140
TEHNOLOGI SPAŢIALE GEODEZICE 2011
TEHNOLOGI SPAŢIALE GEODEZICE
2011
1. STADIUL ACTUAL PRIVIND UTILIZAREA TEHNOLOGIEI SPAŢIALE GEODEZICE
• Lansarea primului satelit artificial al Pământului:Sputnik 1, la 04.10.1957
• Domeniile de utilizare ale sateliţilor artificialispecializaţi sunt numeroase si diversificate
• Au o deosebita importanţă strategică în domeniulmilitar şi o largă utilizare în domeniul civil:dezvoltarea tehnologiilor satelitare de navigaţiecare permit poziţionarea precisă a mijloacelor detransport aeriene, maritime şi terestre aflate înmişcare sau în repaus.
• Aceasta tehnologie şi-a găsit, de asemenea, o largăaplicabilitate şi in domeniul geodeziei şigeodinamicii prin realizarea unor reţele geodezice lanivel global sau naţional, contribuţii ladeterminarea formei si dimensiunilor Pământului şia câmpului său gravitaţional, determinareadeplasarilor placilor tectonice, etc.
• La ora actuala funcţionează în paralel două sistemede poziţionare globală:
– sistemul de poziţionare NAVigation System with TimeAnd Ranging Global Positioning System (NAVSTAR GPS)cunoscut sub denumirea GPS, realizat si gestionat deStatele Unite ale Americii
– sistemul de pozitionare GLObal NAvigation SatelliteSystem (GLONASS), realizat si gestionat de FederatiaRusă
• Proiectul GPS a fost demarat de catre guvernulStatelor Unite la inceputul anilor 70.
• Scopul principal il reprezinta posibilitatea de aputea determina cu precizie pozitia unui obiectmobil sau fix in orice punct de pe suprafatapamintului, in orice moment indiferent de stareavremii. GPS este un sistem care utilizeaza oconstelatie de 32 de sateliti pentru a putea oferi opozitie precisa unui utilizator. Precizia trebuieinteleasa in functie de utilizator. Pentru un turist injur de 15 m, pentru o nava maritimă in jur de 5,pentru un topograf precizie inseamna 1 cm sauchiar mai putin.
• GPS poate fi utilizat pentru a obtine preciziile cerutein toate aplicatiile, singurele diferente constandnumai in tipul receptorului si a metodei de lucruutilizate.
• Initial GPS a fost proiectat numai pentru aplicatiimilitare. Curand dupa ce acest obiectiv a fost atins adevenit evident ca GPS va putea fi folosit si pentruscopuri civile pastrand totusi anumite proprietatinumai pentru domeniul militar. Primele douaaplicatii civile au fost navigatia maritima simasuratorile tereste.
2. PRINCIPIUL MĂSURĂTORILOR GPS
• Receptorul GPS măsoară timpul necesar unuisemnal pentru a se propaga de la satelit la receptor.
• Distanţa satelit-receptor o putem determinaînmulţind acest timp cu viteza luminii (c).
• = distanţa;
• c = viteza luminii;
• = întârzierea dintre codul generat şi codul recepţionat;
c
Geocentru
ReceptorPamant
SatelitOrbita
R
Măsurătorile de distanţe pe care receptorul le face sunt afectate de către eroarea de ceas a
satelitului şi a receptorului, de aceea acestea sunt denumite pseudodistanţe.
3. COMPONENTELE SISTEMULUI
• Sistemul de pozitionare globala functioneaza peprincipiul receptionarii de catre utilizator a unorsemnale radio emise de o constelatie de sateliti denavigatie, specializati, care se misca in jurulPamintului pe orbite.
• Sistemul a fost astfel proiectat încât permite ca înorice moment si oriunde pe suprafata Pamintului,un mobil aflat in miscare sau in repaus, sa isi poatastabili in timp real pozitia
• Sistemul de pozitionare GPS, este constituit din treicomponente sau segmente principale care asigurafunctionarea acestuia, dupa cum urmeaza:
1. Segmentul spatial, constituit din constelatia de 32de sateliti GPS;
2. Segmentul de control, constituit din statiile de lasol, care monitorizeaza intregul sistem;
3. Segmentul utilizatorilor, compus din utilizatoriicivili si militari, care folosesc receptoare GPS dotatecu antena si anexele necesare;
Primele două segmente se află în exclusivitate subcontrolul realizatorului sistemului (DepartamentulApărării - USA)
3.1. Segmentul spaţial• Constelatia de sateliti GPS a fost proiectata sa
contina 32 de sateliti amplasati pe 6 orbiteaproximativ circulare fata de suprafata Pamintului.
• Planurile orbitale ale satelitilor au o inclinatie de55o fata de planul ecuatorial terestru, satelitiievoluid la o altitudine de cca. 20.200km.
• Fiecare satelit face o rotatie completa in jurulPamintului in 11 ore si 56 de minute
• Fiecare satelit are o durata de functionare estimatala cca.7 ani, durata care in general a fost depasita,asigurindu-se astfel o siguranta in plus inexploatarea sistemului.
• Segmentul spatial, asigura ca la orice ora, in oriceloc pe suprafata Pamintului, indiferent de conditiilemeteorologice, de perioada din zi sau din noapte, sase poata receptiona semnale radio de la minimum 4sateliti dar si mai multi, 8 sau 10, sub un unghi deelevatie de 15o deasupra orizontului, conditiiabsolut necesare pentru pozitionare.
• Principalele functiuni ale segmentului spatial alsistemului si ale fiecarui satelit in parte pot fisintetizate astfel:
- satelitii GPS transmit permanent informatiiutilizatorilor prin intermediul unor semnale radio infrecventa nominala fundamentala de 10.23 MHz,din care se genereaza cele doua unde purtatoare:
• L1 = fo 154 = 1575,42 Mhz = 19,05 cm = 1
• L2 = fo 120 = 1227,60 Mhz = 24,45 cm = 2
unde 1 şi 2 sunt lungimile de undă ale undelor purtătoare.
