Sisteme de Pozitionare Globala
1. INTRODUCERE
ACTUALITATEA TEMEI
În ultimii ani, Agenția Națională de Cadastru și Publicitate Imobiliară (ANCPI) a inclus printre proiectele sale, și proiectul de modernizare a rețelei geodezice naționale. Având în vedere că în prezent realizarea unor servicii moderne de determinare a poziției se bazează pe utilizarea tehnologiilor de poziționare satelitare GNSS (Global Navigation Satellite System), ANCPI prin Direcția de Geodezie și Cartografie, a achiziționat și instalat o serie de astfel de echipamente, constituite într-o rețea geodezică de stații de măsurare permanentă, denumite și stații GNSS permanente (SGP). Acest sistem de stații permanente GNSS , numit ROMPOS , oferă posibilitatea poziționării în timp real sau postprocesare , utilizatorii având nevoie de doar un singur receptor pentru executarea obiectivelor propuse.
Pentru a obține rezultate bune în sistem național (stereo 70 – Krasovski) , trebuie să utilizăm parametri de transcalcul pentru a ajunge din sistem GPS în sistem local sau național. Acești parametri de transcalcul pot fi calculați, pe întreaga (Parametri de transcalcul Transdat , oferite de ANCPI), zonal , regional , sau local.
Obiectivul principal al acestei teme este determinarea parametrilor de transcalul local , pentru Municipiul Oradea.
1.2. LOCALIZAREA LUCRĂRII
Studiul de caz se desfășoară în Județul Bihor , mai exact în zona Municipiului Oradea. Punctele rețelei de srijin utilizate pentru determinarea parametrilor de transformare , cu coordonate cunoscute în sistem sterografic 70 – elipsoid Krasovski , sunt situate în Municipiul Oradea , Episcopia Bihor , Comuna Paleu Sat. Paleu , Comuna Sîntandrei Sat. Palota, Comuna Nojorid Sat. Leș , Comuna Sînmartin Băile Felix și Comuna Oșorhei Sat Oșorhei.
1.3. CADRUL NORMATIV ACTUAL
Agenția Națională de Cadastru și Publicitate Imobiliară (ANCPI), conform HG1210/2004, are între atribuțiile principale cea de a coordona și controla executarea lucrărilor de cadastru, cartografie, topografie, geodezie, fotogrammetrie și teledetecție,la nivelul întregii țări. Realizarea acestor lucrări implică executarea, completarea, modernizarea și menținerea în stare de utilizare a rețelei geodezice naționale, în colaborare cu Ministerul Apărării Naționale.
În cadrul ANCPI, Direcția de Geodezie și Cartografie prin Serviciul de Geodezie și Biroul de Cartografie, sunt structurile organizatorice care se preocupă de îndeplinirea atribuțiilor de coordonare a activităților legate de lucrările de geodezie, cartografie, topografie, fotogrammetrie și teledetecție.
Din punct de vedere al actelor normative emise de ANCPI pentru sprijinul lucrărilor geo-topo pentru cadastru se pot menționa:
Ordin nr. 534/2001 privind aprobarea Normelor tehnice pentru introducerea cadastrului general;
Ordin nr. 634/2006 pentru aprobarea Regulamentului privind conținutul și modul de întocmire a documentațiilor cadastrale în vederea înscrierii în Cartea Funciară;
Decizia nr.1/2008 a Directorului Direcției de Geodezie și Cartografie din cadrul ANCPI privind realizarea măsurătorilor GNSS cinematice;
Ordin nr. 535/2001 privind aprobarea Regulamentului pentru verificarea lucrarilor de specialitate în domeniile cadastrului, geodeziei și cartografiei, realizate de persoane fizice și juridice autorizate;
Ordin nr. 536/2001 pentru aprobarea Regulamentului privind recepția lucrărilor de geodezie, cartografie, cadastru, fotogrammetrie și teledetecție;
Ordin nr. 539/2001 pentru aprobarea Regulamentului de avizare a lucrărilor de cadastru, geodezie, cartografie, fotogrammetrie și teledetecție;
Ordinul nr. 128/2007 privind aprobarea tarifelor pentru activitațile desfășurate de Agenția Națională de Cadastru și Publicitate Imobiliară și unitățile sale subordonate;
2. PREZENTAREA TEHNOLOGIEI GPS
2.1. INTRODUCERE
Inițial GPS a fost proiectat numai pentru aplicații militare. Curând după ce acest obiectiv a fost atins a devenit evident că GPS va putea fi folosit și pentru scopuri civile păstrând totuși anumite proprietăți numai pentru domeniul militar. Primele două aplicații civile au fost navigația maritimă și măsurătorile tereste.
După lansarea primului satelit artificial al Pământului, Sputnik 1, la 04.10.1957, tehnica spațială s-a impus ca o nouă eră în dezvoltarea științifică și tehnologică, constituind un factor dinamizator al procesului tehnico–economic, în domenii de interes major ale activității umane.
Domeniile de utilizare ale sateliților artificiali specializați sunt numeroase și deosebit de diversificate, printre acestea, de o deosebită importanță strategică în domeniul militar și de largă utilitate în domeniul civil fiind dezvoltarea tehnologiilor satelitare de navigație care permit poziționarea deosebit de precisă a mijloacelor de transport aeriene, maritime și terestre aflate în mișcare sau în repaus.
Această tehnologie și-a găsit, deasemenea, o largă aplicabilitate și în domeniul geodeziei și geodinamicii prin realizarea unor rețele geodezice la nivel global sau național, contribuții la determinarea formei și dimensiunilor Pământului și a câmpului său gravitațional, determinarea deplasărilor plăcilor tectonice, etc.
La ora actuală funcționează în paralel două sisteme de poziționare globală, respectiv sistemul de poziționare NAVSTAR GPS, realizat și gestionat de Statele Unite ale Americii și sistemul de poziționare GLObal NAvigation Satellite System (GLONASS), realizat și gestionat de Federația Rusă.
Cele două sisteme sunt asemănătoare din punct de vedere al concepției, al modului de funcționare și al performanțelor ce le oferă utilizatorilor, lucrarea urmând a face referiri numai la sistemul american, GPS.
2.2. SISTEME DE POZIȚIONARE GLOBALĂ
Sistemul de poziționare globală GPS s-a realizat în anul 1973, de către Joint Program Office din cadrul U.S. Air Force Command’s, Los Angeles Force Base, pentru utilizare militară, care a devenit în scurt timp accesibil și sectorului civil. Acest sistem de poziționare globală funcționează pe principiul recepționării de către utilizator a unor semnale radio emise de o constelație de sateliți de navigație, specializați, care se mișcă în jurul Pământului pe orbite circumterestre.
Sistemul a fost astfel proiectat încât permite ca în orice moment și oriunde pe suprafața Pământului, un mobil aflat în mișcare sau în repaus, să aibă posibilitatea ca utilizând un echipament adecvat, să își poată stabili în timp real poziția și viteza de deplasare pentru un mobil aflat în mișcare și numai poziția pentru un mobil aflat în repaus, într-un sistem de coordonate geocentric tridimensional, propriu sistemului de poziționare GPS.
Sistemul de poziționare GPS, este constituit din trei segmente principale , care asigură funcționarea acestuia, după cum urmează:
Segmentul spațial, constituit din constelația de sateliți GPS;
Segmentul de control, constituit din stațiile de la sol, care monitorizează întregul sistem;
Segmentul utilizatorilor, compus din utilizatorii civili și militari, care folosesc receptoare GPS dotate cu antenă și anexele necesare;
2.2.1.a. Segmentul spațial
Fig 2.1. – Segmentul Spațial
Constelația de sateliți GPS a fost proiectată să conțină un număr de 24 de sateliți , amplasați pe orbite aproximativ circulare față de suprafața Pământului. Actualmente funcționează un număr de 30 sateliți.
Planurile orbitale ale sateliților au o înclinație de 550 față de planul ecuatorial terestru, sateliții evoluâd la o altitudine de cca. 20200km, câte 4 sateliți în fiecare dintre cele 6 planuri orbitale.
Fiecare satelit face o rotație completă în jurul Pământului în 12 ore siderale, respectiv în 11 ore și 56 de minute locale, zilnic răsăritul și apusul fiecărui satelit făcându-se cu 4 minute mai devreme. Fiecare satelit are o durată de funcționare estimată la cca.7 ani, durată care în general a fost depașită, asigurându-se astfel o siguranță în plus în exploatarea sistemului.
Segmentul spațial, care în prezent este complet, asigură ca la orice oră, în orice loc pe suprafața Pământului, indiferent de condițiile meteorologice, de perioada din zi sau din noapte, să se poată recepționa semnale radio de la minimum 4 sateliți dar și mai mulți, 6 sau 8, sub un unghi de elevație de 150 deasupra orizontului, condiții absolut necesare pentru poziționare.3
Principalele funcțiuni ale segmentului spațial :
sateliții GPS transmit permanent informații utilizatorilor prin intermediul unor semnale radio în frecvența 10.23 MHz, din care se generează cele două unde purtătoare L1=1575.42MHz și L2=1227.60MHz , timpul generat de ceasurile atomice, efemeridele satelitului, starea echipamentelor auxiliare și alte informații necesare;
mențin o referință de timp foarte precisă, prin intermediul cesurilor de la bordul sateliților GPS;
recepționează și înmagazinează informațiile primite de la segmentul de control;
execută manevre de corectare a orbitelor satelitare;
Sateliții sistemului au fost lansați la diferite perioade de timp și aparțin diferitelor „block-uri”, după cum urmează:
sateliții din „Block–I” sunt primii sateliți lansați (1978-1985), modelul spațial fiind compus din 3 planuri orbitale înclinate la 630 față de planul ecuatorului.
sateliții din „Block-II” au fost organizați în 6 planuri orbitale înclinate la 550 față de ecuator și au început să fie lansați în perioada 1989-1995. Sateliții acestui bloc se deosebesc de sateliții primului block prin faptul că aceștia au semnalul în totalitate disponibil pentru utilizatorii civili, au implementate tehnicile de protecție ale sistemului, SA (Selective Availability) și AS (Anti-Spufing) și dispun de 4 ceasuri atomice (2 cu Cesiu, 2 cu Rubidiu);
sateliții din „Block-IIA” (Advanced), sunt mai evoluați în sensul că au posibilitatea să comunice între ei și au montate reflectoare laser care permit măsurători de tipul „Satelite Laser Ranging” (SLR). (1990)
sateliții din „Block-IIR” (Relenishment) încep să înlocuiască sateliții din Block-ul II, după 1996. Aceștia sunt prevăzuți cu ceasuri atomice cu hidrogen, de tip MASER, care au stabilitate superioară față de cele cu Cesiu sau Rubidiu.
sateliții din „Block-IIF” (Follow on) continuă lansările în perioada 2001-2010. Aceștia vor putea gestiona eventualele variații ale frecvenței de bază și vor dispune la bord de Sisteme de Navigație Inerțială (INS);
2.2.1.b. Segmentul de control
Fig. 2.2. – Segmentul de control
Segmentul de control al sistemului GPS este constituit din stațiile specializate de la sol care actualmente sunt în număr de cinci și sunt dispuse aproximativ uniform în jurul Pământului, în zona ecuatorială .
Principalele sarcini ale segmentului de control, sunt următoarele:
segmentul de control urmărește permanent prin stații de la sol sateliții sistemului, prelucrând datele recepționate în vederea calculării pozițiilor spațio-temporale ale acestora, care apoi sunt transmise la sateliți;
controlează ceasurile sateliților comparându-le cu un ceas atomic cu hidrogen, de tip MASER;
calculează corecțiile orbitale, care sunt transmise la fiecare satelit și operate de motoarele rachetă proprii de corectare a orbitei;
activează prin comenzi de la sol, la momentul dorit sau necesar, sistemele de protecție SA și AS , ale sistemului;
stochează datele noi recepționate de la sateliți;
calculează efemeridele prognozate (Broadcast) pentru următoarele 12 sau 24 de ore pe care le transmite la segmentul spațial;
execută întregul control asupra sistemului;
Stațiile la sol care formează segmentul de control al sistemului de poziționare GPS sunt:
stația de control principală (Master Control Station), amplasată la Colorado Springs în Statele Unite,
stațiile monitor ale segmentului de control sunt amplasate după cum urmează: insula Hawai (estul oceanului Pacific), insula Kwajalein (vestul oceanului Pacific), insula Diego Garcia (vestul oceanului Indian) și insula Ascension (oceanul Atlantic).
stațiile de control la sol, amplasate lângă stațiile monitor din insula Kwajalein, insula Diego Garcia și insula Ascension.
2.2.1.c. Segmentul utilizatori
Acest segment e constituit din totalitatea utilizatorilor deținători de receptoare GPS cu antenă, în funcție de calitățile receptorului și antenei, rezultând acuratețea preciziei de poziționare sau a elementelor de navigație. Receptoarele geodezice sunt receptoarele cele mai precise și operează cu lungimile de undă purtătoare L1 și L2 precum și codul C/A sau P.
Dacă la nivelul anului 1990 existau cca. 9000 de utilizatori GPS, la nivelul anului 2000 se estimau cca. 500000 utilizatori GPS care pe grupe mari de activități reprezentau următoarele cifre și procente[NGS 1994]:
Tabel 2.1. – Segmentul utilizator2
GLObal'naya NAvigatsionaya Sputnikovaya Sistema este un sistem de navigație prin sateliți cu unde radio, dezvoltată de fosta Uniune Sovietică și acum folosită de guvernul Rusiei, fiind operată de Forțele Spațiale Rusești. Acest sistem a fost proiectat pentru a oferi determinări de poziție și viteză în timp real, inițial pentru a fi folosit de Armata Sovietică pentru navigare și pentru a determina țintele pentru rachetele ballistice.
Dezvoltarea sistemului GLONASS a început în 1976, cu obiectuvul de a realiza o acoperire globală până în 1991. Începând cu 1982, au avut loc numeroase lansări de sateliți până la completarea constelației în 1995. Odată cu completarea ei, sistemul a ajuns foarte repede într-o stare gravă datorită prăbușirii economiei rusești. În 2001, Rusia s-a angajat în refacerea sistemului cu obiectivul de a finaliza acesta până în 2011. Guvernul Rusiei în anii precedenți a reușit să introducă guvernul Indiei în programa de îmbunătațire a sistemului , care a adus la accelerarea procesului și la speranța de a readuce sistemul în funcțiune completă până în 2009.
2.2.2.a.Segmentul spațial
Constelația GLONASS complet funcțională constă din 24 de sateliți, din care 21 operaționale și 3 rezerve pe orbită, dezvoltate pe trei planuri orbitale. Nodurile de urcare a celor trei planuri sunt separate de 120O, fiecare plan conținând 8 sateliți cu spațiul egal între ele. Orbitele sateliților sunt aproximativ circulare, cu o înclinare de 64,8O,acestea evoluâd la o altitudine de 19.100 km față de Pământ. Fiecare satelit face o rotație completă în jurul Pământului în aproximativ 11 ore și 15 minute. Planurile însuși au o deplasare de latitudine de 15O, din care rezultă faptul că la un moment dat, doar unul dintre sateliți trece peste ecuator, nu trei deodată. Organizarea lor s-a făcut în așa fel încât, dacă constellația este deplin populată, se pot „vedea” minim 4 sateliți în același timp, indiferent de loc sau timp.
Fiecare satelit este identificat cu un număr de „slot”, care definește planul orbital corespunzător și locația în planul respectiv. Sateliții cu numărul 1-8 se află în planul unu, 9-16 în planul doi, iar 17-24 în planul trei.
Sateliții GLONASS transmit două tipuri de semnale: un semnal de precizie standard (standard precision – SP) și unul securizat, de precizie superioară (high precision – HP).
Fiecare satelit transmite același semnal SP, dar fiecare o transmite pe o frecvență diferită, folosind o tehnică FDMA (Frequency Division Multiple Access) pe un set de 25 de canale. L1 = 1602 MHz + n * 0,5625 MHz unde n este numărul de ordine a canalului de frecvență.
La eficiență maximă, semnalul SP furnizează date de poziționare orizontală cu precizie între 57 – 70 metri, de poziționare verticală sub 70 de metri, măsurarea vectorului de viteză sub 15 cm/sec și de măsurarea timpului sub 1 ms, toate acestea fiind bazate pe măsurători a semnalelor simultane de la 4 sateliți.
Semnalele HP folosesc aceeași tehnică FDMA, dar transmiterea datelor se realizează pe L2 între 1240 și 1260 de MHz, iar determinarea frecvenței centrale se face cu ecuația 1246 MHz + n * 0,4375 MHz unde n este numărul de ordine a canalului de frecvență. Semnalul HP, mult mai precis, stă doar la dispoziția utilizatorilor autorizați, cum ar fi Armata Rusă. Însă în noiembrie 2006, Ministerul Apărării, Sergei Ivanov ,a anunțat că semnalul HP va fi disponibil pentru segmentul civil începând din 2007.
Uragan-M (sau GLONASS-M),este a doua și actuala generație a sateliților ,acestea au fost dezvoltate încă în 1990 și lansate prima oară în 2001.
Acești sateliți au o durată de funcționare prognozată la șapte ani, cu o greutate de puțin peste 1480 kg. Au un diametru de aproximativ 2,4 metri și o înălțime de 3,7 metri, cu panouri solare de 7,2 metri pentru a genera energie electrică de 1600 W la lansare. Structura de sarcină ține 12 antene primare pentru transmisii pe banda L. Deasemenea, au reflectoare laser cu colțurile curbate pentru a-i ajuta în determinarea precisă a orbitei și pentru cercetări geodezice. Ceasurile de cesiu aflate la bord asigură o precizie absolută a timpului de 1000 de nanosecunde.
