II. Prevederile actelor normative

Cuprins

Prefață

I. Introducere

II. Prevederile actelor normative

III. Datum Geodezic

III.1 Datumul geodezic Global

III.2 Datumul geodezic Regional

III.3 Datumul geodezic Național

IV. Sisteme de referință geodezice

IV.1 Sistemul Inerțial Convențional (CIS)

IV.2 Sistemul internațional de referință terestră (ITRS)

IV.3 Sistemul geodezic de referință global WGS84

IV.4 Sistemul geodezic de referință European ETRS89

V. Sisteme de proiecție

V.1 Proiecția UTM (Universal Transversal Mercator)

V.2 Proiectia stereografica pe plan secant unic 1970

VI. Sisteme de pozitionare

VI.1 Conceptul GNSS

VI.2 GLONASS

VI.3 BEIDOU (COMPASS)

VI.4 GALILEO

VI.5 NAVSTAR GPS

VI.5.1 Segmentul spatial

VI.5.2 Segmentul de control

VI.5.3 Segmentul utilizator

VI.6 Tipuri de observații GNSS

VI.6.1 Observațiile de pseudodistanță și de fază purtătoare

VI.6.2 Pseudodistanța și faza purtătoare

VII. Metode de lucru GPS

VII.1 Metoda statică

VII.1.1 Metoda statică relativă

VII.1.2 Metoda statică rapidă

VII.1.3 Metoda statică clasică

VII.2 Metoda cinematică

VII.2.1 Metoda cinematică relativă

VII.2.2 Metoda cinematică în timp real (RTK)

VIII. Tipuri de corecții diferențiale

VIII.1 Formatul RTCM de transmitere a corecțiilor folosit la detrminări RTK

VIII.2 VRS

VIII.3 FKP

VIII.4 i-MAX

VIII.5 MAC

IX. Tipuri de erori ce influențează determinările GNSS

IX.1 Efecte atmosferice

IX.2 Multipath- Erori de multi-parcurs

IX.3 Efectul geometriei sateliților (Dop-uri)

X. Rețeaua geodezica nationala de stații permanente GNSS

XI. Studiul de caz

XII. Concluzii

Bibliografie

Lista tabelelor

Lista figurilor

Lista de abrevieri

Prefață

Ultimul deceniu este caracterizat de o evoluție remarcabilă, cea ce privește tehnica de determinare a poziției punctelor, mai ales celor de detaliu. O dată cu apariția tehnologiei satelitare GNSS (Global Navigation Satellite System), s-a trecut de la determinări, aproape 100%, cu ajutorul stațiilor totale, la un procent de 60-75% cu metode de poziționare RTK.

ANCPI (Agenția Națională de Cadastru și Publicitate Imobiliară) prin Direcția de Geodezie și Cartografie, a achiziționat și a instalat o rețea geodezică de stații de măsurare permanente, denumite și stații GNSS permanente (SGP) sau ROMPOS, pentru a favoriza poziționările în timp real sau postprocesare, utilizatorii având nevoie doar de un singur receptor pentru executarea obiectivelor propuse. Acest serviciu oferă în mare măsură date teoretice rezultate din aprecieri DOP.

În cadrul acestei lucrări mi-am propus să evaluez precizia determinărilor RTK, folosind modelele matematice VRS, FKP, MAC și i-MAX pentru corecții diferențiale, staționând pe puncte GNSS de Clasa B cunoscute, din rețeaua geodezică națională.

După determinarea punctelor prin metodele mai sus menționate, am făcut o statistică vis-a-vis de precizia determinărilor, să aduc un aport la evaluarea preciziei, din care se pot trage concluzii privind fiabilitatea fiecărei metode în determinarea punctelor de detaliu, având în vedere preciziile de determinare cerute de fiecare tip de lucrare.

Introducere

În 22 februarie 1978 a început o nouă și incitantă eră a poziționării pe uscat, pe mare, și în spațiu, cu lansarea primului satelit cu sistem de poziționare globală (GNSS). Scopul pricipal al sistemului de navigație prin sateliți a fost satisfacerea nevoilor securității militare și naționale, în ceea ce privește poziționarea și sincronizarea forțelor 24 de ore pe zi, oriunde în lume și în orice condiții meteo. Foarte curând, au devenit evidente beneficiile folosirii GNSS pentru aplicații civile, numărul acesora crescând exponențial în ultimii douăzeci de ani.

Sateliții transmit semnale pe frecvențele L1 (1575.42 MHz) și L2 (1227.6 MHz) modulate cu două tipuri de coduri, civil C/A și codurile militare criptate P(Y). În prezent frecvența L1 este modulat cu ambele tipuri de coduri, pe când L2 este modulat doar cu codul P. Modulele modernizate GPS vor treansmite un cod civil secundar pe L2 și un al treilea cod civil pe L5 (1176.45 MHz).

Două tipuri de observații GNSS sunt de interes pentru utlizatori, caracterizate prin pseudodistanță si faza razei purtătoare. Pseudodistanța este egală cu distanța dintre satelit și receptor plus câțiva termeni corectivi, care apar datorită diferențelor de fus orar dintre satelit și receptor, impactul ionosferei și troposferei asupra propagării semnalului, erorile „multipath”, etc. Pozițiile geometrice ale sateliților sunt date de o funcție a timpului (de exemplu: efemeridele sateliților), iar locația receptorului și corecțiile de fus orar se pot calcula din minimum patru pseudodistanțe. Pseudodistanțele reprezintă o măsură a propagării codurilor C/A și P(Y) în timp. Faza undei purtătoare, este diferența între faza recepționată și faza oscilatoare a receptorului, în momentul măsurătorilor. Receptorii sunt programați să facă obeservații asupra fazelor, la intervale de timp egale. În plus, receptorii țin evidența numărului de ciclurilor complete intrate încă de la începutul măsurătorilor. Astfel, datele de ieșire sunt observații de fază la intervale de timpi prestabiliți.

Politicile guvernamentale S.U.A. inițial au definit un serviciu standard de poziționare (SPS) pentru civili, bazat pe observațiile codurilor C/A și un serviciu de poziționare precisă (PPS) pentru militari, bazat pe observațiile codurilor P(Y). SSP și PPS se adresează sistemelor de navigație prin sateliți unde un receptor primește date de la câțiva sateliți, pentru a determina poziția ei absolută, folosind transmisia efemeridelor, precizia determinărilor este foarte redusă. Avantajele poziționării relative au fost de multă vreme recunoscute ca fiind o metodă precisă de poziționare pentru geodezie, supraveghere, și alte geoștiințe. În poziționarea relativă, numită de asemenea poziționare diferențială, poziția relativă a punctului este determinată prin coobservarea receptorilor. În acest caz multe erori comune sunt anulate, sau impactul lor asupra datelor este semnificativ diminuat. Din aceste considerente, soluțiile de navigare folosc observații ale preudodistanței, pe când soluțiile pentru supraveghere și măsurători au fost întotdeauna bazate pe observațiile precise, milimetrice ale fazei purtătoare. Abordările moderne combină ambele tipuri de observații într-un mod optim prin postprocesarea efemeridelor.

Acuratețea obținută depinde de mulți factori. Pentru a evidenția diferența dintre acuratețea poziționării relative și absolute, se spune doar că acuratețea poziționării absolute e definit de la metri la decimetri, pe când acurateațea poziționării relative este la nivelul centimetrilor și milimetrilor. Modul de funcționare a aparatului de poziționare GNSS se poate descrie schematic cum urmează. Centrul de fază se găsește în centrul receptorului și are abilitatea de a măsura fazele razei purtatoare, 1/100 ale unui ciclu. În cazul în care centrul de fază a receptorului nu este calibrat poate introduce o eroare în poziționare până la ±2 mm distanță liniară. Frecvențele înalte ( L1 și L2) străbat ionosfera destul de bine. Deoarece decalajul de timp este cauzat de ionosferă și este invers proporțional cu pătratul frecvenței, observațiile de fază pe ambele frecvențe pot fi utilizate ca model pentru eliminarea majorității efectelor ionosferice. Obesevațiile de dublă frecvență sunt utile în mod particular, când distanța separatoare dintre stații este mare și când este important scurtarea timpului de măsurători. A existat un progres semnificativ în designul ceasurilor stabile și în miniaturizarea lor, oferind precizie de timp sateliților. Orbitele sateliților GNSS sunt stabile deoarece la înălțimea la care se află sateliții doar forțele gravitaționale majore le afectează mișcarea. Nu există efecte de atracție asupra lor, însă impactul soarelui sau al lunii asupra orbitelor este semnificativ, dar poate fi calculat. Alte aspecte fizice care mai ridică probleme asupra sateliților sunt presiunea radiațiilor solare și decalajul troposferic, efectele „multipath” asupra propagării semnalului. Pe partea algoritmică, este foarte utilă folosirea combinațiilor liniare de faze. Prin această metodă unii parametri nedoriți sunt eliminați și unele efecte nu au nevoie de modelare. De asemenea, în ciuda tuturor tehnologiilor moderne folosite, vectorii rezultați din coobservarea receptoarelor pot fi eronați. Posibilitatea idetificării greșite a pozițiilor la sol, a erorilor de centrare, citirea greșită a înălțimii antenelor, etc., nu pot fi complet evitate. Observațiile vectorilor GNSS pot fi controlate cel mai eficient prin metoda celor mai mici pătrate, care constă dintr-un set de vectori redundanți. Astfel de soluții în rețea fac posibilă detectarea erorilor existente și posibilitatea îndepărtării acestora. Rezultatul primar al supravegherii GNSS este un poliedru a stațiiilor, a căror precizie de poziționare relativă este controlată prin metoda celor mai mici pătrate.

Prevederile actelor normative

Normele tehnice referitoare la organizarea și realizarea lucrărilor de cadastru general în România, sunt emise de Oficiul Național de Cadastru, Geodezie și Cartografie (O.N.C.G.C.) conform Legii Cadastrului și a Publicității imobiliare nr. 7/1996 actualizat.

Normele tehnice au rolul de a impune succesiunea operațiunilor tehnice legate de modul de organizare a lucrărilor, modul de întocmire și conținutul documentațiilor tehnice, condițiile tehnice de calitate, precum și modul de avizare, verificare și recepție a lucrărilor.

Conform Ordinului nr. 543/2001 privind aprobarea Normelor tehnice pentru introducerea cadastrului general și a Deciziei nr: 1/2008, referitor la realizarea măsurătorilor GNSS cinematice, menționăm Art.3, care prevede următoarele: măsurători pentru realizarea rețelelor geodezice de îndesire și ridicare în sistem național de proiecție Stereografic 1970, condițiile pentru realizarea lucrărilor topografice speciale, rețelelor geodezice de sprijin, de îndesire și de ridicare, precum și structura și conținutul bazei de date a cadastrului general.

Conform Ordinului nr. 543/2001 privind aprobarea Normelor tehnice pentru introducerea cadastrului general „Rețeaua geodezică de îndesire și ridicare se execută prin metode cunoscute: triangulație, trilaterație, triangulație-trilaterație, rețele de drumuiri poligonometrice sau tehnologii geodezice bazate pe înregistrări satelitare (Global Positioning System-GPS – sisteme globale de poziționare). În cazul în care coordonatele punctelor sunt determinate prin tehnologie GPS, la proiectarea rețelei se va ține seama de următoarele:

– rețeaua de îndesire și ridicare trebuie să se sprijine pe minimum 4 puncte din rețeaua geodezică de sprijin;

– punctele de sprijin vor trebui să fie uniform repartizate atât în interiorul rețelei, cât și la marginea acesteia;

– toate punctele noi vor fi determinate cu ajutorul a minimum 3 vectori;

– se va prevedea determinarea punctelor de legătură dublu-staționate în sesiuni diferite.”[O.534/2001]

Într-o rețea cu p puncte, utilizând r receptori, numărul minim de sesiuni s, se va calcula cu relația:

s = ; pentru n >= 1 (II.1)

n = numărul punctelor de legătură între sesiuni

Dacă într-un punct se stationează de m ori, atunci numărul de sesiuni s se va calcula cu relația:

s = (II.2)

Conform Deciziei nr:1/2008 „În cazul realizării rețelelor geodezice de îndesire și de ridicare prin determinări GNSS (GPS) se va utiliza metoda statică de măsurare.

Coordonatele punctelor rețelelor de îndesire și de ridicare se vor obține prin determinări relative la Rețeaua Geodezică Națională GNSS (RGN–GNSS) formate din stații GPS permanente (Clasa A) si borne de îndesire (Clasa B sau Clasa C). Punctele rețelelor geodezice de ridicare (minim 2 puncte) se vor determina prin metoda statică sau rapid statică. Rețeaua geodezică de ridicare va fi încadrată în RGN-GNSS prin minim 2 puncte (2 stații GNSS, 2 borne clasa B sau C, o bornă și o stație GNSS permanennologii geodezice bazate pe înregistrări satelitare (Global Positioning System-GPS – sisteme globale de poziționare). În cazul în care coordonatele punctelor sunt determinate prin tehnologie GPS, la proiectarea rețelei se va ține seama de următoarele:

– rețeaua de îndesire și ridicare trebuie să se sprijine pe minimum 4 puncte din rețeaua geodezică de sprijin;

– punctele de sprijin vor trebui să fie uniform repartizate atât în interiorul rețelei, cât și la marginea acesteia;

– toate punctele noi vor fi determinate cu ajutorul a minimum 3 vectori;

– se va prevedea determinarea punctelor de legătură dublu-staționate în sesiuni diferite.”[O.534/2001]

Într-o rețea cu p puncte, utilizând r receptori, numărul minim de sesiuni s, se va calcula cu relația:

s = ; pentru n >= 1 (II.1)

n = numărul punctelor de legătură între sesiuni

Dacă într-un punct se stationează de m ori, atunci numărul de sesiuni s se va calcula cu relația:

s = (II.2)

Conform Deciziei nr:1/2008 „În cazul realizării rețelelor geodezice de îndesire și de ridicare prin determinări GNSS (GPS) se va utiliza metoda statică de măsurare.

Coordonatele punctelor rețelelor de îndesire și de ridicare se vor obține prin determinări relative la Rețeaua Geodezică Națională GNSS (RGN–GNSS) formate din stații GPS permanente (Clasa A) si borne de îndesire (Clasa B sau Clasa C). Punctele rețelelor geodezice de ridicare (minim 2 puncte) se vor determina prin metoda statică sau rapid statică. Rețeaua geodezică de ridicare va fi încadrată în RGN-GNSS prin minim 2 puncte (2 stații GNSS, 2 borne clasa B sau C, o bornă și o stație GNSS permanentă).

La determinarea coordonatele punctelor de detaliu prin tehnologiei GNSS, se va utiliza metode de măsurare (rapid) statică, cinematică sau pseudo-cinematică. Punctele rețelei de ridicare vor constitui și puncte în care se va realiza (auto) verificarea măsurătorilor cinematice prin determinarea lor și în mod cinematic (minim 2 puncte).

