Receptoare Gnss

INTRODUCERE

SISTEME DE DETERMINARE A POZIȚIEI UTILIZÂND SATELIȚI

SCURT ISTORIC

Încă din antichitate, observarea boltei cerești prezenta importanță datorită aplicabilității pe care o prezenta în diverse domenii. Astfel, vechii navigatori, odată cu dezvoltarea ambarcațiunilor, au început să străbată distanțe tot mai mari pe mări și pe oceane pentru a descoperi noi pământuri și noi culturi pentru obținerea hranei și a diverselor bunuri. Aceste călătorii se bazau pe orientarea pe bolta cerească. Astronomii vremii au înțeles că stelele se află la distanțe foarte mari, astfel încât privite din orice punct de pe Pământ ele par nemișcate. Ulterior, odată cu apariția telescoapelor și a lunetelor astronomice s-au efectuat observații astronomice și s-au tras anumite concluzii.

Din orice punct terestru am privi bolta cerească, aceasta apare ca o calotă sferică infinită, observatorul definind centrul acesteia. Sfera corespondentă a primit denumirea de sferă(boltă) cerească, pe care se proiectează stelele. Soarele, precum și celelalte stele, au mișcări proprii foarte lente ce pot fi stabilite prin observații astronomice precise, efectuate la intervale de timp relativ mari. În determinările de anumite precizii, poziția stelelor pe sfera cerească se consideră fixă, însă în observațiile astronomo-geodezice, ce reclamă precizii ridicate se iau în considerare mișcările proprii ale stelelor, observațiile desfășurându-se pe mai mulți ani. Astfel, prin determinări ale unghiurilor zenitale și a timpului la care acestea s-au determinat (raportat la meridianul Greenwich) s-au furnizat pozițiile unor observatori de pe suprafața Pământului. Aceste determinări au servit ca bază a determinărilor geodezice în fiecare țară, însă precizia absolută a acestora nu a satisfăcut pe deplin cerințele geodeziei.

Odată cu lansarea în spațiu a primilor sateliți artificiali ai Pământului s-a pus problema determinării unor poziții terestre pe baza orbitelor acestor sateliți, într-un sistem de coordonate geocentric. Preciziile primelor determinări de acest tip au fost net inferioare celor obținute prin determinări astronomice, însă acest lucru se datora faptului că sateliții disponibili la acel moment nu erau destinați acestui scop. Mai târziu au fost lansate constelații de sateliți destinați determinării punctelor aflate pe uscat, pe apă sau în aer cu precizii demne de invidiat.

Sistemele de determinare a poziționării prin satelit reprezintă sisteme de sateliți, monitorizați de stațiile de la sol, ce au capacitatea furnizării unei poziționări geo-spațiale autonome la nivel mondial. Acest lucru este posibil prin emiterea de către sateliți a unor semnale care sunt recepționate de utilizatori prin intermediul unor receptoare de mici dimensiuni care își determină poziția la un momentdat într-un anumit sistem de referință. Un astfel de sistem satelitar care operează la nivel global este denumit sistem global de navigație prin satelit sau GNSS (Global Navigation Satellite System).

În prezent există mai multe constelații de astfel de sateliți capabili să emită semnale pe baza cărora se pot determina pozițiile receptoarelor. Cea mai cunoscută astfel de constelație satelitară este NAVSTAR GPS ( Navigation System with Time And Ranging Global Positioning System), pe scurt numit GPS. Acest sistem a fost proiectat și lansat de Statele Unite ale Americii, având inițial un scop strict militar. Pe măsura dezvoltării tehnologiilor, GPS-ul a fost pus la dispoziția utilizatorilor civili. Alte constelații satelitare importante cu acoperire globală sunt:

GLONASS (Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema)- constelație rusească;

Galileo- sistemul de poziționare european, este în curs de dezvoltare, iar în momentul finalizării sale va fi cel mai dezvoltat sistem de acest fel din lume;

Compass – sistem de poziționare dezvoltat de Republica Populară Chineză, reprezintă extinderea și modernizarea constelației regionale Beidou-2.

Aceste sisteme satelitare de poziționare vor fi descrise detaliat în capitolele următoare.

Acoperirea la nivel global a acestor sisteme se datorează constelațiilor formate din 20-30 de sateliți amplasați pe o orbită medie (MEO-Medium Earth Orbit). Acești sateliți sunt poziționați pe mai multe planuri orbitale, având înclinații ale orbitelor de regulă mai mari de 50 ͦ. Perioadele orbitale ale acestor sateliți sunt de aproximativ 12 ore, iar înălțimea orbitală diferă în funcție de constelație, având valori între aproximativ 19 100 km (GLONASS) și 24 000 (COMPASS).

Sistemul predecesor sistemelor satelitare folosit în poziționare a fost sistemul de stații la sol DECCA și sistemul de navigație radio Omega. Acesta folosea emițătoare terestre cu unde lungi în locul sateliților. Sistemul permitea poziționarea stației de determinat pe baza timpului necesar undei pentru parcurgerea distanțelor până la stațiile de bază, de poziții cunoscute. Metoda prezenta o precizie de circa 2200 de metri.

Primul sistem de poziționare prin satelit a fost sistemul Transit. Acesta a fost dezvoltat și implementat de Armata SUA în 1960. Determinarea poziției punctelor în acest sistem se baza pe efectul Doppler: sateliții navighează pe orbite cunoscute și emit semnale de frecvențe cunoscute. Receptorul emite același semnal ca și satelitul, însă acesta va diferi la recepționare față de cel emis datorită mișcării satelitului pe orbită față de receptor. Prin monitorizarea acestei schimbări de frecvență receptorul își poate determina poziția cu o anumită acuratețe.

Semnalele emise de satelit cuprind și un set de date ale orbitei sale. USNO (United States Naval Observatory) monitorizează permanent orbitele sateliților GPS, iar dacă se constată abateri între orbita pe care se află satelitul și cea calculată, se trimit semnale spre satelit cu datele necesare pentru ca acesta să-și corecteze orbita.

Sistemele satelitare moderne de poziționare sunt mai directe, astfel că semnalul emis de satelit cuprinde și date orbitale (față de care se poate calcula poziția satelitului), dar și ora la care a fost emis semnalul. Datele orbitale sunt transmise într-un mesaj de navigație suprapus peste un cod, care servește ca referință pentru sincronizarea timpului. Ceasurile folosite sunt de înaltă precizie. Receptorul compară astfel ora difuzării semnalului satelitar cu cea a sosirii sale la receptor, obținând astfel timpul necesar parcurgerii de către semnal a distanței satelit-receptor, distanță ce va fi calculată.

Fiecare astfel de distanță măsurată poziționează receptorul pe o sferă cu raza egală cu această distanță. Prin măsurarea mai multor astfel de distanțe spre mai mulți sateliți, poziția receptorului este dată de intersecția sferelor cu razele egale cu aceste distanțe măsurate. Aceste semnale sunt încetinite la trecerea prin ionosferă, iar această încetinire variază în funcție de unghiul zenital sub care se găsește satelitul față de receptor. Astfel, se dorește găsirea celor mai scurte astfel de distanțe. Receptoarele moderne reduc erorile de poziționare utilizând combinații de semnale de la mai mulți sateliți și corelări multiple, dar și tehnici sau filtre pentru combaterea parțială a erorilor, combinând datele.

APLICAȚII GNSS MILITARE

Motivația inițială în proiectarea și dezvoltarea sistemelor de poziționare satelitare a reprezentat-o aplicațiile militare. Partea care deținea asemenea sisteme avea un avantaj net într-un conflict armat, încât direcționarea și letalitatea armamentului s-au îmbunătățit odată cu posibilitatea determinării poziției oricărui obiect aflat pe uscat, pe apă sau în aer, în repaos sau mișcare.

În acest sens, poziționarea prin satelit poate fi privită ca un factor multiplicator al forței armate. De asemenea, operatorul unui sistem de poziționare prin satelit are capacitatea de a degrada sau de a elimina serviciile de poziționare satelitară pe orice teritoriu dorește. Sub aspect practic, operatorul poate modifica frecvențele sateliților, astfel încât poziția unui utilizator va fi alta decât cea reală.