- receptioneaza si inmagazineaza informatiileprimite de la segmentul de control;
3.2 Segmentul de control
• Segmentul de control al sistemului GPS esteconstituit din statiile specializate de la sol careactualmente sunt in numar de cinci si sunt dispuseaproximativ uniform in jurul Pamintului, in zonaecuatoriala
• 4 staţii de monitorizare - Monitor Station
• 1 staţie de control - Master Control Station
• Principalele sarcini ale segmentului de control sunt:
segmentul de control urmareste permanent prinstatii de la sol satelitii sistemului, prelucrind datelereceptionate in vederea calcularii pozitiilor acestora(efemeride), care apoi sunt transmise la sateliti;
controleaza ceasurile satelitilor;
calculeaza corectiile orbitale;
activeaza prin comenzi de la sol, la momentul doritsau necesar, sistemele de protectie SA (SelectiveAvailability) si AS (Anti – Spoofing), ale sistemului;
stocheaza datele noi receptionate de la sateliti;
calculeaza efemeridele prognozate pentruurmatoarele 12 sau 24 de ore
3.2 Segmentul utilizatori
• Acest segment e constituit din totalitateautilizatorilor detinatori de receptoare GPS cuantena, in functie de calitatile receptorului siantenei, rezultind acuratetea preciziei depozitionare sau a elementelor de navigatie.Receptoarele geodezice sunt receptoarele cele maiprecise si opereaza cu lungimile de unda purtatoareL1 si L2 precum si codul C/A sau P.
• Receptorul GPS se compune din următoarele unităţi funcţionale:
4. STRUCTURA SEMNALULUI
• Acuratetea sistemului de pozitionare GPS esteasigurata de faptul ca toate componentelesemnalului satelitar sunt controlate de ceasuriatomice.
• Aceste ceasuri atomice, de foarte mareprecizie, asigura realizarea unei frecventefundamentale f0 = 10.23 MHz, in banda L.
• lungimea de unda:
• unde: v = c = 299 792 458 m/s (viteza luminii in vid)si f0 = 10.23 MHz
f
v
8
6
2.99792458 1030
10.23 10m
• Frecventa fundamentala f0, este la originea a treiparti fundamentale ale semnalului transmis desatelitii GPS si anume:
- componenta portanta, care contine 2 undesinusoidale L1 si L2;
- componenta activa, care contine 2 coduri numiteC/A si P ;
- componenta mesaj, care contine codul D;
• Cele două unde purtătoare, sunt generate prinmultiplicarea frecventei fundamentale cu 154,pentru L1 si respectiv 120, pentru L2.
• Frecventele si lungimile de undă rezultate auurmătoarele valori:
cm24Mhz1227.60f
cm19Mhz1575.42f
2L
1L
2L
02
1L
0 1
f
cλf*120 : L apurtãtoare
f
cλf*154 : L apurtãtoare
• Codul C/A este liber pentru utilizatorii civili simoduleazã numai lungimea de undã portantã L1.Acest cod furnizeazã informatii privind identificareasatelitului receptionat.
• Codul P este codul rezervat utilizatorilor militariprecum si altor utilizatori privilegiati si moduleazãlungimile de undã ale portantelor L1 si L2.
• Codul D reprezintã codul de navigatie, are ofrecventã fD =f0/204800 = 50 Hz, care contineinformatiile privitoare la efemeridele satelitilor siparametrii reali pentru calculul pozitiei lor, stareaacestora si informatii privind ceasurile de la bord.
• Receptoarele de mici dimensiuni, utilizate exclusivpentru navigatie, receptioneaza numai codurile C/Asi D si asigura o pozitionare absoluta in precizia de+/- 100m.
• Utilizatorii care dispun de posibilitatea de masurarea tuturor codurilor, pot beneficia de pozitionare intimp real, cu anumite date privind corectiiledistantelor provenite de la statiile permanente dereferinta GPS
• Utilizatorii care dispun de receptionarea semnaluluiGPS in doua frecvente dispun de posibilitatea deeliminare a erorilor sistematice, generate de efectulinfluentei refractiei ionosferice si troposferice;
5. POZITIONAREA CU AJUTORUL TEHNOLOGIEI GPS
• Pozitionarea cu ajutorul tehnologiei GPS se realizezaprin determinarea distantelor dintre punctul destatie si satelitii GPS vizibili, matematic fiindnecesare masuratori la minimum 4 sateliti. Acestnumar de sateliti este necesar pentru a ne puteapozitiona cit se poate de precis, numai pe bazadistantelor masurate la sateliti.
• Daca am avea masuratori la un singur satelit si amcunoaste pozitia acestuia, pozitia noastra in spatiuar fi pe o sfera
• Masurind distante la doi sateliti ne aflam pe un cercgenerat de intersectia celor doua sfere
• În momentul in care avem masuratori si la un altreilea satelit, ne localizeazăm in doua puncte dinspatiu.
• Pentru o precizie ridicată este necesara a patramasuratoare fata de un al patrulea satelit si atunciin mod cert punctul pozitionarii noastre va fi unic.
• Pozitionarea se realizeaza cu ajutorulretrointersectiei spatiale de distante, in sistemul dereferinta, reprezentat de elipsoidul WGS84.
• Fata de coordonatele spatiale care definescpermanent pozitia fiecarui satelit GPS (Sj ), in acestsistem de referinta, coordonatele spatiale aleoricarui punct de pe suprafata Pamintului (Pi ) sepot determina cu deosebita precizie prinintermediul masurarii unui numar suficient dedistante de la satelitii receptionati de receptorul dinpunctul P.
OY
X
Z
R
rPi
S j
Vectorul „r “ , reprezintã vectorul de pozitie al satelitului observat la momentul
„t” Vectorul „r” reprezintã vectorul distantã de la punctul considerat la satelit
Vectorul „R” rezultat, reprezintã vectorul de pozitie al punctului P.
• Vectorial, pozitia punctului P este rezolvata prin determinarea vectorului de pozitie R:
• Distanta geometricã poate fi exprimatã de relatia:
r R
R r
222 ))(())(())(()( i
jjj
i
jj
i ZtZYtYXtXt
• Pozitionarea cu ajutorul tehnologiei GPS se poateface în diferite modalitãti
• Pozitionare absolutã: determinarea coordonatelorspatiale ale punctului P se face cu douã receptoareGPS, din care unul amplasat pe un punct care aredeja coordonate tridimensionale determinate într-un sistem de referintã global (WGS84, EUREF, etc).