Conform regulamentului privind conținutul și modul de întocmire a documentațiilor cadastrale în vederea înscrierii în cartea funciară vor fi redactate Anexele: 15a, pentru măsurători statice, utilizând tehnologia GNSS, și 15b, pentru măsurători cinematice utilizând tehnologia GNSS.”[D.1]

Figură – Anexa15a (www.ancpi.ro)

În cazul determinărilor GNSS prin metoda statică se vor reprezenta:

schema cu dispunerea punctelor determinate;

schema conținând planificarea sesiunilor de măsurători;

fișiere pe suport magnetic, in format RINEX, conținând măsurătorile efectuate (denumirea punctului, înaltimea corectă și tipul antenei, intervalul de înregistrare);

rezultate ale prelucrării vectorilor măsurați (coordonate relative și indicatori de precizie pe componente);

coordonatele compensate ale punctelor și precizii în sistem geocentric cartezian (X, Y, Z) și/sau elipsoidal (B, L, h) și rezultatele transcalculului în sistem de referință național (XS, YS, HN) pentru punctele noi determinate.

În cazul determinărilor GNSS prin metoda cinematică se vor reprezenta:

schema cu dispunerea punctelor determinate, incluzând punctele din rețeaua de ridicare sau de îndesire utilizate;

fișiere text (ASCII) pe suport magnetic, in format RINEX, conținând măsurătorile efectuate și informații legate de:

numele proiectului (job);

numele/identificatorul punctului determinat in mod RTK;

data și ora când s-a determinat punctul;

varianta de determinare RTK: cu o stație de referință reală sau virtuală;

tipuri de soluții pentru coordonatele determinate (fixed, float). Soluțiile de tip float nu vor fi admise;

coordonatele geocentrice ale punctelor de detaliu determinate și precizii în sistem geocentric cartezian sau elipsoidal;

rezultate ale prelucrării vectorilor măsurați (coordonate relative și indicatori de precizie pe componente);

Denumirea si coordonatele în Sistem Național Stereo 70, geocentric cartezian X,Y,Z si /sau elipsoidal (B, L, h), ale punctelor rețelei de ridicare utilizate;

Denumirea si coordonatele în Sistem Național Stereo 70, geocentric cartezian X,Y,Z si /sau elipsoidal (B, L, h), ale punctelor de detaliu determinate.

Transcalculul coordonatelor determinate cinematic din sistem geocentric în sistemul național de referință se realizează utilizând softul TransDat. În zonele în care acest soft nu a fost implementat oficial, se calculează parametri locali de transformare conform Ordinului 534/2001 capitolul 3-3.5.

Datum Geodezic

Un datum geodezic este un set de convenții (set de parametri) care stabilește relațiile spațiale dintre un sistem de coordonate si Pământ. Setul de convenții se referă la legătura dintre geoid și elipsoidul de referință utilizat, respectiv poziția originii, scara și orientarea unui sistem de coordonate cu ajutorul căruia este definită poziția punctelor caracteristice.

Datumul geodezic Global

Datumul geodezic Global este caracterizat de un sistem de coordonate geocentrice carteziene și un elipsoid de referință. Elipsoidul de referință este ales astfel încât să aproximeze cât mai exact geoidul în ansamblul său. Acesta este definit prin patru parametri de natură geometrică și fizică: semiaxa mare, viteza unghiulară de rotație a Pământului și doi coeficienți gravitaționali. Sistemul de axe are originea în centrul de masă al Pământului O, cu:

axa OZ dirijată după direcția nordulu convențional;

axa OX paralelă cu meridianul de referință zero, Greenwich;

axa OY perpendiculară pe axa X și Z.

Datumul se numește global, deoarece determinările GPS, atât la noi cât și pe tot globul, se fac în acest datum geodezic, definit prin elipsoidul de referință WGS84 și sistemul de axe geocentric. Pentru reprezentarea cât mai fidelă a unei porțiuni ale Pământului, continente sau țară, se folosesc diferite datumuri geodezice regionale sau locale.

Datumul geodezic Regional

Datumurile regionale sunt definite de obicei prin șapte parametrii: doi pentru mărimea și forma elipsoidului, doi pentru pozițioanrea originii sistemului cartezian de axe, unul pentru orientare, unul pentru ondulația geoidului și unul care se referă la diferența dintre poziția semiaxei mici și poziția axei de rotație a Pământului.

Datumul European este definit de elipsoidul internațional de referință WGS84, având originea sistemului de axe poziționată pe turnul Helmert, cu latitudinea nordică 55°22’51’’, longitudinea estică 13°03’58’’, deviația verticalei pe meridian este de 3’’,36 și componenta în primul plan al deviației verticale 1’’,78.

Datumul geodezic Național

In România se flosesc două datumuri geodezice: unul orizontal, cu suprafața de referință elipsoidul Krasovski (1940), și unul vertical, pentru altitudini, care utilizează ca referință suprafața geoidului, cotele fiind măsurate în raport cu un reper de la malul Mării Negre.

Datumul Național este definit de elipsoidul de referință Krasowski și proiecția stereografică 1970, pentru poziționarea rețelelor geodezice în plan și cvasigeoidul pentru cote.

Sisteme de referință geodezice

Determinarea unui sistem de referință este o problemă de bază a geodeziei. Particularitatea în cazul determinărilor GNSS stă în faptul că avem sisteme de referință separate pentru determinarea coordonatelor sateliților pe orbită, respectiv pentru elementele determinate pe suprafața Terrei. Cunoașterea acestor sisteme este necesară pentru calculul corect al poziției.

Sistemul Inerțial Convențional (CIS)

Originea sistemului inerțial convențional (Conventional Inertial System, CIS) este centrul de greutate al Pământului, planul de bază fiind planul ecuatorului, axa X este în direcția punctului vernal, axa Z este axa de rotație a Pământului, iar axa Y este perpendiculară atât pe axa X, cât și pe axa Z, formând un sistem de coordonate cu orientare dreaptă.

Având în vedere că, datorită mișcării de precesie și mutație, planul ecuator variază în timp, avem nevoie de fixarea lui pe baza unei convenții orare. Sistemul CIS, actual folosit este J2000, având la bază poziția în spațiu a Pământului din 1 ian. 2000. Valorile actuale se pot determina din sistemul J2000, ținând cont de precesie și mutație.

Figură – Reprezentarea Sistemului Inerțial Convențional

Sistemul internațional de referință terestră (ITRS)

Sistemul internațional de referință terestră ITRS (International Terrestrial Referince System) a fost introdus în anul 1991 și este utilizat pâna în prezent. Acesta este un sistem de referință terestru geocentric, care se rotește împreună cu Pământul.

Figură – Sistemul de referinta international (www.vdatum.noaa.gov)

Datorită mișcări plăcilor tehtonice, coordonatele stațiilor europene se deplasează cu o rată estimativă de 2,5 cm/an, astfel distanțele dintre stații nu se pot uniformiza. Acest fapt crează o problemă atât în măsurători geodezice efectuate în acest sistem cât și la legarea altor sisteme de referință la acesta (prin transformarea datumului). Din aceste considerente sistemul de referință ITRS este tot mai puțin flosit.

Sistemul geodezic de referință global WGS84

Sistemul de referință a datelor obținute din poziționarea prin sateliți este cunoscută sub denumirea de WGS84 (World Geodetic System 1984). Acest sistem de referință a fost elaborat de Agenția de Cartografie al Ministerului de Apărare SUA (Defense Mapping Agency, DMA), în urmă unor îmbunătățiri aduse asupra sistemelor de referință deja existente (WGS60, WDS66 și WGS72).

Originea și axele de coordonate sunt definite astfel:

Originea punctului de pornire al sistemului se găsește în centrul volumetric al Pământului, deci sistemul este geocentric;

axa +Z (ZWGS84) este paralelă cu direcția stabilită de polul convențional terestru (Conventional Terrestrial Pole, CTP) pentru data de 1984,0.

axa +X este perpendiculară pe axa Z în centrul volumetric și se găsește la linia de secționare al planului meridian WGS84, care este paralelă cu originea meridianului datat din 1984,0 de BIH (Bureau International de l’Heure).

axa +Y WGS84 formează cu axele +X WGS84 și +Z WGS84 un sistem de rotație cu sensul în dreapta, măsurat în planul ecuatorului CTP, la 90° față de axa X.

Figură – Elipsoidul WGS84 si GRS80 (www.vdatum.noaa.gov)

Sistemul global de referință WGS84 este definit de un set de paramerti primari și secundari. Parametrii primari definesc forma unui elipsoid, viteza sa unghiulară și masa-terestră care este inclus în elipsoidul de referință.

Tabel – Parametrii elipsoidului WGS84

Parametrii secundari definesc un model detaliat al câmpului gravitațional, care se folosesțe la calculul înălțimii geoidului, componentele perturbatoare ale gravitației și calculul anomaliilor gravitaționale.

Acuratețea coordonatelor din WGS84 determinate direct prin tehnologia GNSS în mod static, prin latitudine σ, longitudine λ și înălțime h geodezică, este:

Orizontal σϕ = σ λ = 1m

Vertical σh = 1…2m

Aceste erori încorporează nu numai erorile de observație ci și erorile rezultate din amplasarea originii sistemului WGS84 în centrul de masă al Pământului. Aceste valori absolute nu trebuie confundate cu precizia centimetrică oferită de determinări diferențiale.

.

Sistemul geodezic de referință European ETRS89

Asociația internațională a geodezilor IAG (International Association of Geodesy) au decis să dezvolte un nou sistem geodezic de referință pentru cadrul European EUREF, bazat pe determinări GNSS. Acest sistem ETRS89 (European Terrestrial Reference System 89) a fost adoptat în anul 1990 la întâlnirea de la Firenze. Păstrează toate aspectele sistemului de referință terestră ITRS, în afara faptului că Europa este considerată fixă, pentru a menține distanțele constante între punctele de referință, astfel ETRS89 coincide cu ITRS la epoca 1989.0, fixat de partea stabilă a plăcii Eurasiatice. De la data adoptării și până în prezent între cele două sisteme de coordonate există o diferență de aproximativ 60 cm. Uniunea Europeană recomandă statelor membre adoptarea acestui sistem de referință (o proporție de 78% din statele membre l-a adoptat deja) și are următoarele caracteristici:

originea coincide cu centrul de greutate al Pământului;

orientarea axelor este:

axa X se află la linia de intersecție dintre planul meridian de origine (IERS Reference Meridian, IRM) și planul perpendicular pe axa Z în geocentru (origine);

axa +Y constituie un sistem tobbsodrasu cu axele +X și +Z,

axa +Z este orientată spre polul determinat de IERS (IERS Reference Pole, IRP); orientările de bază (IRP și IRM) ale ITRS sunt în concordanță cu orientările de bază ale sistemului BTS (mai demult CIO-BIH), în intervalul ±0,005"

coordonatele în ETRS89 sunt exprimate fie ca și coordonate carteziene (X,Y,Z) tridimensionale, fie ca și coordonate tridimensionale elipsoidale (φ,λ,h)

Figură – Caracteristicile elisoidului ETRS89

Sisteme de proiecție

Proiecția UTM (Universal Transversal Mercator)

UTM este sistemul de proiecție cel mai mult folosit pentru sistemului de referință WGS84. Este o varianță a proiecției Gauss-Krüger, având o importanță deosebită în ultimul timp pentru România.

Reprezentarea suprafeței Pământului în planul proiecției se face cu ajutorul eipsoidului de referință internațional WGS84. Reprezentarea cartografică se face în intervalul delimitat de paralele de 80° latitudine sudică și 84° latitudine nordică, pe fuse de 6° longitudine.

Reprezentarea se face pe principiul unui cilindru transversal care intersectează suprafața elipsoidului prin două meridiane marginale (secante), simetrice față de meridianul axial al fusului de 6°.

Figură – Proiecția UTM (www.earth.unibuc.ro)

Proiecția stereografică pe plan secant unic 1970

Revenirea la proiecția stereografică pe plan secant unic, în anul 1970, s-a realizat cu scopul reducerii deformațiilor marginale mari ale fusurilor rezultate din proiecția Gauss-Krüger. Odată cu adoptarea proiecției stereografice 1970, s-a introdus în România ca sistem de referință pentru cote, nivelul Mării Negre.

Planul secant unic constă prin coborârea cu i=1389,478 m a planului inițial tangent în centrul țării și pe acesta se proiectează punctele de pe suprafața elipsoidului din centrul de proiecție diametral opus punctului de tangență.

Fig. Proiecția stereografică 1970 (www.earth.unibuc.ro)

La nord-est de orașul Făgăraș se găsește centrul arcului de tangență, unde inițial a fost amplasată originea O a sistemului de axe rectangulare, de coordonate plane X0=0, Y0=0, respectiv de coordonate geografice B0=46° latitudine nordică, L0=25° longitudine estică. Acest sistem de axe rectangulare împarte România în patru cadrane, astfel încât doar coordonatele cuprinse de la originea O spre nord și cele spre est sunt pozitive, restul coordonatelor fiind negative. Pentru ca toate punctele de pe teritoriul României să fie cuprinse într-un singur cadran, cu coordonate rectangulare plane pozitive, originea sistemului de axe rectangulare O a fost translatată cu 500.000,000 m pe ambele axe (X,Y), fiind amplasat în apropierea orașului Belgrad.

Teritoriul României are o formă aproximativ rotundă, astfel întreaga țară se poate reprezenta pe un singur plan de proiecție, în care există un cerc de deformații nule de rază ρ0=201.718 km. În ceea ce privește deformațiile liniare și areolare, acestea sunt negative în interiorul cercului de deformații, atingând valoarea de -25 cm/km în centrul proiecției. Valorile cresc odată cu mărirea distanței. La o distanță aproximativă de 202 km față de centrul real al proiecției ajung la valoara zero, iar în afara cercului de deformații areolare, sunt pozitive, ajungând până la +65.00 cm/km în punctele extreme ale țării..

Proiecția stereografică 1970 este conformă, deci figurile infinit mici de pe elisoid se reprezintă în planul de proiecție prin figuri asemenea.

Transformarea coordonatelor geografice în coordonate stereografice 1970 se face pe baza unui algoritm propus de Vladimir K. Hristov.

Figură – Cercul de deformațiilor nule (www.earth.unibuc.ro)

Pentru transformarea coordonatelor din plan tangent în polul Q0 (xt,yt) la elipsoid, în plan secant de rază ρ0 (xs, ys), se utilizează un coeficient de reducere :

c = 1 – =0,999750000 (V.1)

xs = xt * c (V.2)

ys = yt * c (V.3)

Pentru transformarea inversă, coordonatele din planul secant se multiplică cu coeficientul:

c' = = 1000250063 (V.4)

xt = xs · c' (V.5)

yt = ys · c' (V.6)

Calculul deformațiilor liniare și areolare se face pe baza formulelor:

Modulul de deformație liniară în planul proiecției stereografice 1970:

μs = c + (V.7)

unde:

– R0 = 6 378 956 m este raza medie de curbură la latitudinea 0 ;

– xs, ys sunt coordonate stereografice 1970.