APLICAȚII GNSS CIVILE

Inițial, aplicațiile civile care au folosit poziționarea prin satelit au fost navigația pe mări și oceane și geodezia. Între timp, odată cu dezvoltarea metodelor de poziționare dar și a receptoarelor, GNSS și-a făcut apariția în tot mai multe și variate domenii. Deoarece sistemul este disponibil în mod continuu, pe orice vreme, în timp real, relativ ieftin și precis, oferă actualmente posibilități aproape nelimitate de utilizare în geodezie, topografie, navigație, dar și domeniile conexe, cum ar fi: ridicări în plan, geodinamică, cadastru și GIS, monitorizare și inginerie, navigație de precizie, fotogrammetrie și teledetecție, geodezie marină și glaciară.

ÎNTOCMIREA REȚELELOR GEODEZICE GNSS

Întrucât toate observațiile care se vor efectua în vederea realizării unei rețele geodezice GNSS noi se fac folosind sistemele satelitare de poziționare, se recomandă utilizarea unui datum global geocentric (cum ar fi WGS-84) sau a unui datum regional sau continental (ETRS-89). Astfel, pot fi distinse 3 clase importante de puncte într-o rețea geodezică GNSS:

Puncte din Clasa A- puncte de referință la nivel continental sau subcontinental;

Puncte din Clasa B- puncte fundamentale de lucru la nivel național;

Puncte din Clasa C- toate celelalte puncte GNSS de îndesire a rețelelor din Clasele A și B.

Rețeaua de nivel continental sau subcontinental cuprinzând puncte din clasa A intră în competența ITRF (International Terrestrial Reference Frame). În Europa, aceste puncte formează Rețeaua Europeană de Referință EUREF-EPN (European Reference Frame- European Permanent Network). Distanțele medii dintre aceste puncte sunt de 300-500 km. Coordonatele punctelor rețelei trebuie determinate cu cea mai mare precizie, curent aceasta fiind de ± 1 cm. Astfel, se fac observații pe durata mai multor zile (10-15 zile), cu receptoare performante, în dublă frecvență, folosind softuri avansate ce permit calculul cu precizie a orbitelor satelitare.

EUREF a fost constituită începând cu anul 1989. Sistemul european de referință a fost denumit ETRS (European Terrestrial Reference System). Cadre de bază similare au fost constituite și pe celelalte continente sau subcontinente. America de Sud a realizat rețeaua SIRGAS, iar pentru Africa este în curs de proiectare o asemenea rețea denumită AFREF.

Punctele din Clasa B sunt determinate la nivel național, pe baza celor din Clasa A. Distanțele medii între aceste puncte sunt cuprinse între 50-100 de km, în funcție de mărimea țării și scopul urmărit. Actualmente, majoritatea țărilor au rețele geodezice naționale formate din puncte GNSS din Clasa B, iar cele care nu au încă, le vor realiza în viitorul apropiat.

UTILIZAREA GNSS ÎN GEODINAMICĂ

Precizia de poziționare ridicată și transportul relativ ușor al receptoarelor GPS fac ca această tehnologie să prezinte un real interes în determinarea mișcărilor crustale recente. Înainte de 1985, aceste mișcări au fost determinate, în principal, prin interferometrie și sateliți cu laser.

La începuturile utilizării tehnicii de poziționare satelitară, aceasta prezenta dificultăți în utilizarea pentru determinarea mișcărilor crustale datorită faptului că orbitele sateliților nu puteau fi calculate cu precizie acceptabilă, din acest motiv poziționarea punctelor la sol prezenta erori relativ mari. Astfel, o eroare orbitală de 2,5 m ar propaga o eroare de 1 cm la o bază de 100 km. Știindu-se faptul că mișcările crustale au valori de câțiva mm sau cm/an, determinarea precisă a orbitelor satelitare devenea factor critic pentru utilizarea GPS în acest domeniu.

Astăzi, datorită dezvoltării tehnicii, orbitele satelitare pot fi stabilite cu precizie de 5 cm sau chiar mai bună. Așadar, acest lucru nu mai reprezintă o problemă a poziționării. Alte elemente care încă trebuie studiate sunt modelarea efectelor atmosferice și variația centrului de fază al antenelor.

UTILIZAREA GNSS ÎN CADASTRU ȘI GIS

Datorită precizie ridicate și a timpului de determinare a poziției relativ redus, tehnicile de poziționare GNSS prezintă interes din ce în ce mai ridicat în cadastru sau Sisteme Informaționale Geografice (GIS). De cele mai multe ori, în aceste domenii receptoarele GPS se folosesc împreună cu stațiile totale. Prin tehnica GPS se determină punctele drumuirii sau o parte din acestea și puncte de orientare, iar apoi cu stația totală sunt radiate detaliile de interes. În zonele cu detalii puține și în care există orizont liber, nu sunt clădiri înalte, GPS-ul poate fi folosit chiar și pentru ridicarea detaliilor, utilizând o bază amplasată local sau o stație națională de referință. De asemenea această tehnică poate fi utilizată și în cazul trasărilor, în special de terenuri, unde cerințele de precizie nu sunt la fel de ridicate ca în cazul trasării construcțiilor, iar condițiile din zonă permit poziționarea satelitară.

Un alt domeniu bazat pe GIS în care GPS-ul prezintă o ascensiune rapidă este agricultura de precizie. În acest sens, sunt combinate datele celor două sisteme pentru obținerea informațiilor despre calitatea solului și a culturilor agricole. De asemenea, majoritatea lucrărilor mecanizate pot fi optimizate prin dotarea utilajelor agricole cu receptoare GPS și softuri specializate, ceea ce conduce la reduceri de combustibil, timp și uzură a utilajelor.

MANAGEMENTUL FLOTEI, TELEMATICĂ, SERVICII DE LOCALIZARE

Aceste ramuri prezintă noi provocări pentru dezvoltarea utilizării tehnicilor de poziționare prin satelit, legate în principal de monitorizarea vehiculelor, dar și a persoanelor. Fiind domenii relativ noi de activitate, cei 3 termeni nu au încă definite obiective clare și strict delimitate, astfel încât termenii pot fi folosiți pentru același serviciu.

Managementul flotelor are drept obiect controlul unui număr mare de vehicule, cum ar fi camioane, trenuri, taxiuri, mașini de poliție, ambulanțe, autobuze, etc. Telematica se referă la culegerea și utilizarea în diverse aplicații a datelor legate de trafic. Serviciile de localizare cuprind date despre utilizarea telefoanelor mobile și în general a tuturor celorlalte date folosite în determinarea poziției clienților individuali. Principiile de bază care guvernează aceste servici se referă la: cunoașterea poziției clientului, cunoașterea poziției altor participanți la sistem, dacă este necesar, integrarea datelor într-un GIS, utilizarea unui centru de control și a unei legături de comunicare. Un astfel de exemplu îl constituie serviciul de localizare a unui apel la numărul de urgență 112. În cazul unor dezastre, apelanții vor fi localizați automat, iar în acest mod cresc considerabil șansele ca echipele de salvatori să le salveze viața.

INGINERIE ȘI MONITORIZARE

Datorită distanțelor mici care intervin în asemenea măsurători, nivelul de precizie obținut folosind tehnologii moderne pentru determinarea poziționării poate fi de ordinul milimetrilor. De asemenea, tehnicile GPS pot fi combinate cu tahimetre electronice, având aplicabilitate în următoarele domenii:

Determinări și studii de urmărire a poziției unor puncte din: cartografie, GIS, fotogrammetrie, geofizică, amplasarea balizelor, arheologie, expediții de toate tipurile, etc;

Monitorizări ale mișcării obiectelor prin măsurători continue sau repetate: surpări de teren, alunecări de teren, construcții de mare importanță și anvergură (ex: baraje), etc;

Orientarea în timp real și controlul utilajelor: utilaje agricole, utilaje folosite în construcții, utilaje folosite în sectorul minier, manipularea obiectelor în zonele deschise (ex: containerele din porturi), etc.

NAVIGAȚIE MARITIMĂ DE PRECIZIE

Datorită capacității determinărilor în timp real, precizie ridicată și disponibilitate permanentă, utilizarea GNSS în navigația maritimă este în continuă creștere și cunoaște o dezvoltare rapidă. În funcție de cerințele de precizie, aplicațiile GPS în marină pot fi împărțite în 3 categorii:

Aplicații de precizie ridicată ( sub 0,1 m) – cuprind: ridicări hidrografice precise, geodinamică marină, monitorizarea eroziunilor și acumulărilor de aluviuni, orientarea și controlul dragărilor în timp real;

Aplicații de precizie medie (1-10 m) – cuprind: navigația precisă în apele de coastă și adăposturi portuare, cartografierea fundului mărilor pentru determinarea limitelor maritime sau în scopuri științifice, gravimetrie și studii seismice, poziționarea senzorilor subacvatici în prosectarea marină pentru resurse minerale;

Aplicații de precizie scăzută (10-100 m) – cuprind: navigație generală în largul mărilor, determinarea poziției și a vitezei, cercetare în oceanografie, măsurători seismice.