• Pozitionare relativã: sunt determinate diferentelede coordonate între douã puncte sau componentelevectorului (baseline), ce uneste cele douã punctestationate cu receptoare GPS
• Pozitionare diferentialã: este asemãnãtoare,caprocedeu, cu pozitionarea absolutã cu deosebireacã eroarea care afecteazã distanta de la satelit lareceptor este calculatã si aplicatã în timp real, ca ocorectie diferentialã, datã de cãtre receptorul carestationeazã pe un punct de coordonate cunoscutecãtre receptorul care stationeazã în punctul nou.
• Masuratorile GPS, in geodezie sau ridicaritopografice, se pot executa prin doua metodeprincipale, care in functie de situatie, de aparatura,etc. au fiecare diferite variante :
5.1 METODE DE MASURARE CU AJUTORUL TEHNOLOGIEI GPS
• Metoda statică subînţelege staţionarea cureceptorul pe punctul de staţie, pe toatăperioada observării, prilej cu care se realizeazăun număr mare de măsurători. Receptoarelesunt dispuse pe puncte în mod continuu pe operioadă de timp mai îndelungată
Durata acesteia este stabilita in functie delungimea laturilor, numarului de satelitiutilizabili, de geometria segmentului spatialobservabil, precum si de precizia dedeterminare a punctelor noii retele.
• Metoda cinematică subînţelege deplasarea unuireceptor pe perioada observării, în timp ce unreceptor rămâne fixat pe punctul cunoscut.
• Principiul poziţionării prin metoda cinematică sebazează pe faptul că în primul rând se ocupă câtevapuncte cu coordonate cunoscute pe care se culegdate de la sateliţi (este necesar ca numărulsateliţilor vizibili să fie cât mai mare) pe parcursul acâteva minute. Prin această metodă se stabileştevectorul dintre receptorul staţionar (de bază) şi celmobil (rover), cu o precizie de ordinul a doi la treicentimetri.
Tehnica de măsurare
Num. min. de
sateliţi
Timpul min. de obs.
Precizia orizontală Alte caracteristici
Statică(Static)
4 1ora
Cu o frecvenţă:5 mm + 1 ppm
Cu două frecvenţe:
5 mm + 1 ppm
Prin utilizarea receptoarelor cu unică frecvenţă, cea mai mare precizie se obţine la liniile de bază 10 km.
La utilizarea receptoarelor cu dublă frecvenţă nu există limitări privind lungimea liniei de bază.
Rapid statică(Fast Static)
4 8-30 min
Variază între precizia metodei statice şi
cinematice, funcţie de perioada de măsurare
Procedura este identică ca la metoda statică, dar timpul de măsurare este mai scurt.
Cinematică cu prelucrare ulterioară
(PP Kinematic)
4 2 etape 1cm+2ppm
Linia de bază este limitată la aproximativ 10Km. Receptorului îi sunt necesari 5 sateliţi pentru a efectua iniţializarea . Receptorul mobil trebuie să fie iniţializat
cu o precizie centimetrică.
Cinematicăîn timp real
(RTK)4 1 etapă 1cm+2ppm
Este necesară legătura radio. Lungimea liniei de bază este limitată la aproximativ 10 km. Receptorul are nevoie de 5 sateliţi pentru a efectua iniţializarea.
Receptorul mobil trebuie să fie iniţializat cu o precizie centimetrică.
6. REALIZAREA RETELELOR UTILIZAND STATII TOTALE SI RECEPTOARE GPS
In principiu sunt doua criterii dupa care sunt clasificate masuratorile GPS:
-dupa numarul de receptoare;
-dupa pozitia, tipul receptoarelor si timpul de stationare.
In functie de numarul aparatelor rezulta urmatoarele metode principale de masurare GPS :
-single point position SPP (cu un singur receptor);
-cu mai multe receptoare.
6.1. Metoda cu un singur receptor (single point position)
• Nu este utilizata in masuratorile geodezice
• Este o metoda simpla, de determinare acoordonatelor aproximative in sistem WGS 84.
• In punctul unde trebuie determinate coordonatele,se amplaseaza un receptor GPS. Receptorul estedeschis si primeste semnal de la satelit. El va fi lasatsa functioneze o perioada de timp, mai indelungatasau mai scurta. In mod normal, cu cat perioada destationare pe punct este mai mare, cu atat preciziade determinare in sistem WGS 84 va fi mai buna
6.2 Metoda cu mai multe receptoare
• Este utilizata frecvent in lucrarile geodezicecurente. Este suficient sa existe minim douareceptoare GPS care sa receptioneze semnalde la aceiasi minim 4 sateliti vizibili si sa aibaun timp comun de stationare.
• Astfel, unul din cele doua receptoare devinepunct cu coordonate cunoscute si determinaprin calcul coordonatele celuilalt.
• Cu cat numarul receptoarelor este mai mare, cu atatmai mult creste siguranta determinarilor.
• Trebuie tinut cont de faptul ca in prezent se potfolosii statii permanente de referinta GPS care pot fiintegrate in reteaua noua, in acest caz numarulreceptoarelor creste cu numarul statiilorpermanente existente.
• Statiile permanente de referinta GPS utilizatetrebuie sa fie amplasate in asa fel incat sa poata fifolosite la calcule (distanta proportionala cu timpulde stationare).
• Dupa pozitia, tipul receptoarelor si timpul de stationare, masuratorile GPS pot fi:
statice sau rapid-statice;
stop and go.
6.2.1. Metoda statica• Metoda statica este cea mai utilizata atunci cand se
vorbeste de realizarea retelelor geodezice carenecesita precizii foarte mari.
• Metoda statica presupune existenta a minim douareceptoare GPS amplasate pe doua punctematerializate pe teren. Cele doua receptoareprimesc semnal de la aceiasi mimin 4 sateliti si autimpul de stationare comun.
• De asemenea, pentru obtinerea unui randamentmai bun si a unor precizii mai bune, numarulreceptoarelor este mai mare, la care se pot adaugasi statiile permanente de referinta GPS.
6.2.1.1. Cazul in care se masoara cu doua receptoare
In principiu, unul din receptoare este
amplasat pe un punct, iar celalalt receptor
stationeaza o perioada de timp pe fiecare din
celelalte puncte.
G
F
H
E
AB
D C
• De exemplu, statia fixa (cea care ramane pe punct) esteamplasata pe punctul de coordonate cunoscute A.