Modulul de deformație areolară:

ρ = (V.8)

Deformațiile areolare relative au valori cuprinse între –5,00 mp/ha în polul proiecției și +12,76 mp/ha la distanța de 380 km față de acest punct.

Proiecția stereografică pe plan secant unic 1970 este o proiecție perspectivă, conformă, în care se păstrează nedeformate unghiurile, dar sunt afectate de deformații distanțele si suprafețele.

Sisteme de pozitionare

Conceptul GNSS

GNSS (Global Navigation Satellite System) utilizează tehnica de poziționare prin intermediul sateliților pentru a furniza utilizatorilor informații actuale și precise de navigație.

În principiu, un sistem GNSS trebuie să includă:

informații în timp real pentru navigare;

verificarea autonomă a integrității (acuratețea soluției de navigație într-un timp scurt);

precizie suficientă pentru navigarea în siguranță.

Poziționarea are ca scop determinarea coordonatelor unui punct din spațiu, într-un anumit sistem de referință. 

Orice sistem GNSS conține trei segmente majore:

Segmentul spațial – format dintr-o constelație de sateliți, fiecare satelit emițând semnale RF modulate cu coduri și mesaje de navigație. Ei sunt considerați purtători ai propriilor coordonate;

Segmentul de control – format dintr-o rețea de stații de control situata la sol, utilizată la supravegherea sateliților și actualizarea mesajelor de navigație ale sateliților;

Segmentul   utilizator   –   reprezintă totalitatea receptorilor GNSS de pe suprafața Pământului, dedicate  pentru   recepția,   decodarea   și   procesarea codurilor și a mesajelor de navigație, și calculează poziția și/sau viteza utilizatorului.

În prezent există mai multe sisteme de poziționare cum este reprezentat în Tabelul VI-1.

Tabel – Sisteme de navigație prin sateliți

NAVSTAR GPS

Punctul de pornire al sistemelor de navigație bazate pe sateliți artificiali îl reprezintă descoperirea efectului Doppler, ce se putea observa în semnalul transmis de un satelit, utilizat pentru determinarea exactă a timpului când satelitul se afla cel mai aproape de suprafața terestră. Această descoperire, corelată cu calcularea efemeridelor satelitului conform legilor lui Kepler a dus la determinarea instantanee a poziției oriunde în lume. Astfel în 1958 s-a proiectat sistemul de navigație Navy Navigation Satellite System, cunoscut și sub denumirea TRANSIT, sistem ce a fost operațional în anul 1964. Acesta era alcătuit din 6 sateliți ce erau plasați pe orbite aproape circumpolare la o altitudine de aproximativ 1100 km.

Cele două mari probleme ale sistemului TRANSIT :

datorită sateliților de joasă altitudine (LEO – Low Earth Orbit) s-a remarcat o instabilitate destul de mare a orbitelor, ce conducea la o precizie de poziționare pentru navigație destul de mică.

nu asigura o poziționare continuă datorită ”golurilor” lăsate de prea puțini sateliți, care în apropierea ecuatorului ajungeau chiar la 6 ore.

Sistemul NAVSTAR GPS (NAVigation System with Time And Ranging Global Positioning System), cunoscut și GPS, a fost dezvoltat pentru a înlocui sistemul TRANSIT. A fost dezvoltat de către Departamentul Apărării Statelor unite ale Americii în perioada 1974-1994, în scopul performanțelor navigaționale.

Sistemul constă din trei segmente:

segmentul spațial;

segmentul de control;

segmentul de utilizator.

Segmentul spațial

Sistemul de Poziționare Globală (GPS) este un sistem de radio-navigație globală, format dintr-o constelație de 32 sateliți plasați uniform pe orbite, cu o înclinație orbitală de 55°, înălțimea orbitlă mare 20200 km. Orbitele sunt aproape circulare, iar timpul de revoluție al unui satelit este de circa 11 ore 58 secunde. Un satelit efectuează două revoluții complete, când Pământul a efectuat o rotație de 360° (o zi siderală). Întrucât între ziua siderală și ziua solară există o diferență de exact 4 minute, se modifică și momentele de aparție și apunere a sateliților cu această valoare (satelitul apare și apune cu 4 minute mai devreme față de ziua precedentă).

Sateliții GPS includ platforme emițătoare radio, ceasuri atomice, computere precum și variate echipamente auxiliare necesare pentru operarea întregului sistem. Identificarea lor se poate face după data de lansare, numărul de ordine acordată de NASA, numărul poziției orbitale sau după numărul PRN.

Salteliții GPS sunt de mai multe tipuri:

Block I, cuprinde sateliți lansați în perioada 1979 – 1985, erau sateliți prototipi cu o durată de funcționalitate de 5 ani. Ultimul satelit de acest tip a funcționat până la sfârșitul anului 1995.

Block II, primul satelit din această generație a fost lansat în anul 1989, durata de funcționare de aproximativ 7,5 ani. Această gamă de sateliți erau prevăzuți cu 4 ceasuri atomice (două cu Celsiu și două cu Rubidiu) și tehnici de protecție SA (Selectiv Aviability) și AS (Anti Spoofing).

Block IIA, primul satelit din această generație a fost lansat în noiembrie 1990. Sateliții din această gamă sunt mult mai performanți (A – Advenced) față de generațiile anterioare, pot comunica cu alți sateliți.

Block IIR, perioada de lansare a sateliților a început în anul 1995, durata lor de funcționare a fost estimată la 10 ani. Acești sateliți pot măsura distanța față de alți sateliți și sunt prevăzuți cu ceasuri atomice cu hidrogen.

Block IIM, (M are semnificația "Modernized" – modernizat) vor începe să fie lansați din iulie 2004.

Block IIF, sateliți lansați în anul 2010, cu o durată de viață minim 10 ani. Această generație dispune de sisteme inerțiale de navigație precum și de o structură avansată a semnalului.

Block III, prima lansare a unui satelit de acest tip se estimează pentru anul 2016. Se preconizează ca vor fi lansați în trei intervale GPSIIIA, GPSIIIB și GPSIIIC și vor prezenta o tehnologie inovatoare pentru măsurători geodezice.

Sateliții GPS sunt prevăzuți cu ceasuri (oscilatoare), un microprocesor, un emițător și o antenă pentru a emite semnale. Oscilatoarele din sateliți generează o frecvență nominală fundamentală de 10,23 MHz. Multiplicarea frecvenței fundamentale cu 154 și 120 generează două unde purtătoare în banda L, așa numitele semnale L1 și L2, care au următoarele caracteristici:

L1 = 10,23 MHz x 154 = 1575,42 MHz cu lungimea de unda λ2 ≈ 19.05cm (VI.1)

L2 = 10,23 MHz x 120 = 1227,60 MHz cu lungimea de unda λ2 ≈ 24.45 cm (VI.2)

Utilizarea frecvențelor duble reprezintă un avantaj esențial deoarece se pot reduce cele mai importante surse de erori și anume refracția ionosferică.

Segmentul de control

Atribuțiile principale ale segmentului de control sunt:

calcularea efemeridelor sateliților;

determinarea corecțiilor pentru efemeridele satelitare, (inclusiv implementarea tehnicilor SA (Selective Availability) și AS (Anti- Spoofing) la sistemul NAVSTAR – GPS);

controlul integral al sistemului;

menținerea standardului de timp, prin supravegherea stării de funcționare a ceasurilor satelitare și extrapolarea mersului acestora;

transferul mesajelor de navigație spre sateliți;

Figură – Localizarea pe glob a stațiilor de control

„Segmentul de control al sistemului NAVSTAR – GPS este format din 5 stații, acestea putându-se clasifica în funcție de sarcini și funcționalități în: stația de control principală (Master Control Station), stații monitoare și stații de control la sol.

Stația de control principală (Master Control Station) din Colorado Springs colectează toate datele de la stațiile monitoare și calculează predicțiile pentru orbitele sateliților într-un sistem de coordonate cartezian geocentric precum și pe elipsoidul echipotențial World Geodetic System 1984 (WGS-84). Aceste rezultate sunt transmise ca mesaj de navigație la stațiile de control de la sol. Tot în sarcina stației principale de control intră și determinarea corecțiilor efemeridelor sateliților. În acest sens sateliții sunt prevăzuți cu antene de recepție, un sistem de propulsie pentru a executa corecțiile de traiectorie și un sistem de control a stabilității.

Stațiile monitoare, pe lângă cea din Colorado Springs, sunt amplasate în bazele militare americane din Hawaii, Kwajalein (în insulele Marshall din Oceanul Pacific), Diego Garcia (insulă în Oceanul Indian) și Ascension (insulă în sudul Oceanului Atlantic). În stațiile monitoare sunt înregistrate date de la toți sateliții vizibili, sunt măsurate date metereologice, se face o preprocesare a datelor (filtrări, statistici etc.), care apoi sunt transmise stației de control principale pentru prelucrarea finală.

Ca stații de control la sol figurează Kwajalein, Diego Garcia și Ascension. În esență aceste stații sunt prevăzute cu antene la sol de emisie, prin care sunt transmise mesajele de navigație spre sateliți. De regulă, aceste date sunt transmise de 1 – 3 ori pe zi. Cele cinci stații ale segmentului de control operațional sunt suficiente pentru determinarea efemeridelor, care sunt denumite efemeride transmise (Broadcast), care sunt mai puțin precise și sunt transmise prin mesajul de navigație de la satelit la utilizator. În cazul în care stațiile de la sol nu ar mai funcționa, în sateliți există mesaje de navigație precalculate, astfel încât precizia de poziționare a lor va descrește gradat.

Deoarece sistemul GPS a fost dezvoltat de armata americană în scopuri militare, s-au implementat două metode pentru a împiedica utilizarea completă a sistemului de către utilizatorii civili. D.o.D. (Departement of Defense) își rezervă toate drepturile asupra întregului sistem GPS, fără să comunice în prealabil utilizatorilor unele carențe de utilizare.

Tehnica SA (Selective Availability) – este o reducere voită a preciziei pentru poziționarea în timp real, deci influențează mai ales navigația. Diminuarea preciziei este realizată pe de o parte prin manipularea controlată a ceasului din sateliți (procesul dither), când se produc erori controlate de perioadă lungă și scurtă în toate mărimile măsurabile (coduri și purtătoare), iar pe de altă parte printr-o denaturare controlată a efemeridelor transmise (procesul epsilon). Mărimea denaturării controlate a datelor poate fi dirijată de la segmentul de control al sistemului. Fără tehnica SA activată, se estimează că precizia poziționării în timp real cu codul C/A este de 15 – 30 m. Cu tehnica SA activată potențialul de precizie se reduce la cca. 100 m în poziționarea planimetrică și la cca. 140 m în poziționarea altimetrică. În general însă, nu se poate da o regulă generală pentru estimarea preciziei de poziționare în timp real, întrucât gradul de denaturare a datelor prin tehnica SA depinde exclusiv de segmentul de control al sistemului și este influențat de politica mondială la un moment dat. În mod oficial tehnica SA a fost implementată pentru prima dată la 25 martie 1990 pentru toți sateliții din generația „Block II”. Din 2 Mai 2000, tehnica SA este dezactivată.

Tehnica AS (Anti Spoofing) – produce o recodificare a codului P. Noul cod rezultat se numește codul Y și este accesibil numai unui grup restrâns de utilizatori autorizați. Navigația în timp real cu codul P este substanțial mai precisă față de navigația cu codul C/A și poate aduce avantaje substanțiale în cazul unei conflagrații. Dacă adversarul reușește însă să emită un semnal asemănător cu cel GPS, rezultatul poate deveni dezastruos. Acesta a fost motivul principal pentru care s-a recodificat codul P. Inițial era planificat ca tehnica A-S să fie activată după atingerea fazei finale din punct de vedere militar – FOC (Full Operational Capability) – , când segmentul spațial al sistemului era prevăzut numai cu sateliți din generația "Block II". Surprinzător pentru toți utilizatorii a fost însă activarea permanentă a tehnicii SA încă din ianuarie 1994, astfel încât codul P este accesibil numai utilizatorilor autorizați.”[]

Segmentul utilizator

Semnalele emise de sateliți sunt recepționate de receptoarele GNSS. O instalație GNSS are următoarele componente:

– receptor GNSS;

– antenă cu amplificatorul de semnal;

– oscilatorul de înaltă frecvență;

– microprocesorul;

– unitatea de control;

– memoria pentru stocarea datelor;

– sistemul de alimentare cu energie;

– suport telescopic de prindere pentru unitatea de control.

Figură – Componentele unei instalații GNSS

Segmentul utilizator este alcătuit dintr-o multitudine de receptoare GNSS.

GNSS deține atât utilizatori militari cât și utilizatori civili. Fiind un sistem militar, fiecare navă, avion, vehicul terestru al armatei este prevazut cu receptoare de navigație GNSS pentru a-și coordona operațiunile militare.

Utilizarea civilă a sistemului GPS a evoluat într-o manieră care nu a fost prevăzută nici chiar de proiectanții sistemului. Odată cu introducerea modelului interferometric, a început o adevărată explozie a utilizării receptoarelor GNSS în scopuri geodezice.

Utilizarea civilă în alte scopuri decât cele geodezice este însă majoritară. Receptoare GNSS au devenit componenta de baza a multor domenii, cum ar fi: robotica, geodezie, transport, telecomunicații, agricultură, aviație, siguranța publică și prevenirea dezastrelor, sincronizare de timp, turism, etc

GLONASS

GLONASS (GLObal NAvigation Satellite System) 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 are actualmente 24 de sateliți complet funcținali, care asigură o funcționalitate 100% a sistemului, respectiv a unei accoperiri globale.

Nodurile ascendente a celor trei planuri, pe care sunt amplasate sateliții GLONASS sunt dispuse la 120°, fiecare plan conținând 8 sateliți cu distanță egală dîntre ei. Orbitele sunt aproximativ circulare, cu o înclinare de 64,8°, și orbitează Pământul la o altitudine de 19100 km, care produce o periodă de revoluție de aproximativ 11 ore și 15 minute. Planurile însuși au o deplasare de latitudine de 15°, din care rezultă faptul că la un moment dat, doar unul dîntre sateliți trece peste ecuator, nu trei deodată. Organizarea lor s-a făcut în așa fel încât, dacă constelația este deplin populată, se pot „vedea” minim 5 sateliți în același timp, indiferent de locația de pe suprafața terestră.