UTILIZAREA GNSS ÎN FOTOGRAMMETRIE

În acest domeniu, tehnica GPS are în principal 3 funcții: determinarea punctelor de control și a reperilor fotogrammetrici de la sol, determinarea coordonatelor centrului de perspectivă al camerei aerofotogrammetrice și orientarea platformei ce transportă senzorul ( dispozitivul GPS-IMU), navigația avioanelor folosite în fotogrammetrie.

Determinarea punctelor de reper și control de la sol reprezintă operații topografice. Numărul și dispunerea acestor puncte sunt furnizate de fotogrammetrie, în funcție de scara viitorului plan. În zonele cu orizont deschis, precizia actuală oferită de tehnicile de poziționare prin satelit este suficientă în determinarea reperilor fotogrammetici și a punctelor de control. În zonele nefavorabile determinării acestor puncte folosind tehnici GNSS, se recurge la utilizarea tahimetrelor electronice.

Pentru navigația avioanelor folosite în fotogrammetrie sunt necesare date preluate în timp real. Cerințele de precizie cerute sunt de ordinul metrilor. Datorită înclinării avionului din timpul virajelor la capetele benzilor au loc alunecări de ciclu, adică pierderi ale semnalului spre anumiți sateliți. Pentru evitarea acestui inconvenient se impune folosirea tehnicilor GPS speciale ‚on-the-fly’.

Cea mai importantă utilizare a sistemelor de poziționare prin satelit în fotogrammetrie o constituie determinarea precisă a coordonatelor centrului de perspectivă al camerei aerofotogrammetrice și determinarea orientării senzorului în momentul preluării imaginii. Aceste lucruri prezintă o mare importanță pentru fotogrammetrie, atât sub aspect practic cât și economic, iar unul dintre avantaje este faptul că se reduce considerabil numărul de reperi fotogrammetrici de la sol necesari prelucrării datelor.

CONSTELAȚII DE SATELIȚI. ASPECTE GENERALE

În comparație cu metodele clasice folosite pentru determinarea poziției punctelor, care necesitau construcții geodezice, modul de abordare al sistemelor de poziționare prin satelit își evidențiază net avantajele. Din aceste considerente, de-a lungul timpului, sistemele satelitare au cunoscut dezvoltări semnificative. Marile puteri ale lumii au dezvoltat astfel diferite constelații satelitare folosite în poziționarea punctelor într-un sistem geogentic.

Lansarea primului satelit artificial al Pământului a avut loc în octombrie 1957. Ulterior acestui eveniment, s-a impus o nouă eră în dezvoltarea științifică și economică în domenii de interes major ale activității umane.

Domeniile de utilizare a sateliților artificiali specializați sunt foarte variate. Inițial, destinația datelor preluate de aceștia erau studiile efectuate de armată, în vederea îmbunătățirii tehnicilor de luptă și apărare la scară mare, iar ulterior observațiile satelitare și-au dovedit utilitatea într-un număr tot mai mare de domenii ale sectorului civil. De interes major pentru noi este aplicabilitatea sistemelor satelitare în geodinamică și geodezie, prin constituirea unor rețele geodezice la nivel global, regional sau național, care contribie și ajută la determinarea formei și dimensiunilor Pământului și a câmpului său gravitațional, deplasarea plăcilor tectonice, etc.

COMPONENTELE SISTEMULUI

Principiul de poziționare prin satelit constă în recepționarea de către utilizator a unor semnale emise de constelații de sateliți specializați, care se navighează pe orbite circumterestre.

Sistemul a fost proiectat astfel încât un obiect care utilizează un echipament adecvat și se află oriunde pe pământ, uscat sau apă, în mișcare sau repaus, să-și poată determina în timp real poziția și viteza într-un sistem de coordonate geocentric tridimensional.

Sistemele satelitare de poziționare sunt constituite din 3 segmente principale: segmentul spațial (cuprinde constelațiile satelitare propriu-zise), segmentul de control (cuprinde stațiile de la sol caracteristice fiecărei constelații, cu rol de monitorizare a întregului sistem) și segmentul utilizator (cuprinde utilizatorii civili și militari dotați cu antene și receptoare corespunzătoare).

SEGMENTUL SPAȚIAL

Segmentul spațial este propriu fiecărei constelații de sateliți, și va fi descris în capitolul următor. Practic cuprinde numărul de sateliți, numărul de orbite, caracteristici, etc.

SEGMENTUL DE CONTROL

Segmentul de control al sistemelor satelitare cuprinde stațiile specializate de la sol care monitorizează aceste sisteme. Principalele sarcini pe care le îndeplinește segmentul de control sunt:

Urmărirea permanentă a sateliților și calculul poziției spațiale și temporale a acestora (efemeridele);

În cazul în care se constată abateri ale sateliților de la orbitele teoretice sunt calculate corecții orbitale, care ulterior sunt transmise la sateliți, iar pe baza motoarelor proprii de corectare a orbitei aceștia elimină abaterile apărute;

Controlează ceasurile sateliților comparându-le cu un ceas atomic cu hidrogen;

Activează diferite module, cum ar fi modulul ‚disponibilitate selectivă’;

Stochează datele noi recepționate de la sateliți;

Are întregul control asupra sistemului.

SEGMENTUL UTILIZATOR

Segmentul utilizator este constituit din totalitatea utilizatorilor civili și militari, dotați cu antene și receptoare cu diferite caracteristici, capabile să capteze și să folosească semnale satelitare. În funcție de caracteristicile receptorului și antenei se ating diferite precizii de poziționare. Cele mai precise instrumente sunt cele de clasă geodezică, ce operează cu lungimile de undă L1 și L2, iar începând cu anul 2010 cu L5.

POZIȚIONAREA FOLOSIND TEHNOLOGIA GNSS

Sub aspect practic, poziționarea folosind tehnologia GNSS are loc pe baza determinării distanțelor dintre sateliți și punctul pentru care se fac observații, iar sub aspect matematic este necesară determinarea a minim 4 astfel de distanțe.

Dacă se determină o singură distanță spre un singur satelit a cărui poziție este cunoscută, punctul din care se fac observații se poate afla oriunde pe suprafața unei sfere cu centrul în poziția satelitului și de rază egală cu distanța determinată.

Determinând două distanțe spre doi sateliți, poziția punctului care se determină se poate afla oriunde pe cercul determinat de intersecția a două sfere. Aceste două sfere sunt definite prin razele care sunt egale cu distanțele măsurate și prin centrele lor, care se află în coincidență cu pozițiile celor doi sateliți.

Măsurând 3 distanțe spre 3 sateliți, precizia de poziționare a receptorului se îmbunătățește considerabil, punctul aflându-se la intersecția a 3 sfere definite de distanțele măsurate și pozițiile sateliților. Intersecția celor 3 sfere este dată de două puncte. Pentru a stabili exact care din cele două puncte definește poziția corectă a receptorului este necesară determinarea unei distanțe spre al patrulea satelit, caz în care poziția receptorului va fi în mod cert unică.

Așadar, poziționarea se realizează printr-o retrointersecție spațială de distanțe într-un sistem de referință geocentric. În acest sistem de referință, în raport cu pozițiile cunoscute ale sateliților pot fi determinate alte puncte prin măsurarea unui număr suficient de distanțe receptor-satelit.

POZIȚIONAREA ABSOLUTĂ

Poziționarea absolută implică utilizarea unui singur receptor pasiv care colectează date de la mai mulți sateliți cu scopul de a-și determina poziția. Această metodă prezintă precizie destul de scăzută, încât nu poate fi folosită în aplicații geodezice. Cu toate acestea însă este cea mai utilizată metodă de poziționare în timp real folosită de utilizatorii civili în special în navigație.