Până în aprilie 2007 s-au lansat opt astfel de sateliți, cu obiectivul de a lansa în total 14. Ca și la generația precedentă, și acești sateliți pot fi lansați în triplet folosind rachete purtătoare Proton-K Blok-DM-2 sau Proton-K Briz-M. Este planificată , cel puțin o lansare simplă ,folosind o rachetă purtătoare Indiană GSLV.
Uragan-K (GLONASS-K) este a treia, cea mai nouă generație de sateliți . Aceștia sunt proiectate pentru o durată de funcționare mai îndelungată 10-12 ani, au greutatea redusă la doar 750 kg și oferă un semnal adițional pe banda L de navigație. Ca și sateliții anteriori, aceștia au stabilizare pe 3 axe și două panouri solare. Vor intra în funcțiune după „epuizarea stocului” a clasei Uragan-M, prognozată pe 2008.
Datorită greutății reduse, sateliții din clasa Uragan-K pot fi lansați în pereche din Cosmodromul din Plesetsk cu rachete Soyuz-2 mult mai ieftine, sau câte șase din Cosmodromul din Baikonur folosind rachete Proton-M Briz-M.
2.2.2.b.Segmentul de control
Segmentul de control al sistemului GLONASS este constituit din stațiile specializate de la sol care sunt dispuse pe teritoriul Rusiei. Stația de control principală se află în apropierea Moscovei , iar stațiile monitor sunt răspândite pe teritoriul fostei Uniuni ovietice.
Principalele sarcini ale segmentului de control, sunt aproape similare cu cele ale segmentului de control al sistemului NAVSTAR GPS . Pe lângă urmărirea permanentă a sateliților, sistemul de control efectuează și măsurări de distanțe prin unde laser, pentru că sateliții rusești sunt dotați și cu reflectoare laser cu colțurile curbate pentru a sevi la determinarea precisă a orbitei și pentru cercetări geodezice. Sistemul orar folosit de GLONASS este CIS, care corespunde cu UTC .
Pentru a crește precizia abszolută, rușii au dezvoltat o infrastructură în trei trepte(WADS, RADS, LADS – globală, regională, locală) sprijinind-se pe technica diferențială.
Sistemul WADS prin analizarea rezultatelor măsurătorilor intrate de pe o suprafață mai mare (1500-) corectează datele asigurând o precizie de 5 –10 m.
Sistemul RADS pe suprafețe regionale (500km), ținând cont de datele troposferice asigură o precizie de 3 – 5m.
Sistemul LADS pe suprafețe locale (câteva zeci de km) asigură a precizie decimetrică.
GALILEO este un sistem de sateliți de poziționare globală, care va fi construită de European Satellite Navigation Industries pentru Uniunea Europeană și Agenția Spațială Europeană ca o alternativă a sistemului NAVSTAR – GPS, întreținut de Statele Unite ale Americii și a sistemului GLONASS, întreținut de Rusia.
Galileo Operating Company, deținătorul concesiunii și consorțiul privat care va conduce Galileo, va avea centrul de comandă în Touluse, Franța, cu alte centre specializate în München, London, Roma și Madrid.
Sistemul Galileo va avea mai multe obiective, cum ar fi:
asigurarea unei precizii ridicate pentru toți utilizatorii sistemului , o precizie mai mare decât cel al sistemelor NAVSTAR sau GLONASS;
îmbunătățirea serviciului de poziționare la latitudini mai mari;
dezvoltarea unui sistem de poziționare independentă pe care națiunile Uniunii Europene se pot baza chiar și în cazul unui război sau unor neînțelegeri politice.
Proiectul curent prevede sistemul ca fiind operațional în 2011-2012, cu trei-patru ani mai târziu decât era stabilit inițial.
Primul stagiu a programului Galileo a fost anunțat oficial pe 26 mai 2003 de către Uniunea Europeană și Agenția Spațială Europeană. Spre deosebire de sistemul NAVSTAR, care este întreținut și folosit principal de armata Statelor Unite, sistemul Galileo a fost conceput pentru uz civil. Acesta va aduce o îmbunătățire a semnalului față de cel al GPS și în momentul în care va fi complet, va funcționa cu aceeași precizie atât pentru armată cât și pentru utilizatorii civili.
Constelația GALILEO va consta dintr-un număr de 30 de sateliți (27 funcționale și 3 rezerve) la o înălțime de orbită de 23.600 km. Cele 30 de sateliți vor fi lansați pe trei planuri orbitale cu o înclinare de 56° intre ele. Pe fiecare plan orbital își va desfășura activitate 9 sateliți operaționali și unul de rezervă.
Acești sateliți au greutatea de 650kg, dimensiunea corpului fiind: x x panourile solare generând o putere de 1500W pe toată durata de funcționare, durata de funcționare prognozată este de peste 12 ani.
Galileo va furniza 4 servicii de navigare diferite :
Servicul deschis (Open Service, OS) va fi accesibil gratuit pentru oricine. Semnalele OS vor fi emise pe două benzi, la 1164-1214 MHz și la 1563-1591 MHz. Receptoarele care folosesc ambele benzi vor beneficia de o precizie de sub 4 m pe orizontală și de sub 8 m pe verticală. Receptoarele care folosesc doar o singură bandă vor fi capabile să determine poziția cu precizie de de sub 15 m pe orizontală și de sub 35 m pe verticală, valori comparabile cu ceea ce ne oferă serviciul C/A a sistemului GPS în ziua de azi. Se preconizează că majoritatea receptoarelor în viitor vor procesa ambele semnale, C/A de la GPS și OS de la Galileo, pentru o acoperire sporită
Serviciul comercial codat (Commercial Service, CS) va fi accesibilă contracost, și va oferi o precizie de sub un metru. Semnalul poate fi complementat de la stațiile terestre pentru a aduce precizia sub 10 cm. Semnalul va fi transmis pe trei frecvențe, pe cele două folosite de OS și pe 1260-1300 MHz
Două servicii codate, denumite Public Regulated Service (PRS) și Safety of Life Service (SoL), care vor asigura o precizie comparabilă cu OS. Aceste semnale vor fi folosite de autoritățile de securitate (poliție, armată, etc.) și de aplicații de transport securizate (controlul traficului aerian, aterizări automate, etc.).
2.2.4. Beidou – Compass
a decis să construească un sistem de navigare prin satelit în anii 1980, numit Beidou. Acum aceștia intenționează să își extindă la scara globală sistemul regional de poziționare prin satelit. Noul sistem se numește COMPASS și își propune să utilizeze 30 de sateliți de orbită și cinci sateliți geostaționari finalizarea proiectului fiind în 2015. Sistemul Compass va oferii servicii de poziționare în diverse domenii, de la navigație, meteorologie, exploatări petroliere, monitorizare de incendii și dezastre până la telecomunicații și aplicații militare. Republica Chineză intenționează să lanseze în spațiu 10 sateliți de navigare în 2009 și 2010, care se vor alătura celor patru lansați deja în spațiu de la debutul programului în anul 2000. Frecvențele care le utilizează acest sistem sunt B1, B1-2, B2, B3, B1-BOC, L5.
Tehnologia GPS, Global Positioning System, dezvoltată de SUA este deja larg utilizată în China pentru serviciile de navigare comercială, telefoane mobile și alte echipamente civile. Utilizatorii chinezi, atât cei civili cât și cei militari, vor putea folosi proprii sateliți după ce sistemul COMPASS va deveni al patrulea sistem global de navigare prin satelit.2
Expansiunea sistemului Chinez amenință în mod clar intențiile țărilor europene de recuperare a investițiilor din sistemul Galileo. Acest lucru pune practic în mare dificultate proiectul european Galileo, care dorește comercializarea serviciilor care oferă semnale de acuratețe.3
2.2.5. Irnss
Guvernul indian derulează, din 2006, proiectul IRNSS ( Indian Regional Navigation Satellite System ), având la dispoziție un buget de peste 300 de milioane de dolari. Acesta are ca țintă oferirea de servicii de poziționare, cu o acoperire totală a teritoriului național, și o rază de în jurul tării prin folosirea unei rețele formate din 7 sateliți. Sistemul are ca dată de finalizare anul 2011.4
India prezintă o reală amenințare și este văzută chiar ca un factor destabilizator în supremația sistemelor de poziționare globală, și asta nu din cauza proiectului național, care se află în stare incipientă, ci din cauza faptului că este un partener al Rusiei în dezvoltarea platformelor GLONASS.5
2.3. SISTEME COMPLEMENTARE
Fig. 2.3. – Sisteme complementare
Sistemele complementare se pot înpărții în două categorii :
sistme complementare satelitare
sisteme complementare terestre.
Sistemele complementare satelitare (Satellite Based Augmentation Service , SBAS)sprijinesc navigația intercontinentală și globală prin transmisia permanentă a datelor și corecțiilor diferențiale. Unele sisteme complementare bazate pe sateliți (WAAS , MSAS , EGNOS , GAGAN) pentru asigurarea unei anumite precizii (1m-3m) furnizează gratuit corecțiile diferențiale, altele (OMNISTAR , LANDSTAR) sunt susținute de intreprinderi particulare, acestea asigură o precizie mai ridicată (submetrică), dar pentru utilizarea sistemului se percepe o anumită taxă .
Sistemele complementare terestre (Ground Based Augmentation System, GBASS) sunt amplasate pe suprafețe terestre relativ mici (deobicei Țari), ele asigură furnizarea corecțiilor diferențiale de pe suprafața Pământului. Motivul dezvoltării acestui sistem, pe lânga necesitatea preciziei de măsurare ridicată este și faptul că în unele situații semnalele emise de sateliții geostaționari sunt obstrucționate (exemplu: Localități). Distanța medie dintre punctele active GPS care servesc rețeaua sistemului este de .
Printre primele țări care au început să dezvolte sisteme complementare de acest tip, sunt Danemarca, Elveția și Germania. Acestea asigură utilizatorilor, poziționare în timp real cu precizie centimetrică, folosind doar un singur receptor GPS de către utilizator. La început aceste sisteme au fost amplasate în apropierea orașelor mai mari, mai târziu pe teritoriul întregii țări. Datorită dezvoltării paralele a sistemelor de către fiecare țară, acestea nu au fost perfect sincronizate între ele.
Pentru rezolvarea acestei probleme 15 țari europene au colaborat la dezvoltarea și introducerea unui sistem unitar numit EUPOS. Pe baza experiențelor pozitive în urma realizării sistemului german SAPOS și eficienței acesteia, programul EUPOS a fost sprijinit de ingineri specialiști din Germania.
2.4. DATE ȘI SEMNALE EMISE DE CĂTRE SATELIȚII – GPS
2.4.1 Efectul Doppler
Diferența între frecvența transmisă încă de către primul satelit și frecvența recepționată a demonstrat că fenomenul cunoscut ca și efectul Doppler poate fi folosit pentru determinarea distanței (sau a schimbării acestuia) între receptor și satelit. Decalajul de frecvență întâlnită în cazul efectului Doppler este diferența de frecvență între frecvența fs a semnalului emis de către satelit și frecvența fr a semnalului recepționat de către receptor.
Fig.2.4. – Principiul efectului Doppler
În practică, în locul frecvenței semnalului emis de către satelit ,care nu poate fi percepută în poziția receptorului, se folosește un semnal stabil, generat de receptor, cu frecvența fg:
(2.1.)
,unde Njk numărul Doppler integrat între momentele Tj și Tk
fg frecvența stabilă, generată de receptor
fr frecvența care ajunge în receptor(și suferă de decalajul Doppler) Tj,Tk momentul de începere și de încetare a numărării
Frecvența fg a fost stabilită astfel încât diferența fg – fr să aibă tot timpul semnul pozitiv. Numărul Doppler, obținut prin integrarea diferenței de frecvență fg – fr (pe baza ecuaței 2.1.) între momentele Tj,Tk, recepționat de către receptor, trebuie să fie egală cu numărul Doppler obținut prin integrarea diferenței de frecvență fg – fr, în cazul în care momentul de început și de sfârșit al integrării sunt modificate cu timpul tj și tk, necesare parcurgerii distanței între satelit și receptor a semnalului emis de către satelit. Din cele descrise rezultă că:
(2.2.)
,unde c este viteza de propagare a undelor electromagnetice în vid (299.792.458 m/sec, pentru simplificarea unor calcule se admite folosirea valorii de 3·108 km/sec), rik, rij este diferența între satelit și receptor în momentele Tk, respectiv Tj.
Pătratul distanțelor r poate fi exprimată ca suma pătratelor componentelor vectorilor satelit-receptor, deci dacă dispunem de un număr suficient de măsurători independente, și cunoaștem orbita satelitului, putem determina poziția receptorului.
2.4.2. Structura semnalelor
Fig. 2.5. – Semnal emis de satelit
Tehnica GPS se bazează pe recepționarea undelor radio emise de sateliți. Acuratețea sistemului de poziționare GPS este asigurată de faptul că toate componentele semnalului satelitar sunt coordonate de ceasuri atomice.
Aceste ceasuri atomice, de foarte mare precizie, asigură realizarea unei frecvențe fundamentale Fo=10,23MHz, oscilatoarele amplasate la bordul sateliților însă emit semnale radio pe două frecvențe diferite L1 și L2.
L1 – f1=154 f0=1575,42 MHz
L2 – f2=120 f0=1227,60 MHz
Lungimile de undă corespunzătoare 1=19,04 cm și 2=24,44 cm (=c/f).
Aceste unde purtătoare (carrier) sunt modulate cu diverse coduri în vederea transmiterii informațiilor către receptor. Codurile sunt serii de cifre +1 și -1 corespunzătoare cifrelor 0 și 1 din sistemul binar.
Principiul codificării este "biphase modulation" adică defazarea undei purtătoare cu 180 g la modificarea codului de +1 sau -1.
Fig.2.6. – Modularea undei purtătoare
La modularea undei purtătoare se aplică două tipuri de codificare:
Codul C/A (coarse/acqusition code) este liber pentru utilizatorii civili și modulează numai lungimea de undă purtantă L. Acest cod se repetă la fiecare milisecundă și furnizează informații privind identificarea satelitului recepționat, având o frecvență de f0/10, adică valorile de +1 și -1 se succed cu frecvența de 1,023 MHz.
Codul P (precision code) este codul rezervat utilizatorilor militari precum și altor utilizatori privilegiați. Unda are o frecvență identică cu frecvența de bază, și se repetă tot la 266.4 zile. În acest caz identificarea sateliților este posibilă datorită modului codului individual și caracteristic pentru fiecare satelit.
Codul D reprezintă codul de navigație, care conține informațiile privitoare la efemeridele sateliților și parametrii reali pentru calculul poziției lor, starea acestora și informații privind ceasurile de la bord.
Fiecărui satelit GPS i sa atribuit câte o porțiune de 7 zile din întreg ciclul de 266,4 zile ale codului complet P. Generarea codului se reia în fiecare duminică la miezul nopții la începutul săptămînii GPS.
Numărul de identificare PRN (pseudorandom noise) al satelițiilor GPS arată tocmai numărul săptămânii din codul complet P ce s-a atribuit satelitului. Unda purtătoare conține și un mesaj de navigație codificat.
Acest mesaj conține următoarele informații :
date despre ceasul, elementele orbitei (broadcast ephemerides) și starea satelitului
datele tuturor sateliților în funcțiune (almanac), precum și informații privind corectitudinea datelor măsurate. Satelitul este "healthy" când datele sunt bune, și "unhealthy" când nu sunt bune.
Unda purtătoare L2 este modulată numai cu codul P, pe când unda L1 atât cu codul P cât și cu C/A. În cazul undei purtătoare L1 codurile P și C/A sunt "perpendiculare", diferența de fază dintre ele fiind de un sfert de ciclu ().
Este important de știut că amplitudinea componentei modulate cu codul C/A este aproape de două ori mai mare decât al componentei cu codul P. De câțiva ani s-a dezvoltat o noțiune nouă: Anti-Spoofing (A-S). El este secretizarea codului P, pentru a se preveni intervenția neautorizată în sistem prin emiterea unor informații false. Rezultatul cifrărilor este codul Y, care se poate decifra numai dacă suntem în posesia unui algoritm secret de conversie.
2.5. ORBITELE SATELIȚILOR GPS
De acuratețea cu care sunt determinate și cunoscute efemeridele orbitelor sateliților GPS depinde precizia cu care se determină coordonatele spațiale ale punctelor geodezice.
Trăsăturile definitorii ale orbitei sunt forma, altitudinea și unghiul care îl face cu Ecuatorul Pământului. Orbitele sunt circulare sau eliptice.
2.5.1. Orbita geostaționară ecuatorială(GEO)
Sateliții care au o orbită geostaționară ecuatorială, evoluează în jurul Pământului de-a lungul Ecuatorului, la o altitudine specifică, în același timp în care Terra efectuează o rotație completă. Ca rezultat, aceștia stau deasupra unei regiuni mereu. De exemplu în supravegherea militară sau meteorologică se folosesc sateliți cu o orbită geostaționară ecuatorială.
2.5.2. Orbita medie a Terrei(MEO)
Sateliții care utilizează acesată orbită se intâlnesc la altitudinea de aproximativ 10 000km și combină avantajele orbitelor LEO si GEO. Orbita medie este folosită in general pentru sateliții de navigație si comunicații.