• Celalalt receptor stationeaza punctele noi, E, F, G si H, apoicel putin un punct vechi (B, C sau D).
• In acest caz avem o singura determinare pentru punctelenoi. Conform normelor in vigoare, fiecare punt nou trebuiesa aiba cel putin patru vectori de pozitie (determinari).
• Pentru acesta avem doua variante:
Stationarea cu receptorul fix si pe punctele vechi B, C si D sideterminarea celorlalte puncte noi. Astfel, vom avea patrudeterminari independente pentru fiecare punct nou, caz incare se poate aplica metoda celor mai mici patrate.
Determinari cu statia totala intre fiecare doua punctevizibile, integrand masuratorile cu masuratorile GPS
• Nu este obligatoriu ca statia fixa sa fie amplasata pe un punct cu coordonate cunoscute.
G
F
H
E
A B
D C
• De exemplu, se poate stationa punctul H, punctnou. In acest caz se stationeaza pe cel putin unpunct vechi si pe toate punctele noi.
• Daca s-a stationat punctul vechi A, se determina inprima faza coordonatele punctului nou H dincoordonatele punctului A. Din coordonatelepunctului H se determina apoi si coordonatelecelorlalte puncte noi: E, F si G.
• Procedeul se repeta apoi cu stationare tot pe unpunct nou sau pe un punct vechi, sau cudeterminari cu statia totala. In final, fiecare punctnou trebuie sa aiba cel putin patru vectori dedeterminare.
6.2.1.2. Cazul in care se masoara cu trei receptoare
• In acest caz, exista mai multe variante:
stationarea cu receptorul care ramane fix pe un punct conoscut iar celelalte doua receptoare se amplaseaza pe punctele de determinat
G
F
H
E
A B
D C
stationarea cu receptorul care ramane fix pe un punct
conoscut iar celelalte doua receptoare se amplaseaza
pe punctele de determinat
• Stationand punctul cu coordonate cunoscute A, sicu celelalte doua receptoare amplasate pe punctelenoi E si H, avem simultan determinareacoordonatelor punctelor E si H, dar si un vector dedeterminare intre punctele E si H.
• Tot din punctul A se pot determina apoi punctelenoi G si F, dar si vectorul de control intre G si H.
• Se pot stationa apoi punctele B, C si D cucoordonate cunoscute pentru determinareapunctelor noi.
• Trebuie indeplinita conditia ca in fiecare punct nousa existe minim patru vectori. Acesti vectori pot fidati de masuratorile GPS sau de statiile totale.
stationarea cu doua receptoare fixe pe doua punctede coordonate cunoscute, iar celalalt receptor,mobil, se deplaseaza in fiecare punct nou
G
F
H
E
A B
D C
• Se stationeaza cu receptoarele GPS fixe in punctelecu coordonate conoscute A si B.
• Se determina simultan din aceste doua puncte,coordonatele punctelor noi: E, F, G si H.
• Daca se stationeaza apoi punctele C si D care au deasemenea coordonate cunoscute, punctele noi E, F,G si H vor avea patru determinari independente.
• Astfel este indeplinita cerinta de a avea patruvectori independenti pentru fiecare punct noudeterminat. De asemenea, se verifica incadrareapunctelor vechi prin vectorii AB si CD. Va rezulta odiferenta de distanta si de coordonate.
stationarea receptorului fix pe oricare din punctele noi, celelalte doua stationand cel putin un punct cu coordonate cunoscute si toate punctele noi;
G
F
H
E
A B
D C
• Se stationeaza cu receptorul GPS fix punctul nou E.
• Celelalte doua receptoare se amplaseaza inpunctele A de coordonate cunoscute si punctul nouH. Astfel se determina coordonatele punctului nouE din A si ale punctului nou H tot din punctul A.
• De asemenea se determina vectorul dintre puncteleE si H. Se pot stationa apoi cu receptoarele mobilepunctele noi F si G. Astfel, din coordonatelepunctului nou determinat E, se vor determinacoordoantele punctelor noi F si G si vectorul dintrepunctele F si G. Receptorul fix se poate amplasa peoricare alt punct nou sau vechi, important este cafiecare punct sa indeplineasca conditiile dedeterminare.
stationarea cu doua receptoare fixe pe puncte noi, celalalt receptor stationand pe rand toate punctele noi si cel putin un punct cu coordonate cunoscute;
G
F
H
E
A B
D C
• Se pot stationa cu receptoarele GPS fixe punctele Esi H.
• Receptorul mobil stationeaza punctele A, F, G,eventual si un alt punct cu coordoante cunoscute,B. Se determina astfel coordonatele punctelor noi Esi H direct din punctele cu coordonate cunoscute Asi B.
• De asemenea se determina si coordonatelepunctelor noi F si G. Receptoarele fixe se pot mutain punctele noi F si G, receptorul mobil fiind mutatpe rand in punctele cu coordonate cunoscute C si Dsi in punctele noi E si H. Se pot completamasuratorile cu statia totala.
stationarea cu doua receptoare fixe unul pe un punct nou, unul pe un punct cu coordonate cunoscute, celalalt receptor stationand pe rand celelalte puncte noi.
G
F
H
E
A B
D C
• Un receptor fix este amplasat pe un punct cucoordonate cunoscute (A), iar celalalt receptor fixpe un punct nou (H). Receptorul mobil sedeplaseaza in punctele E, F, G si eventual pepunctele B, C si D. Dupa incheierea primului set demasuratori se stationeaza din nou un punct cucoordonate cunoscute (C) si punctul nou (F).Procedeul se repeta.
6.2.1.3. Cazul in care se masoara cu mai mult de trei receptoare
• Cu cat sunt mai multe receptoare cu atat sedetrmina mai corect si mai precis coordonatelepunctelor noi. In cazul a 8 puncte, patru puncte cucoordonate cunoscute si patru puncte noi, cu optreceptoare se vor determina un numar de vectori,respectiv combinatii de opt puncte luate cate doua.Se masoara astfel toate combinatiile posibile. Atuncicand se efectueaza si masuratori de directii sidistante, numarul de masuratori suplimentare estefoarte mare, iar coordonatele finale ale punctelornoi vor avea precizii foarte bune.