POZIȚIONAREA RELATIVĂ

Prin măsurători simultane în două puncte staționate cu echipamente GPS spre aceiași sateliți, se poate determina vectorul bază între cele două receptoare definit prin coordonatele relative ΔX, Δ Y, ΔZ într-un sistem cartezian geocentric. Coordonatele unuia dintre receptoare trebuie să fie cunoscute (bază) iar coordonatele celui de-al doilea receptor (rover) sunt determinate în funcție de coordonatele bazei. Precizia metodei relative de poziționare este mult mai ridicată față de precizia obținută prin poziționarea absolută. În urma combinării datelor provenite de la cele două receptoare sunt eliminate numeroase erori. La determinarea relativă a poziției punctelor, componentele vectorului bază sunt, de obicei,determinate prin operația de postprocesare a datelor, întrucât sunt necesare observațiile din ambele stații. Pentru o poziționare relativă în timp real este nevoie de un sistem de transmisie a datelor de la bază spre rover, unde are loc procesarea datelor concomitent cu desfășurarea măsurătorilor.  Preciziile care sunt cerute in aplicațiile geodezice sunt atinse astăzi numai prin metodele relative de poziționare, efectuându-se măsurători de fază asupra undelor purtatoare. Poziționarea relativă se poate efectua și folosind mai mult de două receptoare, caz în care cel puțin unul dintre acestea trebuie să aibă coordonate cunoscute. O altă condiție obligatorie este ca toate receptoarele folosite în aceeași sesiune de observații trebuie să înregistreze date de la aceiași sateliți.

POZIȚIONAREA DIFERENȚIALĂ

Tehnica de poziționare diferențială este o combinare a metodelor de poziționare absolută și relativă, în sensul că poziția receptorului este determinată absolut, dar pentru a îmbunătăți precizia de poziționare în timp real, acesta primește un set de corecții, numite corecții diferențiale, de la o stație de referință sau un alt receptor așezat pe un punct de coordonate cunoscute aflat în apropiere. În concepția inițială, se determinau coordonatele stației de referință (base) și ale receptorului mobil (rover) pe baza observațiilor satelitare. Pentru stația de referință acestea erau comparate cu poziția cunoscută și se determinau corecțiile pentru coordonate, care erau apoi transmise pe o anumită cale receptorului mobil ce folosea aceste valori pentru a-și îmbunătăți poziția determinată anterior. În concepția actuală, în stația de referință nu se mai determină corecții pentru coordonate, ci corecții pentru pseudodistanțele măsurate. Acestea sunt transmise apoi receptorului rover, care va corecta pseudodistanțele măsurate, urmând ca pe baza acestora să iți determine poziția.

În cazul în care există informații, respectiv corecții diferențiale de la mai multe stații de referință ce sunt învecinate roverului, se pot colecta aceste date într-un centru de calcul ce poate apoi interpola aceste corecții pentru zona de interes și crea corecții diferențiale pentru o stație virtuală aflată undeva lângă poziția receptorului. Pentru aceasta, receptorul trebuie să poata să iși transmită poziția către centrul de calcul. Această tehnică poartă denumirea de VRS (Virtual Reference Station). Transmiterea corecțiilor diferențiale de la stația de referință la receptorul rover se poate face prin intermediul undelor radio, prin Internet sau cu ajutorul unor sisteme satelitare ce transmit aceste corecții diferențiale ca parte a semnalului lor.

Sistemele satelitare ce transmit astfel de corecții poartă denumirea de sisteme de augmentare, overlay sau SBAS (Satellite Based Augmentation Systems). Pentru Statele Unite, sistemul overlay este denumit WAAS (Wide Area Augmentation System) iar pentru Europa – EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service). Trebuie menționat că aceste sisteme, pe lângă corecțiile diferențiale transmise, oferă și un anumit mesaj legat de integritatea informațiilor, ceea ce face ca aceste sisteme să poată fi folosite în servicii de tipul Safety of Life (SOL) – pilotarea avioanelor, navigatie, etc. Pentru poziționări geodezice și nu numai, pe teritoriul Europei a fost dezvoltată și o infrastructură alcatuită din stații de referință la sol, centre de calcul ce preiau informațiile de la acestea, le prelucrează, generează corecții diferențiale și le transmit prin intermediul internetului către utilizatori. Aceasta inițiativă poartă denumirea de EUPOS, iar serviciul român de poziționare ce face parte din această inițiativă se numește ROMPOS și a fost dezvoltat de către Agenția Națională de Cadastru și Publicitate Imobiliară (ANCPI). Principial, cea mai simplă metodă de poziționare diferențială este reprezentată de cazul a doua receptoare: unul așezat pe un punct cunoscut iar celălalt aflat pe un punct necunoscut sau în mișcareÎn receptorul bază sunt introduse coordoantele cunoscute ale punctului, acesta calculeaza corecțiile diferențiale și le trimite prin intermediul unei conexiuni radio către receptorul mobil (rover) ce utilizează aceste corecții pentru a îmbunătăți pseudodistanțele măsurate și astfel precizia de poziționare.

PRINCIPII DGPS

În cazul în care se utilizează observații de cod pe o singură frecvență, tehnica de poziționare diferențială poartă denumirea de DGPS (Differential GPS). În cele ce urmează, vom prezenta principiul general de poziționare pe baza acestor observații. Fie o stație de referință așezată pe punctul A de coordonate cunoscute, un rover așezat în punctul B de coordonate necunoscute și satelitul k observat de ambele receptoare. La momentul t0, pseudodistanța de la satelitul k măsurată în punctul A poate fi scrisă pe baza relațiilor matematice. Corecția pentru pseudodistanță (PRC – Pseudo Range Corection) va fi egală cu diferența dintre distanța determinată pe baza coordonatelor cunoscute și pseudodistanța măsurată.

Corecțiile ce sunt determinate în stația de referință vor da rezultate bune pentru poziționarea receptorului mobil dacă acesta se află în apropierea stației de referință, întrucât corecțiile diferențiale conțin influența ionosferei, troposferei, eroarea orbitelor satelitare, etc. Erorile orbitelor satelitare sunt aceleași pentru ambele pseudodistanțe, iar dacă distanța dintre stația de referință și rover nu este foarte mare, se poate considera că influența ionsferei și a troposferei este aceeași pentru ambele pseudodistanțe. Corecțiile diferențiale sunt de regulă transmise într-un format standardizat RTCM (Radio Tehnical Commission for Maritim Services Format).

PRINCIPII RTK

O mai bună precizie de poziționare poate fi obținută prin utilizarea receptoarelor ce fac observații asupra fazelor ambelor purtatoare și realizarea fixării ambiguităților. Din punct de vedere al principiului de calcul, acesta utilizează aceiași pași ca și în cazul DGPS. Acest procedeu este utilizat în aplicatiile cinematice în timp real (RTK – Real Time Kinematics). Precizia de poziționare în acest caz este de ordinul centimetrilor, dar pentru a putea folosi această tehnică, receptoarele trebuie să poată rezolva ambiguitățile prin metode OTF (On The Fly).

EGNOS (EUROPEAN GEOSTATIONARY NAVIGATION OVERLAY SERVICE)

Sistemul EGNOS este un sistem SBAS (Satellite Based Augmentation System) dezvoltat de ESA (European Space Agency), și Eurocontrol pentru zona europeană. Astfel de sisteme prelucrează semnalele de la sistemele GNSS și transmit utilizatorilor atât corecții diferențiale dar și un mesaj de integritate, făcând astfel posibilă utilizarea sistemelor GNSS în aplicații de tip Safety of Life (SOL), ce necesită servicii care să fie precise din punct de vedere al poziționării (lucru asigurat prin transmiterea corecțiilor), dar mai ales continue și sigure cu o probabilitate extrem de ridicată. Integritatea este înțeleasă aici ca abilitatea sistemului de a avertiza din timp în cazul în care sistemele GNSS nu ar trebui folosite pentru operații de tip SoL. Un astfel de exemplu ar fi aterizarea avioanelor, unde EGNOS poate asigura operațiunile de tip CAT I – LPV200. În cazul în care sistemul nu poate fi utilizat nici pentru astfel de operațiuni, EGNOS alertează pilotul în maxim 6 secunde, ce va trece pe mijloacele clasice de aterizare (ILS-Instrument Landing System).

Sistemul EGNOS este alcătuit dintr-un segment de control reprezentat de o serie de stații de monitorizare (RIMS – Ranging and Integrity Monitoring Stations), distribuite relativ uniform în Europa, ce receptează semnalele GPS, GLONASS, Galileo sau Compass și le transmit unor centre de control (Mission Control Centers – MCC), unde acestea sunt procesate, generându-se corecții diferențiale pentru zone întinse (WADGPS – Wide Area DGPS) și mesajul de integritate. Acestea sunt apoi transmise unor stații de încărcare (uplink stations), care sunt în număr de 6, ce încarcă informațiile în cei 3 sateliți geostaționari ce compun segmentul spațial al sistemului și care la rândul lor retransmit corecțiile și mesajul de integritate către utilizatorii de la sol.