2.5.3. Orbita joasă a Terrei(LEO)
Un satelit cu o orbită joasă se poate întâlni la o altitudine de 2 000km sau mai puțin. Aproape orice satelit intră pe acestă orbită după ce este lansat. În cazul în care misiunea necesită o altă orbită, acesta se deplasează cu ajutorul rachetelor. Orbita de altitudine mică minimizează cantitatea de combustibil necesară. De asemenea el poate furniza imagini de supraveghere mai clare, evitându-se centurile de radiații Van Allen și au nevoie de semnale mai slabe pentru a putea comunica cu Pământul, care ajung mai repede la destinație, oferindu-le o proprietate destul de importantă în transmiterea datelor.
2.5.4. Orbita polară
Sateliții cu orbite polare orbitează Pământul la unghiuri de 90° față de Ecuator și față de poli. Acestea se pot întâlni la orice altitudine, dar majoritatea sateliților folosesc și orbita LEO. Doi sateliți aparținând Administrației Națională a Oceanelor și a Atmosferei furnizează informații meteorologice pentru toate zonele Globului la fiecare 6 ore. De asemenea, aceștia realizează hărți ale nivelului de ozon ale atmosferei, incluzând și zonele de deasupra polilor.
2.5.5. Orbita de sincron solar
Un satelit cu o astfel de orbită trece deasupra unui punct al Pământului în momentul în care și Soarele este deasupra punctului respectiv. Acesta are o orbită retrogardă (in sensul acelor de ceasornic în jurul Terrei), la un unghi de aproximativ 98° față de Ecuator. Această orbită este utilă pentru sateliții care fotografiază Pământul, deoarece Soarele va asigura, luminozitatea necesară realizării imaginilor.
2.6. POZIȚIONAREA CU AJUTORUL TEHNOLOGIEI GPS
Poziționarea cu ajutorul tehnologiei GPS se realizeză prin determinarea distanțelor dintre punctul de stație și sateliții GPS vizibili, matematic fiind necesare măsurători la minimum 3 sateliți. Pentru o poziționare precisă ,avem nevoie de un număr de 4 sateliți .
Dacă am avea măsurători la un singur satelit și am cunoaște poziția acestuia, cu o singură distanță, poziția noastră în spațiu ar fi pe o sferă cu centrul în poziția satelitului și cu raza, distanța măsurată.
În cazul în care măsurăm distanța la doi sateliți, poziția noastră se „îmbunătățește”, în sensul că ne aflăm pe un cerc generat de intersecția celor două sfere care au în centru cei doi sateliți și în funcție de distanța dintre aceștia, cercul nostru de poziție are o rază mai mare sau mai mică.
Poziția noastră se îmbunătățește substanțial în momentul în care avem măsurători și la un al treilea satelit, care deja ne localizează în două puncte din spațiu.
Aceste două puncte sunt date de intersecția ultimei sfere, cu centrul în cel de al treilea satelit, cu cercul generat de primele două sfere determinate. Sigur că în acest moment putem, relativ ușor, să ne stabilim punctul în care ne aflăm, însă pentru a fi riguroși este necesară a patra măsurătoare față de un al patrulea satelit și atunci în mod cert punctul poziționării noastre va fi unic.
Poziționarea se realizează cu ajutorul retrointersecției spațiale de distanțe, în sistemul de referință, reprezentat de elipsoidul WGS84. Față de coordonatele spațiale care definesc permanent poziția fiecărui satelit GPS (Sj), în acest sistem de referință, coordonatele spațiale ale oricărui punct de pe suprafața Pământului (Pi) se pot determina cu deosebită precizie prin intermediul măsurării unui număr suficient de distanțe de la sateliții recepționați de receptorul din punctul P.2
Poziția punctului P este rezolvată prin determinarea vectorului de poziție R:
(2.3.)
(2.4.)
Vectorul „r “, reprezintă vectorul de poziție al satelitului observat la momentul „t”, vectorul „ρ”, reprezintă vectorul distanță de la punctul considerat la satelit, iar vectorul „R”, reprezintă vectorul de poziție al punctului P.
Distanța geometrică poate fi exprimată de relația:
(2.5.)
Decalajul de timp, necesar pentru ca replica generată de receptor să se alinieze perfect cu semnalul transmis de satelit, este Δt.
Fig. 2.7. – Timpul care se măsoară
Dacă notăm cu Rij distanța considerată între satelitul „j” și receptorul „i” aceasta poate fi obținută cu ajutorul relației :
(2.5.)
Fig. 2.8. – Origini de timp GPS2
Distanța determinată în acest mod nu reprezintă așa numita „pseudodistanță”, deoarece ceasurile receptorului și satelitului nu sunt sincronizate, între ele existând o eroare de ceas (offset).
Considerând că în exemplul urmărit sunt trei origini de timp GPS, după cum se poate vedea în figura de mai sus, rezultă:
originea timpului atomic „ta” care se consideră referință fundamentală;
originea timpului ceasurilor de pe satelit „tj”;
originea timpului ceasului receptorului „ti”;
Reducând toate originile de timp, la originea timpului atomic „ta”, relația (2.5.) devine:
(2.6.)
(2.7.)
Ecuația care exprimă valoarea „pseudodistanței” la epoca „t” devine:
(2.8.)
Măsurarea pseudodistanțelor se realizează prin utilizarea codurilor, deoarece numai acestea pot da indicații asupra momentului când marca de timp este emisă de satelit și poate fi detectată de receptor.
Ceasurile receptoarelor GPS sunt ceasuri cu cuarț, ceasuri a căror stabilitate în funcționare este mult mai mică, cu câteva ordine de mărime, decât ale ceasurilor atomice de la bordul sateliților.
Pentru eliminarea diferenței, dintre ceasurile cuarț și cele atomice, se consideră, ca necunoscută, eroarea de ceas a receptorului, la epoca de măsurare. În aceste condiții, ecuația care exprimă valoarea pseudodistanței, capătă forma:
(2.9.)
Ca în orice alt gen de măsurători geodezice, observațiile GPS, prin care se determină pozițiile relative sau absolute ale unor puncte pe suprafața terestră, pot fi prelucrate prin metoda celor mai mici pătrate.
Fig. 2.9. – Poziționarea GPS
Poziționarea cu ajutorul tehnologiei GPS se poate face în diferite modalități:
Poziționare absolută: coordonatele punctului P sunt determinate intr-un sistem de poziționare globală. Tipul măsurătorilor este : măsurători de cod. În cadrul geodeziei această metodă este utilizată, când în zona de lucru nu sunt puncte cu coordonate cunoscute, care ar putea fi folosite ca puncte de referință.
Poziționare relativă: sunt determinate diferențele de coordonate între două puncte sau componentele vectorului (baseline), ce unește cele două puncte staționate cu receptoare GPS. Prin această modalitate se reduc sau se elimină erorile sistematice (bias), de care este afectată distanța dintre cele două puncte.
Poziționare diferențială: este asemănătoare, ca procedeu, cu poziționarea absolută cu deosebirea că eroarea care afectează distanța de la satelit la receptor este calculată și aplicată în timp real, ca o corecție diferențială, dată de către receptorul care staționează pe un punct de coordonate cunoscute (base), către receptorul care staționează în punctul nou.2
În toate cazurile problema de bază este de a determina distanța (range) între receptor și sateliții GPS, care se poate realiza prin două două tipuri de observații:
Măsurarea fazei codurilor din componenta activă a semnalului.
Măsurarea fazei purtătoarei semnalului (carrier phase).
2.7. ERORI ALE MĂSURĂTORILOR EFECTUATE CU TEHNOLOGIA
GPS
Erorile care afectează determinarea poziției cu ajutorul tehnologiei GPS sunt:
1. Erori accidentale de măsurare și de observare, cum ar fi eroarea datorată parcursurilor multiple (multipath), electronica aparaturii de la bordul satelitului și ale receptoarelor, interferențele electromagnetice, excentricități ale centrilor de fază ale antenelor, etc;
2. Erori sistematice (bias), cum ar fi erorile datorate ceasurilor de pe satelit și receptor, erorile de refracție cauzate de troposferă și ionosferă, erorile datorate orbitelor satelitare, etc;
Aceste erori sunt permanent prezente în cadrul măsurătorilor, separat de acestea există și alte erori, impuse de cei ce gestionează sistemul GPS, acțiune numită „Disponibilitate Selectivă” și „Anti-furt”, în engleză „Selective Avillability – SA” și „Anti-spoofing – AS”. Scopul acestora este degradarea preciziei de poziționare și navigare.
2.7.1. Erorile accidentale
Precizia de determinare cu ajutorul tehnologiei GPS poate fi estimată acoperitor, ca având valoarea de cca. 1% din lungimea de undă.
Această apreciere conduce la precizii diferite :
codul C/A: precizia = +/- 3m
codul P : precizia = +/- 0.3m
L1 și L2 : precizia = +/- 0.002m
În realitate, aceste precizii sunt simple supoziții teoretice, astfel încât trebuie analizate în continuare diferitele surse de erori și contribuția lor la stabilirea preciziei măsurătorilor.
2.7.1.a. Erorile de multiparcurs
Eroarea de multiparcurs (multipath) apare, când o parte a semnalului de la satelit ajunge la receptor într-o manieră indirectă, prin reflectare de diferite suprafețe amplasate mai aproape sau mai departe de receptor.
Măsurătoarea între centrele de fază al antenei receptorului și ale antenei satelitului nu mai are deci un parcurs rectiliniu, apărând același fenomen de întârziere al semnalului și de creștere a distanței măsurate. Receptoarele din ultimele generații au softul de prelucrare mai „dotat” și poate să elimine din înregistrări semnalele parazitate de efectul de multiparcurs.
2.7.1.b. Erori datorate excentricității centrului de fază al antenei
Această eroare este datorată variației poziției centrului de fază al antenei, care în fapt este o problemă teoretică de electronică și nu de mecanică, aceasta datorită variației în funcționare a frecvențelor (centrul de fază pentru portanta L1 nu coincide cu centrul de fază a portantei L2 ) și elevației satelitului care emite semnalul. Din punct de vedere al utilizatorului, pentru ca această eroare, când există, să nu fie amplificată este necesar ca orizontalizarea antenei precum și orientarea ei să se facă cu maximum de atenție. Aceste erori au o valoare mică, în jurul a 2-3cm, dar această valoare devine importantă pentru determinările de precizie în probleme de nivelment și rețele.
2.7.1.c. Erorile datorate electronicii receptorului
O serie de alte erori depind de starea tehnică a componentelor electronice ale receptorului. De exemplu, măsurarea diferențelor de fază reprezintă o modalitate de corelare în timp real și în acest caz este foarte important ca semnalul de la satelit să nu fie depreciat, pentru a permite o corelare optimă. Calitatea semnalului depinde oricum, în mare măsură, de eventuale interferențe electomagnetice care pot cauza creșterea zgomotului semnalului și, în unele cazuri nefavorabile, să conducă chiar la pierderea semnalului.2
2.7.2. Erorile sistematice
2.7.2.a. Erorile de ceas
Erorile de ceas ale sateliților și ale receptoarelor, pot fi divizate în două componente:
erorile offset a ceasurilor, fapt ce conduce la o deplasare a originii de măsurare a timpului;
deriva, datorată teoriei relativității, dependentă de timp;
Pentru perioade de scurtă durată, aceste erori pot fi modelate de polinoame de ordinul doi, pentru ceasurile atomice de la bordul sateliților și de polinoame de grad superior, până la ordinul opt, pentru ceasurile cu cuarț ale receptorilor GPS.
2.7.2.b. Erorile de orbită
Pentru poziționarea GPS este necesar să fie cunoscute orbitele sateliților observați (efemeridele), în sensul de a se cunoaște la fiecare epocă de înregistrare coordonatele cât mai precise ale centrului antenei de emisie a satelitului.
Aceste date referitoare la orbite, au o precizie diferită, după cum urmează:
„broadcast”, efemeride transmise în mesajul de navigație care au precizie în jurul a 30-50 de metri;
„precise”, efemeride care sunt calculate și pot fi utlizate după perioada de observații, în cadrul etapei de procesare a datelor și au precizii metrice și chiar subdecimetrice;
Aceste erori au repercursiuni asupra poziționării absolute și afectează în mod direct coordonatele spațiale ale receptorului.
În cazul în care observațiile se realizează prin metoda diferențială sau relativă, influența acestor erori în poziționare este minoră.
2.7.2.c. Erorile datorate refracției troposferice
Troposfera reprezintă, segmentul de bază al atmosferei, cuprins între suprafața Pământului și o înălțime de cca. 40 – 50 km.
Această zonă este divizată în două părți:
partea „umedă” cuprinsă între suprafața Pământului și o altitudine de cca. 11km, zonă în care umiditatea atmosferică este prezentă și are valori semnificative;
partea „uscată” cuprinsă între altitudinea de cca.11km și 40km .
Refracția troposferică provoacă o întârziere a recepționării semnalului de la satelit, întârziere care conduce la creșterea timpului de parcurgere a distanței de la satelit la receptor și în consecință o creștere sistematică a distanțelor.
Întârzierea datorată refracției troposferice este independentă de frecvența semnalului, L1 și L2, dar este dependentă de parametrii atmosferici și de unghiul zenital sub care se găsește receptorul față de satelit.
Cu cât valoarea unghiului zenital este mai mare cu ațât crește și valoarea refracției troposferice, nu este recomandabil a se efectua observații la sateliții care apun sau răsar.
2.7.2.d. Erorile datorate refracției ionosferice
Ionosfera, reprezintă o altă parte a atmosferei terestre, cuprinsă între altitudinea de 40 – 50 km, până la cca 1000 km.
Erorile datorate refracției ionosferice depind de frecvența semnalului având valori diferite pentru cele două unde purtătoare L1 și L2.
Această eroare produce întârzierea semnalului de la satelit la receptor, astfel crește timpul de parcurs al semnalului, are consecințe directe în mărirea distanțelor măsurate la sateliți.
Această eroare se poate elimina printr-o combinație oportună a undelor purtătoare L1 și L2.
Utilizarea receptoarelor cu dublă frecvență este indispensabilă când se intenționează măsurarea unor baze mai mari de 15km , sub această lungime, efectul refracției ionosferice putând fi eliminat prin măsurători diferențiale sau relative.
În sinteză, valoarea erorilor sistematice care afectează distanța de la satelit la receptor au valorile prezentate succint în tabelul următor :
Tabel 2.2. – Erorile sitematice
2.8. CONSTELAȚIE
Pentru obținerea de rezultate bune, este foarte important ca, dincolo de verificarea disponibilitații unui număr adecvat de sateliți, să fie luat în considerare și configurația constelației în momentul observațiilor .
Majora sau minora precizie geometrică a rezultatelor care se pot observa în funcție de numărul și de deplasarea sateliților pe orizontul stației în timpul execuției observațiilor, este de regulă exprimată de o valoare numerică .
Cu acest parametru este indicată micșorarea preciziei geometrice (Geometric Dilution of Precision sau GDOP) în functie de configurația sateliților. Prin urmare, cu cât e mai mică valoarea acestui parametru, cu atât e mai minoră diminuarea preciziei și, în consecință cu atât e mai precisă observarea și rezolvarea din punct de vedere geometric.
Conform impărțirii sateliților în spațiu cu privire la punctul de determinat, micșorarea preciziei poate influența toate cele trei coordonate (X,Y,Z), sau poate influența doar determinările planimetrice (X,Y) respectiv altimetrice (Z). Acesta poate în cele din urmă influența într-un mod particular determinarea timpului (T) de parcurgere a semnalului și deci calculul de corectare a eventualei lipse de sincronizare dintre orologiul receptorului și cel al satelitului.
Inițialele care disting acești parametrii diferiți sunt următorii :
PDOP (Position Dilution of Precision ) –micsorarea preciziei in determinarea de precizii (X,Y,Z);
HDOP (Horizontal Dilution of Precision) – micsorarea preciziei in determinarea planimetrica (X,Y);
VDOP (Vertical Dilution of Precision) – micsorarea preciziei in determinarea altimetrica (Z);
TDOP (Time Dilution of Precision) – micsorarea preciziei in determinarea timpului (T)
2.9. SISTEME GNSS
2.9.1. Introducere
Sistemele GNSS (Global Navigation Satellite Systems) sunt sisteme de poziționare tridimensională bazate pe măsurători cu ajutorul semnalelor radio transmise de sateliții unor sisteme de poziționare globală: NAVSTAR-GPS (SUA), GLONASS (Rusia), GALILEO (viitor sistem European) COMPASS (viitor sistem Chinez). În urma prelucrării observațiilor GNSS rezultă poziția stației în coordonate carteziene (X,Y,Z), care pot fi transformate în coordonate geodezice (latitudine, longitudine și cotă elipsoidală).
Având în vedere clasa de precizie a determinării unor vectori spațiali necesari măsurătorilor geodezice, soluțiile punctuale (absolute) furnizate de un receptor GPS independent nu sunt adecvate utilizării în acest domeniu. În acest mod se pot obține precizii planimetrice și altimetrie de câteva sute sau zeci de metri (poziționare punctuală pe baza SPS – Serviciul Standard de Poziționare). Modalitatea principală de evitare a unor astfel de rezultate este utilizarea metodei de poziționare GPS relativă. În acest concept, ideea este cea a determinării unor poziții relative pe baza observațiilor GPS. Ca urmare, sunt necesare minim două receptoare GPS. Dacă unul dintre aceste două receptoare este stație GPS permanentă, atunci un potențial utilizator va avea nevoie de un singur receptor, dacă folosește poziționarea în raport cu stația GPS permanentă (poziția stației permanente este deja cunoscută). În urma efectuării unor astfel de observații se determină vectorul dintre cele două puncte, denumit și vectorul bazei sau pe scurt baza (b).2
(2.10.)
Unde
(2.11.)