6.2.2. Metoda stop and go• Este utilizata atunci cand se doreste o determinare
rapida a coordonatelor, dar cu o precizie mai mare.Timpul de stationare este minim, programul deprelucrare al datelor este diferit fata de metodastatica. In prezent, cand metoda determinariicoordonatelor prin metoda RTK (direct prinutilizarea undelor radio) este tot mai utilizata,aceasta metoda este din ce in ce mai putin utilizatasi doar cu aparatura care nu are incorporatatehnologia RTK.
7. RECEPTOARE GPS - CLASIFICARE
7.1. Clasificare in functie de mãrimile obsevabile cu care pot opera
Receptoare care opereazã cu codul C/A
• Navigatoare
• Precizia de pozitionare în cazul acestorreceptoare este în medie de aproximativ 15m
• Multe dintre receptoare au posibilitateaînregistrãrii traseelor navigate si memorãriicoordonatelor unui numãr limitat de puncteîntr-o memorie internã care apoi, prinintermediul unui port de comunicare, poate fidescãrcatã
Receptoare care opereazã cu codul C/A si mãsurãtori de fazã pe unda purtãtoare L1
• Precizia de pozitionare a acestor receptoare este mult imbunãtãtitã prin mãsurãtorile de fazã ajungând pânã la 5m
• pot stoca în memorie mãrimile mãsurate. Prin postprocesarea ulterioarã a datelor precizia de determinare este substantial îmbunãtãtitã.
Receptoare care opereazã cu codul C/A si mãsurãtori de fazã pe L1 si L2
• Faza purtãtoarei L2 este folositã în combinatie cu L1 reduce influenta ionosferei asupra semnalului.
• Acest lucru duce la o crestere substantialã a preciziei de determinare a bazelor lungi.
Receptoare care opereazã cu codul C/A, codul P si mãsurãtori de fazã pe unda purtãtoare L1.
• acest tip de receptor este capabil sã mãsoare cu precizie decimetricã baze lungi de pânã la 100km sau baze cu lungimi medii (20km) în mai putin de douã ore.
Receptoare care opereazã cu codul C/A, codul P si mãsurãtori de fazã pe L1 si L2
• determinarea rapidã a bazelor mari (80 – 100 km) cu precizii centimetrice
• Posibilitatea receptionãrii corectiilor diferentiale DGPS transmise prin radio, GSM sau Internet de la statii fixe permanente.
7.2. Clasificarea receptoarelor GPS în functie de precizia asiguratã
Navigatoare
• aceste receptoare lucrezã numai cu codul C/A modulat pe L1
• Precizia lor este de 15m
Receptoare topografice L1 cod si fazã
• Aceste receptoare proceseazã codurile C/A si P si facde asemenea mãsurãtori de fazã pe L1.
• Precizia lor se încadreazã între 5m (autonom), 25cm(timp real-diferential)
• Pot lucra si în timp real, cu corectii diferentialereceptionate prin modem sau telefon GSM.
• Pot avea antena încorporatã în aceeasi carcasã cureceptorul, tastatura, ecranul si bateriile, sau toatesau o parte din aceste componente pot fi separatesi conectate între ele
Receptoare Geodezice L1, L2 cod si fazã
• Receptoarele din aceastã categorie utilizeazãcodurile C/A si P
• Precizia lor este de 5m (autonom), 5cm (timp real-diferential) si 5mm (postprocesare diferentialã).
• Receptoarele pot lucra în timp real, cu corectiidiferentiale receptionate prin modem sau telefonGSM.
• pot fi compacte, antena, receptorul, tastatura,ecranul si bateriile încorporate în aceeasi carcasã,sau componentele pot fi separate si conectate întreele
8. ERORI
Erori sistematice ale geometriei sateliţilor
• Dispunerea spaţială a sateliţilor influenţează directasupra preciziei coordonatelor obţinute.
• Măsura geometrică pentru calitatea geometrieisatelitului este volumul corpului pe care îl formeazăvectorii unitari de la staţie către sateliţii observaţi.Un volum mai mare conduce la o geometrie maibună.
Geometrie favorabilă a doi sateliţi. De la
observator, liniile spre sateliţi formează un
unghi drept. La intersecţia cercurilor este o
suprafaţă relativ mică de formă patrată,
precizia determinării va fi ridicată.
Geometrie defavorabilă a doi sateliţi. De la
observator, sateliţii sunt văzuţi unul în spatele
celuilalt, pe linii foarte apropiate. Poziţia
probabilă este pe o suprafaţă de intersecţie
mult mai mare şi alungită. Ca urmare, precizia
de determinare este scăzută
Geometrie satelitară bună (stânga) şi nesatisfăcătoare (dreapta)
• Pentru a aprecia „calitatea” geometriei sateliţilor se pot folosi valorile DOP (dilution of precision, micşorarea preciziei). În funcţie de datele utilizate la calcul, se pot deosebi diverse valori DOP:
GDOP (Geometric DOP) – determină precizia
geometrică;
PDOP (Position DOP) - abaterea standard a poziţiei;
HDOP (Horizontal DOP) - abaterea standard a poziţiei
planimetrice;
VDO P(Verical DOP) - abaterea standard în plan
vertical;
TDOP (Time DOP) - abaterea standard de timp.
Factorii DOP reprezintă influenţa geometriei satelitului
şi se pot calcula din timp pe baza coordonatelor
aproximative ale satelitului şi staţiei.
• Valori HDOP mai mici ca 4 sunt foarte bune, iar celemai mari ca 8 sunt slabe. Valorile HDOP cresc dacăsateliţii recepţionaţi se află aproape de zenit.
• Valorile VDOP sunt mai slabe dacă sateliţiirecepţionaţi sunt în apropierea orizontului
• Valorile PDOP sunt cele mai bune când un satelit seaflă la zenit şi alţi trei sateliţi sunt răspândiţiuniform în apropierea orizontului.
• Pentru o determinare bună a poziţiei, valoareaGDOP trebuie să fie sub 5.
