe dotyczyć: pomiarów poziomych (Horizontal DOP - HDOP) - długość i szerokość geograficzna pomiarów pionowych (Vertical DOP - VDOP) - wysokość pozycji (Position DOP - PDOP) - stosunek pomiędzy błędem w obliczeniu pozycji uŝytkownika a błędem w obliczeniu pozycji satelity pomiarów geometrycznych (Geometrical DOP - GDOP) - dotyczy pomiarów współrzędnych przestrzennych czasu (Time DOP - TDOP) - dotyczy błędu czasu systemowego, MoŜliwe jest osiągnięcie dokładności określenia pozycji od 1-10 metrów bazując na kodzie C/A i sygnałach SPS. Dla wyeliminowania błędów satelitarnych i wpływu zakłóceń, a takŝe w celu ominięcia ograniczeń dokładności w sygnałach GPS, stworzono system korekcji, określany jako róŝnicowy GPS (DGPS - Differential GPS). 40

4. Technologia pomiarów DGPS DGPS - Differential GPS, polega na korygowaniu współrzędnych wyznaczanych metodą pseudoodległości przez odbiornik będący w ruchu (mobile receiver) przy pomocy poprawek wysyłanych przez stację referencyjną, której współrzędne wyraŝone w odpowiednim układzie współrzędnych (np. WGS 84, EUREF 89) są znane. Stacja referencyjna określa poprawki na zasadzie porównania pozycji uzyskanej z aktualnych pomiarów satelitarnych ze znaną pozycją stacji. Poprawki do pomierzonych odległości do satelitów są przesyłane telemetrycznie w czasie prawie rzeczywistym przy wykorzystaniu nadajników radiowych (LW, UHF), telefonii komórkowej GSM do odbiornika ruchomego lub internetu. 41

Stacje referencyjne w Polsce Identyfikator Lokalizacja Współrzędne anteny D1 Dziwnów 54 01 18N 14 43 51 D2 Rozewie 54 49 50N 18 20 07E D3 Józefosław 52 05 50.1866N 2101 53.5340E D4 Borowa Góra k/warszawy 52 28 33.4N 21 02 07.2E D5 Lamkówko 53 53 28.04N 20 40 14.08E http://www.navi.pl/?mright=gps_artykuly_&mitem=serwisydgps 42

43

P. H. Dana 44

5. Pomiary względne Przełom w zakresie wykorzystania Globalnego Systemu Pozycjonowania do precyzyjnych pomiarów w geodezji nastąpił w wyniku zastosowania nowych metod obserwacyjnych: interferometrii satelitarnej oraz pomiarów fazowych, stwarzających moŝliwość uwolnienia się od korzystania z informacji zawartych w kodach modulujących sygnały satelitarne. Podstawą konstruowania modeli matematycznych pomiarów fazowych jest róŝnica faz fali nośnej sygnału emitowanego przez satelitę oraz sygnału wzorcowego, generowanego przez odbiornik. Stosowane są następujące modele: pojedyncza róŝnica faz między satelitami, podwójne róŝnicowanie, potrójne róŝnicowanie. 45

46

6. Metody pomiarów GPS uŝywane w geodezji Metoda statyczna - wymagająca kilkudziesięciominutowej lub nawet kilkugodzinnej sesji obserwacyjnej (dla uzyskania dokładności milimetrowej) przy uŝyciu co najmniej dwóch odbiorników GPS. Odległości między odbiornikami mogą wynosić od kilkudziesięciu centymetrów do kilkuset kilometrów. Metoda pozwala na uzyskiwanie dokładności subcentymetrowych i moŝe być stosowana do tworzenia geodezyjnych osnów podstawowych i szczegółowych. Metoda rapid static - jest to metoda statyczna, realizowana przy uŝyciu odbiorników GPS nowszej generacji. Jeden z odbiorników jest ustawiany na punkcie będącym okresową stacją referencyjną (stacją odniesienia), a pozostałe odbiorniki są przemieszczane od punktu do punktu. Zaletą odbiorników tej generacji jest moŝliwość znacznego skrócenia sesji obserwacyjnej. Przy odległości między punktami równej 15 km, subcentymetrową dokładność wzajemnego połoŝenia punktów moŝna uzyskać na podstawie wyników sesji obserwacyjnej, trwającej od 5 do 10 minut. 47