Poziționarea relativă se poate efectua pe baza observațiilor cu coduri și/sau cu ajutorul observațiilor de fază. De regulă, în aplicațiile geodezice se folosesc ambele tipuri de observații.
Actualmente, pe plan internațional există zeci și chiar sute de stații de referință, care funcționează în mod permanent, în general în regim automat și care servesc pe lânga aplicațiile geodezice și unor alte scopuri ca: generarea efemeridelor și a corecțiilor de timp ale ceasurilor sateliților, detectarea miscărilor crustale, studii ale atmosferei și mișcării Pamântului, rezolvarea unor probleme de transport, prospecțiuni geologice și geofizice s.a. Ca și tehnologie, stațiile de referință funcționând în mod automat sunt cunoscute sub denumirea de: stații permanente, stații-bază, stații active de control, stații de urmărire, s.a.
2.9.2. Funcțiile unei stații permanente GPS
O stație GPS permanentă îndeplinește în principal trei funcții:
detectarea și urmărirea automată a sateliților;
înregistrarea, stocarea și analiza calitativă automată a datelor;
comunicarea cu exteriorul (beneficiari, alte stații permanente, etc.).
a) Funcția de detectare și urmărire automată a sateliților este asigurată în cadrul stațiilor permanente de către componentele hard și soft specifice receptoarelor satelitare (GPS și/sau GLONASS – GLObal NAvigation Satellite System). De regulă aceste receptoare dispun de mai multe canale paralele de recepție, un ceas de înaltă precizie și coduri, plus o antenă de recepție cu zgomot cât mai redus. Detectarea sateliților se face automat pe frecvențele de recepție specifice începând cu elevații, de regulă, de peste 5o. Odată cu atingerea fazei depline a sistemului de sateliți GPS (nu înca pentru GLONASS), în absența unor obstrucții (condiție realizată în cadrul stațiilor permanente) se pot contacta curent un număr de peste 5 sateliți în orice punct de pe glob și în orice moment.2
b) Datele satelitare (observațiile de cod, fază și mesajul de navigație) recepționate la stația permanentă sunt colectate la diverse intervale de timp, de regulă 1s sau mai mult, 30 s în cadrul EUREF (European Reference Frame – Rețeaua Europeană de Referință) și IGS (International GPS Geodynamic Service – Serviciul Internațional GPS pentru Geodinamică). Ca mediu de stocare este folosită în primul rând memoria de masă (hard) a unui calculator, iar apoi datele sunt trecute pe alte medii de stocare (unități de bandă, CD-ROM, discuri optice, floppy, etc). Ca formă de stocare, datele pot fi stocate în formatul propriu, specific tipului de receptor sau în alte formate, de regulă deja standardizatul format RINEX (Receiver INdependent EXchange Format). În paralel cu recepția datelor are loc o analiză cantitativă și calitativă a acestora. Se verifică cantitatea de date înregistrate – numărul de înregistrări / interval de timp, tipul de date înregistrate (coduri C/A, pseudo-P, Y); observațiile de fază L1,L2, observații Doppler D1,D2 etc.), calitatea semnalului pe cele două frecvențe (raportul semnal/zgomot – SNR), influența geometriei constelației de sateliți recepționați (indicatori DOP – Dilution Of Precision), posibilele momente de întreruperi (calcularea unor indicatori specifici – LLI – “Loss of Lock Indicator”; detectarea evenimentelor “cycle slip”, s.a.).
c) Funcția de comunicație a unei stații permanente este de primă importanță. Ea are ca scop transmiterea datelor (informațiilor) spre exterior, cât si recepția unor date și informații. De regulă, comunicarea se realizează bidirecțional. Un indicator al calității transmisiei este viteza de transfer, care este bine să fie cât mai mare (recomandabil peste 9600 bauds) pentru a asigura un transfer rapid al datelor spre posibilii beneficiari. Legăturile de comunicație folosite în general sunt cele telefonice (clasice, speciale sau GSM), radio, prin rețele de calculatoare (LAN, WAN, s.a.) sau comunicații satelitare (Inmarsat, Iridium s.a.). Cele mai utilizate tipuri de comunicație în cadrul stațiilor GPS permanente sunt cele internet (servicii FTP), precum și cele telefonice (GSM, GPRS, ISDN), dar și radio (modem- uri de diverse tipuri, în special pentru aplicații local în timp real).2
Cantitatea de date transmisă / recepționată în cadrul unei stații permanente depinde de o serie de factori, cum ar fi:
tipul de date transmise (observații primare, arhivate sau nearhivate; date meteo; corecții diferențiale 1 etc.)
intervalul de înregistrare (1s, 5s, 15s, 30s etc.)
numărul de sateliți contactați la un moment dat
În cazul lucrului stației permanente și în mod diferențial (DGPS) există în plus necesitatea de a se transmite anumiți parametri actuali de stare (în principal corecțiile diferențiale) în mod “on- line”, aproape în timp real, lucru ce reclamă o fiabilitate ridicată a sistemului de comunicație.3
2.9.3. Configurația rețeleor DGPS
2.9.3.a. Stație de referință singulară
În DGPS o stație de referință este alcătuită din următoarele componente principale:
– ansamblu antenă GPS/receptor;
– o conexiune wireless pentru utilizator (de regulă o conexiune radio);
– o aplicație software al stației de referință instalat pe un calculator care este utilizat pentru monitorizarea stației;
– corecții diferențiale DGPS, existența modelului de estimare a corecțiilor și achiziția datelor;
– interfețe și conexiuni pentru transferul datelor către utilizator.
Pentru integritatea monitorizării, stația de referință trebuie să conțină de regulă 2 receptoare GPS independente. Utilizatorul primește fie corecții DGPS pentru măsurători cu faza codurilor, fie corecții pentru măsurători RTK pentru măsurători pe faza undei purtătoare în formatul RTCM (Radio Technical Commission for Maritime Services).
În situația în care în rețea nu sunt modelate erorile și influențele factorilor perturbatori, bilanțul erorilor va indica o creștere a acestora dependentă de mărimea distanței de la utilizator până la stația de referință.
2.9.3.b. Stații de referință multiple
În acest caz, stațiile de referință multiple sunt conectate la o stație de control centrală prin intermediul unei conexiuni radio wireless sau a unui cablu via LAN (Local Area Network) sau internet. Pe lângă componentele prezentate anterior, în alcătuirea stațiilor de referință mai apare un modem pentru transferul datelor și modificarea pachetului software al stației. Protocolul de transfer utilizat între fiecare stație de referință și centrul de control este RSIM (Reference Station Integrity Monitor messages).
2.9.3.c. Stații DGPS interconectate într-o rețea
Prin interconectarea stațiilor DGPS într-o rețea, timpul de inițializare pentru poziționare utilizând faza undei purtătoare (ex. timpul necesar pentru rezolvarea ambiguităților) și precizia pentru distanțe mari s-au îmbunătățit semnificativ. În plus, s-a îmbunătățit și siguranța soluțiilor de poziționare permițând o creștere semnificativă a distanței stație de referință – utilizator. Modificarea aplicației software include noi modele pentru estimarea corecțiilor pentru modelarea surselor principale de erori, ca de exemplu, erori orbitale, refracția ionosferică, erorile de ceas ale satelitului și receptorului.
Pentru modelarea observațiilor sunt necesare date provenite de la cel puțin 3 stații de referință multiple. În acest mod, așa numiții parametrii de corecție pe suprafață FKP ( Area Correction Parameters – Flächen Korrektur-Parameter) se pot determina pentru fiecare triunghi alcătuit din 3 stații de referință din rețea.
Alt avantaj ale stațiilor DGPS interconectate în rețea îl reprezintă posibilitatea de detectarea a unei eventuale stații defecte sau care nu funcționează la parametri normali.
Din cercetări experimentale comparative s-a putut arăta, că pentru 4 stații de referință distanțate la 40 – 50 km între ele, soluția cu stații interconectate într-o rețea oferă o precizie de ± 2 cm. În rețeaua standard cu stații independente care transmit corecții DGPS, precizia de poziționare scade pe măsură ce distanța dintre utilizator și stație crește, atingând valori de ± 5 cm / 50km față de cea mai apropiată stație de referință.
2.9.4. Conceptul de stație virtuală
Cea mai avansată abordare în ceea ce privește creșterea distanței spațiale a stațiilor permanente și modelarea erorilor o reprezintă rețeaua de stații virtuale de referință (VRS). Acest concept a fost implementat pentru prima dată în , în rețeaua de stații permanente de referință SAPOS [Landau, 2000; Trimble, 2001].
Numele de stație virtuală de referință provine de la faptul că observațiile pentru o stație inexistentă, “virtuală” sunt create din observații reale executate în rețeaua de stații de referință multiple (selectate din rețeaua de stații permanente). Acest lucru permite eliminarea sau reducerea substanțială a erorilor sistematice în cazul datelor preluate de stațiile de referință, permițând o creștere a distanței dintre stațiile de referință și cele rover, în special pentru poziționarea RTK.
VRS se bazează pe crearea unei rețele de stații GPS de referință conectate permanent la un centru de control. Aici, un calculator înregistrează în mod continuu informații de la toate receptoarele și creează o bază de date reală.
Pentru a genera datele unei stații virtuale de referință situată foarte aproape de stațiile rover RTK, poziția aproximativă a receptorului utilizatorului este transmisă cu o precizie de cca.100 m la centrul de control al rețelei. Drept urmare, pentru comunicare este necesară o conexiune bidirecțională între utilizator și centrul de control. Comunicarea se realizează de regulă, prin intermediul telefonului mobil (Global System for Mobile Communication – GSM, în viitor Universal Mobile Telecommunication Service UMTS). În centrul de control, observațiile pentru o anumită locație sunt estimate utilizând modele de corecție în timp real și apoi sunt transmise în format RTCM la stațiile rover. După primirea mesajului, roverul va calcula cu precizie ridicată soluția DGPS, iar poziția acestuia va fi reactualizată. Roverul va retransmite noua poziție la centrul de control.
Serverul rețelei va calcula acum noile corecții astfel încât acestea să pară ca venind de la o stație situată în apropierea roverului. Acesta le retransmite prin telefonul mobil. Soluția DGPS are o precizie de +/- 1 metru, care este suficient de bună pentru a asigura estimarea perturbațiilor atmosferice și ale efemeridelor, modelate pentru întreaga rețea de stații de referință.
2.9.5. Celule virtuale de referință
O altă posibilitate pentru soluțiile DGPS într-o rețea o reprezintă conceptul de celule virtuale de referință (VRC- Virtual Reference Cell). În acest caz, modelele de corecție nu sunt estimate pentru un utilizator specific așa cum se proceda în cazul VRS, ci sunt estimate pentru o anumită suprafață de referință a serviciului DGPS.
Unei celule i se atribuie un receptor rover, astfel nefiind nevoie ca stația virtuală să urmărească mișcările stației rover. Atunci când rover-ul părăsește celula VRC, el este atribuit unei alte celule. Utilizând acest concept, avantajul principal îl reprezintă faptul că nu există limitări ale numărului de utilizatori și nici nu se solicită o conexiune bidirecțională între rover și centrul de control. Precizia de poziționare este mai slabă decât precizia care poate fi atinsă utilizând VRS. De aceea, conceptul VRC este utilizat cu precădere în rețelele WADGPS (Wide Area DGPS).
2.9.6. FKP – Flächen Korrektur Parameter
Comisia SAPOS din a decis să standardizeze pe baza unei descrieri liniare a erorilor, componente denumite și parametrii de corecții pe suprafețe (area network corrections – FKP – Flächen Korrektur Parameter). Astăzi acesta este unul din formatele standard utilizate în .
Formatul FKP utilizează mesajul 59 RTCM 2.3, descriere care vine cu un mesaj special ce include parametrii de corecție liniari pentru a aproxima influența erorilor asupra stațiilor de referință din apropiere. Această metodă de implementare a mesajului broadcast are anumite limite. Metoda constituie o soluție bună pentru roverele din vecinătatea stației, aflate în mișcare. Astfel, dacă roverul se depărtează prea mult de stație, erorile vor crește, iar sistemul va trebui să schimbe stația de referință cu o stație situată în imediata apropiere a poziției roverului. În momentul de față mesajul 59 RTCM SAPOS FKP a fost implementat doar de câțiva producători de receptoare, deoarece acest mesaj nu a fost acceptat încă ca cvasistandard.
2.10. SISTEMUL DE STAȚII PERMANENTE ROMPOS
2.10.1. Introducere
În ultimii patru ani, Agenția Națională de Cadastru și Publicitate Imobiliară (ANCPI) a inclus printre proiectele sale, și proiectul de modernizare a rețelei geodezice naționale. Având în vedere că în prezent realizarea unor servicii moderne de determinare a poziției se bazează pe utilizarea tehnologiilor de poziționare satelitare GNSS (Global Navigation Satellite System), ANCPI prin Direcția de Geodezie și Cartografie, a achiziționat și instalat o serie de astfel de echipamente, constituite într-o rețea geodezică de stații de măsurare permanentă, denumite și stații GNSS permanente (SGP). Aceste stații dispun de antene și receptoare cu posibilitate de recepție a semnalelor GNSS incluzând în principal GPS (SUA), GLONASS (Rusia), iar în viitor se va opta pentru sistemul european de poziționare GALILEO.
Într-o primă etapă 2004-2008, aceste stații au fost utilizate numai pentru introducerea și menținerea sistemului de referință european (ETRS89) și aplicații de determinare a poziției în mod postprocesare. Pe baza Rețelei Naționale de Stații GNSS Permanente (RN-SGP) – Clasa A, s-a realizat un prim nivel de îndesire constituit dintr-un număr de circa 300 borne (Clasa B) și sunt în curs de realizare lucrări pentru rețeaua GNSS de Clasa C având o densitate de circa 1pct /50 km2.
Într-o a doua etapă de dezvoltare a RN-SGP, după septembrie 2008 s-a trecut de la furnizarea de date pentru poziționare în mod postprocesare, la furnizarea de date pentru poziționarea în timp real. Prin integrarea serviciilor de poziționare de tip postprocesare cu cele de poziționare în timp real, ANCPI a realizat Sistemul Românesc de Determinare a Poziției, denumit ROMPOS (Romanian Position Determination System).2
Fig.2.10. – Schița Rețelei Naționale de Stații GNSS Permanente (septembrie 2008)3
Trecerea de la determinarea poziției pe baza GNSS în mod postprocesare la determinarea poziției în timp real necesită realizarea unor sisteme de poziționare complementare la nivel regional, național sau local. Sistemele complementare furnizează utilizatorilor informații suplimentare (“corecții diferențiale”) pentru a putea ajunge la precizii de poziționare în timp real de nivel decimetric sau centimetric. În funcție de nivelul de precizie cerut, se realizează sisteme de determinare a poziției de tip DGNSS (Differential GNSS)-decimetric și RTK (Real Time Kinematic)-centimetric. Un astfel de sistem incluzând aceste servicii este și sistemul ROMPOS realizat de către ANCPI conform standardelor propuse de către un grup de țări central și est-europene, elaborate pentru realizarea la nivelul acestei zone a sistemului integrat de astfel de servicii denumit EUPOS (European Position Determination System). Sistemul ROMPOS a fost lansat în România în luna septembrie a anului 2008 printr-o campanie de informare care a inclus conferințe organizate în București și alte 8 orașe din toate zonele țării. Lansarea serviciilor a avut loc și cu sprijinul producătorilor de echipamente, care au realizat demonstrații de utilizare. În paralel a fost lansat site-ul www.rompos.ro unde se găsesc informații actuale despre ROMPOS, precum și posibilitatea înregistrării gratuite on-line a utilizatorilor de servicii de timp real (RTK, DGPS).
2.10.2. ROMPOS – o revoluție în poziționarea de precizie
2.10.2.a. Caracteristici generale ale sistemului
Sistemul ROMPOS se bazează pe o Rețea Națională de Stații GNSS (GPS+GLONASS) Permanente instalate de către ANCPI. Stațiile de referință funcționează permanent furnizând date în timp real, precum și la intervale de timp prestabilite (1h, 24h).2
Stațiile de referință sunt interconectate între ele, inclusiv peste granițele statelor vecine: în momentul de față ANCPI are oferte de colaborare cu stații similare din Ungaria și ; cu Ungaria s-au testat astfel de schimburi de date în acest an și se va trece la permanentizarea acestora;3
Distanța dintre stații este în prezent de circa 100km urmând a ajunge la circa
70 de kilometri, după instalarea tuturor stațiilor proiectate (peste 70 de stații proprii în
anul 2009);4
Amplasarea stațiilor de referință se face atent pentru a asigura stabilitatea pe termen lung a antenelor GNSS. Amplasamentul și antenele sunt alese astfel încât să asigure un orizont de “vizibilitate” cât mai liber de obstrucții și evitarea unor posibile surse de interferență și efecte de reflexie (“multipath”). Prin utilizarea unor antene corect calibrate, posibilele efecte “multipath” pot fi reduse;
Antenele noi achiziționate de către ANCPI în anul 2008 au fost calibrate cu cele mai bune tehnici disponibile pe plan mondial (calibrare absolută individuală a fiecărei antene).Se utilizează la stațiile de referință numai receptoare și antene cu dublă frecvență de clasă geodezică;2
Stațiile recepționează date în mod continuu de la sateliții NAVSTAR GPS (toate stațiile) și de la sateliții sistemului rusesc GLONASS (36 de stații). Odată ce sistemul GALILEO va intra în funcțiune, stațiile vor utiliza în mod obligatoriu datele de la sateliții acestui sistem și opțional de la sateliții GPS și GLONASS. Coordonatele stațiilor sunt determinate cu o precizie foarte bună (sub 1cm), în sistemul de referință ETRS 89 (European Terrestrial Reference System 1989) prin îndesirea stațiilor GNSS (București, Bacau, Baia Mare, Constanța, Deva) integrate în Rețeaua Europeană de Referință (EUREF);3
Se va implementa un sistem de management a calității în scopul sprijinirii utilizatorilor de a obține rezultatele scontate în concordanță cu cerințe impuse de precizie, integritate, disponibilitate a sistemului. Se va garanta un nivel de disponibilitate și integritate de minim 99%. Funcționările defectuoase, întreruperile și scăderile de calitate sunt identificate în mod automat în timp real.4
Stațiile de referință naționale sunt compatibile cu majoritatea altor sisteme de tip GNSS. Sistemul național va asigura interoperabilitatea cu sistemul european similar EUPOS.