Valori ale factorului DOP
1 ideal
2-4 excelent
4-6 bun
6-8 moderat
8-20 slab
20-50 foarte slab
Erori sistematice ale orbitei satelitului
• Aceste erori sunt datorate interpolării greşite a efemeridelor
Eroarea orbitei Eroarea bazei
125 m 5 ppm
25 m 1 ppm
12.5 m 0.5 ppm
2.5 m 0.1 ppm
Efecte atmosferice• Semnalul GPS este incetinit la trecerea prin
atmosfera. Sistemul GPS foloseste un model incorporat care calculeaza intarzierea medie pentru a corecta partial acest tip de erori
• Troposfera reprezintã, segmentul de bazã al atmosferei, cuprins între suprafata Pãmântului si o înãltime de cca.40 - 50 km.
• Ionosfera este partea atmosferei care cuprinde centura dintre 70 km şi 1000 km deasupra suprafeţei Pământului.
Aceste erori sunt în cea mai mare parte compensate în receptorul GPS prin
calcule corespunzătoare.
Efectul datorat reflexiei semnalelor (efectul multipath)
• Acest efect este cauzat de reflexia semnalului la contactul cu solul sau alte obiecte, înainte de-a atinge antena. Este fenomenul care conduce la faptul că antena primeşte în acelaşi timp un semnal direct şi unul reflectat, ceea ce duce la scăderea preciziei măsurătorii .
Efectul multipath
• Erorile care apar ca urmare a reflexiei multiple asemnalului de la mediul înconjurător, au caracterîntâmplător şi nu se pot modela, ci se pot doarreduce printr-o alegere cu atenţie a locului staţiei şialegerea unghiului de elevaţie minim corespunzător.
• Ca o posibilitate de reducere a acestei influenţe esteşi utilizarea frecvenţelor înalte. În ultimul timpaceastă sursă de erori se reduce prin utilizareaantenei de formă corespunzătoare.
TIPUL DE EROARE CAUZE CORECTARE
Diminuarea preciziei geometrice a
rezultatelor
Proasta configuraţie a constelaţiilor în
momentul observaţiilor
Executarea observaţiilor în
perioada în care configuraţia
sateliţilor este cea mai bună
Eroarea efemeridelor Variaţia poziţiei teoretice a sateliţilor
de-a lungul orbitei lor
Folosirea metodelor
diferenţiale
Întârzierea ionosferică Încetinirea vitezei semnalului datorată
traversării ionosferei
Folosirea metodelor
diferenţiale
Întârzierea troposferocă Încetinirea vitezei semnalului datorată
traversării troposferei
Folosirea metodelor
diferenţiale
Defazajul orologiilor sateliţilor Eroarea în măsurarea timpului din
partea orologiilor la bordul satelitului
Folosirea metodelor
diferenţiale
Eroarea orologiului de la receptor Eroarea în măsurarea timpului de
parcurgere al semnalului din partea
receptorului
Este calculat şi eliminat
folosind observaţiile a patru
sateliţi
Receptor zgomotos Obstrucţii sau alte cauze locale Dificil de eliminat
Starea de funcţionare a satelitului Erori cu privire la un satelit determinat
datorită proastei sale funcţionări
Satelitul nu poate fi folosit
Perturbaţii din ionosferă 5m
Abateri ale orbitelor sateliţilor 2,5m
Erori de ceas al sateliţilor 2m
Efecte căilor multiple 1m
Perturbaţii din troposferă 0,5m
Erori de calcul şi de rotunjire 1m
10. PLANIFICAREA MĂSURĂTORILOR• Atunci când planificãm sesiunile este recomandabil sã utilizãm
intervalele de timp în care valoarea GDOP este cât mai micã. Deoarecedatoritã multor factori mai mult sau mai putin previzibili este imposibilsã planificãm sesiunile la minut este de preferat ca mai bine sã mãsurãmcu un punct mai putin decât sã reducem timpul de observare în celelaltepuncte.
• Coordonatele obtinute din mãsurãtorile GPS sunt bazate pe elipsoidulWGS84. Pentru a putea permite transformarea lor în coordonate localeeste necesar ca punctele cu coordonate locale cunoscute sã fie incluseîn reteaua mãsuratã cu receptoarele GPS. Aceste puncte trebuie sã fieuniform distribuite pe suprafata acoperitã de retea. Pentru o corectãcalculare a parametrilor de transformare trebuie sã fie utilizate cel putintrei puncte plus un punct de control (preferabil cinci sau mai multe).
• Trebuie tinut cont de statiile permanente din zonã, care au un rol foarteimportant acolo unde existã si pot suplini punctele de coordoantecunoscute. Ele pot fi utilizate si la transcalcul.
MetodaNumãr sateliti
GDOP<8Lungime Sesiune zi Sesiune noapte
Rapid static
Minim 4
Minim 4
Minim 5
Pânã la 5 km
Între 5 si 10 km
Între 10 si 15 km
5 – 10 minute
10 – 20 minute
Peste 20 minute
5 minute
5 – 10 minute
10 –20 minute
StaticMinim 4
Minim 4
Între 15 si 30 km
Peste 30 km
1 – 2 ore
2 – 3 ore
O orã
2 ore
Durata unei sesiuni, pentru obtinerea unui rezultat bun la post procesare,
depinde de mai multi factori: lungimea bazei, numãrul satelitilor observati,
valoarea GDOP, perturbãrile ionosferice. Deoarece perturbãrile datorate
atmosferei sunt mult mai mici noaptea este avantajos, dacã este posibil, ca
mãsurarea bazelor lungi (20-30km) sã se facã în aceastã perioadã. Este
recomandabilã mãrirea duratei sesiunii dacã doi din patru sau cinci sateliti
observati au elevatia mai micã de 20¿. Urmãtoarele valori sunt orientative:
Durata este egalã cu 1 min. pentru fiecare km. din
lungimea bazei mãsurate, dar nu mai putin de 5 min.
• Condiţii care trebuie îndeplinite:
• a) În apropierea punctului în care se execută observarea nu trebuie să existe obstacole fizice (arbori, construcţii metalice, întinderi mari de apă) din cauza cărora pot fi reflectate semnalele;
• b) La mai puţin de 400 metri de locul unde se execută observaţiile nu trebuie să existe staţii radio releu, sau alte surse de radiaţie electromagnetică.
• c) Existenţa vizibilităţii boltei cereşti sub un unghi de elevaţie minim de 15 în fiecare punct în care se execută observaţiile;
9. STATII DE REFERINTA GNSS
• O statie permanenta GNSS indeplineste in principal urmatoarele functii:
detectarea si urmarirea automata a satelitilor;
inregistrarea, stocarea si analiza calitativa automata a datelor;
comunicatiile cu alte statii permanente si cu beneficiarii serviciilor.
