Podstawowe zasady wyznaczania pozycji z obserwacji GNSS

Celem pomiarów satelitarnych GNSS (ang. Global Navigation Satellite Systems) jest wyznaczanie współrzędnych X Y Z pozycji. Nazwa GNSS jako Globalny System Nawigacji Satelitarnej zawiera w swoim składzie następujące konstelacje systemów satelitarnych:

Podstawowe zasady wyznaczania pozycji z obserwacji GNSS

Celem pomiarów satelitarnych GNSS (ang. Global Navigation Satellite Systems) jest wyznaczanie współrzędnych X Y Z pozycji. Nazwa GNSS jako Globalny System Nawigacji Satelitarnej zawiera w swoim składzie następujące konstelacje systemów satelitarnych:

• GPS (ang. Global Positioning System) amerykański system satelitarny
  
• GLONASS (ros. Globalnaia Navigacionnaia Sputnikova Sistema) rosyjski system satelitarny
  
• GALILEO europejski system satelitarny
  
• BeiDou lub COMPASS chiński system satelitarny
  
• QZSS (Quasi Zenit Satellite System) japoński system satelitarny.

Wyznaczanie współrzędnych w dużym uproszczeniu opiera się na wcięciu wstecz - znając współrzędne satelitów w momencie wysyłania sygnału i pomiarze pseudoodległości od satelity do odbiornika. Poniżej poglądowy rysunek przedstawiający satelitę i odbiornik systemu GNSS w przestrzennym układzie współrzędnych.

Wyznaczenie pozycji odbiornika GNSS:

W równaniu pseudoodległości ρ mamy trzy niewiadome: współrzędne odbiornika x_odb, y_odb, z_odb oraz błąd synchronizacji czasu δt zegara odbiornika GPS (zegar kwarcowy) z zegarem satelity GPS (zegary atomowe rubidowe). Aby wyznaczyć cztery niewiadome w równaniu pseudoodległości należy wykonać obserwacje do czterech satelitów. Osiągamy w ten sposób pozycję bezwzględną. Dokładność tej pozycji wynosi nawet kilkanaście metrów. Aby osiągnąć lepszą dokładność należy skorzystać z metody różnicowej pomiarów DGPS (ang. Differential Global Positioning System). Dzięki tej metodzie otrzymamy dokładność wyznaczenia pojedynczego punktu rzędu 0.5 - 2m. Dzieje się tak, gdyż dzięki wyznaczonym przyrostom współrzędnych eliminują się błędy takie jak:

• błąd zegara satelity
• błąd efemeryd
• selektywna dostępność (wyłączona w 2000 roku)
• opóźnienie jonosferyczne
• opóźnienie troposferyczne

Mamy wiele rodzajów wyznaczania współrzędnych pozycji w zależności od czasu pomiaru na pojedynczym punkcie oraz sposobu opracowania obserwacji:

• metoda statyczna (współrzędne wyznaczone z najwyższą dokłądnością - mm)
  
• szybka statyczna (FastStatic, Rapid Static)
• kinematyczne (RTK - Real Time Kinematic)
• pomiary DGNSS (różnicowe)

Pomiary statyczne

Pomiary statyczne GNSS polegają na zbieraniu surowych danych obserwacyjnych odbiornikami umieszczonymi na punktach o znanych współrzędnych. Długość sesji pomiarowej na danym punkcie zależy między innymi od dokładności jaką chcemy uzyskać, wektorów - odległości pomiędzy mierzonymi punktami czy warunków pomiarowych: zasłon terenowych. Po zakończonej sesji pomiarowej w celu uzyskania współrzędnych wyrównanych należy skorzystać z oprogramowania do postprocessingu czyli obliczenia dokładnych współrzędnych na podstawie surowych danych obserwacyjnych oraz ich wyrównaniu. Pomiary statyczne zapewniają najwyższą dokładność pomiarów GNSS. Pomiary statyczne wykorzystywane są do zakładania osnów geodezyjnych, osnów realizacyjnych, punktów kontrolnych do monitoringu obiektów. W zależności od długości wektora możemy uzyskać dokładności:

• przy użyciu efemeryd pokładowych: ±1 cm + 2 ppm × D dla współrzędnych horyzontalnych i ±2 cm + 2 ppm × D dla wysokości (ppm oznacza część milionową, tj. 1 × 10^-6 (ang. part per milion)).
• przy użyciu efemeryd precyzyjnych IGS: 10^-8 – 10^-9 dla wektorów kilkusetkilometrowych.