6. Metody pomiarów GPS uŝywane w geodezji Metoda kinematyczna ze statyczną inicjalizacją - jest to metoda stosowana do wyznaczania trajektorii poruszających się obiektów lub teŝ do wyznaczania współrzędnych punktów geodezyjnych techniką. Dokładność tej metody moŝna ocenić na 1-2 cm + 1ppm długości linii. Metody czasu rzeczywistego Real-Time-Kinematic (RTK) z inicjalizacją On-The-Fly (OTF) - metody te umoŝliwiają szybkie (prawie natychmiastowe) wyznaczenie połoŝenia centrum fazowego anteny satelitarnej odbiornika z dokładnością 1-3 cm. W precyzyjnej nawigacji i kierowaniu maszynami ruchomy odbiornik przemieszcza się w sposób ciągły i np. co 1 sekundę wyznaczane są dyskretne pozycje jego trajektorii. W geodezji, obserwator w ciągu kilku lub kilkunastu sekund dokonuje wyznaczeń pozycji kolejnych punktów, na których ustawiono antenę satelitarną. 48

7. System satelitarny Glonass http://www.glonass.it/ 49

7. System satelitarny Glonass ГЛОНАСС; ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система; Globalnaja Nawigacionnaja Sputnikowaja Sistiema Pierwszy satelita Glonass został wyniesiony 12 października 1982, ale system formalnie ruszył 24 września 1993 roku. Satelity Glonass są konstruowane i budowane w Krasnojarsku w południowej Syberii Obecnie w kosmosie znajduje się 17 satelitów, w tym dwa nowej generacji oznaczone literą M. Poruszają się one po orbitach kołowych, nachylonych do płaszczyzny równika pod kątem 64,8, na wysokości 19 100 km. KaŜdy satelita okrąŝa Ziemię w 11 godzin 15 minut. Oznacza to, Ŝe przy pełnej konstelacji składającej się z 24 satelitów w kaŝdym punkcie na Ziemi i o kaŝdej porze widocznych będzie co najmniej 5 z nich. 50

7. System satelitarny Glonass Satelity GLONASS, podobnie jak GPS, emitują dwa rodzaje sygnałów: - L1 = 1602 MHz + n*0,5625 MHz - Standard precision (SP), - L2 = 1246 MHz + n*0,4375 MHz - High precision (HP), Gdzie n jest numerem kanału (n = 1, 2, ). Oznacza to, Ŝe kaŝdy satelita generuje sygnał pomiarowy o innej częstotliwości. Dane efemeryczne satelitów wyznaczane są w ziemskim układzie odniesienia PZ-90. Czas mierzony przez zegary atomowe na satelitach odniesiony jest do rosyjskiego państwowego wzorca czasu o nazwie ETALON. 51

Porównanie GPS NAVSTAR i Glonass System GPS GLONASS Rozmieszczenie: Liczba satelitów 24 24 Liczba planów orbitalnych 6 3 Inklinacja* (deg) 55 65,8 Wysokość orbit (km) 20200 19100 Czas okrąŝenia Ziemi (hr:min) 11:58:00 11:16:00 Geodezyjny układ odniesienia WGS 84 PZ 90 (SGS 85) Charakterystyka sygnału: L1: 1602+0.5625n Częstotliwość nośna (MHz) SPS L1: 1575.42 (n=1,2,...,24) L2: 1246+0.4375n, Częstotliwość nośna (MHz) PPS L2: 1227.60 (n=1,2,...,24) C/A code: 1.023 C/A: 0.511 Częstotliwość sygnałów (MHz) Transmisja danych (bity/s) P code: 10.23 P : 5.11 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 52

7. Segment naziemny Glonass www.glonass.it SCC (System Control Center Centrum Kontroli Systemu): Krasnoznamieńsk TT&C (Telemetry, Tracking and Control Stacja Kontrolna): Sankt Petersburg, Szelkowo, Jenisejsk, Komsomolsk nad Amurem TT&C Planowane: Mendelejewo, Nowosybirsk, Irkuck, Kabarowsk 53

Standardowe dokładności pomiarowe: - horyzontalna 57-70 metrów (prawdopodobieństwo 99.7%), - wertykalna 70 metrów (prawdopodobieństwo 99.7%), - Dokładność określania czasu 1 mks (prawdopodobieństwo 99.7%). Dokładności te mogą ulec znaczącemu polepszeniu po zastosowaniu nowoczesnych technik fazowych. Obecnie trwają prace nad przyspieszeniem wymiany stacji. Do 2010 roku ma obejmować 24 satelity nowej generacji. Ilość działających satelitów Glonass ciągle się zmienia. Obecnie jest ich 12 (stan na 27.11.2006) http://www.glonass-center.ru/int.html 54

http://en.wikipedia.org/wiki/glonass 55

Odbiornik GPS odbierający i przetwarzający sygnały z satelitów GLONASS musi dokonać kilku dodatkowych czynności: - Odebrać dane na kilku częstotliwościach, - Przeliczyć dane do układu WGS-84, - Przekonwertować czas rosyjski na UTC (Coordinated Universal Time) dokładnie czas Moskiewski - Moscow Time (UTC+0300) Obecnie są robione takie odbiorniki. Nad Warszawą widać czasami tylko 2 satelity, ale w godzinach pracy produkcyjnej geodetów (8.00-16.00) jest ich juŝ zawsze 4... 56