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. O caracteristică aparte a sistemului GLONASS o reprezintă faptul că pentru transmiterea semnalelor, se folosește o frecvență de bază (pentru fiecare undă purtătoare), la care fiecare satelit adaugă o frecvență înmulțită cu un număr de ordine n, rezultând în frecvențe diferite pentru fiecare satelit în parte (în comparație cu NAVSTAR-GPS, care folosește aceeași frecvență de bază pentru sateliți, iar numărul PRN propriu este codat pe semnal.

Sateliții GLONASS poartă denumirea de URAGAN. Sateliții cu denumirea de Uragan-M (sau GLONASS-M), erau dezvoltate încă din 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.

A treia, cea mai nouă generație de sateliți poartă denumirea de Uragan-K (GLONASS-K). Aceștia sunt proiectate pentru o durată de funcționare de 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.

Segmentul de control al GLONASS se află în întregime pe teritoriul fostei Uniuni Sovietice. Centrul de Comandă și Standardul pentru Timp se află la Moscova, iar stațiile de telemetrie și urmărire sunt amplasate în St. Petersburg, Ternopol, Eniseisk, Komsomolsk-na-Amure.

Sistemul GLONASS utilizează un datum denumit PZ-90 (Parametry Zemli 1990 – Parametrii Pământului 1990), care diferă de WGS84. Îmbunătățirea recentă a acestui datum înseamnă că diferențele față de WGS84 nu depășesc în nici un punct de pe suprafața globului 40 cm, în oricare direcție. Totuși, pentru determinări geodezice folosind ambele sisteme, este necesară efectuarea unor calcule suplimentare pentru determinarea acestor corecții de coordonate.

BEIDOU (COMPASS)

BeiDou (Satellite Navigation and Positioning System) este un proiect al Chinei pentru a dezvolta un sistem indepenent de navigare prin sateliți. Sistemul Beidou-1 (care constă din 4 sateliți) este una experimentală, cu acoperire și funcționare limitată. Totuși, China și-a propus să dezvolte un adevărat sistem global de navigare, sub denumirea Beidou-2 sau Busola (Compass). Acest sistem are deja șase sateliți complet funcționali pe orbită. Sistemul nou va fi alcătuit din 35 de sateliți, din care 5 vor fi sateliți pe orbită geostaționară, iar 30 la o orbită medie, care vor asigura o acoperire totală a globului. Vor fi două nivele de servicii: una gratuită pentru civili, și unul cu licență pentru armată.

Spre deosebire de NAVSTAR GPS și GLONASS, sistemul Beidou-1 folosește și sateliți pe o orbită geostaționară. Asta înseamnă că sistemul nu are nevoie de o constellație mare de sateliți, dar totodată limitează acoperirea pe glob. Suprafața care poate fi deservită de acest sistem se află între 70°E și 140°E, respectiv între 5°N și 55°N. Sateliții sunt bazați pe modelul satelitului chinez geostaționar de comunicații DFH-3 și aveau o greutate de lansare de 1000 kg.

GALILEO

Sistemul de poziționare 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 pentru Global Positioning System (NAVSTAR GPS), întreținut de SUA și pentru GLONASS, operat de Rusia.

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 GPS sau GLONASS, îmbunătățirea serviciului de poziționare la latitudini mai mari, și furnizarea unui sistem de poziționare independentă pe care națiunile Uniunii se pot baza chiar și în cazul unor neînțelegeri politice.

Constelația completă va fi alcătuită din 30 de sateliți, dispuși pe 3 planuri orbitale, cu o înclinare de 56° față de planul ecuatorial (9 sateliți operaționali și unul de rezervă pe fiecare plan orbital), având o înălțime orbitală de 23.222 km. Inițial s-au lansat doar doi sateliți experimentali (GIOVE-A și GIOVE-B), iar recent au fost lansate încă 4 sateliți IOV (in orbit validation), pentru testarea funcționării sistemului și a semnalului emis.

Observațiile de pseudodistanță și de fază purtătoare

Pseudodistanța și faza undei purtătoare sunt cele mai importante observații folosite în poziționarea GNSS. Există soluțiii care folosesc doar pseudodistanța, sau doar faza undei purtătoare, sau o combinație a acestora. Soluțiile mai vechi se bazau pe pseudodistanță. Recent, chiar poziționarea pe un singur punct include observații de fază. Observațiile de fază a undei purtătoare sunt întotdeauna necesare pentru măsuratori precise, la nivel de centimetru. În general la procesarea algoritmilor sunt folosite combinațiile liniare. Cele mai populare exemple sunt diferențele double și triple.

Scopul măsuratorilor de cod și de fază este determinarea pozițiilor absolute (poziționare pe un singur punct) sau pozițiile relative între stațiile coobservatoare (poziționări diferențiale sau relative). Aceste ecuații de asemenea reprezinta bazele estimării parametrilor ionosferici, troposferici, transferului de timp, cu ajutorul sistemului GNSS.

În ceea ce urmează, literele mici p și q reprezintă în general sateliții, pe când k și m se referă la receptori. În poziționarea relativă unde doi sau mai mulți receptori efectuează observați în același timp, ne referim la conceptul de satelit bază și o stație bază. Litera p reprezintă satelitul bază, pe când litera k stația bază. Putem considera p și q ca numere PRN ale satelitului sau pur și simplu ca numere secvețiale care identifică sateliții. Frecvențele purtătoare L1 și L2 sunt definite de indicii 1 și 2. Folosind această notare vom scrie cu observațiile de pseudodistanță pe frecvența L1 de la stația k la satelitului p. Notația respectivă pentru faza putătoare L1 în cicluri este . Simbolul se referă la fazele purtătoare scalate în funcție de distanță. Vom folosi indiciele P, φ și Φ care fac referire la faze purtătoare sau la pseudodistanțe. De exemplu, vom identifica decalajul ionosferic al măsurătorilor de pseudodistanță-L2 de la stația k la satelitului p.

Adesea, exponentul și indicele indică de asemenea funcții specifice ale observațiilor de fază sau cod. De exemplu, dacă notăm o epocă de măsurători cu t, diferența simplă (SD) și diferența doublă (DD) sunt definite astfel:

Această notație nu folosește virgula între indici, cum ar fi k și m, sau p și q, Combinațiile km și pq sunt folosite aici pentru a face diferența între ”k-m” și ”p-q”. Diferența triplă (DT) se referă la diferența în timp,

(VII.2)

Diferența dintre sateliți este identificată cu:

(VII.3)

Receptorul setează sesiunile de observație automat și fac măsurători pentru mai mulți sateliți (în general pentru toți sateliții vizibili) în aceași epocă de observare. Utilizatorul poate poate seta rata datelor de ieșire. În continuare vom nota timpiul doar cu litera t.

Pseudodistanța și faza purtătoare

Pseudodistanța face referire la distanța dintre satelit și antena receptorului, fiind folosită în epoca emisiei și recepției codurilor. Timpul de transmisie al codurilor se măsoară corelând coduri PRN identice generate de satelit, cu cele generate automat de receptor. Dispoitivul de generare a codului din cadrul receptorului schimbă șablonul automat al codului PRN până are loc corelarea optimă. Codurile generate de receptor sunt bazate pe ceasul propriu al acestuia, iar codurile transmise de satelit sunt generate de ceasul satelitului. Astfel inevitabil apare o eroare de corelare, datorită diferențelor de ceas din satelit și receptor, care va face ca pseudodistanța măsurată să difere față de distanța geometrică care corespunde momentelor de emisie recepție. Pseudodistanța se utilizează la codurile P(Y) și C/A.

Ecuația observațiilor de cod poate fi reconstruită luând în calcul prima distanță spațială în vid:

(VII.4)

Distața geometrică (distanța în vid) străbătută de cod de la stelitul p până la antena receptorului k.

Timpul real al momentului când codul a intrat în antenă. Timpul nominal, adică, timpul de citire al receptorului, este notat cu Acest timp nominal este eronat cu .

Timpul real al momentului de transmisie a codului. Timpul nominal al satelitului, adică timpul de citire a satelitului, este notat cu , Acest timp nominal al satelitului este eronat cu

c Viteza luminii.

Există o legătură directă liniară între coduri și ora ceasului nominal. Secvența de cod generată este definită de timp, ca un parametru. Astfel, timpul nominal al satelitului stabilește care cod pleacă de la satelit și când. Același lucru este valabil și pentru timpul nominal al receptorului și generarea secvenței de cod. Măsura pseudodistanței este, astfel, o funcție a timpilor nominali. Pentru vid avem:

(VII.5)

unde reprezintă pseudodistanța

Expresia matematică pentru observațiile de pseudodistanță trebuie să ia în considerare efectele ionosferice și a troposeferice, precum și întârzierile cauzate de hardware-ul satelitului și al receptorului. Adăugând indicele pentru identificarea frecvenței, expresi pentru observații de pseudodistanță devine :

(VII.6)

(VII.8)

Acesta este de asemenea distanța geometrică în vid care este calculată din coordonatele receptorului ECEF și cele ale satelitului , luând în considerare rotația pământului în timpul propagării semnalului. Dat fiind timpul nominal , adăugăm corecția de fus orar dat de transmiterea mesajului, pentru a calcula și estima timpul real . Pentru că sateliții sunt dotați cu ceasuri atomice care sunt monitorizate cu grijă și sunt destul de stabili, putem spune cu certitudine că eroarea reziduală din este mai mică de o microsecundă. Pentru o evaluare a razei topocenrice de m/s, eroarea de calcul a distanței este de dρ<1mm datorită d. Această eroare este neglijabilă.

Întârzierea ionosferică a codului P(Y) la L1. Această întârziere este întotdeauna pozitivă. Depinde de condițiile ionosferice în timpul transmisiei și de frecvență.

Eroarea troposferică. Această întârziere este întotdeauna pozitivă. Depinde de condițiile troposferice dar este independentă de frecvența receiverului. Astfel, nu este nevoie să identificăm frecvența.

Eroarea de hardware a receptorului. Această întârziere nu depinde de satelitul observat.

Eroarea de multi parcurs sau „multipath”. Această eroare depide de direcția satelitului.

Eroarea de hardware a satelitului.

Zgomotul de măsurare a pseudodistanțelor (aproximativ 30 cm pentru pseudodistanța codului P(Y) și mai mare în cazul pseudodistanțelor de cod C/A, care depind de tehnologia folosită).

Pseudodistanța (VII.6) ar fi echivalentă cu distanța geometrică de la satelit din momentul transmisie, până la receptor în momentul recepției, dacă mediul de propagare ar fi un vid și dacă nu ar exista erori de timp sau alte deviații.

Fază este suma secvențelor fazei purtătoare la frecvența nominală f1, care ajunge la antenă în timp nominal tk, și o integrală constantă necunoscută reprezentând procesul complet. În cicluri ecuația pentru faza purtătoare L1 este:

(VII.9)

(VII.10)

Acestă expresie diferă de pseudodistanță (VII.6) după cum urmează:

Ambiguitatea totală: această integrală se referă la prima epocă de observații și rămâne constantă pe toată perioada observațiilor. Pe durata acestei perioade, receptorul înregistrează diferențele de fază dintr faza de intrare și fazele generate automat de receptor. Receptorul, generează de fapt o mulțime de observații de fază purtătoare care arată schimbările de distanță față de satelit. Seriile de observații sunt continue până când are loc o eroare de ciclu, care introduce un salt al integralei. După ce a avut loc această eroare de ciclu, seria de observații continuă cu o nouă integrală constantă .

Progresul ionosferic al fazei purtătoare-L1. Această valoare este negativă. Valoarea numerică este o funcție a frecvenței și a condițiilor ionosferice din timpul procesului.

Temporizările hardware și efectele multipath asupra fazei purtătoare L1.

Zgomotul de măsurare a fazei L1 (<0.01 cicluri)

Faza purtătoare poate fi redusă la unități de lungime înmulțind cu . Astfel devine VII.9:

(VII.11)

Indicele Φ presupune că, cantitățile respective sunt unități de lungime, de exemplu

.

Receptorii observă fazele purtătoare și pseudodistanțele la mai mulți sateliți în același timp. În zilele noatre, receptorii generează aceste observabile pentru toți sateliții vizibili la același timp nominal pentru frecvențele L1 și L2. Astfel, eroare de timp a receptorului și temporizările hardware sunt aceleași pentru toate observațiile dintr-o epocă. De când sateliții GLONASS transmit la frecvențe diferite, o atenție specială trebuie acordată erorilor de timp ale receptorului când vorbim despre fazele purtătoare.

Metode de lucru GPS

Metoda statică

La această metodă pe lângă receptoarele din stația de referință sunt și stațiile noi staționare pe parcursul unei sesiuni de lucru. Pentru a putea rezolva problema ambiguităților de la măsurătorile de fază cu unda purtătoare, este nevoie de un timp îndelungat de observație. Durata unei sesiuni depinde de lungimea bazei care se măsoară, de numărul sateliților recepționați și de geometria constelației satelitare. Ca o estimare a preciziei în măsurătorile relative, se poate considera ± 5 mm (3mm) +1 ppm din lungimea bazei. Această metodă reprezintă metoda principală pentru crearea rețelelor geodezice de sprijin.

Metode statice de pozitionare:

Metoda statică absolută – Nu asigură precizie necesară măsurătorilor geodezice.

Metoda statică relativă

Metoda statică clasică

Metoda statică rapidă (fast-static)

Metoda statică cu reîntoarcere

Metoda statică relativă

La realizarea lucrărilor de geodezie, de orice ordin cu tehnologia GNSS, metoda statică relativă asigură cele mai bune precizii.

Precizia obținută, este direct proporțională cu timpul de staționare și înregistrarea semnalelor de la sateliții (sesiuni), tipul receptorului, utilizarea orbitelor precise, etc. Această metodă se bazează pe calcularea difernțelor simple, duble și triple.

Diferența simplă

Se cosideră două receptoare amplasate în punctele de statie A si B, din care se observã simultan, satelitul j (Figura VII.1) care emite continuu semnale GNSS, deci fără întreruperi (cycle slip).

Figură – Difernțe simple

Se pot scrie, pentru fiecare punct, ecuația mãsurãtorilor de fază:

(VII.1)

Făcând diferența între cele douã ecuatii, se obține:

(VII.2)

Diferența simplă elimină o parte din eroarea asincronismul ceasului de pe satelit, atât cât este comun la cele două ecuații. Acționează în continuare cotele de eroare datorate ceasurilor celor două receptoare și cotele de eroare datorate termenilor ambiguităților de fază.

Comparând observațiile primite de la satelit, vom obține ecuația diferenței simple:

(VII.3)

unde:

Diferența distantanțelor geometrice parcursă de cod, de la satelitul j la receptorii A, B în același timp.