Fig. Xxxx Arhitectura sistemului EGNOSS

EGNOS a fost operațional în 2009 ca serviciu liber (Open Service) și începând cu 2011 a fost certificat și pentru operațiuni SoL. De asemenea, EGNOS oferă și o altă variantă de transmitere a mesajelor de navigație, utilizând de data aceasta internetul, serviciul fiind denumit EDAS. Trebuie menționat că EGNOS nu este singurul sistem SBAS existent la nivel global în momentul de față. În America de Nord și Canada există implementat încă de la începutul anilor 2000 sistemul WAAS (Wide Area Augmentation System). De asemenea, există în fază de dezvoltare alte sisteme SBAS printre care numărăm: SDCM (Rusia), MSAS (Japonia), GAGAN (India).

ROMPOS (ROMANIAN POSITION DETERMINATION SYSTEM)

Serviciul de poziționare ROMPOS (Romanian Position Determination System) este parte integrantă a unui proiect european mai larg– EUPOS (European Position Determination System), ce reprezintă o inițiativă a unui grup internațional de experți și organizații din diverse domenii și prevede implementarea unui serviciu de poziționare de precizie standardizat. La noi în țară, realizarea infrastructurii sistemului ROMPOS a fost responsabilitatea Agenției Naționale de Cadastru și Publicitate Imobiliară (ANCPI). Sistemul are la bază rețeaua de stații GNSS permanente (RNS-GP) aflată încă în curs de extindere (73 prevazute în final), de la care sistemul preia observațiile, le procesează și determină corecțiile diferențiale ce sunt transmise utilizatorilor fie direct de la o anumita stație fie prin tehnici VRS (Virtual Reference Station). Diferența față de EGNOS sau principiul clasic de poziționare diferențială îl reprezintă metoda prin care corecțiile diferențiale sunt transmise utilizatorului. În acest caz, corecțiile nu sunt transmise de un satelit sau prin conexiuni radio, ci cu ajutorul internetului, pe baza unui protocol NTRIP (Networked Transport of RTCM via Internet Protocol).

Distribuția rețelei de stații permanente pe teritoriul național este redată în figura xxxxx.

Fig. Xxx Schița Rețelei Naționale de Stații GNSS Permanente

În cadrul lucrărilor de proiectare și de recunoaștere a terenului s-a urmărit ca punctele ce vor fi incluse în rețea să respecte o serie de criterii de favorabilitate pentru determinări în rețelele GPS:

materializarea punctelor să asigure stabilitatea și conservarea în timp a acestora;

punctele să nu fie semnalizate cu piramide metalice cu poduri;

punctele să dispună de orizont liber și să nu aibă în jurul lor obstrucții mai mari de 15 ͦ;

accesul la puncte să fie comod și pe cât posibil accesibil mijloacelor auto;

alegerea poziției punctelor să nu ridice probleme în utilizarea lor, oricând și de către orice utilizator, sau din cauza proprietarului terenului pe care acestea sunt amplasate;

punctele proiectate să facă parte din rețeaua GPS să dispună de coordonatele geodezice B și L în datum Krasovski 1942;

să fie sau să poată fi cotate prin nivelment geometric de ordin I-II în plan de referință Marea Neagră 1975.

Astfel, rețeaua aferentă serviciului ROMPOS cuprinde puncte împărțite în 3 clase. Pentru întocmirea acesteia, pe baza Rețelei Naționale de Stații GNSS Permanente (RN-SGP) – Clasa A, s-a realizat un prim nivel de îndesire constituit dintr-un număr de circa 300 borne (Clasa B) și sunt în curs de realizare lucrări pentru rețeaua GNSS de Clasă C, având o densitate de circa 1 pct/50 km2.

Pentru a putea beneficia de serviciile ROMPOS, utilizatorii trebuie să dețină un receptor GNSS și acces la internet în teren prin mijloace GSM/GPRS. În funcție de cerințele utilizatorului, ROMPOS poate oferi următoarele 3 tipuri de servicii:

ROMPOS DGPS – necesită un receptor GNSS cu o frecvență și acces la internet în teren, oferind poziționare cinematică în timp real cu precizii de 0.5 – 1 m;

ROMPOS RTK – necesită un receptor GNSS cu două frecvențe (una în funcție de distanța până la cea mai apropiată stație de referință) și acces la internet în teren, oferind poziționare cinematică în timp real cu precizii centimetrice;

ROMPOS GEO – necesită un receptor cu simplă sau dublă frecvență, ale cărui măsurători vor fi conectate în mod post-procesare la RNS-GP, oferind precizii de poziționare < 2 cm.

Pentru serviciile în timp real, un utilizator se poate conecta pentru a obține corecții diferențiale fie direct la una din stații (single base), fie poate primi corecții de la o stație permanentă virtuală generată prin metode de interpolare de serverul dedicat pe baza observațiilor de la mai multe stații permanente din jur, metodă ce poartă denumirea de Virtual Reference Station (VRS). Pentru aceasta, receptorul trebuie să fie capabil să trimită poziția sa aproximativă serverului.

Fig. Xxx. Principiul de poziționare VRS

Așadar, caracteristicile generale ale ROMPOS sunt:

Sistemul ROMPOS se bazează pe o Rețea Națională de Stații GNSS (GPS+GLONASS) Permanente instalate de către ANCPI;

Stațiile de referință funcționează permanent, furnizând date în timp real, precum și la intervale de timp prestabilite (lh, 24h);

Stațiile de referință sunt interconectate, inclusiv cu cele de peste graniță din statele vecine: în momentul de față, ANCPI are oferte de colaborare cu stații similare din Ungaria, Serbia, Bulgaria și Republica Moldova;

Distanța medie dintre stații este de circa 70 de kilometri, astfel încât, cel puțin teoretic, nu ar trebui să existe baze mai lungi de 35 de kilometri;

Amplasarea stațiilor de referință se face cu atenție sporită pentru a asigura stabilitatea pe termen lung a antenelor GNSS;

Amplasamentul și antenele sunt alese astfel încât să asigure un orizont de vizibilitate cât mai liber de obstrucții și evitarea unor posibile surse de interferență și efecte de reflexie ale semnalului;

Se utilizează la stațiile de referință numai receptoare și antene cu dublă frecvență, de clasă geodezică;

Stațiile recepționează date in mod continuu de la sateliții GPS (toate stațiile) și de la sateliții sistemului rusesc GLONASS (36 de statii). Odată ce sistemul GALILEO va fi pe deplin funcțional, stațiile permanente de referință vor utiliza in mod obligatoriu datele de la sateliții acestui sistem și opțional datele de la sateliții GPS sau GLONASS;

Coordonatele stațiilor de referință sunt determinate cu o precizie foarte bună (sub 1 cm), în sistemul de referință ETRS 89 (European Terrestrial Reference System 1989) prin îndesirea stațiilor GNSS din Clasa A (București, Bacău, Baia Mare, Constanța, Deva) integrate în Rețeaua Europeană de Referință (EUREF);

Pozițiile antenelor stațiilor de referință se verifică în mod regulat, pentru a dete¢ta eventuale deplasări;

Se va implementa un sistem de management al calității în scopul sprijinirii utilizatorilor de a obține rezultatele scontate în concordanță cu cerințele impuse de precizie, integritate, disponibilitate a sistemului. Se va garanta un nivel de disponibilitate și integritate de minim 99%. Funcționările defectuoase, întreruperile și scăderile de calitate sunt identificate în mod automat în timp real;

Stațiile de referință naționale sunt compatibile cu majoritatea altor sisteme de tip GNSS. Sistemul național va asigura interoperabilitatea cu sistemul european similar EUPOS.

Agenția Națională de Cadastru și Publicitate Imobiliară (ANCPI), conform HG 1210/2004, are între atribuțiile principale și cea de a coordona și controla executarea lucrărilor de cadastru, cartografie, topografie, geodezie, fotogrammetrie și teledetecție la nivelul întregii țări. Realizarea acestor lucrări implică executarea, completarea, modernizarea și menținerea în stare de utilizare a rețelei geodezice naționale, în colaborare cu Ministerul Apărării Naționale, întrucât realizarea lucrărilor de cadastru de calitate implică și asigurarea unei infrastructuri constituită de rețeaua geodezică națională (RGN). RGN stă la baza tuturor lucrărilor de determinare a poziției într-un sistem de referință și coordonate bine precizate. De asemenea, pe lângă legile, hotărârile sau ordonanțele de guvern care stabilesc cadrul general de funcționare al ANCPI și al acestui domeniu de activitate, pentru avizarea, executarea și recepția categoriilor de lucrări menționate mai sus, ANCPI a elaborat de-a lungul anilor o serie de acte normative constând în principal în ordine ale ministrului care coordonează activitatea ANCPI sau ordine ale directorului ANCPI.