Principalele obiective vizate la realizarea RN-SGP sunt:
realizarea unui sistem de referință spațio-temporal activ prin:
-colectarea continuă de date satelitare
-determinarea continuă a poziției stațiilor satelitare în sisteme de referință continentale și globale
-furnizarea continuă de informații de timp precise
utilizarea observațiilor satelitare pentru determinarea poziției punctelor din Rețeaua Geodezică Națională (RGN)
utilizarea observațiilor satelitare pentru determinare poziției punctelor din alte rețele de sprijin planimetric și altimetric
utilizarea observațiilor satelitare pentru determinarea poziției unor puncte de interes din diverse domenii de aplicații: Topografie, Cadastru, GIS, Cartografie;
utilizarea observațiilor satelitare pentru navigația maritimă, aeriană și terestră;
utilizarea observațiilor satelitare pentru monitorizarea poziției și a vitezei de deplasare a unor obiecte în mișcare (autovehicule, vapoare, avioane, persoane);
utilizarea observațiilor satelitare în cercetarea stiințifică.
Pe lângă observațiile satelitare primare furnizate de RN-SGP, aceste stații permanente furnizează și alte date utile: observțtii meteo (presiune, temperatură, umiditate) cu un grad ridicat de precizie și corecții diferențiale utile în aplicațiile de poziționare în timp real. Datele meteo pot fi valorificate, atât direct de către servicii specializate, dar și indirect prin obținerea unor produse derivate prin integrarea lor cu datele satelitare. Aceste produse derivate obținute vor putea fi valorificate în cadrul elaborării prognozelor meteo, lucru deja realizat în câteva țări europene (M.Britanie, Elveția, Franța, , Cehia).
Determinarea poziției vehiculelor și altor obiecte în mișcare, reprezentarea traiectoriei lor pe o hartă digitală în timp real, la un nivel de precizie decimetric și centimetric vor fi posibile și în noastră cu ajutorul datelor furnizate de RN-SGP.
Deteminarea coordonatelor bornelor și stabilirea limitei frontierei de stat reprezintă o aplicație posibilă a fi realizată mult mai ușor prin utilizarea datelor din RN-SGP, comparativ cu tehnologiile clasice de măsurare.
2.10.2.b. Componentele serviciului ROMPOS
Fig.2.11. – Schema Centrului Național de Servicii ROMPOS
Sistemul Românesc de Determinare a Poziției (ROMPOS) este pus de către ANCPI la dispoziția utilizatorilor prin intermediul Centrului Național de Servicii ROMPOS. CNSR a fost realizat în cadrul Direcției de Geodezie și Cartografie – Serviciul de Geodezie prin înlocuirea Centrului de Monitorizare și Control al RN-SGP. Centrul de Monitorizare și Control al RN-SGP avea rolul de a monitoriza și controla activitatea RN-SGP pentru transferul automat al datelor înregistrate de la stații spre serverul central de date. Datele transferate constau în înregistrări satelitare la diverse rate (1s, 5s, 30s) și ele erau utilizate pentru deteminările de poziție în mod postprocesare (actualul serviciu ROMPOS – GEO).2
Odată cu colaborarea ANCPI în cadrul unui proiect internațional cu alte țări central și est-europene s-au pus bazele unor standarde de produse și servicii realizate în cadrul EUPOS (European Position Determination System). Pe lângă serviciile și produsele postprocesare s-a trecut la implementarea serviciilor și produselor de poziționare pentru aplicații în timp real.3
Standardele adoptate de cele 15 țări participante la proiect au inclus crearea Centrelor Naționale de Servicii EUPOS (www.eupos.org). In fig.2.11 se observă această structură care include:
rețeaua națională de stații GNSS permanente de referință;
centrul de preluare și prelucrare de date;
echipa de specialiști care administrează sistemul. Pe lângă aceștia la fiecare stație există un administrator al acesteia. CNSR primește și sprijinul specialiștilor IT din cadrul ANCPI și al OCPI (Oficii de Cadastru și Publicitate Imobiliară);
pentru modernizare continuă a serviciilor ROMPOS, CNSR colaborează cu specialiști din cadrul altor organizații naționale sau internaționale;
CNSR colaborează în mod direct cu centrele similare din țările EUPOS, în special din țările vecine;
CNSR participă prin reprezentanți la întâlnirile bianuale ale Comitetului de Coordonare EUPOS (Steering Committee) și are drept de vot în această structură de conducere;
în momentul de față serviciile ROMPOS sunt oferite în mod direct de către ANCPI, fără a exista alți furnizori ai acestor servicii, către o gamă largă de utilizatori
2.10.2.c. Serviciile ROMPOS
ROMPOS este un sistem de determinare a poziției bazat pe tehnologiile GNSS și include următoarele tipuri de servicii:
ROMPOS DGNSS – serviciul pentru aplicații cinematice în timp real (precizie de poziționare între 3m și 0.5m)
ROMPOS RTK – serviciul pentru aplicații cinematice precise în timp real (precizie până la 2cm);
ROMPOS GEO (Geodezic) pentru aplicații posprocesare (precizie sub 2cm).
Produsele oferite prin intermediul ROMPOS sunt prezentate în tabelul următor. Pentru serviciile de timp real sunt furnizate corecții diferențiale (RTK/DGPS) la interval de 1s prin intermediul internetului în format standardizat RTCM (Radio Technical Commission for Maritime Services) pe baza protocolului de transfer NTRIP.
Pentru postprocesare, serviciul ROMPOS-GEO oferă înregistrări satelitare la intervale de 1s, 5s, 30s de la sateliții GPS și GLONASS, în format standardizat RINEX. În curând se va furniza de către acest serviciu și date satelitare de tip V(Virtual)-RINEX, în special pentru utilizatorii de echipamente cu o singură frecvență de recepție.2
Tab.1 – Serviciile și produsele ROMPOS3
Prin tarifele practicate, ANCPI a încurajat în ultima perioadă utilizarea serviciilor ROMPOS RTK/DGPS pentru aplicații de poziționare în timp real. Cu un singur receptor GNSS(GPS), utilizatorii serviciilor de timp real pot să-și determine foarte repede (câteva secunde sau minute) poziția și să-și verifice direct în teren precizia de determinare a acestei poziții. Coordonatele sunt determinate relativ la rețeaua națională GNSS (Clasa A), fapt pentru care aceste coordonate sunt obținute direct în sistemul de referință terestru european ETRS89 care conferă o unitate a tuturor determinărilor și integrarea în acest sistem de referință adoptat de Comisia Europeană în anul 2003 și recomandat de EUREF și EuroGeographics (organizație europeană în domeniul cartografiei).4
Pentru transformarea coordonatelor din sistem ETRS89 în plan de proiecție Stereografic 1970 elipsoid Krasovski 1940, ANCPI a realizat un soft de transformare
(TransDat), care va fi implementat la nivel național.
2.10.2.d. Stadiul actual și perspectiva ROMPOS
În prezent Centrul Național de Servicii ROMPOS din cadrul ANCPI își desfășoară activitatea pe baza standardelor preluate de la EUPOS și are în vedere implementarea tuturor cerințelor incluse în aceste standarde.
În anul 2009 se va ajunge la un număr de peste 70 de stații permanente, se vor integra un număr de circa 6 stații din țările vecine, astfel încât se va ajunge la densitatea proiectată de circa 70 km între aceste stații.
Se vor moderniza stațiile mai vechi (6 stații) prin schimbarea antenelor și/sau receptoarelor;
Se vor achiziționa două stații de monitorizare a integrității sistemului (conform fig.2.11);
Se vor testa și implementa module noi ale softului de management al sistemului (verificarea calității datelor, managementul utilizatorilor, generare date în format V-RINEX ș.a.).
2.10.3. Aplicațiile ROMPOS în cadastru
2.10.3.a. Lucrările de cadastru și ROMPOS
În cadrul lucrărilor de cadastru, posibile aplicații ale sistemului ROMPOS dedicat executanților de lucrări care posedă tehnologie GNSS sunt:
realizarea rețelelor de ridicare;
determinarea coordonatelor punctelor care definesc limitele imobilelor;
ridicări de detaliu pentru diverse categorii de lucrări de cadastru de specialitate (forestier, edilitar, al apelor ș.a.);
2.10.3.b. Realizarea rețelelor de ridicare
Rețelele geodezice definite conform Ord.534/2001 sunt clasificate în rețele geodezice de sprijin, de îndesire și de ridicare. Ele sunt realizate conform principiului
ierarhic (și de densitate), de la superior către inferior.
Fig. 2.12. – Scenariu privind rețelele geodezice GNSS din zona de lucru2
A – stații de referință (reale) – Clasa A (70-100 km)
a – stații de referință (virtuale) (sute de m)
B – borne de îndesire – Clasa B (circa 40 km)
C – borne de îndesire – Clasa C (circa 10 km)
R – puncte ale rețelei de ridicare (sute de m … 1km)
1,2,3,4,5,6 – puncte de detaliu (zeci…sute de m)
Pe baza serviciilor ROMPOS, se pot determina coordonatele punctelor rețelelor de ridicare utilizând ROMPOS-GEO – serviciul de poziționare statică postprocesare. Utilizatorii acestui serviciu pot prelua datele colectate de la stațiile GNSS de referință și pot să-și încadreze rețeaua de ridicare în Sistemul de Referință și Coordonate (SRC) ETRS89. Odată cu datele satelitare la intervalul de înregistrare dorit (suficient 5s,10s, 15s, 30s) sunt transmise și coordonatele acestor stații.3
Fișierele de date (observații și date de navigație) pot fi livrate prin internet sau suport magnetic (CD,DVD). Se preconizează posibilitatea descărcării de pe internet a datelor de către utilizatorii abonați și realizarea plății la sfârșitul fiecărei luni. Datele pot fi achiziționate și plătite (Fondul Național Geodezic) și de Cadastru și Publicitate Imobiliară (OCPI).
Solicitarea acestor date se face în baza unui Formular de solicitare date GNSS (disponibil pe site-ul ANCPI și ROMPOS). ANCPI furnizează înregistrări satelitare la interval de minim 1s.
Fig. 2.13. Schița rețelei de stații GNSS permanente incluse în ROMPOS cu
distanțele aproximative între stații (48 stații)2
Rețeaua de ridicare alcătuită din minim două puncte materializate în teren se va staționa cu receptoarele GNSS și se vor colecta în mod static/rapid-static observații cu o durată care depinde în principal de distanța față de stația/stațiile și/sau borna/bornele de referință (având coordonate în SRC ETRS89), de numărul de frecvențe ale receptoarelor, precum și de numărul și configurația geometrică satelitară din momentul efectuării observațiilor. Preciziile (interne) de determinare (3D) a coordonatelor pot atinge ușor valori de sub 5cm specifice acestui tip de rețele.
În fig.2.12 sunt prezentate rețelele GNSS realizate de către ANCPI până în prezent (Clasa A, B și parțial C) și distanțele aproximative ale unui punct din rețeaua de ridicare (R) față de punctele rețelelor de sprijin (Clasa A, B, C).3
Un executant de rețele de ridicare și ridicări de detaliu, posesor de tehnologie GNSS, va trebui conform normelor în vigoare:
să realizeze rețeaua de ridicare prin măsurători statice/rapid statice; va realiza conectarea la rețelele GNSS ierarhic superioare din zonă (Clasă A, B, C). Pentru conectarea la stațiile de referință (reale) va putea apela la ANCPI/OCPI de unde va prelua înregistrările satelitare corespunzătoare. Prin constrângerea acestei rețele pe minum 2 puncte (de clasă superioară) se vor genera poligoane închise (triunghiuri) în care se pot verifica rezultatele primare (prin calculul neînchiderilor);
să realizeze ridicarea de detaliu prin metoda de măsurare statică/rapid-statică sau cinematică; Metoda cinematică se poate realiza prin determinări în mod postprocesare sau în timp real. Pentru măsurătorile cinematice în mod postprocesare se va utiliza cel puțin o stație de referință (a utilizatorului) amplasată în zona de lucru (recomandabil) sau o stație de referință permanentă din RGN-SGP.În cazul măsurătorilor cinematice efectuate în timp real, se pot utiliza:
stații de referință (minim una) amplasate în zona de lucru și comunicații (radio) la (mică) distanță;
stații de referință permanente (reale) din RGN-SGP și comunicații (GPRS) la distanță – serviciul ROMPOS-RTK (varianta cu stații reale);
stații de referință virtuale generate pe baza datelor colectate la stații de referință reale din RGN-SGP – serviciul ROMPOS-RTK VRS (varianta cu stații de referință virtuale);
În mod similar măsurătorilor de ridicare (de detaliu) executate cu tehnologia clasică (electrooptică), Decizia nr.1/2008 a directorului Direcției de Geodezie și Cartografie din ANCPI, precizează (în Anexa 15b) faptul că aceste determinări de detaliu în mod cinematic se vor realiza ținând cont de principiul redundanței (mai multe măsurători decât strict necesar), astfel încât determinarea de poziție în mod RTK va include două determinări de coordonate în fiecare punct de detaliu (similar metodei dublei radieri) prin realizarea a două inițializări ale observațiilor la intervale de timp scurte (secunde, minute).
Modul de lucru stipulat în Anexa 15b din Decizia nr.1/2008 a fost mai întâi testat de către specialiștii ANCPI/DGC și cei ai OCPI București pe baza serviciului ROMPOSRTK(VRS). Pe baza monitorizării posibile a utilizatorilor serviciilor ROMPOS-RTK – varianta VRS, personalul CNSR a constatat că un număr din ce în ce mai mare de utilizatori au deprins această metodă și o utilizează cu succes datorită preciziei mari (2-5cm) obținute în timp scurt, fapt care crește sensibil productivitatea muncii, în special in extravilan unde semnalele satelitare sunt puțin afectate de obstacole .
În cazul lucrărilor recepționate de către ANCPI, executanții acestui tip de lucrări vor preda elementele precizate în Anexa 15a și 15b a Ord.634/2006 și a Deciziei nr.1/2008, inclusiv fișierele de măsurători colectate în teren.2
Punctele rețelei de ridicare vor avea o descriere și un set de coordonate în SRC ETRS89 și în SRC național (Stereo70). La nivelul OCPI se vor realiza baze de date care să includă aceste elemente. În acest mod punctele rețelelor de ridicare vor putea fi utilizate și în viitor pentru lucrări din zone adiacente sau pentru eventuale verificări sau expertize, posibil chiar cu instrumente de măsurare clasice (optice).3
Aria aplicațiilor serviciilor ROMPOS în cadastru poate include și în țara noastră, ca și în alte țări, posibilitatea deteminării unor trasee la zi sau subterane (în combinație cu sisteme de detecție de tip sonar) ale diferitelor tipuri de rețele edilitare (conducte de apă, gaz, rețele de telefonie și electricitate etc.), delimitarea perimetrelor unor zone de interes (intravilan/extravilan, unități administrativ-teritoriale ș.a.)4
2.10.3.c. Avantajele utilizării ROMPOS în cadastru
Serviciile furnizate de ANCPI prin intermediul sistemului ROMPOS, prezintă o serie de avantaje în aplicațiile din domeniul cadastrului, comparativ cu tehnicile de măsurare clasice:
lipsa necesității vizibilității între punctele de determinat;
scurtarea timpului de măsurare prin utilizarea serviciilor de timp real (RTK);
determinări omogene prin racordarea la sistemul de referință european ETRS89 și transcalcul unitar în plan de proiecție;
necesitatea utilizării unei tehnologii moderne, practic independente de condițiile meteo;
creșterea productivității și reducerea costurilor (după o investiție inițială mai mare în tehnologie GNSS);
disponibilitatea serviciilor (24 de ore la cele de timp real).
2.10.4. Alte domenii de aplicabilitate a serviciilor ROMPOS
Pe lângă aplicațiile geodezice, cadastrale și fotogrammetrice , serviciile oferite de sistemul Rompos se pot utiliza și în următoarele domenii :
Agricultură : controlul utilajelor cu precizie centrimetrică indiferent de condițiile meteorologice (ceață,ploaie,întuneric,etc.), reducerea poluării solului și îmbunătățirea productivității.
În construcții civile : ex. Realizarea și reabilitarea drumurilor : controlul utilajelor cu precizie centrimetrică , reducerea costurilor prin folosirea optimă a materialelor de construcții.
Protecția Mediului
Navigația Rutieră , Aeriană și Marină.
Etc.
3. BAZA MATEMATICĂ A STUDIULUI DE CAZ
3.1. SISTEME DE COORDONATE UTILIZATE ÎN TEHNOLOGIA GPS
Tehnolgia GPS este de obicei asociată cu sistemul de coordonate WGS 84. Acest sistem este un sistem tridimensional elipsoidal și are ca bază elipsoidul WGS 84.