Ambigutatea

Diferența dublă

Se cosideră două receptoare amplasate în punctele de statie A si B (Figura VII.2) din care se observă simultan sateliții j și k, care emit continuu semnale GNSS cu frecvențe identice, adicã fj = fk, fără întreruperi. Se pot scrie două ecuații de diferență simplă conform relației (VII.3):

(VII.4)

Figură – Difereța dublă

Admițând egalitatea frecvenței semnalelor emise de la cei doi sateliți, scăzând cele două ecuații (VII.4) de diferență simplă, obținem:

(VII.5)

Utilizând notațiile de la grupul de formule introduse pentru diferența simplă, putem scrie ecuația pentru diferența dublă:

(VII.6)

Formula VII.6 elimină erorile generate de ceasurile receptoarelor cu ajutorul celor două ecuații ale diferențelor simple si permite determinare necunoscutelor ambiguităților de fază.

Eliminarea erorilor datorate ceasurilor receptoarelor este rațiunea și caracteristica de bază a tuturor programelor de prelucrare a măsurătorilor GNSS, cu obligația ca toți sateliții să emită în aceeași frecvență, iar observațiile să fie executate simultan.

Termenii relatiei VII.6 se pot scrie în mod explicit, după cum urmează:

(VII.7)

unde:

Diferența distantanțelor geometrice parcursă de cod, de la perechi de sateliți j,k la receptorul A, respectiv B în același timp.

Ambigutatea

Diferenta triplã

Pentru a elimina ambiguitățile de fază, necunoscute, deoarece acestea sunt independente de timp, utilizăm diferența celor două duble diferențe la epocile t1 și t2.

Figură – Diferențe triple

Ecuția de la VII.6, se particularizează pentru epocile t1 și t2:

(VII.8)

Se presupune că observațiile sunt fără întreruperi, condiție în care termenii ambiguităților continuă să fie constanți. Făcând diferențele celor două relații din grupul de formule VII.8, se obține ecuația diferenței triple:

(VII.9)

Avantajul principal al triplei diferențe, este că elimină necunoscutele ambiguități, astfel este independentă de schimbările ambiguității de fazã (cycle slip).

Metoda statică rapidă

O reducere substanțială a duratei sesiunilor de lucru se poate atinge cu metoda statică rapidă (Rapid-static), fiind folosite unele proceduri modificate pentru estimarea ambiguităților. Metoda ne poate oferi rezultate excepționale la determinări de baze scurte, cu constelații satelitare foarte bune și cu receptoare de dublă frecvență. Precizia este estimată la ± 5 mm + 1 ppm. Metoda este des utilizată la îndesirea rețelelor de sprijin și în reperajul fotogrametric.

Metoda statică clasică

Metoda statică presupune existența a minim doi receptori GNSS amplasați pe două puncte materializate pe teren. Cei doi receptori primesc semnal de la aceiași mimin 4 sateliți si au timpul de staționare comun. Distanța dintre aceștia trebuie să fie minim de 2 metri. Maximul de distanță este legat de vizibilitatea celor patru sateliți comuni. Cu cât distanța este mai mare, cu atât crește și timpul de staționare. Acest minim de 4 sateliți nu este suficient pentru determinarea unui punct cu o precizie ridicată. De asemenea, pentru obținerea unui randament mai bun și a unor precizii mai bune, crește și numărul receptorilor, la care se pot adăuga inclusiv stațiile permanente.

Metoda cinematică

Este o metodă de determinarea pozițiilor punctelor într-un interval de timp foarte scurt de observație. La începutul măsurătorilor este necesară determinarea ambiguităților pentru măsurătorile de fază cu undele purtătoare.

În acest caz unul dintre receptori trebuie să reprezinte baza, care trebuie să fie fix și celelalte sunt rovere, iar după ce s-a făcut inițializarea măsurătorilor, roverele fiind trecute prin punctele noi, cu condiția să fie asigurat în permanență legătura spre minim patru sateliți pe care s-a făcut inițializarea. Mișcarea receptorilor se poate face continuu, sau pentru sporirea preciziei se staționează o perioadă foarte scurtă în punctele noi. În această situație vorbim de metoda „stop and go”. Preciziile care se obțin cu această metodă, se situează într-un interval centimetric.

Metode cinematice de pozitionare:

Metoda cinematică absolută

Metoda cinematică relativă

Metoda semicinematică (stop & go)

Metoda cinematică reală

Metoda RTK (Real Time Kinematics)

Metoda cinematică relativă

Metoda cinematicã-relativã presupune existenta a doi sau mai mulți receptori, de un punct cu coordonate cunoscute, echiparea receptoarelor GPS cu modemuri de legătuă radio atât pentru receptorul fix, cât și pentru receptorul mobile (rovere).

Metoda presupune un receptor care ocupă un punct A de coordonate cunoscute

și care rămâne fix pe toată durata măsurătorilor, perioadă în care un al doilea receptor se deplasează.

Epoca de măsurare, reprezintă un interval de timp prestabilit, setat pe toate receptoarele GPS care participă la sesiunea de măsurători, statice, sau cinematice.

Ca si în cazul măsurătorilor statice, și în acest caz modelul generat de diferențele simple, duble și triple conțin distanța geometrică, care în cazul măsurătorilor cinematice, la receptoarele mobile, este variabilă în timp.

Dacă se consideră, punctul B ca punct nou, determinat de receptorul mobil prin metoda cinematică, distanța de la el , la un satelit j, este datã de relatia:

(VII.10)

de unde se poate observa dependența, coordonatelor punctului B, de timp. Modelul matematic, conține ca necunoscute cele trei coordonate spațiale ale receptorului mobil, pentru fiecare epocă de măsurare.

Toate modelele de poziționare solicită, un număr de minimum patru sateliți observabili simultan. În general diferența triplă nu este utilizată în pozițonarea cinematică în condițiile în care pozția de referință se modifică de la epocă la epocă de măsurare. Omiterea ambiguității de faze, pentru simpla si dubla diferență, implică faptul că acestea devin cunoscute.

Trecând ambiguitatea la stânga în egalitățile (VII.3 și VII.4) diferențelor simple și duble, vom obține:

(VII.11)

(VII.12)

Aceste ecuații pot fi rezolvate în situația în care se cunoaște poziția inițială a receptorului mobil și a vectorul care se determină din punctul de pornire A. Cunoscând vectorul de pornire se poate determina ambiguitatea de fază inițială, precum și toate pozițiile succesive ale receptorului mobil B, până când se va pierde inițializarea.

Metoda cinematică în timp real (RTK)

RTK este o metodă de măsurare cinematică ce se derulează în timp real. Această tehnică se bazează pe o comunicare bidirecțională, iar utilizatorul necesită doar un singur receptor GNSS, sau mai mulți în cazul formării unei rețea RTK.

RTK simplu sau rețea se bazează pe același principiu, metoda simplă se conectează la o stație permanentă cât mai apropiată. Stația fixă are atașată o legătură radio și retransmite datele pe care le recepționează de la sateliți, pe cănd mobilul are o legătură radio și recepționează corecții transmise de stația fixă, recepționând de altfel și date directe de la sateliți prin intermediul propriei sale antene. Aceste două seturi de date sunt procesate împreună de receptorul mobil în scopul rezolvării ambiguității. Prin urmare se va obține o precizie ridicată, relativ la receptorul fix. Odată ce s-a realizat legătura dintre cele două receptoare GNSS și inițializarea este completă, ambiguitățile sunt rezolvate și mobilul poate înregistra puncte și coordonate. Este importantă menținerea contactului cu receptorul fix, căci altfel mobilul ar putea pierde ambiguitatea. Aceasta duce la calcularea unei poziții a punctului mult depărtată de realitate. Asemenea probleme se pot întâlni la efectuarea măsurătorilor lânga obstacole înalte (clădiri, copaci) unde semnalul sateliților ar putea fi blocat.

RTK a devenit foarte repede cea mai întâlnită metodă de obținere a unor precizii ridicate, măsurători GPS de acuratețe mare pe arii restrânse și poate fi utilizat și pentru aplicații similare celor la care se folosesc stațiile totale. Aceasta include și măsurători de detaliu, supraveghere, aplicații COGO, etc. Această metodă se poate folosi în mai multe feluri: ca RTK simplu, prin conectarea directă a receptorului mobil la stațiile permanente din rețeaua permanentă ROMPOS, ca RTK cu diferite modele matematice VRS, FKP, MAC, i-MAX (vezi capitolul VIII ), sau în rețea.

Tipuri de corecții diferențiale

Formatul RTCM de transmitere a corecțiilor folosit la detrminări RTK

Standardele acceptate la nivel internațional pentru transmisia datelor GNSS sunt definite de către „Radio Technical Commission for Maritime Services organization” (RTCM), mai exact de către Comisia Specială SC 104.

RTCM SC 104. RTCM este un format de transmisie a datelor în cadrul observațiilor GNSS (RTK retea, VRS, sau DGPS, etc) difuzat ca un flux continuu de date binare, proiectat pentru a optimiza debitul de comunicare, astfel o înregistrare completă a datelor RTCM este transmis în termen de o secundă. RTCM comprimă diverse date a unei masurători în mai multe tipuri de mesaje. Formatul RTCM SC 104 are mai multe versiuni: RTCM SC 104 2.x și RTCM SC 104 3.x.

Versiunea standardă RTCM 2.3 (10402.3) definește 64 tipuri de mesaje diferite, câteva dintre ele sunt definite în Tabelul IX-1. Mesajele constau dintr-o secvență de cuvinte de 30 de biți fiecare. Ultimele șase biți din fiecare cuvânt sunt biți de paritate. Fiecare mesaj începe cu un antet, care are o mărime de două-trei cuvinte. Primul cuvânt conține un preamblu fix, identificatorul tipului de mesaj și a stației de referință. Al doilea cuvânt conține fusul orar, numărul de ordine, lungimea mesajului și indicatorul de funcționalitate a stației de referință. În unele mesaje este adăugat și al treilea cuvânt. Mesajul complet are o lungime de 33 de cuvinte.

Tabel – Formate RTCM SC 104 2.x

Versiunea curentă a formatului RTCM are denumirea standardă RTCM 10403.1 și conține 35 tipuri de mesaje, are o mărime de 578 biți. Deoarece mesajele versiunii 3.1 nu sunt compatibile cu cele 2.x, Comitetul Special 104 prevede în mod explicit că RTCM 3.1 și RTCM 2.3 sunt cele actuale din motive de compatibilitate. RTCM 3.x are o structură nouă compactă (2kbiti/sec) pentru aplicații RTK rețea.

Figură – Conținutul formatului RTCM 3.x

VRS

Tehnica VRS (Virtual Reference Station) utilizează ca rețea de referință, stațiile fixe permanente pentru a crea o stație de referință virtuală în apropierea roverului. Astăzi, peste 95% din echipamentele care utilizează metoda RTK rețea folosesc tehnica VRS pentru a transporta pachetele de corecții in formate standardizate (RTCM 2.3, RTCM 3.0 sau CMR) de la server la utilizator. Toate receptoarele geodezice sunt fabricate astfel încât să suporte aceste formate. Pe lângă că este compatibil cu toate tipurile de receptoare rover, tehnica VRS are un avantaj prin faptul că, folostește cel mai recent model pentru toate sursele de erori, poate optimiza în permanență fluxul corecțiilor pentru poziția fiecărui rover, independent de locația în cadrul rețelei. În timp ce modelele de erori se încarcă în fiecare secundă într-o continuitate de 24/7, fiecare rover conectat la acest sistem beneficiază de modele optime, imediat după ce conexiunea cu serverul este stabilit. Metoda VRS necesită o comunicare bidirecțională, care este disponibil prin GSM, GPRS sau alte metode. Astăzi, peste 99% din rețelele RTK folosesc tehnologia bidirecțională de comunicare.

Figură – Crearea stației de referință virtuală (www.navipedia.net)

FKP

De câțiva ani, comunitatea SAPOS (Satellite Positioning) din Germania a introdus o metodă pentru radioemisia pachetelor de corecții in rețea, numită FKP. Acronimul FKP vine de la denumirea în germană Flächenkorrekturparameter, ceea ce înseamnă zonă de corecție a parametrilor. În cadrul acestui program SAPOS, furnizorii au suplimentat RTCM 2.3 standard cu o extensie proprie care conține 59 de mesaje. Acest pachet de mesaje suplimentare conține corecții ionosferice liniare și corecții geometrice din jurul unei stație de referință fizică.

Corecțiile liniare sunt recepționate de la un server de rețea care utilizează stații de referință multiple. GPSNet preia aproximațiile liniare bine filtrate sub forma unui vector de stare, ce conține informații cu privire la ionosferă și geometrie. Acești parametri liniari descriu schimbarea efectelor pe direcții Nord-Sud și Est-Vest. Deoarece utilizarea unui model liniar este o metodă foarte simplă, parametrii obținuți prin FKP pot fi utilizate doar pe suprafețe limitate din jurul unei singure stație de referință.

In prezent, mai puțin de 5% din echipamentele care utilizează metoda RTK rețea folosesc metoda FKP. Chiar și în cadrul comunității SAPOS, metoda cea mai solicitată de utilizatori este VRS. În timp ce FKP a fost în

faza de difuzare, cele mai multe echipamente îl foloseau într-un mod bidirecțional prin GSM și GPRS. Acest lucru în tehnica VRS, reprezintă un avantaj pentru rețelele mari, deoarece se alege automat cea mai apropiată stație de referință. De asemenea, tehnica VRS are un avantaj în plus în această comunicare bidirecțională, permite utilizatorului acces la control și evidență.

i-MAX

Receptoarele rover nu sunt capabile să interpreteze mesajele NRTK, format RTCM 3.1, din acest motiv au fost introduse corecțiile auxiliare-master individualizate i-MAX (individualised master-auxiliary corrections). Corecțiile i-MAX necesită comunicații bidirecționale, pentru a alege cea mai apropiată stație permanentă și a interpola corecțiile de rețea pentru poziția rover-ului. Corecțiile se bazează pe același algoritmi de interpolare utilizate de rover în cazul corecțiilor MAX și pot fi transmise prin formate RTCM 2.3 și RTCM 3.1. Tehnica i-MAX este similar tehnicii MAX, cu excepția faptului că serverul de rețea calculează corecții NRTK pentru rover și le aplică la stația master. Tehnica MAX utilizează interpolarea corecțiilor de rețea realizată de rover, utilizând informațiile complete despre rețea, dar este disponibil numai pentru rovere care acceptă mesaje RTCM 3.1.

Corecțiile MAX sunt disponibile în ambele moduri de comunicare.

Figură – Concepția i-MAX

Tehnica i-MAX este asemănatoare tehnicii VRS, prin urmare au aceleași defecte, de exemplu la determinarea corecțiilor, serverii de rețea folosesc algoritmi proprii. Insa doua diferențe importante sunt:

i-MAX folosește în totdeauna o stație de referință fizică și nu una virtuală;

În cazul în care stațiile de referință sunt la distanțe mari, aproximativ 70 km depărtare, metoda i-MAX ar putea împiedica unele rovere mai vechi, de la obținerea unei soluții fixe.