A-GNSS (ASSISTED-GNSS)

Pentru a putea explica tehnica de Assisted-GNSS trebuie inițial clarificată o altă noțiune, denumită timpul până la prima fixare sau TTFF (Time To First Fix). TTFF se referă la timpul scurs de la pornirea receptorului până la obținerea unei soluții. Pentru cazul GNSS Stand Alone (poziționare absolută), TTFF depinde de nivelul de actualitate a informațiilor referitoare la pozițiile sateliților, poziția aproximativă cunoscută de receptor și timpul UTC menținut de receptor. Se diferențiază astfel în practică 3 situații:

Cold start: situația în care receptorul nu cunoaște poziția sateliților (almanah), timpul aproximativ sau poziția aproximativă. În acest caz TTFF este mai mare de 4 minute (până la 12 minute și jumătate – timpul necesar obținerii almanahului de la satelit);

Warm start: situație în care receptorul cunoaște elementele de mai sus, dar nu cunoaște efemeridele difuzate (parametri orbitelor prezise). De regulă, în acest caz obținerea unei poziții poate dura până într-un minut;

Hot start: aceasta e situația ideală în care receptorul are toate elementele menționate mai sus, inclusiv efemeridele actualizate, ceea ce înseamnă că a fost deschis în ultimele două ore și a putut descărca din mesajul de navigație efemeridele difuzate. În acest caz, TTFF este aproximativ 20 de secunde.

În cazul receptoarelor folosite în navigație (telefoane mobile, echipamente GNSS pentru autoturisme, etc.), unde mobilitatea afectează TTFF iar soluția de poziționare nu necesită o precizie foarte ridicată dar în care TTFF trebuie să fie foarte scăzut, s-a dezvoltat în ultimul deceniu o tehnică de poziționare denumită Assisted GNSS (A-GNSS), în care i se oferă receptorului informații externe care să îl ajute să treacă de la un Cold start sau Warm start la un Hot start în câteva secunde. Informațiile sunt transmise în cele mai multe cazuri prin GSM și constau în efemeride difuzate, standard de timp UTC și o eventuală poziție aproximativă pe baza trilaterației în rețeaua de telefonie mobilă. Avantajul major al tehnicii este reprezentat de TTFF mult îmbunătățit iar dezavantajul este dat de eventualul cost suplimentar perceput de furnizorul serviciilor.

Măsurătorile GNSS folosite în topografie și geodezie pot fi executate prin două metode principale, alegerea metodei potrivite fiecărei lucrări fiind condiționată de logistică, situația din teren sau alți factori. Aceste metode sunt:

Metoda statică- la această metodă, receptoarele din stația de referință și din stațiile noi sunt staționare pe parcursul unei sesiuni de lucru. Pentru a putea rezolva problema ambiguităților de la măsurătorile de fază este nevoie de un timp îndelungat de observație. Durata unei sesiuni depinde de lungimea bazei care se masoară, de numărul sateliților recepționați și de geometria constelației satelitare, ea putând varia pentru o bază de 1 -15 km între 20 de minute și 2 ore. Precizia obținută în măsurătorile realtive se poate considera de ± 5 mm (3mm) +1 ppm din lungimea bazei. Această metodă este metoda principală pentru crearea rețelelor geodezice.

 O reducere substanțială a duratei sesiunilor de lucru la 5 – 20 minute este atinsă cu metoda 'Rapid-static', fiind folosite unele proceduri modificate pentru estimarea ambiguităților. Metoda oferă rezultate foarte bune la determinări de baze scurte (maxim 5-10 km), cu constelații satelitare bune și cu receptoare care măsoară pe frecvențele L1 și L2. Metoda este des utilizată la îndesirea rețelelor de sprijin și în reperajul fotogrammetric.

 Metoda cinematică- coordonatele determinate prin această metodă pot fi absolute sau relative. De regulă, se preferă realizarea unei poziționări cinematice relative, care asigură precizii de ordin centimetric. În funcție de intervalul de timp scurs între momentul efectuării observațiilor și momentul în care are loc determinarea coordonatelor, poziționarea GPS cinematică poate fi realizată în timp real sau în mod post-procesare. În general, în poziționarea relativă de precizie (centimetrică) se utilizează observații de fază. Cele mai utilizate tehnici de prelucrare sunt cele în care se generează ecuații de diferențe simple, duble și triple între ecuațiile de observație inițiale. 

POZIȚIONAREA PRIN MĂSURĂTORI DE PSEUDODISTANȚE PE BAZA CODURILOR

După cum s-a menționat în capitolele anterioare, semnalul transmis de către sateliții GNSS poate fi reprodus de către receptoare. Pe baza corelării încrucișate a semnalelor, respectiv a semnalului care sosește de la satelit și a semnalului replică generat de receptor, se poate determina timpul de propagare al acestuia de la satelit la receptor. Acest lucru are loc datorită faptului că cele două semnale sunt identice dar se găsesc decalate de timpul necesar semnalului satelitar pentru parcurgerea distanței satelit-receptor.

Timpul de zbor Δt reprezintă timpul necesar pentru ca semnalul generat de receptor (replică) să se alinieze perfect cu semnalul transmis de satelit.

Fig. Xxxxx- timpul care se măsoară

Distanța astfel determinată nu reprezintă așa numita ‚pseudodistanță’ deoarece ceasul receptorului și cel al satelitului nu sunt încă sincronizate. Astfel, în figura xxxx sunt reprezentate 3 origini de timp:

Originea timpului atomic ta considerată origine fundamentală;

Originea timpului ceasului satelitului tj;

Originea timpului ceasului receptorului ti .

Fig.x xxxxx- origini de timp gps

Măsurarea pseudodistanțelor poate fi realizată numai prin utilizarea codurilor, întrucât doar acestea dau informații despre momentul în care marca de timp este emisă de satelit. Ceasurile cu cuarț ale receptoarelor au o stabilitate în funcționare mult mai mică decât cele atomice de la bordul sateliților. Această nesincronizare a ceasurilor poate introduce erori în măsurarea distanței receptor-satelit ce pot ajunge la 300 km. Datorită faptului că această valoare nu poate fi acceptată în practică, eroarea de ceas a receptorului se consideră necunoscută la momentul efectuării observațiilor. Pe baza modelelor matematice și a multiplelor observații spre diferiți sateliți, această eroare este determinată cu precizie ridicată.

POZIȚIONAREA PRIN MĂSURĂTORI ASUPRA FAZEI UNDEI PURTĂTOARE

Pentru un semnal periodic se poate arăta că disanța parcursă de semnal poate fi determinată pe baza numărului întreg de perioade a fazelor inițiale și finale și a lungimii de undă a semnalului, care este cunoscută.

D= N*λ+

Unde:

D=distanța satelit-receptor

N=numărul întreg de cicli

λ= lungimea de undă

φ1 și φ0=faza finală respectiv faza inițială a semnalului.

În acest sens, metoda presupune urmărirea unui satelit j în lungul orbitei sale la o epocă inițială t0 și respectiv la o epocă oarecare t.

La momentul t0 distanța satelit-receptor poate fi exprimată ca suma dintre numărul întreg de cicli ai undei și o fracțiune de ciclu. În realitate, doar această fracțiune de ciclu se măsoară, în timp ce numărul de cicli întregi este denumit ambiguitate de fază și este considerat necunoscut pentru fiecare satelit observat.

Pun desenul ce-l am pe desktop cu măsurarea fazei, pe care eventual îl pot reface eu în acad-am salvat un link în favourites cu el

La epoca t, satelitul a parcurs o porțiune de orbită, iar pentru determinarea distanței satelit-receptor se măsoară fracțiunea de ciclu. Apare ca și necunoscut numărul de cicli întregi, respectiv ambiguitatea la momentul t. Pentru observații spre același satelit, ambiguitatea se consideră egală pentru epocile de măsurare. Această ambiguitate se schimbă în momentul pierderii legăturii receptor-satelit datorată obstacolelor interpuse în calea semnalului, fenomen numit alunecare de ciclu (cycle slip). Așadar, la fiecare întrerupere a semnalului apare o nouă ambiguitate de fază.