Receptoarele GPS colectează informații de la satelit. În urma prelucrării semnalului primit de la sateliți coordonatele rezultă pe elipsoidul WGS 84. În țara noastră, se utilizează sistemul de coordonate Stereografic 1970. Acest sistem are ca elipsoid de bază, elipsodul Krasovski. Primul pas spre ajungerea la sistemul de coorodonate Stereografic 1970 constă în trecerea coordonatelor de pe elipsoidul WGS 84 pe elipsoidul Krasovski. În cazul sistemelor locale, trecerea se face de obicei prin sistemul Stereografic 1970 pe baza unor puncte comune.
Sistemele de coordonate utilizate în tehnologia GPS sunt :
Sisteme de coorodonate naturale
Sisteme de coordonate convenționale
Sisteme de coorodonate plane
3.1.1. Sisteme de coorodonate naturale
Termenul natural definește suprafața de referință a sistemului de coorodonate, în cazul nostru Geoidul. De asemenea, mărimile care definesc sistemul sau coordonatele sunt referite tot în funcție de elemente naturale (latitudine și longitudine astronomică). Acest sistem de coordonate nu este folosit în calculele geodezice deoarece suprafața de referință, geoidul, este greu calculabilă. Din acest motiv, în mod frecvent se utilizează ca suprafață de referință elipsoidul de rotație sau sfera de rază medie Gauss.
3.1.1.a. Sistemul de coordonate cartezian geocentric
Sistemul de coordonate cartezian geocentric are ca suprafață de referință geoidul. Este sistemul de coorodonate fundamental al geodeziei. Este un sistem de coordonate tridimensional rectangular cu originea în centrul de masă al Pământului. Poziția unui punct oarecare P de pe suprafața Pământului este definită atât în sistem tridimensional cât și în coordonate astronomice.
Cele trei axe rectangulare sunt:
Axa Z este axa polilor;
Axa X este în planul ecuatorului și intersectează meridianul 0O;
Axa Y este perpendiculară pe celelalte două, situată în planul ecuatorului, cu sensul pozitiv spre est.
Figura 3.1. – Sistemul de coordonate natural
Coordonatele astronomice sunt:
latitudinea astronomică, notată ;
longitudinea astronomică, notată .
Pentru a defini poziția punctului nu pe geoid ci pe suprafața terenului, acestor două coorodonate li se adaugă altitudinea ortometrică, notată HOR.
Latitudinea astronomică, , a punctului S este unghiul format de verticala punctului S cu planul ecuatorial al geoidului. Longitudinea astronomică, , este unghiul diedru format de meridianul astronomic al punctului Greenwich cu meridianul punctului S. Altitudinea ortometrică, HOR, este diferența pe verticală, măsurată pe verticala locului, dintre punctul S de pe suprafața terenului și punctul în care verticala punctului S înțeapă geoidul. Fizic, verticala unui punct oarecare S este dată de firul cu plumb. Toate observațiile geodezice sunt referite la verticala locului, care trebuie să coincidă cu axa verticală a oricărui aparat geodezic (stație totală, receptor GPS, nivelă) amplasat în punctul respectiv.
3.1.2. Sisteme de coordonate convenționale
În practica geodezică, geoidul este înlocuit cu un elipsoid de rotație. La alegerea unui elipsoid de rotație, este necesar ca elipsoidul ales să fie foarte apropiat de geoid în zona de interes. În prezent se utilizează elipsoidul WGS84 care aproximează cel mai bine geoidul și este utilizat de toate țările care efectuează determinări GPS.
3.1.2.a. Parametri geometrici de bază al unui elipsoid de rotație
Elipsoidul de referință ,pentru rezvolvarea problemelor geodezice, este un elipsoid de rotație cu turtire mică la poli.
Ecuația generală a unui elipsoid de rotație, exprimată sub formă implicită:
(3.1)
este puțin folosită în geodezia elipsoidală.
Parametri geometrici prin care se poate defini, geometric, un elipsoid de rotație sunt:
Fig. 3.2. Parametrii geometrici a elipsoidului de rotație
– semiaxa mică; (3.2)
– turtirea (geometrică); (3.3)
– excentricitatea liniară; (3.4)
– prima excentricitate (numerică); (3.5)
– a doua excentricitate (numerică); (3.6)
– raza de curbură polară. (3.7)
Primii trei parametri se mai numesc și parametri geometrici principali.
Definirea elipsoidului de rotație se face prin doi parametri geometrici (din cei menționați), dintre care unul trebuie să fie liniar.
În tabelul 3.1 se prezintă valorile numerice ale parametrilor a și f pentru elipsoizii de referință care au fost utilizați în decursul anilor în țara noastră, precum și pentru elipsoidul recomandat de AIG în anul 1980.
Tabel 3.1. – Elipsoizi de referință folosiți în România
Parametri elipsoidului Krasovski 1940 :
3.1.2.b. Sistemul Geodezic Mondial 1984 (WGS84 – World Geodetic System)
Fig. 3.3. – Elipsoid WGS84
Sistemul terestru de referință utilizat de Departamentul de Apărare al U.S. (DoD – Departament of Defense) pentru poziționarea GPS este WGS84. Acest sistem global geocentric este al patrulea în seria de sisteme de coordonate geocentrice definite de DoD din 1960. Sistemul Geodezic Mondial fost succedat de sisteme îmbunătățite în 1966 și 1972, culminând cu WGS84, cincisprezece ani mai târziu.
Acest Sistem Convențional Terestru de Referință furnizează un set de modele globale coerente și este bază pentru toate planurile și hărțile produse de DoD, pentru navigație și geodezie. În ultima decadă, datorită eforturilor depuse de comunitatea științifică și ținând cont de cerințele de precizie de milimetru, s-au obținut rezultate bune în precizia cadrului terestru de referință (ITRF).
3.1.2.c. Sistemul de Referință Terestru European 1989 ( ETRS89 )
Pentru aplicațiile la nivel continental, EUREF a definit ETRS89 (European Terrestrial Reference System 1989 – Sistemul de Referință Terestru European) ca fiind ITRS considerat la momentul 1989.0, transpus în practică printr-un set de puncte de referință cu coordonatele cunoscute și acceptate la momentul respectiv. S-a introdus de asemenea ipoteza că toate punctele dispuse pe placa tectonică euroasiatică nu admit viteze de deplasare relative (se mișcă solidar cu această placă tectonică).
ETRS89 a fost transpus în practică după 1990 prin campanii de măsurători și determinare a coordonatelor în puncte materializate în teren din fiecare . Odată cu dezvoltarea tehnologiilor GNSS, ETRS89 este menținut prin intermediul EUREF – EPN (EUREF Permanent Network), care constă într-un număr de peste 200 de stații GNSS permanente, care măsoară în mod continuu utilizând sateliții GPS (SUA) și GLONASS (Rusia), iar apoi pe baza datelor colectate se determină coordonatele acestor puncte. Pe de altă parte EUREF-EPN constituie contribuția europeană la îndesirea rețelei de referință globale menținute de IGS (IGS – International GNSS Service – Serviciul Internațional GNSS) și contribuie la realizarea ITRS.
Datorită deplasării plăcilor tectonice, coordonatele stațiilor subsetului European se modifică în timp cu circa 2.5 centimetri pe an (după alți autori 2.7 centimetri pe an). Totuși, s-a convenit că ETRS89 s-ar roti cu toată partea stabilă a Europei, astfel că relația stație-stație (diferența relativă) se păstrează fixă. Desigur, pornind de la această ipoteză, o definire a coordonatelor stațiilor în alt sistem de referință se poate schimba ușor în timp. Parametri de transformare din ITRF în ITRF89, respectiv ETRF89 sunt liniari. În consecință, parametri de transformare dintre ETRF și WGS84 vor varia ușor și vor trebui actualizați la circa 10 ani ca interval de timp, ținând cont de deplasarea plăcii Europene care nu mai poate fi neglijată.
Din cercetările efectuate, la început, ITRF89, respectiv ETRF89, față de WGS84 aveau o diferență de 1-2 centimetri. În prezent, diferența este de câțiva centimetri. Elipsoidul de referință pentru EUREF este elipsoidul GRS 80, care nu diferă mult față de elipsoidul WGS84.
3.1.3. Sisteme de coorodonate plane
3.1.3.a. Sistemul de coordonate Stereografic 1970
Proiecția stereografică 1970 este proiecția oficială folosită în prezent în România.
Definiție și caracteristici principale. Proiecția asimutală perspectivă plan secant are polul proiecției în punctul Qo de coordonate :
Bo = 46°
Lo = 25°
est Greenwich.
Proiecția a fost adoptată începând cu luna septembrie 1971 când a fost emis decretul nr. 305 „cu privire la activitatea geodezică, topo-fotogrammetrică și cartografică“. A fost preluat, ca suprafață de referință, elipsoidul Krasovski.
Avantajul aceste proiecții este reprezentarea întregii țări pe un singur plan. Cercul de deformație nulă are raza de 201.718 m și reprezintă intersecția planului secant cu elipsoidul de rolație.
Originea sistemului de axe de coordonate rectangulare este în punctul Qo, axa x fiind îndreptată către nord, iar axa y către est.
Fig. 3.4. – Harta deformațiilor liniare
Formulele de transformare a coordonatelor B, L în x, y și respectiv x, y în B, L se bazează pe formule cu coeficienți constanți.
3.2. TRANSFORMĂRI DE COORDONATE
3.2.1. Introducere
Cadrul de referință al GPS este Sistemul Geodezic Mondial 1984 (WGS-84), coordonatele stațiilor terestre sunt obținute în acest sistem. Totuși, utilizatorul nu este de obicei interesat în calculul coordonatelor punctelor într-un sistem global. Rezultatele sunt preferate într-un sistem local de coordonate cum ar fi: coordonate geodezice (elipsoidale) sau coordonate plane.
Întrucât WGS-84 este un sistem geocentric, sunt necesare transformări pentru a-l aduce într-un sistem local.
3.2.2. Transformarea coordonatelor elipsoidale în coordonate carteziene
Se definesc coordonate carteziene (rectangulare) X,Y,Z ale unui punct în spațiu și considerând un elipsoid de revoluție cu aceeași origine ca a sistemului de coordonate carteziene, punctul poate fi definit și prin coordonate elipsoidale B, L, h. Între coordonatele carteziene și elipsoidale există următoarele relații:
(3.8.)
în care N este raza de curbură a primului vertical
(3.9.)
iar a și b sunt semiaxele elipsoidului de referință.
Formulele (3.8) transformă coordonatele elipsoidale B, L, h în coordonate carteziene X,Y,Z.
3.2.3. Transformarea coordonatelor carteziene în coordonate elipsoidale
Pentru aplicațiile GPS este mai importantă transformarea inversă deoarece se dau coordonatele carteziene iar cele elipsoidale se deduc.În mod frecvent problema este rezolvată iterativ.
Din X și Y poate fi calculată raza paralelului
(3.10.)
Această ecuație se mai poate scrie ca:
(3.11.)
astfel încât să apară explicit înălțimea elipsoidală.
Introducând :
(3.12.a)
prima excentricitate numerică, pe care o mai putem scrie:
(3.12.b)
și substituind-o în ecuația lui Z din (3.9.), rezultă:
(3.13.)
Ecuația (3.13.) se mai poate scrie ca:
(3.14.)
împărțind această expresie cu (3.10.) rezultă:
(3.15.)
sau
(3.16.)
Pentru longitudinea L ecuația:
(3.17.)
este obținută din (7.1) prin împărțirea primelor două ecuații.
Longitudinea poate fi calculată direct din (3.17.). Altitudinea h și latitudinea B sunt determinate din (3.11.) și (3.16.). Problema cu (3.11.) este că depinde de latitudinea încă necunoscută. Ecuația (3.16.) este nerezolvabilă deoarece latitudinea de calculat este conținută implicit în partea dreaptă în N. Se poate găsi o soluție iterativă de calcul bazată pe aceste 3 ecuații folosind următorii pași:
1. se calculează
(3.18.)
2. se calculează o valoare aproximativă :
(3.19.)
3. calculul unei valori aproximative pentru :
(3.20.)
4. calculul altitudinii elipsoidale:
(3.21.)
5. calculul valorii îmbunătățite a latitudinii:
(3.22.)
6. verificarea pentru un alt pas al iterației: dacă atunci se trece la pasul următor, dacă nu se înlocuiește și continuă cu pasul 3.
7. calculul longitudinii L din:
(3.23.)
Formulele folosite pentru transformarea lui X, Y, Z în B, L, h sunt:
(3.24.)
în care
(3.25.)
este o cantitate auxiliară, iar
(3.26.)
este a doua excentricitate numerică. În prezent nu există motive pentru care aceste formule să fie mai puțin folosite decât procedeul iterativ. Ambele metode sunt la fel de bune și pot fi ușor programate.
3.2.4. Transformarea coordonatelor geodezice în coordonate rectangulare
(3.27.)
(3.28.)
Într-o prima etapă se calculează coordonatele x` și y` în plan tangent la elipsoid:
(3.29.)
Valorile coeficienților constanți sunt:
În următoarea etapă se determină coordonatele în planul secant:
(3.30.)
în care: c = 0,999750000.
Pentru determinarea coordonatelor finale față de originea Q0, se adaugă valorile 500.000 pe x și pe y.
3.2.5. Transformarea coordonatelor rectangulare în coordonate geodezice
Și pentru această transformare sunt necesare următoarele calcule pregătitoare:
Trecerea coordonatelor plane rectangulare x, y din planul secant în planul tangent;
(3.31.)
în care: c/ = 1,000250063.
Pentru omogenizarea ecuațiilor coordonatele rectangulare x` și y` se multiplică în prealabil cu factorul 10-5.
Transformarea coordonatelor rectangulare x, y din plan tangent în coordonate geodezice B, L se realizează cu relațiile:
(3.32.)
3.2.6. Transformări altimetrice
În secțiunile anterioare un punct B, L pe elipsoid a fost transpus în plan. În această secțiune problema cea mai importantă este altitudinea.
Formula
h = H + N (3.33.)
în care:
h = altitudinea elipsoidală,
H = altitudine ortometrică,
N = ondulația geoidului, este relația dintre elipsoid și geoid.
După cum se vede în fig. 3.5., această formulă este aproximativă, dar suficient de precisă pentru scopurile propuse. Unghiul exprimă diferența dintre verticala dată de firul cu plumb și normala la elipsoid. Acest unghi nu trebuie să depășească 30'' de arc în cele mai multe zone.
Fig. 3.5 – Definirea înălțimilor2
Prin poziționare cu GPS rezultă coordonate X,Y,Z. După aplicarea transformărilor (3.24.) altitudinile elipsoidale devin utilizabile. Dacă este dat unul din cei doi termeni din relația (3.33.) atunci celălalt trebuie calculat. Astfel, dacă geoidul este cunoscut altitudinile ortometrice pot fi derivate. Pe de altă parte, dacă se cunosc altitudinile ortometrice atunci altitudinile elipsoidale pot fi derivate.
3.2.7. Transformări analogice
Transformările de coordonate din secțiunile precedente transformă un tip de coordonate în alt tip de coordonate pentru același punct. Coordonatele carteziene X, Y, Z au fost transformate în coordonate elipsoidale B, L, h și coordonatele bidimensionale elipsoidale B, L au fost transformate în coordonate plane x, y. În final, altitudinea elipsoidală este transformată fie în altitudine ortometrică fie în ondulație a geoidului. O transformare analogică transformă un sistem de coordonate de un anumit tip într-un alt sistem de coordonate de același tip (sisteme tridimensionale, bidimensionale și unidimensionale), transformările analogice fiind distincte.
3.2.7.a. Transformări tridimensionale
Considerăm două sisteme de coordonate carteziene tridimensionale formând vectorii X și XT (fig.3.6).
Fig. 3.6 – Transformări analogice tridimensionale (3D)2
Transformarea dintre cele două sisteme poate fi formulată prin relația
(3.34.)
care este denumită transformare Helmert. Termenul µ este factorul de scară,
c este vectorul translație:
(3.35.)
și R este matricea de rotație care este compusă din 3 rotații succesive:
(3.36.)
și este dată de :
(3.37.a)
după substituirea matricelor de rotație singulare.
(3.37.b)
Înainte de a continua, vor fi discutați pe scurt cei 7 parametrii Helmert ai transformării analogice:
componentele vectorului de translație c considerate coordonatele originii sistemului X în sistemul XT;
factorul de scară µ; pentru anumite cazuri se utilizează (dar nu este necesar pentru GPS) trei factori de scară, câte unul pentru fiecare axă;
matricea de rotație R este o matrice ortogonală cu cei trei paramatrii ca necunoscute.
În cazul cunoașterii parametrilor c, µ, R, un punct din sistemul X poate fi transformat într-un sistem XT prin relația (3.34.). Dacă parametrii de transformare nu sunt cunoscuți, ei pot fi determinați cu ajutorul unor puncte comune, adică coordonatele aceluiași punct sunt date în ambele sisteme. Deoarece fiecare punct comun (dat de X și XT) dă trei ecuații, sunt suficiente două puncte comune și un component comun adițional (de ex. altitudinea) pentru a rezolva cei 7 parametrii necunoscuți. În practică se folosesc mai multe puncte comune și atunci parametrii necunoscuți sunt calculați prin metoda celor mai mici pătrate.
Dacă în ecuația (3.34.) parametrii sunt nelineari, atunci ea trebuie linearizată. Notând valorile provizorii în paranteză:
(c), (µ) și (R) (3.38.)
valorile compensate sunt obținute prin:
(3.39.)