MAC

Concepția Master-Auxiliar (MAC) a fost introdusă de către Euler et. al. în anul 2001 și s-a dovedit că oferă rezultate de înaltă calitate. A fost conceputășă pentru a transmite toate corecțiile relevante de la rețeaua CORS la rover sub o formă compactă, reprezentănd nivelul de ambiguitate a datelor observate ca și corecții diferențiale a datelor dispersate pentru fiecare pereche de satelit-receptor. Două stații de referință au același nivel de ambiguitate dacă pentru fiecare lungime da fază (pereche de satelit-receptor), întreaga ambiguitate a fost eliminată prin formarea diferențelor duble.

Figură – Conceptul MAC (Volker, Jansen, IGNSS Symposium 2009)

Pentru a reduce volumul de date transmise la rețea, toate corecțiile și informațiile despre coordonate sunt trimise la o stație principală de referință (stația master). Pentru restul stațiilor din rețea sau subrețea (stații auxiliare), sunt transmise doar diferențe de corecții și coordonate. Divizarea corecțiilor în componente dispersate și non-dispersate reduce mult lățimea de bandă necesară, deoarece erorile troposferice și orbitale se schimbă lent în timp, astfel rata de date nu este mai mare decât rata erorilor dispersate. Deoarece stația master este folosită cu scopul de transmitere a datelor, nu joacă nici un rol important în procesarea corecțiilor și nici nu este nevoie să fie cea mai apropiată stație de referință pentru rover. Utilizatorul are posibilitatea să folosească acest mesaj NRTK (Network Real-Time Kinematic) fie în mod de difuzare, adică prin comunicare pe un singur sens, sau în mod automat, prin comunicare bidirectională. În modul de difuzare stația master este predefinită de către operatorul rețelei, în timp ce în modul automat este stația cea mai apropiată de rover.

Tipuri de erori ce influențează determinările GNSS

Efecte atmosferice

Sateliții GPS transmit semnale de la o altitudine de aproximativ 20200 km deasupra nivelului mării. Toate semnalele care ajung la un receptor GNSS, plasat pe suprafața Pământului, au trecut prin atmosferă, și sunt prin urmare afectate de întârzierea semnalului. Atmosfera este împărțită în două părți în funcție de prezența particulelor încărcate: o parte ionizată numită ionosferă și o parte non-ionizată numită troposferă.

Tabel – Erori de refracție

Refracția ionosferică

Ionosfera, reprezintã o altã parte a atmosferei terestre, cuprinsã între altitudinea de 40 – 50 km, până la circa 1000 km.

Erorile datorate refracției ionosferice depind de frecvența semnalului și deci ele au valori diferite pentru cele două unde purtătoare L1 si L2.

Această eroare care se manifestă prin întârzierea semnalului de la satelit la receptor și care de fapt face să crească timpul de parcurs al semnalului, are consecinte în mărirea distanțelor măsurate la sateliți. Această eroare se poate elimina printr-o combinație a putătoarelor L1 și L2.

Modelarea matematică a procesului de calcul al corecției ionosferice se realizeazã cu ajutorul unei dezvoltări în serie:

(X.1)

unde:

Riono este eroarea datorată ionosferei,

f frecvența semnalului

Bi depinde densitatea electronilor liberi și are valoare estimată cu următoarea relatie:

(X.2)

în care:

Ni este densitatea electronilor în funcție de altitudinea h (km);

Ai constantã de estimare.

Pentru frecvențe înalte, cum sunt semnalele GNSS, termenul doi, din formula IX.1, poate fi neglijat, valoarea erorii datorate refracției ionosferice putând fi dată de relația:

(X.3)

Mãsurând distanța Rji, între satelitul j și receptorul i, cu ambele purtătoare L1 și L2, din cauza efectului diversificat al refracției ionosferice asupra frecventelor f1 și f2, se obțin pentru distantă, valorile R1 și R2 , după cum urmează:

(X.4)

Egalizând cele două relații de la grupul de formule se obține:

(X.5)

În acest fel se obține distanța, ca o combinație a celor două frecvențe, fără efectul refracției ionosferice:

(X.6)

Refracția troposferică

Troposfera este cuprins între suprafata Pãmântului și o înăltime de aproximativ 40 – 50 km.

Această zonă este divizată în două părti:

partea „umedă” cuprinsã între suprafața Pământului și o altitudine de circa 11km, zonă în care umiditatea atmosferică are valori semnificative;

partea „uscată” cuprinsă între altitudinea de circa 11 km și 40 km .

Refracția troposferică provoacă o întârziere a recepționării semnalului de la satelit, care conduce la creșterea sistematică a distanțelor.

Intârzierea datorată refracției troposferice este independentă de frecvența semnalului, aceasta comportându-se identic față de cele două unde purtătoare L1 și L2, dar este dependentă de parametrii atmosferici și de unghiul zenital sub care se găsește receptorul față de satelit.

Valoarea refracției troposferice crește exponențial cu valoarea unghiului zenital și din aceste motive nu este recomandabil a se efectua observații la sateliții cu elevație mică.

Pentru eliminarea acestei erori sistematice, s-au realizat mai multe modele matematice printre care cele mai utilizate sunt cele realizate de Hopfield si Saastamoinen:

(X.7)

unde:

δRtrop = (R0 – R) eroarea troposfericã

R distanța rectilinie (geometrică)

R0 distanța măsurată

P presiunea atmosferică [mbar]

TK temperatura [grade Kelvin]

eP presiunea umedă [mbar]

z unghiul zenital [sexa]

Corecția troposferică, δRtrop, are doi termeni: primul, K care reprezintă contributul componentei uscate, deci a zonei superioare troposferei și al doilea L, care reprezintă componenta umedă aferentă zonei de la suprafața Pământului, ambele calculate față de zenitul locului.

Gradul de incertitudine al modelului, estimat la circa 5%, care se datorează dificultăților de modelare a componentei umede, datorită distribuției necontrolate a vaporilor de apă în lungul traseului semnalului, de la satelit la receptor.

Multipath- Erori de multi-parcurs

Efectul este bine descris de numele său: semnalul emis de satelit ajunge la receptor prin mai multe căi. Eroarea „multipath” este cauzată în principal de suprafețe reflectante aflate în apropierea receptorului (Figura IX-1 ). Efectele secundare sunt reflexiile pe durata transmisiei semnalului de la satelit.

Figură – Efectul multipath

Semnalul de la satelit ajunge la receptor în trei căi diferite, o cale directă și două indirete. În consecintă, semnalele recepționate au faze relativ compensate, iar diferențele de fază sunt proporționale cu diferențele de lungimi ale căii. Nu există un model general al efectului „multipath” din cauza diferitelor situații geometrice arbitrare.

Influența erorii „multipath” se poate estima folosind o combinație a frecvențelor L1 și L2 prin măsurători de cod și de fază purtătoere. Principiul se bazează pe faptul că observațiile de cod și de fază purtătoare sunt afectate în aceeași măsură de erorile de ceas, erorile cauzate de troposferă și efectele relativiste. Acest lucru nu este valabil pentru refracția ionosferică și „multipath” care depind de frecvență. Presupunând ionosfera liberă pentru semnal și formarea diferențelor corespunzătoare, toate efectele menționate cu excepția „multipath” sunt anulate. Erorile reziduale, în afara nivelului de zgomot, reflectă efectul „multipath”.

Erorilor „multipath” ale pseudodistanțelor cauzate de:

trecerea semnalului printr-un mediu agromerat de metale;

oglinzirea semnalului de la un un obiect bine definit sau de o suprafață reflectantă din apropierea imediată a antenei;

fluctuația unei frecvențe joase, de obicei reflexia cauzată de suprafața apelor.

Semnalele primite de la sateliți cu altitudini (elevatie) joase sunt mai afectate de „

multipath” decât cele cu elevație înaltă. Prin compararea perioadelor singure, efectul „multipath” poate ajunge la 10-20 m pentru pseudodistanța codurilor. În anumite circumstanțe, erorile cauzate de „multipath” pot ajunge până la 100 m în apropierea clădirilor. În cazul erorilor mari de „multipath” poate să apară chiar pierderi ale legăturii.

În cazul poziționării relative cu distațe de bază scurte, efectele „multipath” pe faza purtătoare, în general nu depășeste 1 cm, dacă există o geometrie bună a sateliților și timpul de observare este rezonabilă. Dar și în aceste cazuri, o simplă modificare a înălțimii receptorului poate provoca creșterea efectului „multipath”, afectând rezultatele. Atunci când se efectuează măsurători statice, unde timpii de observare sunt relativ lungi, apariția discontinuă a erorii „multipath” nu reprezintă a problemă. Astfel de situații apar atunci când se staționează cu receptorul pe o autostradă unde trec în continuu mașini mari în apropierea receptorului. Măsurătorile rapid statice pot fi afectate în acest caz, astefel este nevoie de mai multe determinări.

Figură – Geometria efectului multipath

Efectul „multipath” pe faza purtatoare se poate estima ca în Figura IX-2 .Semnalele directe și reflectate care interferează în centrul antenei se pot reprezenta ca:

a cosφ – semnal direct

β a cos(φ+∆φ) – semnal reflectat

unde a și φ este amplitudinea și faza semnalului direct. Amplitudinea semnalului reflectat este redus de factorul de amortizare β, din cauza reflexiei de pe suprafață. Faza semnalului reflectat este întârziat cu deplasarea ∆φ, care este o funcție a configurației geometrice. Semnalel directe și reflectate sunt suprapuse, apoi comparate și filtrate între ele. Prin metode riguroase se va calcula frecventa efectului „multipath” ca fiind:

(X.9)

h înălțimea antenei

E elevația sateliților

λ întârzierea fazei semnalului reflectat, exprimat în distanță

dt timpul de întarziere a semnalului reflectat

dE diferența de elevație a sateliților

Substituind valorile generale cum ar fi E=45° si dE/dt=0,07 mrad pe secundă, putem aproxima frecvența efectului „multipath” pentru purtătorul L1:

f=00,521*10-3 h (X. 10)

unde frecvența este calculată în herț dacă h este dat în metri.

Pentru a reduce sau estima efectul „multipath” s-au dezvoltat mai multe metode bazate pe :

antena de atenuare;

îmbunătățirea receptoarelor;

procesarea semnalului și a datelor.

Efectul geometriei sateliților

Precizia determinării poziției este determinată nu numai de precizia măsurătorilor, ci și de configurația (geometria) sateliților. Erorile și efectele menționate mai sus se integrează în categoria User Range Error (URE), erori de distanță datorite utilizatorului. Eroarea datorită geometriei (denumită Dilution of Precision, DOP, „diluarea preciziei”) ne dezvăluie raportul între eroarea medie a determinării preciziei și erorile medii a pseudodistanțelor: eroarea de poziție = DOP-URI.

Interpretarea matematică a diluării preciziei

Pornind de la ecuația liniară a determinării poziției prin măsurători de cod (fără a include dependența de timp), avem:

(X.11)

,unde – pseudodistanța măsurată

Xr0, Yr0, Zr0 – coordonatele cunoscute ale receptorului (poziția precedentă)

XS, YS, ZS – coordonatele calculabile ale satelitului în momentul măsurătorii

– distanța geometrică între satelit și receptor (în poziția precedentă) în

momentul măsurătorii

xr, yr, zr – necunoscutele schimbării de coordonate ale receptorului

– eroarea de ceas în momentul măsurătorilor

Matricea pentru determinarea poziției în cazul a patru sateliți va fi :

Cu ajutorul acestei matrici obținem matricea ecuațiilor normale, a cărei inverse este matricea de greutate (de ponderi) a parametrilor egalizați QX. Presupunând ca avem rezultate de măsurători cu aceeași pondere (și, deci, unitare), obținem:

unde AT este transpusa matricii A. Diferitele valori DOP pot fi calculate din diagonala principală a matricii :

• referitor la geometria totală :

• referitor la poziționarea în spațiu :

• referitor la determinarea timpului :

prescurtările folosite fiind GDOP – Geometrical Dilution Of Precision, PDOP – Positional Dilution Of Precision, TDOP – Time Dilution Of Precision.

Este important de reținut ca valorile DOP pot fi determinate fără efectuarea unor măsurători reale ; poziția curentă a sateliților, la care s-au făcut măsurători, pot fi determinate din datele de almanah.

Remarcăm că aceste coordonate sunt într-un sistem geocentric. În practică însă, suntem nevoiți de multe ori să analizăm separat precizia determinărilor de poziție pe orizontală și pe verticală. Trebuie deci să facem o trecere la un sistem local (topocentric) de coordonate. Matricea de rotație necesară acestei operații (determinată de Seeber, 1993) va fi:

,unde φ și λ este latitudinea și longitudinea geografică elipsoidală a punctului de stație.

Matricea de greutate în sistemul local va fi:

Valorile DOP în sistemul local pot fi calculate cu metoda cunoscută :

• referitor la poziția orizontală :

• referitor la poziția verticală :

,prescurtările folosite fiind HDOP – Horizontal Dilution Of Precision, VDOP – Vertical Dilution Of Precision.

Remarcăm că valoarea TDOP este independentă sistemul de coordonate, deci este egală în sistemul global și în cel local. Poate fi demonstrat deasemenea și faptul că valoarea PDOP este independentă de sistemul de coordonate, deci .

Pe baza celor scrise, putem considera deasemenea valabilă ecuația .

Valorile numerice ale PDOP determină deci precizia determinării poziției. O valoarea mai mică de 4 al PDOP poate fi considerată una bună, pe când dacă valoarea depășește 8, este recomandat amânarea sau prelungirea măsurătorilor, până la un moment favorabil.

Figură – Influența constelației asupra DOP-urilor

Rețeaua geodezică națională de stații permanente GNSS

Figură – Logo Rompos (www.rompos.ro)

Agenția Națională de Cadastru și Publicitate Imobiliară (ANCPI) a inclus prîntre 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 (S.U.A), GLONASS (Rusia), GALILEO.

Intr-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 (Figura VIII-4), s-a realizat un prim nivel de îndesire constituit dintr-un număr de circa 300 borne (Clasa B), apoi de Clasa C, având o densitate de circa 1pct/50km2. Intr-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 (Românian Position Determination System).

Figură – Schița Rețelei Naționale de Stații GNSS Permanente (www.gnss.rompos.ro)

Legenda:

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. In 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.

Sistemul ROMPOS a fost conceput din dorinta de a realiza un sistem integrat de servicii (EUPOS – European Position Determination System), a fost realizat conform standardelor propuse de către un grup de țări central și est-europene si lansat în luna septembrie a anului 2008.