Determinarea acestor ambiguități reprezintă una dintre solicitările majore ale tehnicilor geodezice bazate pe observații GNSS. Principalele tehnici actuale folosite pentru determinarea ambiguităților sunt bazate pe metode geometrice. Aceste metode geometrice utilizează variația în timp a distanței geometrice dintre receptor și sateliți, variație datorată mișcării sateliților pe orbite. În general se utilizează măsurători continue de fază iar ambiguitățile se estimează prin anumite metode statistice (metoda Lambda, metoda Omega, etc).

Ambiguitățile estimate sunt numere reale și pot fi de tip nesigur (floated) sau fixate (fixed). Ambiguitățile fixate sunt redate prin numere întregi, dacă valorile estimate sunt foarte apropiate de un număr întreg, sau dacă eroarea relativă de poziționare în direcția satelitului este mai mică decât jumătate din lungimea ciclului. Soluția fixării ambiguităților implică un timp de staționare mai lung. Acest timp poate fi ușor redus prin folosirea unor sateliți suplimentari cu o geometrie mai bună sau folosind semnale cu lungime de undă mai mare.

MĂSURĂTORI DOPPLER

Efectul Doppler constă în variația frecvenței unei unde emise de o anumită sursă de oscilații, dacă aceasta se află în mișcare față de receptor. Frecvența măsurată crește atunci când sursa se apropie de receptor și scade atunci când aceasta se depărtează. Astfel de măsuraători se pot face și în cazul receptoarelor GNSS.

După lansarea primului satelit artificial al Pământului (Sputnik 1) în 1957 de către URSS, o echipă de cercetători americani au început monitorizarea transmisiilor radio ale acestui satelit. Ei au descoperit că, datorită efectului Doppler, frecvența semnalului transmis de satelit era mai mare cu cât acesta se apropia de punctul lor de observație, și mai mică pe măsură ce se depărta. Astfel, această echipă de cercetători a realizat faptul că bazându-se pe cunoașterea poziției observatorului se poate determina poziția satelitului în spațiu calculând distorsiunea Doppler. Afirmația inversă era de asemenea valabilă, adică dacă se cunoștea poziția satelitului în spațiu, putea fi determinată poziția observatorului pe baza distorsiunii Doppler. Aceste descoperiri au fost cele care au stat la baza realizării sistemelor de poziționare globală prin satelit.

ERORI CE POT APĂREA ÎN MĂSURĂTORILE GNSS

ERORI ACCIDENTALE

ERORI DATORATE REFLEXIEI SEMNALULUI (MULTIPATH)

Aceste erori sunt datorate recepției unor replici ale semnalelor satelitare, datorită reflexiei acestora la întâlnirea diverselor obiecte. Astfel, oricare din aceste replici va descrie o distanță satelit-receptor mai mare decât semnalul direct.

desen

Când obiectele din care este reflectat semnalul se află la distanță relativ mare față de receptor, datorită întârzierii mai mari a replicilor față de unda directă, receptoarele au în general capacitatea de a elimina replicile nedorite. Când obiectele reflectante se află în apropierea antenei, receptorul are probleme în identificarea replicilor, iar acest lucru afectează capacitatea receptorului de a corela semnalul emis de acesta și cel recepționat de la satelit.

Astfel, erorile datorate reflexiei semnalului, denumite și erori de traseu multiplu sau „multipath” sunt foarte greu de eliminat, fiind greu de modelat din cauza dependenței acestora de lungimea de undă, de puterea semnalului, de mediu, etc.

Pentru diminuarea probabilității de apariție a acestor erori, se recomandă ca antena să nu fie amplasată lângă corpuri ce pot reflecta semnalul GNSS (cum ar fi clădirile înalte), în special pentru determinări geodezice, unde preciziile solicitate sunt ridicate. De asemenea, producătorii de receptoare utilizează antene cu polarizare circulară de tip „choke ring”, ce înlătură pe cât posibil semnalul venit din alte direcții.

Fig. Xxxxx: antene de tip ‚choke-ring’

Eliminarea acestei erori în totalitate rămâne încă un domeniu de interes pentru cercetători. Emiterea semnalelor GNSS într-o a treia frecvență L5 va oferi alte oportunități de modelare a semnalelor reflectate.

ERORI DATORATE RECEPTOARELOR

Erorile care apar în poziționarea GNSS și sunt datorate receptoarelor pot fi diferențiate astfel:

Erori cauzate de zgomotul receptoarelor: apar în general din cauza amplificatorului din receptor. Semnalele carevin de la sateliți au o putere scazută și trebuie sa fie întâi amplificate;

Erori de canal: reprezintă întârzierile apărute din cauza drumului pe care semnalele trebuie sa îl parcurgă în interiorul antenei până în momentul în care se realizează măsurătoarea fizică de pseudodistanță. Aceste valori absolute ale întârzierilor sunt mici, iar ele sunt luate în considerare în special pentru receptoarele folosite în determinarea întârzierilor ionosferice;

Erori datorate excentricității centrului de fază al antenei: Punctul a cărui poziție este determinată prin măsurători satelitare este centrul defază al antenei, care nu este un punct materializat fizic și nici nu este fix, el fiind dependent de puterea semnalelor, direcția acestora, etc. Centrul de fază diferă de centrul geometric al antenei, a cărui poziție dorim, de fapt, să o determinăm. Pentru diminuarea acestei erori este necesară orizontalizarea antenei precum și orientarea acesteia.

ERORI SISTEMATICE

ERORI DATORATE CEASURILOR SATELIȚILOR ȘI ALE RECEPTOARELOR

Erorile cauzate de ceasurile sateliților și cele ale receptoarelor se produc datorită faptului că aceste ceasuri nu sunt în concordanță cu timpul GPS. În cazul ceasurilor satelitare, efemeridele sunt atribuite unui timp eronat. Aceste erorile sunt modelate de segmentul de control și transmise receptoarelor sub formă de corecții. În cazul ceasurilor receptoarelor, acest lucru nu este posibil. Comparativ cu ceasurile sateliților, care sunt oscilatoare atomice, ceasurile receptoarelor sunt oscilatoare cu quartz, mult mai instabile, având fluctuații chiar și pe perioade scurte de timp și fiind sensibile la variațiile de temperatură. Astfel, pentru perioade de scurtă durată, erorile ceasurilor atomice satelitare pot fi modelate prin polinoame de ordinul doi, iar erorile ceasurilor cu cuartz ale receptoarelor pot fi modelate prin polinoame de ordin superior, până la ordinul opt.

ERORI DATORATE ORBITELOR SATELITARE

Erorile cauzate de orbitele sateliților sunt erori ce nu au legătură directă cu procesul de măsurare, dar influențează rezultatul poziționării, din cauza faptului că efemeridele intră în procesul de prelucrare, modificând astfel coordonatele punctelor și mai ales precizia acestora.

Noțiunea de efemeride reunește datele referitoare la orbitele satelitare. Acestea prezintă precizii diferite, după cum urmează:

Broadcast ephemerides- sunt efemeridele transmise de către satelit în mesajul de navigație, și redau poziția acestuia pe orbită cu precizie de 20-30 de metri;

Precise ephemerides- sunt efemeride calculate de segmentul de control al sistemelor saltelitare, care sunt puse la dispoziția utilizatorilor după un anumit interval de timp și pot fi descărcate de pe internet și folosite în procesul de post-procesare. Aceste efemeride prezintă precizii metrice sau chiar subdecimetrice.

Așadar, orbitele reale ale sateliților diferă de cele teoretice din cauza anumitor perturbații, cum ar fi atracția Lunii sau a Soarelui, presiunea razelor solare, etc. Datorită acestui fenomen, segmentul de control de la sol al sistemelor satelitare au ca sarcină principală determinarea orbitelor satelitare și predicția acestora pentru perioade scurte de timp. Aceste orbite precise sunt puse la dispoziția utilizatorilor ulterior momentului efectuării observațiilor.

Erorile orbitale au cea mai mare influență asupra determinărilor absolute, modificând pseudodistanțele cu valori de până la un metru. În cazul observațiilor efectuate prin metode relative sau diferențiale, efectul erorilor orbitale este mult mai mic, de 20-30 cm, uneori chiar centimetric, încât poate fi neglijat de cele mai multe ori.