Diferența de scară dµ, creșterile vectorului de translație
(3.40.)
și elementele matricii diferențiale de rotație dR
(3.41.)
devin acum noile necunoscute. Matricea diferențială de rotație este obținută prin introducerea cantităților mici di în ecuația (3.37.), considerând :
cosdi1 și sindI di
și neglijând termenii de ordinul II.
Modelul linearizat pentru un singur punct i este formulat ca:
(3.42.)
în care:
(3.43.)
care poate fi calculată din parametrii de transformare provizorie și dau coordonatele Xi.
Matricea Ai și vectorul parametrilor dp sunt:
(3.44.)
Componentele (ΔXi), (ΔYi), ΔZi) ale matricii Ai sunt date de:
(3.45.)
în care componentele vectorului sunt obținute din rel.(3.43.).
Ecuația (3.42.) în combinație cu (3.43.) și (3.44.) este acum un sistem de ecuații pentru punctul i. Pentru n puncte comune matricea A este:
(3.46.)
Pentru trei puncte comune matricea este:
(3.47.)
care conduce la o ușurare a determinării sistemului. Compensarea ecuațiilor normale prin producerea parametrului vectorului dp și corectarea valorilor prin (3.47.).
Odată ce cei 7 parametrii Helmert ai transformării prin asemănare sunt determinați, formula (3.42.) poate fi utilizată la transformarea altor puncte. De exemplu, coordonatele WGS-84 ale unui punct obținut prin observații GPS pot fi transformate într-un sistem local național nongeocentric.
3.2.8. Combinarea datelor GPS cu măsurătorile terestre
Primul pas pentru combinarea datelor GPS cu date terestre este transformarea coordonatelor geocentrice WGS84 în coordonate terestre. Sistemul terestru folosește elipsoizi locali cum ar fi: elipsoidul Clarke, eliposoidul GRS-80 (SUA), elipsoidul Bessel (Europa de Vest), elipsoidul Krasovski (Europa de Est).
Elipsoidul local este legat la un sistem de coordonate cartezian nongeocentric a cărui origine coincide cu centrul elipsoidului.
Observațiile GPS au coordonatele . Coordonatele plane locale pot fi transformate cu ajutorul formulelor cu coeficienți constanți în coordonate elipsoidale . Dacă sunt cunoscute altitudinile ortometrice și ondulațiile geoidului, atunci pot fi calculate altitudinile elipsoidale, obținând tripleta de coordonate (B, L, h). Aceste coordonate pot fi transformate în coordonate carteziene .
Algoritmul pentru combinarea coordonatelor cu în spațiul tridimensional :
1. Transformarea prin formulele cu coeficienți constanți, în .
2. Pentru a completa coordonata punctului trebuie cunoscute altitudinile elipsoidale.
3. Transformarea în
4. Coordonatele punctelor comune referite la WGS-84 ºi referite la sistemul local sunt folosite la determinarea celor 7 parametrii ai transformării Helmert
5. Coordonatele (referite la WGS84) pentru alte puncte decât cele comune pot fi transfomate în referite la un sistem local folosind parametrii de transformare calculați în pasul anterior.
6. Toate coordonatele pot fi transformate în referite la un sistem local
7. Omițând altitudinile, punctele de pe suprafața elipsoidului sunt proiectate pe un plan rezultând într-un sistem local plan.
4. METODE DE MĂSURARE
Măsurătorile sunt categorizate în două grupuri principale : măsurători statice , măsurători cinematice.
În cazul măsurătorilor statice receptorul rămâne fix , nemișcat pe punctul care se va determina pe tot parcursul măsurătorilor.
La măsurătorile cinematice receptorul sau receptorii sunt în mișcare pe tot parcursul măsurătorilor. Faptul că semnalele GPS pot fi recepționate și în timpul mișcării acesta deschide o gamă largă de aplicabilitate a acestei metode. Trebuie să menționăm că sensibilitatea măsurătorilor cinematice la pierderea semnalului este mult mai mare ca la măsurătorile statice.
Scopul metodei statice absolute : determinarea poziției receptorului nemișcat în sistemul de coordonate WGS 84 (point positioning). Tipul măsurătorilor este : măsurători de cod. În cadrul geodeziei această metodă este utilizată, când în zona de lucru nu sunt puncte cu coordonate cunoscute, care ar putea fi folosite ca puncte de referință. În acest caz compensăm o măsurătoare de lungă durată penru a obține rezultatele dorite. Eroarea orizontală a poziționării absolute depinde de sistemul satelitar utilizat.
Scopul metodei cinematice absolute : determinarea poziției receptorului amplasat pe un mobil în mișcare. Sistemele de poziționare globală inițial au fost concepute din punct de vedere a satisfacerii acestui scop (navigația, localizarea unităților militare ). Din punct de vedere a utilizării civile această metodă este importantă în navigația rutieră, aeriană și navală. Precizia metodei se poate înbunătații prin corectarea măsurătorilor de cod.
Scopul metodei statice relative : determinarea componenților vectorului sau vectorilor spațiali a două sau a mai multor receptoare. Are cea mai mare importanță din punct de vedere al determinărilor geodezice, mai ales în cazul măsurătorilor de fază, fiindcă astfel se poate determina poziția punctelor cu cea mai mare precizie, la bazele mai scurte precizia este sub 1 cm. Folosind datele orbitei "precise" precizia crește ajungând până la 0,01 ppm.
Această metodă se poate utiliza la îndesirea punctelor de sprijin, la ridicări clasice, în geodezia industrială, în fotogrammetrie.
Scopul metodei cinematice relative : determinarea poziției receptorului în mișcare față de un alt receptor fix ,amplasat pe un punct cu coordonate cunoscute. Precizia metodei depinde de metoda de măsurare utilizată ( cod sau fază ). Cu măsurători de cod putem obține o precizie metrică, submetrică , iar cu măsurători de fază precizia este centimetrică.
4.1. CLASIFICAREA MĂSURĂTORILOR STATICE
În funcție de aplicație și necesitatea preciziei, în practică, putem deosebi trei tipuri de metode statice.
Tabel 4.1. – Măsurătorile statice
4.1.1. Metoda statică relativă
Metoda statică se aplică în cazul în care dorim să măsurăm baze mai lungi de ( posibil și sute de km ). Perioada de măsurare, din cauza necesității de precizie, este lungă ( mai multe ore sau chiar și zile ). Timpul de măsurare depinde de precizia cerută și de lungimea bazei. Acestă metodă se utilizează în cazul în care dorim o precizie de sub .
4.1.2. Metoda statică rapidă
Metoda statică rapidă se aplică în cazul în care dorim să măsurăm baze cu lungimi de 10 – , cu condiția să se observe mai mult de 4 ( de recomandat 6 – 7 ) sateliți, cu un GDOP mai mic de 4. Perioada de măsurare depinde de precizia cerută, de lungimea bazei și de echipamentul utilizat. În practică, dacă lucrăm cu un receptor cu o frecvență timpul de măsurare nu trebuie să fie mai mică de 20 de minute, dacă utilizăm receptoare cu dublă frecvență timpul de măsurare nu trebuie să fie mai mică de 10 minute.
Avantajul acestei metode este timpul relativ scurt de inițiere și măsurare.
4.1.3. Metoda reocupării (metoda pseudocinematică)
Această metodă, defapt, este o metodă statică rapidă, repetată. Diferențele fiind :
Este acceptat și un GDOP mai slab, numărul sateliților, în unele perioade, pot ajunge și la 3.
Perioada de măsurare poate să fie mai scurtă ( 5 minute )
Măsurătorile punctelor noi, trebuiec repetate după cel puțin o oră
Având în vedere faptul că punctele se măsoară de două ori (după cel puțin o oră ), constelația sateliților se schimbă, asigurând o precizie bună a determinării poziției punctelor, respectiv în condiții nefavorabile, putem obține precizie similare metodei statice rapide.
Dezavantajul acestei metode :
Punctele noi se măsoara de două ori , ceea ce necesită mult timp
Metoda este utilă numai în cazul în care punctele noi se pot accesa ușor și rapid
4.2. CLASIFICAREA MĂSURĂTORILOR CINEMATICE
În practică , folosim trei tipuri de metode cinematice :
Tabel 4.2. – Măsurători cinematice
4.2.1. Metoda Stop and Go
La această metodă , folosim două sau mai multe receptoare. Un receptor se amplasează pe un punct cu coordonate cunoscute , acesta rămâne fix , cu receptorul sau receptoarele rover ( mobile ) se execută ridicarea punctelor noi. Este important ca pe tot parcursul deplasării rover-ul să recepționeze semnale de la cel puțin 4 sateliți, în cazul pierderii semnalului, trebuie să ne întoarcem la punctul măsurat anterior sau trebuie inițializat din nou. Avantajul acestei metode este viteza de măsurare . Precizia metodei este de 1- + 1mm/km.
4.2.2. Metoda True Kinematic ( Cinematică reală )
Această metodă este similară cu metoda Stop and Go, cu diferența că la metoda anterioară ne-a interesat doar poziția punctului la care ne-am oprit cu roverul în acest caz suntem interesați de traseul parcurs de roverul în mișcare.
Înregistrarea datelor este continuă și automată, perioada de înregistrare ( 1, 2, 3, 5, 10 secunde) fiind predefinită la începerea măsurătorilor.
4.2.3. Metoda diferențială GPS (DGPS)
Precizia măsurătorilor de cod se poate îmbunătății substanțial cu această metodă. Dacă efectuăm măsurători în funcție de aceleași sateliți cu două sau mai multe satații și distanța dintre aceste stații este relativ mică, erorile sistematice, care ar afecta diferențele de coordonate dintre aceste stații, se pot elimina.
Se pot elimina următoarele erori sistematice :
de ceas
de orbită
refracția troposferică
refracția ionosferică
Metoda se poate folosi atât pentru măsurătorile statice cât și pentru măsurătorile cinematice.
Fig. 4.1.
În punctele A și B executăm măsurători simultane. Punctul A este stația de referință (cu coordonate cunoscute), iar punctul B este stația în mișcare (rover). Pentru a determina coordonatele punctului B putem aplica diferite metode.
1. Determinarea coordonatelor punctelor A și B se realizează cu două receptoare de aceeași tip (măsurătorile se execută simultan). Datorită erorilor accidentale și sistematice, coordonatele determinate de stația de referință diferă de coordonatele inițiale, cunoscute. Coordonatele determinate în punctul B se corectează cu această diferență. Aplicând această corecție, se elimină erorile sistematice .
2. Obținem rezultate mai precise prin aplicarea corecțiilor de distanță obținute de la stația de referință A . Avantajul acestei metode este : putem utiliza receptoare și software de diferite tipuri .
Practic cu o singură stație de referință (bază) putem acoperi o zonă de câteva sute de kilometri. Trebuie să menționăm că prin corecția distanțelor, cu cât ne îndepărtăm de stația de referință cu atât eroarea devine mai mare, pe de altă parte utilizând doar o singură stație de referință, nu avem posibilitate de control.
Fig. 4.2.
4.2.4. Metoda cinematică în timp real (RTK)
Receptorul amplasat pe punctul de referință (base), are rol de transmitere a
măsurătorilor de cod și fază (fără prelucrarea acestuia), către stațiile rover . Stațiile rover prelucrează datele obținute de la stația sau stațiile de referință, determină diferențele de coordonate (bază-rover), și coordonatele WGS84, pe care ulterior le putem transforma în coordonate locale, cunoscând parametri de transformare dintre cele două sisteme. Pentru o utilizare optimă a acestei metode în timpul măsurătorilor avem nevoie de cel puțin 5 sateliți cu o configurație bună a acestora. Technica de inițiere este metoda on-the-fly. Datorită dezvoltării rapide acestei metode distanța dintre stația de referință și rover poate să ajungă la 30-. Determinarea punctelor de detaliu cu tehnologia GPS în zilele noastre,(în mare parte) se realizează aplicând această metodă .
4.3. POSIBILITĂȚI PENTRU TRANSMITEREA DATELOR
Pentru poziționare diferențială în timp real indiferent de metodă avem nevoie de posibilitatea transmiterii datelor între stația de referință și receptorul în mișcare. Cele mai importante posibilități de transmitere a datelor și corecțiilor sunt :
Prin unde radio :
FM Radio, sistem RDS (Radio Data System)
sistem AMDS (Amplitude Modulated Data System)
Radiobeacon, 300 kHz
Sateliți geostaționari (OmniStar,LandStar,Inmarsat)
Telefonie mobilă
Internet prin GPRS
5. RECEPTOARE GPS
Receptoarele GPS reprezintă practic principala componentă a celui de al treilea segment al Sistemului Global de Poziționare, respectiv Segmentul Utilizator. Utilizatorii echpamentelor GPS care recepționează semnalele transmise de sateliții din „constelația” GPS pot fi împărțiți, după domeniul de activitate, în două mari categorii: militari și civili. Domeniul militar reprezintă de fapt pricipalul scop pentru care a fost creiat NAVSTAR GPS. Senzori GPS sunt integrați în fiecare echipament militar: avioane, elicoptere, nave, blindate, iar fiecare infanterist comandant de grupă este dotat cu un navigator. Începând din anul 1985 GPS poate fi utilizat și de către civili și, rând pe rând, majoritatea îmbunătățirilor aduse receptoarelor militare au devenit accesibile și au fost aplicate și pentru receptoarele utilizate în domeniul civil.
5.1. CLASIFICAREA RECEPTOARELOR GPS ÎN FUNCȚIE DE PRECIZIA ASIGURATĂ
5.1.1. Receptoare pentru navigare
Denumite generic GPS-uri de mână (handheld GPS) aceste receptoare lucreză numai cu codul C/A modulat pe L1. Recepționarea semnalelor se face pe 8–12 canale. Precizia lor este de 15m . Majoritatea modelelor mai noi au și posibilitatea recepționării corecțiilor DGPS de la stații terestre sau de la sateliții din rețelele WAAS sau EGNOS. În acest caz se observă o creștere semnificativă a preciziei 1-3m.
Pe lângă funcția clasică de navigare aceste receptoare mai prezintă o serie întreagă de facilități cum sunt:
memorarea coordonatelor și atributelor pentru un număr limitat de puncte
înregistrarea traseelor navigate (coordonate, altitudine, azimute, viteză, timp)
busolă electronică, altimetru, calculator astronomic, dirijarea pilotului automat
etc.
Alimentarea se face fie cu acumulatori fie de la surse externe. Antena poate fi încorporată sau externă detașabilă. Transferul de date în și din memoria internă a navigatorului se face prin intermediul unui port de comunicații.
Există echipamente dedicate utilizării pentru autovehicole (automotive GPS) sau pentu ambarcațiuni (marine GPS).
Fig. 5.1. – Receptoare pentru navigare
5.1.2. Receptoare profesionale topografice – L1 cod și fază
Aceste receptoare procesează codurile C/A și P și fac de asemenea măsurători de fază pe L1. Precizia lor se încadrează între 5m (autonom), 25cm (timp real-diferențial) și 1cm+2ppm (postprocesare diferențială). Receptoarele au între 12 și 20 de canale, unele dintre ele având posibilitatea de a recepționa și procesa și semnalele de la sateliții GLONASS. Pot lucra și în timp real, cu corecții diferențiale recepționate prin modem sau telefon GSM. Constructiv, receptoarele pot fi compacte, antena, receptorul, tastatura, ecranul și bateriile încorporate în aceeași carcasă, sau componentele pot fi separate și conectate între ele prin cabluri sau porturi cu infraroșu sau Bluetooth.
Fig. 5.2. – Receptoare profesionale topografice
5.1.3. Receptoare Geodezice – L1, L2 cod și fază
Receptoarele din această categorie utilizează codurile C/A și P (respectiv Y atât timp cât AS este activ) și fac măsurători de fază pe L1 și L2. Au 12 – 40 canale care permit receptionarea semnalelor de la sateliții GPS, GLONASS, WAAS, EGNOS, MSAS. Precizia lor este de 5m (autonom), 5cm (timp real-diferențial) și 5mm+0.5ppm (postprocesare diferențială).
Receptoarele pot lucra în timp real, cu corecții diferențiale recepționate prin modem sau telefon GSM. Constructiv, receptoarele pot fi compacte, antena, receptorul, tastatura, ecranul și bateriile încorporate în aceeași carcasă, sau componentele pot fi separate și conectate între ele prin cabluri sau porturi cu infraroșu sau Bluetooth.
Fig. 5.3. – Receptoare Geodezice3
5.1.4. Stații permanente
Receptoarele folosite pentru stații permanente se încadrează în categoria celor care fac măsurători de cod și fază pe ambele frecvențe L1 și L2. Antenele utilizate în acest caz sunt de tipul choke ring (Dorne & Margolin model IGS). Receptoarele au posibilitatea conectării la senzori meteo și la senzori de înclinare. De asemenea sunt prevăzute cu un port special pentru generarea semnalului de timp. Majoritatea receptoarelor au posibilitatea conectării directe la rețele locale datelor, respectiv stocarea lor, se poate face fie direct, fie prin intermediul conectării la un PC. Administrarea stației poate fi (LAN) sau la Internet. Transmisia făcută fie local, fie de la distanță (remote control) prin intermediul programelor specializate.
Un caz special îl constituie receptoarele montate solitar cu elementele podurilor, clădirilor, construcțiilor hidrotehnice, pentru urmărirea în timp real a deplasărilor acestora. Tot aici trebuie menționate stațiile permanente de monitorizare a deplasărilor crustale.