Caracteristici generale ale sistemului ROMPOS

Sistemul ROMPOS se bazează pe o Rețea Națională de Stații GNSS (GPS, GLONASS, GALILEO) Permanente instalate de către ANCPI. Stațiile de referință funcționează permanent furnizând date în timp real, precum și la intervale de timp prestabilite (1h, 24h). Stațiile de referință sunt interconectate între ele, inclusiv cu stații similare din Ungaria și Bulgaria. Distanța dîntre stații în prezent este de circa 60-90 km.

Stațiile de referinta sunt amplaste astfel încât sa asigure un orizont cat mai deschis, fara 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). Ca stații de referință se utilizează numai receptoare sau antene cu dublă frecvență de clasă geodezic.

Coordonatele stațiilor permanente sunt determinate cu o precizie foarte bună 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). Pozițiile antenelor stațiilor de referință se verifică în mod regulat pentru a detecta eventuale deplasări. Stațiile de referință naționale sunt compatibile cu majoritatea altor sisteme de tip GNSS. Sistemul național va asigura interoperabilitatea cu sistemul european similar EUPOS.

Componentele serviciului ROMPOS

Sistemul Românesc de Determinare a Poziției (ROMPOS) este pus de către ANCPI la dispoziția utilizatorilor prin intermediul Centrului Național de Servicii ROMPOS (CNSR – Figura VIII-6). 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).

Figură – Schema Serviciului National ROMPOS (www.gnss.rompos.ro)

Odată cu colaborarea ANCPI în cadrul unui proiect internațional cu alte țări central și esteuropene s-au pus bazele unor standarde de produse și servicii realizate în cadrul EUPOS (European Position Determination System). Pe lângă serviciile și produsele de postprocesare s-a trecut la implementarea serviciilor și produselor de poziționare pentru aplicații în timp real. Standardele adoptate de cele 15 țări participante la proiect au inclus crearea Centrelor Naționale de Servicii EUPOS (www.eupos.org). In Figura VIII-6 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; 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 (Seering 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.

Serviciile ROMPOS

ROMPOS este un sistem de determinare a poziției bazat pe tehnologiile GNSS și include următoarele tipuri de servicii (fig.3):

Figură – Componentele sistemului ROMPOS (www.gnss.rompos.ro)

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).

Între serviciile ROMPOS se enumera si site-ul www.rompos.ro si www.gnsss.rompos.ro care ofera informatii general despre sistemul ROMPOS, despre localizarea stațiilor permanente (Figura VIII-5), eventualele disfunctiuni ale retelei si indica anumite perturbari ale determinarilor cu GNSS: Global RMS (indicator general a erorilor rezidual existente in rețea la un moment dat), Ionospher RTK (indicator estimativ a erorilor ionosferice pentru o singura baza RTK), Ionospheric NRTK (indicator estimativ a erorilor ionosferice pentru RTK rețea), Tropo/geo RTK (indicator estimativ a erorilor troposferice si orbitale pentru o singura baza RTK), Tropo/geo NRTK (indicator estimativ a erorilor troposferice si orbitale pentru utilizatorii RTK rețea).

Figură – Global RMS – erori reziduale (www.gnss.rompos.ro)

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 si date satelitare de tip V(Virtual)-RINEX, în special pentru utilizatorii de echipamente cu o singură frecvență de recepție.

Figură – Serviciile și produsele ROMPOS

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). Pentru transformarea coordonatelor din sistem ETRS89 în sistem 42 (elipsoid Krasovski 1940 și plan de proiecție Stereografic 1970), ANCPI a realizat un soft de transformare (TransDat), care va fi implementat la nivel național.

Transdat

Pentru a asigura compatibilitatea și geo-referențierea precisă a datelor spațiale în Sistemul de Referință Terestru European 1989 (ETRS89) în vederea realizării produselor pan-europene, conform prevederilor directivei INSPIRE (Infrastructure for Spatial Information in the European Community), Agenția Națională de Cadastru și Publicitate Imobiliară (ANCPI) intenționează să emită un ordin pentru adoptarea sistemului de referință ETRS89 în România. În acest context al implementării în România a sistemului ETRS89 și al tendinței accentuate de folosire a tehnologiei satelitare GNSS de poziționare spațială în majoritatea lucrărilor geodezice, se impune cu stringență implementarea unui algoritm standard de transformare a datelor spațiale din proiecția națională Stereografică 1970 în noul sistem de referințăși invers.

Sistemul de referință european ETRS89 este definit ca un datum geodezic geocentric spre deosebire de sistemul S42 (Krasovski 1942), cu proiecția Stereografică 1970, care este definit negeocentric (local). Această situație din România, similară cu a altor țări din Europa și din lume, ridică probleme serioase în transformările de coordonate ale datelor spațiale din vechiul sistem datorită existenței unor distorsiuni mari în interiorul rețelelor de triangulație ca efect al orientării clasice a datum-ului S-42.

Figură – Situația distorsiunilor dintre sistemle ETRS89 și S-42

(Neculai Avramiuc, Petre Iuliu Dragomir, Tiberiu Rus, „Articol TransDat” )

Aceste distorsiuni mari trebuie modelate printr-o tehnică adecvată adaptată realității concrete din teren pentru a asigura o transformare cât mai precisă a datelor spațiale din vechiul datum în noul datum și invers.

Aplicația TransDatRO (aplicație lansată oficial de ANCPI în decembrie 2009) a fost adoptată pentru aceste transformări. Aplicația se bazează pe o tehnică de transformare similară tehnicilor utilizate de alte țări din Europa și din lume, permite efectuarea transformărilor de coordonate directe și inverse între sistemele ETRS89 și Stereografic 1970 fără a fi necesară staționarea în punctele de triangulație.

Programul are implementat un model de cvasigeoid gravimetric precis pentru zona Municipiului București, care asigură obținerea de cote normale, în sistem Marea Neagră 1975 (ediția 1990), în limita a ± 2.5 cm în punctele comune. Structura sa a fost gândită, astfel încât să creeze un modul separat pentru transformările de coordonate ale punctelor aflate în zona Municipiului București. Suplimentar, programului i-au fost adăugate capabilități de transformare a coordonatelor între proiecțiile Stereografică 1970 – Transversală Mercator și Stereografică 1970, fiind inclusă și transformarea pe altitudini în sistemul EVRF2007 (Rețeaua Verticală Europeană de Referință 2007).

Algoritmului de transformare a coordonatelor (B, L, hel) din sistemul european ETRS89 în coordonatele (X, Y, HMN75) din proiecția Stereografică 1970 și sistemul de altitudini normale Marea Neagră 1975, se poate reprezentat schematic cum urmează:

(B,L)ETRS89 → [1] → (X, Y)Stereografic Oblic GRS80 → [2] → (X’, Y’)Stereografic1970 → [3] →

→ (X, Y)Stereografic1970;

(hel)ETRS89 → [4] → (HMN75)

Unde:

[1] Conversia de la coordonatele elipsoidale din sistemul ETRS89 (elipsoidul GRS80) la coordonatele rectangulare din proiecția stereografică oblică de pe elipsoidul GRS80;

[2] Transformarea Helmert cu 4 parametri de la coordonatele rectangulare din proiecția stereografică oblică de pe elipsoidul GRS80 la coordonatele rectangulare transformate în proiecția Stereografică 1970;

[3] Interpolarea corecțiilor (distorsiunilor) din gridul de distorsiuni din fisierul ETRS89_KRASOVSKI42.GRT și obținerea coordonatelor rectangulare în proiecția Stereografică 1970 prin adunarea corecțiilor la coordonatele transformate din pasul precedent;

[4] Interpolarea anomaliilor cvasigeoidului corespondent sistemului de altitudini Marea Neagră 1975 din gridul cu anomalii din fișierul EGG97_QGR.GRT și obținerea cotelor normale în sistemul Marea Neagră 1975 prin scăderea anomaliilor din cotele elipsoidale în sistemul ETRS89.

Studiul de caz

Studiul de caz s-a desfășurat în Județul Bihor. Punctele folosite pentru compararea pachetelor de corecții transmise de către rețeaua ROMPOS, corespuzătoare fiecărei metode RTK, sunt puncte GPS de Clasa B, din fondul național geodezic și sunt situate în Municipiul Oradea, Orașul Aleșd, Municipiul Salonta și Municipiul Marghita.

Figură -Coordonatele punctelor GNSS de Clasa B folosite

La efectuarea observațiilor s-a folosit receptor GNSS Trimble R8. În ceea ce urmează, sunt descrise avantajele oferite de acest aparat și caracteristicile tehnice.

Caracteristici și avantaje:

Instrument robust și compact;

Construit cu tehnologie

Trimble de

încreder

e, cu înbunătățiri cum ar fi: tehnlogia Maxwell, Trimble Web UITM

Caracteristici tehnice ce asigură precizie și încredere în măsurătorile efectuate;

Sistem de operare pe bază de Windows.

Trimble R8 poate fi folosit atât ca receptor fix, cât și ca receptor mobil, în desfășurarea măsurătorilor cinematice în timp real cu transmisia/ recepția datelor prin radio sau GSM/GPRS. Utilizat ca receptor mobil, acesta este robust, ușor, cablurile sunt eliminate complet pentru asigurarea unor condiții de lucru în teren cât mai bune.

Ca unitate de control se folosește Trimble TSC2. Aceasta înregistrează și stochează datele din receptor prin intermediul Trimble Survey Controller care rulează în limba engleză și în limba română.

Corecțiile diferențiale transmise de stațiile permanente din rețeaua ROMPOS prin internet pot fi recepționate de GPS-ul Rover prin folosirea unui telefon mobil ce se poate conecta prin Bluetooth la unitatea de control TSC2 sau prin modem GSM/GPRS.

Caracteristici tehnice ale sistemului GPS Trimble R4

Trimble R-track pentru suport Glonass și minimalizarea erorilor multipath Tehnologia GPS Trimble Maxwell GNSS cu 440 canale. Precizie ridicată a corelărilor multiple pentru măsurarea pseudodistanțelor. Urmărirea riguroasă a sateliților aflați la elevații reduse. Rata de poziționare: 1HZ, 2Hz, 5Hz, 10Hz, 20Hz.

Semnale de steliți urmăriți simultan:

GPS: L1C/A, L1C, L2E, L5;

GLONASS: L1C/A, L1P, L2C/A, L2P, L3;

SBAS: L1C/A, L5;

Galileo: E1Ș E5a, E5b;

Beidou: B1, B2, B3;

SBAS: QZSS, WAAS, MSAS, EGNOS, GAGAN

Măsurători statice

Orizontal………………………………………….……±3 mm+0,1ppm RMS

Vertical…………………………………………………±3,5mm+0,4ppm RMS

Măsurători Faststatic

Orizontal…………………………………….…………±3mm+0,5ppm RMS

Vertical…………………………………………………±5mm+0,5ppm RMS

Măsurători cinematice

Orizontal……………………………………….……….±8mm+1ppm RMS

Vertical…………………………………………………±15mm+1ppm RMS

Măsurători cinematice în rețea

Orizontal………………………………………………..±8mm+0,5ppm RMS

Vertical……………………………………………….±15mm+0,5ppm RMS

Timp inițializare……………………………………………………2 – 8 secunde

Rigurozitatea inițializării…………………………………caracteristic<99,9%

Poziționare GPS diferențială pe cod

Orizontal …………………………………………….…±0,25+1ppm RMS

Vertical…………………………………………………±10,5+1ppm RMS

Poziționare diferențială WAAS/ EGNOS…….precizie caracteristică<5m 3DRMS

Temperatura

Temperatura de operare………………………………de la -40ºC la +65ºC

Temperatura de depozitare………………………….de la -40ºC la +75ºC

Umiditate……………………………………………….…..100%,condens

Impermeabilitate…….IP67 pentru imersie temporară la adâncime de 1m

Rezistența la șocuri și vibrații (testat si rezultat pentru urmaroarele standarde)

Șocuri:

Oprit – proiectat să reziste la căderi libere de pe jalon de la o distanță de 2m

În operare – la tensiune 40G, 10msec

Vibrații:

MIL-STD-810-F

FIG.514.5C-1

Sistemul de alimentare:

Alimentarea de la 11 la 28V. Mufa pentru alimentare externa cu protectie la supratensiune pe portul 1.

Acumulatori interni detasabili 7.4 V, 2.6 Ah Litiu-Ion. Consumul este de sub 3.2 W in modul RTK cu radio intern și Bluetooth.

Timp de operare cu baterie internă:

5 ore – 450 MHz doar recepție;

2,5 ore – 450 MHz transmisie/recepție (0,5W);

4,7 ore – recepție celular.

Sistem de comunicare si stocare a datelor

Serial 3 cuple (Lemo 7 pini) pe portul 1;

USB;

Modem Radio integrat cu modul de receptie/transmisie 450 MHz;

Transmisie date: GSM/GPRS;

Bluetooth integrat complet, port comunicații sigilat de 2.4 GHz;

Stocare date: memorie internă de 56 MB.

Transmisie si recepție date in format CMRx, CMR+, RTCM2.1, RTCM3.0, RTCM3.1

Transmisie NMEA 23, GSOF, RT17, RT27, suportă BINEX.

Am staționat în fiecare punct GNSS de Clasă B (amintit anterior) de coordonate cunoscute, cu aparatul montat pe trepied pentru a asigura aceeași condoții de măsurare pentru toate tipurile de servicii RTK ROMPOS. Observațiile le-am efectuat în două serii, în diferite momente ale zilei pentru a evidenția influența atmosferei, constelațiilor, etc. asupra măsurătorilor GNSS și prin mai multe metode pentru a putea compara fiabilitatea servicilor oferite de ROMPOS România.

Figură – Puncte GNSS de Clasa B

Am determinat fiecare punct prin mai multe metode RTK (cinematic în timp real):

simplu, prin conexiunea directă la o stație permanentă (vezi );

VRS, prin crearea unei stații virtuale în apropierea receptorului (vei VIII.2);

FKP, prin interpolarea corecției pe suprafețele virtuale ale poligoanelor create de stațiile permanente (vezi VIII.3);

MAC și i-MAX, prin conexiunea la o stație master (vezi VIII.4-5).

Măsurătorile cinematice în timp real le-am efectuat printr-o conexiune la stațiile GNSS de Clasa A, din cadrul rețelei permanente ROMPOS. În timpul acestor observații, comunicarea între receptorul GNSS și stațiile permanente s-a realizat prin intermediul formatelor RTCM prin conexiune GPRS.