• Detectarea si urmarirea automata a satelitilor este asigurata in cadrul statiilor permanente de catre echipamentele si programele specifice receptoarelor satelitare
• Datele satelitare (observatiile de cod, faza si mesajul de navigatie) receptionate la statia permanenta de referinta GNSS sunt colectate la diverse intervale de timp, de regula 1s pana la 30s
• Comunicatiile au ca scop transmiterea datelor (informatiilor) spre exterior, cat si receptia unor date si informatii.
• Statiile permanente de referinta GNSS,furnizeaza si alte date utile: observatii meteo (presiune, temperatura, umiditate) cu un grad ridicat de precizie.
• O statie permanenta de referinta GNSS estecompusa dintr-un receptor GNSS a carui antenaeste amplasata in mod ferm intr-o locatie stabila sisigura unde se afla de asemenea si o sursa dealimentare.
• Receptorul lucreaza in mod continuu inregistranddate si de asemenea avand posibilitatea de atransmite date pentru alte receptoare
• Receptorul este controlat local sau de la distanta cuajutorul unui PC. In PC, la intervale de timpprestabilite, sunt descarcate datele inregistrate careapoi sunt disponibile prin intermediul unui serverFTP.
Componente necesare inregistrarii datelora - sursa de energie electrica
e - receptor satelitar
g, h - antena GNSS
f - cupola de protectie (optional)
i - cablu de antena
j - amplificatorator (optional)
k - card de memorie
o - calculator (PC) pe care ruleaza programul
q - cablu de transmisie de date
Componente necesare transmiterii de datel - cablu de transfer de date Intre receptor si modem
m - modem radio/GSM
n - cablu de transfer de date Intre modem si antena modemului
r - antena modemului
s- amplificator (optional)
Componente optionale:b- cablu de interfata
c - alimentator 12V DC (optional)
d - senzor meteorologic si senzor de Inclinare
• La alegerea unei locatii pentru amplasarea unei statii permanente de referinta GNSS se iau in considerare urmatoarele criterii:
locul trebuie sa fie degajat si sa existe o buna vizibilitate a cerului;
sa nu existe in apropiere obiecte sau obstacole care ar putea duce la aparitia efectului multipath;
sa nu se afle in apropierea releelor sau antenelor de transmisie care ar putea creia interferente;
scopul pentru care va fi utilizata statia permanenta de referinta GNSS;
asigurarea stabilitatii antenei GNSS;
asigurarea functionarii sigure a sursei de alimentare si a comunicatiei;
modul de protejare a echipamentului;
asigurarea securitatii locului;
acces usor pentru control si service;
costuri.
Amplasamentul• Receptoarele utilizate
pentru statii permanente dereferinta GNSS suntconfigurate sa urmareascasatelitii aflati la o altitudinemai mare de 10o deasupraorizontului.
• Obstructiile pot conduce lapierderea semnaluluireceptionat de la satelit sipot cauza aparitia efectuluimultipath (reflectareasemnalului).
Receptorul GNSS• Receptoarele GNSS utilizate pentru a deservi statiile
permanente de referinta trebuie in mod obligatoriusa poata asigura toate tipurile de masuratori L1, L2,cod si faza, sa poata genera toate felurile desemnale necesare in formatele uzuale cunoscute sisa poata suporta orice fel de aplicatie
• Distanta maxima fata de o statie permanenta dereferinta GNSS pana la care un receptor standardRTK poate functiona optim (poate rezolvaambiguitatile) este de obicei 30 km
9.1. Avantajele utilizarii unei statii permanente de referinta GNSS
Amplasarea unei statii permanente de referinta GNSS seface tinand cont in primul rand de scopul pentru care va fiutilizata. In acest sens se va tine seama de mai multi factori:
• marimea suprafetei care trebuie acoperita;
• zonele cu densitate mare de populatie si structuriindustriale;
• zonele nepopulate sau subdezvoltate;
• serviciile pe care trebuie sa le furnizeze statia: date RINEX,date RTK si / sau date DGPS;
• numarul de receptoare RTK si GIS care vor utiliza serviciilestatiei;
• bugetul disponibil.
9.2. Stadiul sistemelor GNSS
• Statiile GNSS permanente / Retele de statii GNSS permanente realizate
• la nivel :
• global – IGS (International GNSS Service for Geodynamics)
• continental (european) – EUREF-EPN
• national (DE, F, UK, A, PL, H, RO)
• local
Stadiul Retelei europene de statii permanente GNSS – EUREF-EPN
http://epncb.oma.be/
Statii EUREF-EPN din Romania
Sistemul ROMPOS parte integranta a EUPOS
10. SISTEMUL DE REFERINŢĂ GPS
• Sistemul adoptat pentru GPS este sistemulconform WGS’84 (Sistemul geodezic mondial1984)
• Poziţia sateliţilor de-a lungul orbitei lor cât şipoziţia punctelor de pe suprafaţa terestrădeterminate cu ajutorul sateliţilor este dată decele trei coordonate ortogonale X, Y, Zraportate la originea unui sistem de referinta
O
ZWGS84
YWGS84
XWGS84
Centrul de masa
al Terrei
Meridianul zero
Sistemul de referinţă GPS
• În geodezie şi topografie sunt luate în considerare trei suprafeţe distincte:
Suprafaţa fizică terestră, pe care sunt efectuate măsurătorile;
Suprafaţa de referinţă (elipsoidul), în raport cu care este determinată poziţia planimetrică a punctelor suprafeţei fizice;
Geoidul, în raport cu care este determinată poziţia altimetrică a punctelor suprafeţei fizice.