Fig. 5.4. – Stații permanente
5.1.5. Receptoare pentru Controlul utilajelor
Pentru ghidarea utilajelor terasiere sau agricole se utilizează receptoare cu simplă sau dublă frecvență care lucrează în timp real. Receptoarele au 12 – 24 de canale iar precizia de poziționare este de 1 – 30cm (timp real-diferențial). Cu ajutorul programelor specializate și a servomecanismelor se poate asigura deplasarea utilajelor pe traiectorii predefinite sau executarea săpăturilor și/sau umpluturilor până la cotele stabilite.
5.1.6. Sisteme mixte ( Receptor GPS + Stație Totală )
Sistemul Leica SmartStation este format dintr-o stație totală din seria TPS1200 la care este atașat, coaxial cu axa verticală, modulul ATX1230 SmartAntenna. ATX1230 SmartAntenna este de fapt un receptor GPS, RTK dublă frecvență, care se integrează și comunică cu stația totală. Toate setările, comenzile, afișajul, funcțiile, operațiile și calculele specifice unui receptor GPS sunt integrate în procesorul, tastatura și afișajul stației totale. În acest mod cele două instrumente, TPS și GPS, sunt perfect integrate și permit executarea unor lucrări cu un grad foarte mare de precizie și independență.2
Fig. 5.5. – Sisteme mixte3
6. STUDIUL DE CAZ
6.1. DESCRIEREA LUCRARII
Scopul acestei lucrări este, determinarea parametrilor de transformare în zona Municipiului Oradea, din coordonate stereo 70 pe elipsoidul WGS84 in coordonate stereo 70 pe elipsoidul Krasovski, prin metoda transformării spațiale Helmert (7 parametri).
Pentru realizarea lucrării s-au utilizat 8 puncte cu coordonate cunoscute în sistemul stereografic 70 elipsoid Krasovski, un receptor geodezic cu dublă frecvență (L1,L2 ,cod și fază) , software pentru prelucrarea măsurătorilor și determinarea parametrilor de transformare. Determinarea coordonatelor punctelor în sistem WGS84 s-a realizat prin tehnologia geodeziei spațiale utilizând metoda de măsurare statică relativă.
6.2. APARATURĂ ȘI SOFTWARE FOLOSITE PENTRU REALIZAREA LUCRĂRII
Receptorul utilizat pentru realizarea lucrării este de marca Topcon tip GR3.
Softwarele utilizate sunt următoarele :
Mapsys produs de S.C. Geotop S.R.L. , pentru localizarea și alegerea punctelor
Topcon Link, pentru descărcarea datelor și observațiilor efectuate cu receptorul
Topcon Tools și Trimble Total Control, pentru procesarea datelor și observațiilor efectuate cu receptorul și stația permanentă.
Toposys produs de S.C. Geotop S.R.L., pentru realizarea transformărilor necesare determinării parametrilor de transformare.
6.3. PREGĂTIREA MĂSURĂTORILOR
În vederea realizării măsurătorilor s-au ales și analizat planurile, hărțile și secțiunile din zona Municipiului Oradea, punctele rețelei de sprijin existente și sistemele de referință a acestora. În urma acestor analize s-a stabilit un poligon, format din 7 puncte al rețelei de sprijin existente, care să cuprindă întreaga suprafață a Municipiului Oradea și un punct din rețeaua națională de stații GNSS permanente, stația Oradea.
Fig. 6.1. – Pregătirea măsurătorilor
Punctele și coordonatele (steregrafice 70 elipsoid Krasovski ) acestui poligon precum și al stației permanente sunt prezentate în tabelul următor.
Tabel 6.1. – Coordonatele punctelor care definesc poligonul
Existența acestor puncte s-a confirmat în urma recunoașterii pe teren.
6.3.1. Planificarea sesiunilor
Pentru planificarea sesiunilor am folosit programul utilitar, al softului Trimble Total Control, Planing. Acest program ne oferă informații privind precizia geometrică a rezultatelor în funcție de numărul și de deplasarea sateliților pe orizont în timpul execuției observațiilor. Având în vedere aceste informații putem planifica data și orele exacte în care putem executa măsurătorile cu rezultate bune.
Fig. 6.2. – Valoarea DOP
Fig. 6.3. – Vizibilitate sateliți
Fig. 6.4. – Vizibilitate sateliți
Pe baza datelor oferite de program, am ales data de 20.06.2009, iar măsurătorile le-am executat între orele 8 :30 și 16 :00. În acest interval de timp valoare GDOP-ului a fost mereu sub 4.
6.3.2. Durata sesiunii și lungimea bazei
Durata unei sesiuni, pentru obținerea unui rezultat bun la post procesare, depinde de mai mulți factori: lungimea bazei, numărul sateliților observați, valoarea GDOP, perturbările ionosferice. Având în vedere lungimea bazelor am ales o perioadă de aproximativ 30 de minute pentru măsurarea acestora. În tabelul următor vor fi prezentate lungimile bazelor și perioada de staționare ale acestora.
Tabel 6.2. – Lungimi ale Bazelor și durata sesiunii
6.4. EXECUTAREA MĂSURĂTORILOR
Executarea măsurătorilor s-a realizat conform cerințelor stabilite la pregătirea măsurătorilor. Punctele au fost staționate rând pe rând aproximativ 30 de minute. Receptorul a fost amplasat și fixat pe punctele proiectate cu ajutorul unui baston și a unui “bipod”, astfel înălțimea receptorului a fost constantă. Orele exacte, la începerea și terminarea unei sesiuni de observații, au fost notate în carnetul de teren (Anexa nr.1), fiecare punct a fost fotografiat.
6.5. PRELUCRAREA OBSERVAȚIILOR GPS
Prelucrarea datelor GPS se realizează în funcție de metoda de măsurare, de sistemul de coordonate utilizat (Stereografic 1970 sau EUREF), de tipul măsurătorilor efectuate în rețea, de metoda de prelucrare aleasă.
Receptoarele GPS prelucrează semnalul de la satelit și dau poziția receptorului în coordonate sistem global elipsoidal pe elipsoidul WGS84. În România, sistemul de coordonate oficial este sistemul de coordonate plane Stereografic 1970 care are ca bază elipsoidul Krasovski. Pentru a obține coordonate din sistemul WGS84 în sistemul Stereografic 1970 putem utiliza parametri de transcalcul, utilizabili pe toată țara sau parametri utilizabili local.
6.5.1. Descărcarea observațiilor
Datele înregistrate au fost descărcate cu ajutorul programului Topcon Link , observațiile stației permanente () au fost obținute în format RINEX comprimat.
Observațiile au fost înregistrate de receptor pe un card SD, urmând ca acestea să fie transferate din receptor în computer cu ajutorul unui cititor card SD .
După transferul datelor operatorul are posibilitatea de a controla și edita anumite elemente: denumirea punctului, înălțimea antenei etc.
Întotdeauna trebuie realizată o copie a datelor brute înregistrate în teren.
6.5.2. Procesarea datelor
Procesarea datelor s-a executat cu programul Topcon Tools. Datele descărcate din receptor, cu ajutorul programului Topcon Link (cele 7 fișiere obținute), și observațiile obținute de la stația permanentă, s-au importat în program. La finalizarea importului, s-a verificat corectitudinea datelor ( tipul receptoarelor, înălțimea acestora etc.). După verificarea corectitudinii datelor, s-a realizat procesarea și calcularea punctelor staționate. În funcție de cerințele operatorului se poate genera Raportul procesării. Raportul procesării este prezentat în Anexele 2,3, 4 ,5 ,6.
În Anexa nr.2 avem informații privind denumirea proiectului, data creării acestuia, numele operatorului, unități de măsură utilizate, proiecția și datumul folosit, numărul vectorilor existente, numărul total al punctelor precum și numărul punctelor cunoscute.
Așezarea punctelor este reprezentată în Anexa nr. 3.
Anexa nr. 4 ne oferă informații privind coordonatele geografice și geocentrice a punctelor cunoscute și calculate.
Anexa nr. 5 ne prezintă un grafic privind perioada și durata înregistrărilor, informații privind tipul antenei, înălțimea și tipul înalțimii receptorului, începerea și sfârșitul sesiunii ale observațiilor, durata acestora, metoda de măsurare, intervalul de înregistrare, săptămâna GPS și numărul de epoci înregistrate.
Pe baza Anexei nr. 6 putem verifica corectitudinea măsurătorilor și calculelor efectuate. Sunt prezentate valorile preciziei orizontale și verticale, lungimile bazelor ,tipul soluției, numărul sateliților obsevați la fiecar sesiune, valorile DOP (PDOP, HDOP, VDOP), etc.
Pe baza rezultatelor obținute putem afirma că am lucrat corect, deoarece precizia orizontală se află între 2 – , precum și cea verticală între 4 – , am obținut soluție fixă (Solution type Fixed), numărul sateliților vizibili la fiecare sesiune a fost între 8 – 11,iar valoarea PDOP-ului s-a aflat mereu sub 3.5.
În final coordonatele geografice și coordonatele geocentrice ale punctelor se salvează în două fișiere text (ex. BLh-GPS.txt și XYZ-GPS.txt). Cu ajutorul acestor fișiere vom calcula cei 7 parametri de transformare.
6.6. DETERMINAREA PARAMETRILOR DE TRANSCALCUL PE PLAN LOCAL
Plan local poate fi o localitate, un județ, o regiune, în cazul nostru Municipiul Oradea. Parametri determinați pe o zonă restrânsă au valabilitate doar în poligonul pe care îl descriu punctele comune. Determinarea parametrilor de transcalcul cu programe care dau posibilitatea vizualizării corecțiilor este foarte bun, deoarece dă dimensiunea preciziei cu care se vor transcalcula coordonatele punctelor noi.
În această lucrare se vor prezenta :
Determinarea parametrilor de transformare din coordonate stereo 70 pe elipsoidul WGS84 în coordonate stereo 70 pe elipsoidul Krasovski.
Determinarea parametrilor de transformare din sistemul de referință WGS84 în sistemul Stereografic 70 referitor la elipsoidul Krasovski.
6.6.1. Determinarea parametrilor de transformare din coordonate stereo 70 pe elipsoidul WGS84 în coordonate stereo 70 pe elipsoidul Krasovski.
Pentru determinarea parametrilor de transformare, am utilizat programul Toposys produs de firma Geotop.
Modul de lucru pentru determinarea parametrilor de transcalcul este prezentat în figura următoare.
Fig. 6.5. Schema logică
În programul Toposys se importă coordonatele geografice WGS84, obținute în urma procesării datelor (fișierul BLh-GPS.txt). Aceste coordonate le transformăm în sistem stereografic 70. Rezultatele se salvează într-un fișier text (ex. Stereo-WGS84.txt). Coordonatele Stereografice 70, pe elipsoidul Krasovski, ale acestor puncte le introducem într-un alt fișier text (ex. Stereo-Krasovski.txt). Punctele din fișierul Stereo-WGS84.txt se importă în Toposys ca puncte sursă iar punctele din fișierul Stereo-Krasovski.txt ca puncte destinație. Următorul pas este executarea transformării spațiale cu puncte comune, de unde vor rezulta cei 7 parametri de tranformare. Rezultatele obținute precum și parametri de transcalcul sunt prezentate în Anexa nr. 10.
Acești parametri de transcalcul se pot folosi în cazul în care executăm măsurători utilizând metoda statică sau cinematică. În cazul metodei statice, după realizarea procesării datelor se obțin coordonatele geografice, în sistem WGS84, ale punctelor măsurate pe care le vom transforma în sistemul Stereografic 70. Coordonatele Stereo 70 – elipsoid WGS84 le transformăm în coordonate Stereo 70 – elipsoid Krasovski (sistem național) utilizând parametri de transcalcul din Anexa nr. 10. În cazul metodei cinematice, avem două posibilități pentru rezolvarea problemei. Urmărim pașii descriși la metoda anterioară (metoda statică) sau introducem următoarele parametri în controllerul aparatului utilizat :
Ellipsoid WGS (GRS80)
DATUM :
Dx = 0
Dy = 0
Dz = 0
Rx = 0
Ry = 0
Rz = 0
Sppm = o
Proiecția Stereo dublă
Fi = 46, Lamda = 25
X = 500000, Y = 500000
Sc = 0,99975
astfel obținem direct coordonatele Stereo 70 – elipsoid WGS84 ale punctelor măsurate, urmând ca după descărcarea datelor să transformăm acestea în coordonate Stereo 70 – elipsoid Krasovski (sistem național) utilizând parametri de transcalcul din Anexa nr. 10. În cazul în care dorim să trasăm, de exemplu un contur al unui imobil, coordonatele punctelor (sistem sterografic 70 – elipsoid Krasovski) proiectate pe calculator, le putem transforma în coordonate sistem stereografic 70 – elipsoid WGS84, prin transformare inversă, cu ajutorul parametrilor de transcalcul din Anexa nr. 10. Coordonatele obținute, în urma transformărilor, le introducem în controllerul aparatului, urmând să executăm obiectivul propus.
6.6.2. Determinarea parametrilor de transformare din sistemul de referință WGS84 în sistemul Stereografic 70 referitor la elipsoidul Krasovski.
Modul de lucru pentru determinarea parametrilor de transcalcul este prezentat în figura următoare.
Fig. 6.6. Schema logică
În programul Toposys se importă coordonatele Stereografice 70, pe elipsoidul Krasovski, ale punctelor rețelei de sprijin (fișierul xyH–LS.txt). Aceste coordonate le transformăm în coordonate geografice – elipsoid Krasovski. Rezultatele se salvează într-un fișier text(ex. BLh-LS.txt). Coordonatele obținute în urma transformării se importă din nou în program și se transformă în coordonate geocentrice. Rezultatele se salvează într-un fișier text.(ex. XYZ-LS.txt). Coordonatel geocentrice, obținute în urma procesării datelor (fișierul XYZ-GPS.txt), se importă în Toposys ca puncte sursă iar punctele din fișierul XYZ-LS.txt, obținute din transformările anterioare, se importă ca puncte destinație. Următorul pas este executarea transformării spațiale cu puncte comune, de unde vor rezulta cei 7 parametri de tranformare. Rezultatele obținute precum și parametri de transcalcul sunt prezentate în Anexa nr. 14 .
Acești parametri de transcalcul se pot folosi, în cazul în care dorim să executăm măsurători în timp real. Parametri de transformare prezentați în Anexa nr.15 se introduc în controllerul aparatului, astfel obținem coordonatele Stereografice 70 – elipsoid Krasovski ale punctelor măsurate. În cazul în care dorim să trasăm, de exemplu un contur al unui imobil, coordonatele punctelor (sistem sterografic 70 – elipsoid Krasovski) proiectate pe calculator, le putem introduce direct în controlerul aparatului, urmând să executăm obiectivul propus.
6.7. VERIFICAREA ȘI INTERPRETAREA REZULTATELOR
Pentru verificarea parametrilor de transformare calculați anterior, am măsurat 7 puncte din rețeaua municipiului Oradea, cu un singur receptor, conectat la rețeaua de stații permanente Rompos (stația Oradea), utilizând metoda de măsurare cinematică în timp real (RTK). Rezultatele obținute sunt prezentate în Anexa nr.16.
În Anexa nr. 16 sunt prezentate coordonatele Stereografice 70 – elipsoid Krasovski inițiale ale punctelor studiate, coordonatele Stereografice 70 – elipsoid Krasovski obținute în urma măsurătorilor efectuate și diferențele(dx,dz,dz) între coordonatele acestora.
Diferențele pe axa X sunt situate între valorile 2mm – 20mm ,iar pe axa Y între 6mm – 45mm
Observăm faptul că rezultatele din punct de vedere planimetric (X,Y) sunt bune.
7. CONCLUZII
În prima parte a lucrării au fost prezentate, sistemele de poziționare globală (Navstar, Glonass, Galileo, Compass, Irnss) și sistemele complementare ale acestora. S-au prezentat datele și semnalele recepționate, poziționarea cu ajutorul tehnologiei GPS precum și erorile care afectează precizia acestor determinări.
S-a prezentat conceptul, funcțiile și configurația unei rețele de stații permanente GNSS, precum și rețeaua națională de stații GNSS permanente Rompos.
Putem observa că sistemele de poziționare globală și rețelele de stații permanente sunt în permanentă dezvoltare ceea ce oferă utilizatorilor posibilități de poziționare, din ce în ce mai precisă și deschide o gamă largă de aplicabilitate a tehnologiei geodeziei spațiale. Alegerea optimă a metodei de măsurare și al aparaturii folosite, în fucție de precizia solicitată, poate ușura și accelera lucrările de cadastru și geodezie. Producătorii receptoarelor de navigație și a receptoarelor geodezice, se străduiesc permanent să satisfacă cerințele utilizatorilor privind tehnologia poziționării și utilizare cât mai bună a resurselor oferite de acest segment.
Obiectivul propus în Capitolul 1, a fost realizat, s-au determinat parametri de transcalcul din coordonate stereo 70 pe elipsoidul WGS84 in coordonate stereo 70 pe elipsoidul Krasovski, pentru Municipul Oradea. În urma verificării acestor parametri, observăm, că rezultatele obținute sunt acceptabile, parametri de transformare sunt utilizabile în interiorul poligonului definit la Capitolul 6.3.
Pe baza studiului de caz, putem determina parametri de transcalcul local și pentru alte zone sau regiuni.
8. BIBLIOGRAFIE
CĂRȚI , CURSURI ȘI LUCRĂRI DE AUTOR
RESURSE ÎN FORMAT ELECTRONIC
BIBLIOGRAFIE
CĂRȚI , CURSURI ȘI LUCRĂRI DE AUTOR
RESURSE ÎN FORMAT ELECTRONIC
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Sisteme de Pozitionare Globala (ID: 163610)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.