Prima măsurătoare a avut loc la periferia orașului Aleșd, unde am utilizat pentru observații RTK simplu stațiile permanente Oradea, Beiuș, Zalău, Huedin și am obținut următoarele coordonate:

Tabel – Prima sesiune de măsurători din orașul Alesd

După câteva ore am refăcut aceste măsurători și am obținut a doua serie de coordonate, reprezentate în tabelul următor:

Tabel – A doua sesiune de măsurători din orașul Aleșd

La determinarea punctelor din Marghita, Oradea, Salonta, am procedat la fel, ceea ce privește fixarea aparatului pe trepied și executarea observațiilor în două serii, fiind diferite doar stațiile de referință utilizate care sunt specificate în tabel pentru fiecare caz. Datele astfel obținute am trecut în următoarele tabele:

Tabel – Prima sesiune de măsurători din municipiul Marghita

Tabel – A doua sesiune de măsurători din municipiul Marghita

Tabel – Prima sesiune de măsurători din municipiul Oradea

Tabel – A doua sesiune de măsurători din municipiul Oradea

Tabel – Prima sesiune de măsurători din municipiul Salonta

Tabel – Adoua sesiune de măsurători din municipiul Salonta

Având al îndemână rezultatele determinărilor RTK, respectiv coordonatele cele mai probabile (fixe) ale punctelor de clasa B, am trecut la interpretarea rezultatelor, privind precizia determinării cu fiecare metodă.

Prima dată am calculat, pe sesiuni de măsurători, pentru fiecare determinare abaterea pe axele X și Y a coordonatelor noi față de cele juste, apoi am stabilit coordonatele medii pentru toate metodele în parte. Prin compararea acestor coordonate cu coordonatele juste, am stabilit abaterea medie obținută cu fiecărei metode de lucru RTK. Rezultatele sunt interpretate subformă de tabele și diagrame, separat pe puncte de Clasa B, cum urmează:

Tabel – Coordonate medii și abaterea medie din prima sesiune de măsurători Aleșd

Tabel – Coordonate medii și abaterea medie din a doua sesiune de măsurători Aleșd

Figură – Abaterea mediedin cele două sesiuni de măsurare

Tabel – Coordonate medii și abaterea medie din prima sesiune de măsurători Marghita

Tabel – Coordonate medii și abaterea medie din a doua sesiune de măsurători Marghita

Figură – Abaterea mediedin cele două sesiuni de măsurare

Tabel – Coordonate medii și abaterea medie din prima sesiune de măsurători Oradea

Tabel – Coordonate medii și abaterea medie din a doua sesiune de măsurători Oradea

Figură – Abaterea mediedin cele două sesiuni de măsurare

Tabel – Coordonate medii și abaterea medie din prima sesiune de măsurători Salonta

Tabel – Coordonate medii și abaterea medie din a doua sesiune de măsurători Salonta

Figură – Abaterea mediedin cele două sesiuni de măsurare

În continuare, am efectuat o comparație între coordonatele cele mai probabile ale punctelor de Clasa B și cele obținute prin metoda RTK simplu, în funcție de distanța dintr receptor și stația permanentă. Rezultatul obținut, este reprezentat sub formă de diagramă, și dovedește dependența de distanță a măsurătorilor RTK. Însă, această diagramă ilustrează și importanța programării măsurătorilor, deoarece la anumite ore efectele atmosferice pot genera erori care nu se încadrează în toleranța oficială, pentru măsurători în intravilan.

Figură – Abaterea în funcție de distanț

Concluzii

În concluzie, având în vedere rezultatele obținute, putem spune că toate metodele sunt utilizabile, însă este de recomandat să ne legăm și de un punct cunoscut, care ne ajută la observarea și evitarea anumitelor anmalii ale rețelei.

Bibliografie

1. ***Ordinul nr. 534/2006 pentru aprobarea Regulamentului privind conținutul și modul de

întocmire a documentațiilor cadastrale în vederea înscrierii în cartea funciară, p.6

2.*** Decizia nr.1/2008 a Directorului Direcției de Geodezie și Cartografie din cadrul ANCPI

privind realizarea măsurătorilor GNSS cinematice, p.7

3. Dragomir P., T.Rus, P.Dumitru, Integrarea Rețelei Naționale de Stații GPS Permanente în Rețeaua Europeană EUPOS, conferință Tehnologii Moderne pentru Mileniul III, Oradea,2005

4.***.European Position Determination System, Technical Standards, Revised 2nd Edition, 24 April 2008, Resolution of the International EUPOS® Steering Committee, 13th Conference, Bucharest, România, 23 – 24 April 2008

5.*** ROMPOS – Sistemul Românesc de Determinare a Poziției, Broșura editată de ANCPI,

septembrie 2008.

6. www.rompos.ro, accesat iunie 2014

7. www.ancpi.ro, accesat iunie 2014

8. www.eupos.org, accesat iunie 2014

9. earth.unibuc.ro/articole/deformatii-liniare-in-sistemele-proiecție

10. http://sia.eionet.europa.eu, accesat iunie 2014

11. http://www.tekmon.gr, accesat iunie 2014

12. http://vdatum.noaa.gov, iunie 2014

13. http://www.docstoc.com, iunie 2014

14. http://gnss.rompos.ro, iunie 2014

15. www.giscad.ro, iunie 2014

16. Leick, Alfred, GPS Satellite Surveying, Wiley, 2004

17. Awange, J., E.Grafarend, Nonlinear Adjustmant of GPS Observation of Type Pseudorange. GPS Solutions, 2002

18. Suba, Stefan, Curs de Tehnologii Geodezice Spatiale, Universitatea Oradea

19. Hofmann-Wellenhof, B., Lichtenegger, H., Collins, J., GPS Theory and Practice, Springer-Verlag Wien GmbH, 2001

20. *** Tehnologii Geodezice Spațiale, Universitatea Timișoara

21. Chong, Cao, Compass Satellit Navigation System Development, Standford University, 2008

22. ***Journal of Global Positioning System, 2006

23. Garden, GP., A comparison of four methodr og weighting double difference pseudo range measurement, 1995

24. ***Richard, B. Langley, Dilution of precision, University of New Brunswick

25. Zogg, Jean-Marie, GPS Basics, 2007

26. Hofmann-Wellenhof, Lichtenegger,Walse, GNSS Global Navigation Satellite System, Springer, 2008

27. Cornel Pãunescu, Sorin Dimitriu, Victor Mocanu, Curs GPS

Lista tabelelor

Tabel IV-1 Parametrii elipsoidului WGS84 – 14 –

Tabel VI-1 Sisteme de navigație prin sateliți – 20 –

Tabel IX-1 Formate RTCM SC 104 2.x – 42 –

Tabel X-1 Erori de refracție – 47 –

Tabel XII-1 Prima sesiune de măsurători din orașul Alesd – 69 –

Tabel XII-2 A doua sesiune de măsurători din orașul Aleșd – 69 –

Tabel XII-3 Prima sesiune de măsurători din municipiul Marghita – 70 –

Tabel XII-4 A doua sesiune de măsurători din municipiul Marghita – 70 –

Tabel XII-5 Prima sesiune de măsurători din municipiul Oradea – 70 –

Tabel XII-6 A doua sesiune de măsurători din municipiul Oradea – 71 –

Tabel XII-7 Prima sesiune de măsurători din municipiul Salonta – 71 –

Tabel XII-8 Adoua sesiune de măsurători din municipiul Salonta – 71 –

Tabel XII-9 Abatereacoordonatelor pe axe din prima sesiune de măsurători Aleșd – 72 –

Tabel XII-10 Abatereacoordonatelor pe axe din a doua sesiune de măsurători Aleșd – 72 –

Tabel XII-11 Coordonate medii și abaterea medie din prima sesiune de măsurători Aleșd – 72 –

Tabel XII-12 Coordonate medii și abaterea medie din a doua sesiune de măsurători Aleșd – 72 –

Tabel XII-13 Abatereacoordonatelor pe axe din a doua sesiune de măsurători Marghita – 73 –

Tabel XII-14 Abaterea coordonatelor pe axe din prima sesiune da măsurători Marghita – 73 –

Tabel XII-15 Coordonate medii și abaterea medie din prima sesiune de măsurători Marghita – 73 –

Tabel XII-16 Coordonate medii și abaterea medie din a doua sesiune de măsurători Marghita – 74 –

Tabel XII-17 Abatereacoordonatelor pe axe din a doua sesiune de măsurători Oradea – 74 –

Tabel XII-18 Abatereacoordonatelor pe axe din prima sesiune de măsurători Oradea – 74 –

Tabel XII-19 Coordonate medii și abaterea medie din prima sesiune de măsurători Oradea – 75 –

Tabel XII-20 Coordonate medii și abaterea medie din a doua sesiune de măsurători Oradea – 75 –

Tabel XII-21 Abatereacoordonatelor pe axe din prima sesiune de măsurători Salonta – 76 –

Tabel XII-22 Abatereacoordonatelor pe axe din a doua sesiune de măsurători Salonta – 76 –

Tabel XII-23 Coordonate medii și abaterea medie din prima sesiune de măsurători Salonta – 76 –

Tabel XII-24 Coordonate medii și abaterea medie din a doua sesiune de măsurători Salonta – 76 –

Lista figurilor

Figură II-1 Anexa15a (www.ancpi.ro) – 8 –

Figură IV-1 Reprezentarea Sistemului Inerțial Convențional – 11 –

Figură IV-2 Sistemul de referinta international (www.vdatum.noaa.gov) – 12 –

Figură IV-3 Elipsoidul WGS84 si GRS80 (www.vdatum.noaa.gov) – 13 –

Figură IV-4 Caracteristicile elisoidului ETRS89 – 15 –

Figură V-1 Proiecția UTM (www.earth.unibuc.ro) – 16 –

Figură V-2 Cercul de deformațiilor nule (www.earth.unibuc.ro) – 18 –

Figură VI-1 Localizarea pe glob a stațiilor de control – 23 –

Figură VI-2 Componentele unei instalații GNSS – 26 –

Figură VIII-1 Difernțe simple – 35 –

Figură VIII-2 Difereța dublă – 36 –

Figură VIII-3 Diferențe triple – 37 –

Figură IX-1 Conținutul formatului RTCM 3.x – 43 –

Figură IX-2 Crearea stației de referință virtuală (www.navipedia.net) – 44 –

Figură IX-3 Modelul matematic FKP – 44 –

Figură IX-4 Corecții FKP – 45 –

Figură IX-5 Concepția i-MAX – 45 –

Figură IX-6 Conceptul MAC (Volker, Jansen, IGNSS Symposium 2009) – 46 –

Figură X-1 Efectul multipath – 50 –

Figură X-2 Geometria efectului multipath – 52 –

Figură X-3 Influența constelației asupra DOP-urilor – 55 –

Figură XI-1 Logo Rompos (www.rompos.ro) – 56 –

Figură XI-2 Schița Rețelei Naționale de Stații GNSS Permanente (www.gnss.rompos.ro) – 57 –

Figură XI-3 Schema Serviciului National ROMPOS (www.gnss.rompos.ro) – 59 –

Figură XI-4 Componentele sistemului ROMPOS (www.gnss.rompos.ro) – 60 –

Figură XI-5 Global RMS – erori reziduale (www.gnss.rompos.ro) – 61 –

Figură XI-6 Ionosphere RTK (www.gnss.rompos.ro) – 61 –

Figură XI-7 Ionosphere NRTK (www.gnss.rompos.ro) – 61 –

Figură XI-8Troposphere/Geometry NRTK – 61 –

Figură XI-9 Troposphere/Geometry RTK (www.gnss.rompos.ro) – 61 –

Figură XI-10 Serviciile și produsele ROMPOS – 62 –

Figură XI-11 Situația distorsiunilor dintre sistemle ETRS89 și S-42 – 63 –

Figură XII-1Coordonatele punctelor GNSS de Clasa B folosite – 65 –

Figură XII-2 GNSS Trimbel R8 model 2 (www.giscad.ro) – 65 –

Figură XII-3 GNSS Trimble R8 (www.giscad.ro) – 66 –

Figură XII-4 Puncte GNSS de Clasa B – 68 –

Figură XII-5 Abaterea mediedin cele două sesiuni de măsurare – 73 –

Figură XII-6 Abaterea mediedin cele două sesiuni de măsurare – 74 –

Figură XII-7 Abaterea mediedin cele două sesiuni de măsurare – 75 –

Figură XII-8 Abaterea mediedin cele două sesiuni de măsurare – 77 –

Figură XII-9 Abaterea în funcție de distanț – 77 –

Bibliografie

1. ***Ordinul nr. 534/2006 pentru aprobarea Regulamentului privind conținutul și modul de

întocmire a documentațiilor cadastrale în vederea înscrierii în cartea funciară, p.6

2.*** Decizia nr.1/2008 a Directorului Direcției de Geodezie și Cartografie din cadrul ANCPI

privind realizarea măsurătorilor GNSS cinematice, p.7

3. Dragomir P., T.Rus, P.Dumitru, Integrarea Rețelei Naționale de Stații GPS Permanente în Rețeaua Europeană EUPOS, conferință Tehnologii Moderne pentru Mileniul III, Oradea,2005

4.***.European Position Determination System, Technical Standards, Revised 2nd Edition, 24 April 2008, Resolution of the International EUPOS® Steering Committee, 13th Conference, Bucharest, România, 23 – 24 April 2008

5.*** ROMPOS – Sistemul Românesc de Determinare a Poziției, Broșura editată de ANCPI,

septembrie 2008.

6. www.rompos.ro, accesat iunie 2014

7. www.ancpi.ro, accesat iunie 2014

8. www.eupos.org, accesat iunie 2014

9. earth.unibuc.ro/articole/deformatii-liniare-in-sistemele-proiecție

10. http://sia.eionet.europa.eu, accesat iunie 2014

11. http://www.tekmon.gr, accesat iunie 2014

12. http://vdatum.noaa.gov, iunie 2014

13. http://www.docstoc.com, iunie 2014

14. http://gnss.rompos.ro, iunie 2014

15. www.giscad.ro, iunie 2014

16. Leick, Alfred, GPS Satellite Surveying, Wiley, 2004

17. Awange, J., E.Grafarend, Nonlinear Adjustmant of GPS Observation of Type Pseudorange. GPS Solutions, 2002

18. Suba, Stefan, Curs de Tehnologii Geodezice Spatiale, Universitatea Oradea

19. Hofmann-Wellenhof, B., Lichtenegger, H., Collins, J., GPS Theory and Practice, Springer-Verlag Wien GmbH, 2001

20. *** Tehnologii Geodezice Spațiale, Universitatea Timișoara

21. Chong, Cao, Compass Satellit Navigation System Development, Standford University, 2008

22. ***Journal of Global Positioning System, 2006

23. Garden, GP., A comparison of four methodr og weighting double difference pseudo range measurement, 1995

24. ***Richard, B. Langley, Dilution of precision, University of New Brunswick

25. Zogg, Jean-Marie, GPS Basics, 2007

26. Hofmann-Wellenhof, Lichtenegger,Walse, GNSS Global Navigation Satellite System, Springer, 2008

27. Cornel Pãunescu, Sorin Dimitriu, Victor Mocanu, Curs GPS

Similar Posts