G.P.S. G.P.S. + GLONASS http://www.glonass.it/glonass_advantages.htm 57

8. System satelitarny Galileo Pod koniec roku 1999 w ramach Unii Europejskiej podpisano porozumienie o budowie nowego satelitarnego systemu nawigacyjnego GALILEO. Państwa załoŝycielskie to Francja, Niemcy Wielka Brytania i Włochy. Projekt współfinansuje równieŝ Europejska Agencja Kosmiczna ESA. 58

ZałoŜenia systemu 1.Galileo ma byś systemem europejskim niezaleŝnym od Stanów Zjednoczonych. 2. Galileo ma być systemem cywilnym, w odróŝnieniu od GPS NAVSTAR, który jest prowadzony i kontrolowany przez Armię USA. 3. System będzie kompatybilny z systemem GPS, poniewaŝ satelity Galileo uŝywają tych samych częstotliwości do przesyłania danych do odbiorników co satelity GPS. 59

ZałoŜenia systemu Segment satelitarny systemu Galileo ma stanowić 30 satelitów, z czego 27 będą stanowić satelity operacyjne, oraz 3 zapasowe aktywne. Będą krąŝyć na trzech planach orbitalnych o inklinacji 56 i wysokości 23 616 kilometrów. Satelity będą transmitowały następujące informacje: dane pozycyjne dokładny czas informacje o wiarygodności tych danych dane o ewentualnych awariach systemu System zostanie uruchomiony w 2008 roku, obecnie z kosmodromu Bajkonur wystrzeliwane są pierwsze satelity. 60

Usługi oferowane przez system Galileo System Galileo będzie oferował pięć rodzajów usług: Usługi ogólnie dostępne ( Open Access Service OAS): podstawowe usługi określania połoŝenia i czasu. Będą one bezpłatne, dostępne publicznie i w nieograniczony sposób. Usługi chroniące Ŝycie ( Safety-of-Life SoL): zawierają one usługi AOS, dodatkowo posiadają sygnał potwierdzający wiarygodność otrzymywanych danych. Ma to ogromne znaczenie w obszarach, gdzie niespójność danych mogłaby naraŝać Ŝycie innych osób, np. w transporcie kolejowym morskim czy lotniczym. 61

Usługi Komercyjne (Commercial Service CS), do zastosowań biznesowych, gdzie potrzebna jest większa wydajność i dokładność niŝ OAS. Usługi Publicznie Regulowane ( Public Regulated Service PRS), dostępne tylko do zastosowań kontrolowanych przez administrację państwową, takich jak obrona cywilna czy obronność. Usługi poszukiwawcze i ratownicze ( Search and Rescue Service SAR), powszechnie dostępne dla wszystkich zainteresowanych, bezpłatne, zapewniające precyzyjną lokalizację i komunikację zwrotną pomiędzy wysyłającym sygnał ratunkowy a operatorem usługi. 62

Pierwszy satelita testowy GIOVE-A (28 grudnia 2005 r.) Wystrzelony z kosmodromu Bajkonur przez rakietę Sojuz-Fregat. Nazwa satelity GIOVE-A Galileo In-Orbit Validation Element 12 stycznia o godzinie 17.25 czasu GMT satelita GIOVE wyemitował pierwsze sygnały nawigacyjne. Waga 600 kg. WyposaŜony w precyzyjny układ układ zliczający. Koszt wdroŝenia szacowany na 3 mld euro. Ukończenie projektu przewidywane na 2010 rok. 63

9. Przewidywany rozwój technologii satelitarnego wyznaczania pozycji Krajowe systemy permanentnych stacji satelitarnych moŝna uznać za osnowy geodezyjne nowej generacji. Cele tworzenia krajowych systemów stacji referencyjnych: UmoŜliwienie zespołowi pomiarowemu, wyznaczenie pozycji z wymaganą dokładnością, w dowolnym rejonie kraju Dostarczenie obserwacji nadliczbowych przy kaŝdorazowym wyznaczaniu pozycji, Dostarczenie danych do monitorowania zmian układu odniesienia w czasie oraz do prowadzenia badań geodynamicznych. 64