Cotele punctelor suprafeţei fizice a Pământului sunt raportate la nivelul mediu al mării, adică la geoid, pe când cotele GPS sunt raportate la suprafaţa elipsoidului WGS’84
SUPRAFATAPAMANTULUI
GEOID
ELIPSA
SFERA
Legătura Geoid – ElipsoidN – valoarea ondulaţiei geoidului, ce diferă de la zonă la zonăH – cota ortometrică a punctului (raportată la geoid) (PERPENDICULARA LA GEOID)h – cota elipsoidala a punctului (raportată la elipsoidul WGS84) (PERPENDICULARA LA ELIPSOID)
h=N+H
SUPRAFATA PAMANTULUI
GEOID
ELIPSOID
• http://www.unavco.org/community_science/science-support/geoid/geoid.html
11. TRANSFORMAREA MĂSURĂTORILOR GPS
• Problema transformarii de coordonate esteinevitabila in masuratorile GPS
• Se realizeaza o transformare dintr-un sistemcartezian tridimensional in alt sistem carteziantridimensional prin intermediul unei roto-translatiispatiale si a modificarii de scara
• Legatura dintre cele 2 sisteme este stabilita printr-oserie de puncte a caror pozitie este cunoscuta inambele sisteme
• Dispunerea punctelor comune ambelor sistemetrebuie sa acopere cat mai bine intreaga zona aretelei
• Pentru punctele cunoscute se dispune de coordonatele:
XGPS =(X,Y,Z)GPS coordonate in sistemul WGS’84
(x,y)LOC coordonate plane din sistemul national de proiectie
hLOC altitudini elipsoidale obtinute din altitudininormale l-a care s-a aplicat ondulatia geoidului
Se pune problema ca punctele noi determinate prinmasuratori GPS sa fie transformate in sistem local
11.1 TRANSFORMAREA COORDONATELOR PLANE (x,y)LOC IN COORDONATE ELIPSOIDALE ( , )LOC
TRANSFORMAREA COORDONATELOR PLANE GAUSS ÎN COORDONATE
GAOGRAFICE PE ELIPSOIDUL KRASOVSKI 1940
x= y=
xo= Y=
x-xo=
dx=
1 2 3 4 5 R
DX0= 0 -26.2457302 0.0043872 Y0= R0=
DX= 3238.772427 -0.8191913 0.0002442 Y2= R2=
DX2= -0.256028 -0.0131746 0.000009 Y4= R4=
DX3= * 0.0001115 -0.0002819 0.0000003 *
DX4= 0.0000208 -0.0000057 0 Df"=
DX5= 0 -0.0000001 0 Df=
S0 S2=- S4= fo=
f=fo+Df=
DX0= 4647.284561 -0.59725451 0.00014563 Y= R1=
DX= 75.31951 -0.03516938 0.00001478 Y3= R3=
DX2= 1.791764 -0.00145632 0.0000009 Y5= R5=
DX3= * 0.0351694 -0.00004925 0.00000004 *
DX4= 0.0007282 -0.00000151 0 l"=
DX5= 0.0000149 -0.00000004 0 l =
DX6= 0.000003 0 0 lo=
S1= S3=- S5= = o+l =
11.2. TRANSFORMAREA COORDONATELE ELIPSOIDALE( , ,h)LOC ÎN COORDONATE RECTANGULARE (X,Y,Z)LOC
Mărimi date :
• parametrii elipsoidului : semiaxa mare a, semiaxa mică b, prima excentricitate e
• coordonatele elipsei: latitudinea , longitudinea , altitudinea h
Mărimi necunoscute
• coordonate rectangulare X,Y,Z
Formulele pentru transcalculare sunt:
2
X cos cosP
X Y cos sinP
Z 1 e sinP
P
LOC
N h
N h
N h
2 2
aN 1 e sin
2
22 2
a
bae
2 2X Yh N
cos
11.3 TRANSFORMAREA TRIDIMENSIONALA INTRE 2 SISTEME SPATIALE – metoda HELMERT
XGPS
O
ZGPS
ZLOC
P
YLOC
YGPS
o
XLOC
Transformarea tridimensionala
PRINCIPIUL ROTO-TRANSLATIEI
SISTEM DE COORDONATE INITAL
ROTATIE TRANSLATIE SCALARE
SISTEM DE COORDONATE FINAL
Transcalcularea coordonatelor între 2 sisteme spaţialeutilizează următorul model matematic:
0
LOC GPSX X m R X
XLOC,X
GPS– matricea ce conţine coordonatele aferente unui punct în sistemul de referinţă local respectiv GPS şi au forma:
LOC
LOC LOC
LOC
x
X y
z
X0 – matricea de translaţie şi are forma:
0
0
0
0
z
y
x
X
R – Matricea de rotaţie în jurul axelor X, Y şi Z ce conţine unghiurile de rotaţieeuleriene are forma:
( ) ( ) ( )z z y y x xR R R R
m - coeficient de scara
GPS
GPS GPS
GPS
x
X y
z
Din punct de vedere matematic această transformare areurmătoarea formă:
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
( )
( )
( )
LOC
LOC
LOC
LOC
LOC GPS
LOC GPS
z y
LOC GPS
z x
GPS
y x
GPS GPS GPS
z y
GPS GPS GPS
z x
GPS GPS GPS
y x
X X m R X
x x x
y y m y
z zz
x x m x y z
y y m x y z
z z m x y z
Practic este necesar a se cunoaşte cei 7 parametri de transformare
(factorul de scară, 3 translaţii şi 3 rotaţii) şi anume: zyxzyxm ,,,,,, 000
11.3 TRANSFORMAREA COORDONATELOR RECTANGULARE(X,Y,Z)LOC ÎN COORDONATE ELIPSOIDALE ( , ,h)LOC
Mărimii cunoscute:
• parametrii elipsei : semiaxa mare a, semiaxa mică b, prima excentricitate e
• coordonatele rectangulare: X,Y,Z
Mărimi necunoscute:
• coordonatele elipsoidale: , ,h1
2
2 2
Z Ntan 1-e
N hX Y
Ytan
X
2 2X Yh N
cos
VALORILE PARAMETRILOR DE TRANSFORMARE
m X0 Y0 Z0 εx εy εz
1.000025 -227.579606 -400.622946 183.079705 0.000081 -0.000031 -0.000032
Matricea X0 Matricea RMatricea m*R
PUNCT
COORDONATE CUNOSCUTE IN SISTEMUL B (WGS)
COORDONATE DETERMINATE IN SISTEMUL A (LOC)
X Y Z X Y Z
P1440060.23 379581.7 1046.2
P2440247.691 373023.533 849.173
P3433532.194 370178.1 745.14
P4431245.33 374022.57 971.2
P5434571.51 364900.92 788.91
P6429066.11 360834.98 795.4