Szybkie pomiary statyczne

Jest to odmiana pomiarów statycznych, czas pomiaru na punkcie, których współrzędne chcemy wyznaczyć wynosi od 5 do 20 minut. Osiągnięto to dzięki wprowadzeniu nowej generacji odbiorników GPS (głównie dwuczęstotliwościowych) oraz udoskonaleniu algorytmów wyznaczania nieoznaczoności. Zaostrzeniu uległy w stosunku do metody statycznej kryteria pomiaru:

• odbiornik musi ciągle śledzić minimum 5–6 satelitów,
• interwał zliczeń obserwacji wynosi 1–10 sekund,
• minimalna wysokość satelitów nad horyzontem wynosi 15°,
• długość wektorów nie powinna przekraczać 20 km.

Metoda szybkich pomiarów statycznych pozwala uzyskać dokładności wyznaczenia współrzędnych punktu na poziomie kilku centymetrów.

Pomiary w czasie rzeczywistym

Aby wykonać pomiary w czasie rzeczywistym, warunkiem jest bezpośrednia łączność pomiędzy stacją bazową a odbiornikiem ruchomym. Dane ze stacji bazowej w postaci obserwacji lub poprawek do obserwacji są przesyłane do odbiornika ruchomego, w którym następuje proces opracowania danych i wyznaczenia pozycji.

Pomiary RTK (Real Time Kinematic)

Pomiary RTK są to pomiary w czasie rzeczywistym. Wyznaczanie inicjalizacji wykonywane jest metodą OTF (ang. On The Fly) czyli w zaledwie kilka sekund odbiornik wyznacza całkowitą liczbę długości fal (L1 ~ 19cm, L2 ~ 24cm) sygnału od odbiornika do satelity. W metodzie RTK aby wyznaczyć współrzędne punktu musimy obserwować minimum 5 satelitów. Metoda RTK bazuje na obserwacjach fazowych odbiornikiem dwuczęstotliwościowym. W tej metodzie współrzędne punktu wyznaczamy natychmiast w czasie rzeczywistym po naciśnięciu jednego przycisku. Niezbędna jest ciągła łączność pomiędzy odbiornikiem ruchomym a stacją bazową z której wysyłane są poprawki do pozycji. Typowe warunki pomiarów RTK to:

• inicjalizacja około kilku sekund,
• pomiar pikiety 1 sekunda,
• zasięg pomiarów do 30 km,
• dokładność ±1–2 cm + 2 ppm × D dla składowych horyzontalnych i około ±3 cm + 2 ppm × D dla składowej wysokościowej.

Pomiary RTK – RTN (powierzchniowe)

W pomiarach RTK stację bazową zastąpiono siecią stacji referencyjnych - permanentnych, które tworzą system przesyłania poprawek do obserwacji GPS w czasie rzeczywistym wykorzystując łącze GPRS. W Polsce taki system nazywa się ASG-EUPOS. Jest to sieć stacji referencyjnych "zerowego rzędu" wykonująca obserwacje GPS 24/h 7 dni w tygodniu, dzięki czemu współrzędne tych stacji są na bierząco wyrównywane i wyznaczane z najwyższą dokładnością. Wszystkie dane obserwacyjne przesyłane są do Centrum Zarządzania Systemu. Oprogramowanie w Centrum Zarządzania Systemu przetważa dane ze stacji i przesyła do użytkowników odbiorników GPS w postaci poprawek powierzchniowych typu FKP (niem. Fläche Korrektur Parameter), MAC (ang. Master and Auxiliary Concept) lub z tak zwanych Wirtualnych Stacji Referencyjnych VRS (ang. Virtual Reference Station). Wszystkie stacje referencyjne systemu ASG-EUPOS rozmieszczone są na obszarze całej Polski w odległości średnio co 70 km od siebie. Wykonując pomiary satelitarne w tym systemie mamy możliwość połączenia się również fizycznie do jednej stacji referencyjnej (pojedynczej stacji bazowej).

Pomiary DGPS

DGPS czyli pomiary satelitarne różniocowe (ang. Differential Global Positioning System). Terminu DGPS w pomiarach używa się do kodowych pomiarów satelitarnych. Tak samo jak w pomiarach w czasie rzeczywistym wyznaczana pozycja jest poprawiana na bieżąco o dane korekcyjne. Jednakże jest to prostsza metoda wyznaczania pozycji, gdyż w przeciwieństwie do metody RTK nie ma konieczności wyznaczania nieoznaczoności (wykonania inicjalizacji odbiornika). Do wyznaczenia pozycji potrzebujemy minimum 4 satelity. Również dokładności są znacząco gorsze niż w metodzie RTK, a dokładność zależy głównie od odległości od stacji bazowej. Pomiary DGPS-kodowe znajdują zastosowanie przede wszystkim w nawigacji morskiej, pomiarach GIS czy turystyce.