3.2.2.3. ERORI DATORATE TROPOSFEREI

Troposfera reprezintă stratul gazos aflat în imediata apropiere a pământului, numit astfel deoarece se caracterizează printr-o continuă agitație (grecescul tropos inseamna‘agitat’, ’turbulent’). Grosimea lui variază cu latitudinea ,fiind de 16-18 km în zona ecuatorială ,de 10-12 km în zonele temperate și de 6-8 km în cele polare. S-a constatat de asemenea că grosimea troposferei , în orice punct ar fi considerată , este mai mare vara și mai mică iarna. Diferențele pot fi de 2-4 km. Astfel,  pentru aceeași latitudine și același moment , troposfera este mai înaltă în punctele cu presiune atmosferică mai mare și mai joasă în punctele cu presiune atmosferică mică. Întrucât în primele mii de metri gradienții de scădere a densității și presiunii aerului sunt foarte mari , la limita superioară a troposferei presiunea este de zece ori mai mică pentru zona ecuatorială și de 4-5 ori mai mică pentru zonele polare decât la nivelul mării.

Deși este cel mai subțire dintre straturile atmosferei, troposfera prezintă pentru viața de pe Pământ o importanță deosebită. Ea concentrează peste 80% din masa atmosferei și circa 90% din vaporii de apă, fiind sediul celor mai importante procese și fenomene meteorologice. Principalele caracteristici ale troposferi sunt scăderea temperaturii odată cu creșterea înălțimii și mișcarea neîncetată a aerului.

Scăderea temperaturii odată cu creșterea înălțimii are loc după un gradient termic vertical mediu de 0,6 ͦ C / 100 m , valabil pentru toate zonele Pământului. Grosimea troposferei fiind însă diferită, la limita ei superioară se înregistrează temperaturi de – 70…-80 ͦ C deasupra Ecuatorului și de -50…-60 ͦ C deasupra regiunilor temperate și polare. În partea inferioară a troposferei, mai ales iarna și noaptea, pot fi întalnite situații în care temperatura aerului rămâne neschimbată (izotermie) sau crește cu înălțimea în loc să scadă (inversiune termică).

Mișcarea neîncetată a aerului din troposferă se datorează încălzirii diferențiate a suprafeței terestre, care determină încălzirea inegală a stratului de aer inferior și apariția mișcărilor convective (ascendente și descendente). Acest schimb convectiv sau turbulent neîncetat influențează nu numai distribuția verticală a temperaturii în troposferă, ci și pe cea a vaporilor de apă și pulberilor. El influentează, de asemenea, procesele optice din troposferă , precum și transformările de fază ale apei care conduc la apariția sau dispariția norilor și a diferitelor fenomene hidrometeorologice. Tot încălzirea diferențiată a stratului de aer inferior constituie și cauza primară a mișcărilor orizontale sau advective, frecvente în troposferă.

Datorită temperaturilor foarte reduse și cantităților mici de vapori de apă, partea superioară a toposferei reprezintă domeniul norilor cirrus, cirrostratus și cirrocumulus, constituiți în exclusivitare din cristale fine de gheață.

Datorită acestor caracteristici principale ale troposferei, aceasta acționează negativ asupra semnalelor satelitare în special prin refracție. Refracția troposferică provoacă o întârziere a recepționării semnalului de la satelit, întârziere care conduce la creșterea timpului de parcurgere a distanței satelit-receptor, iar în concluzie o creștere sistematică a distanțelor.

Întârzierea datorată troposferei este independentă de frecvența semnalului, comportându-se la fel față de undele purtătoare L1, L2 sau L5, fiind totuși dependentă de parametri atmosferici și de unghiul zenital sub care se găsește receptorul față de satelit. Valoarea refracției troposferice crește exponențial cu unghiul zenital menționat, de aceea nefiind recomandat să se facă observații folosind sateliții care ‚apun’ sau care ‚răsar’ (de aici folosindu-se unghiul mască de 15-20 ͦ).

Pentru eliminarea acestei erori sistematice introduse de refracția troposferică s-au realizat mai multe modele matematice. Softul folosit în lucrare pentru post-procesarea observațiilor satelitare (Leica Geo Office) are încorporată opțiunea de compensare a efectelor troposferice folosind diverși algoritmi de modelare a acestor efecte. Modelul troposferic ales în lucrare pentru eliminarea efectelor troposferei a fost modelul Hopfield. Gradul de incertitudine al acestui model este de aproximativ 5%, datorită dificultăților de modelare a componentei umede a troposferei în lungul traseului semnalului, ca urmare a distribuției necontrolate a vaporilor de apă.

ERORI DATORATE IONOSFEREI

Ionosfera reprezintă partea atmosferei terestre cuprinsă între altitudinile de 40-50 și 1000 km. Erorile de refracție ionosferică depind de frecvența semnalului, precum și de conținutul de electroni de-a lungul traiectoriei acestuia. Densitatea de electroni, la randul ei, depinde de activitatea solară și de câmpul geomagnetic și crește odată cu altitudinea, ceea ce înseamnă că refracția ionosferică variază în funcție de frecvența semnalului, de zona geografică, de sezon și de ora la care se efectuează observațiile.

De o importanță deosebită pentru observațiile satelitare este variația fluxului de raze ultraviolete emanate de Soare, care se produce dupa un ciclu cu o perioadă de aproximativ 11 ani (ultimul maxim al activității solare s-a produs în anul 2011 și urmatorul maxim va avea loc în anul 2022). În perioada de maxim al activității solare, semnalele trimise de sateliți pot fi corupte serios, astfel că erorile observațiilor GPS vor avea, la rândul lor, valori maxime.

Impactul ionosferei asupra propagării undelor GPS (z) poate fi caracterizat de conținutul total de electroni (ne), incluși într-o coloană cu sectiunea de un metru pătrat, situată de-a lungul traiectoriei semnalului (s), între punctele S și P poate fi scris sub forma:

z=

Pe de altă parte, propagarea undelor radio într-un mediu dispersiv cum este ionosfera se supune legilor fizicii.

Așadar, pseudodistanța determinată prin metoda de măsurare a fazei codurilor va fi mai lungă decât în realitate, în timp ce pseudodistanța determinată prin metoda de măsurare a fazei undei purtătoare va fi mai scurtă, astfel încât, în jurul valorii unghiului orizontal (E = 5°), eroarea dată de refracția ionosferică este de aproximativ trei ori mai mare decât pe direcția zenitului, ceea ce înseamnă că, la fel ca și la subcapitolul precedent, privitor la refracția troposferică, pentru evitarea amplificării efectului ionosferei asupra propagării semnalelor GPS trebuie evitate observațiile asupra sateliților care se apropie de orizontul punctelor staționate.

În practică, eroarea datorată refracției ionosferice se poate elimina prin utilizarea determinărilor simultane, pe cele doua frecvențe ale purtătoarelor, L1 și L2. Pentru măsurarea unor baze cu lungimi mai mari de 15 km este necesară utilizarea receptoarelor cu dublă frecvență în vederea eliminării erorii de refracție ionosferică, iar pentru baze sub 15 km aceasta se poate elimina și prin măsurători diferențiale sau relative. Asemenea modelării efectelor troposferei, și pentru eliminarea efectelor ionosferice au fost dezvoltate modele matematice. Aceste modele pot fi aplicate în momentul post-procesării datelor, cu ajutorul softului specializat.

TIPURI DE CONSTELAȚII SATELITARE

CONSTELAȚIA GPS

Sistemul NAVSTAR-GPS (Navigational Satellite Timing and Ranging- Global Positioning Sistem) este, ca și celelalte sisteme GNSS, un sistem de radionavigație cu ajutorul sateliților artificiali și este alcătuit, la modul general, din 3 subsisteme sau segmente: segmentul satelitar sau constelația satelitară, formată din sateliții ce gravitează în jurul Pământului, transmițând semnalul necesar poziționării și informațiile de navigație către receptoarele utilizatorilor, precum și alte informații suplimentare legate de starea de “sănătate” a sateliților; Segmentul de control – format din stațiile de control de la sol ce monitorizeazăsegmentul satelitar din punct de vedere al “sănătații” sateliților. De asemenea, segmentul de control are rolul de a estima, prezice și înărca în sateliți informațiile legate de traiectoriile acestora (efemeride difuzate) împreună cu corecțiile de ceas ale acestora; Segmentul utilizator – format din totalitatea receptoarelor adecvate ce pot folosi semnalul satelitar pentru navigație, poziționare etc.

Fig. 10 – Constelația satelitară în cazul GPS

Segmentul satelitar a fost conceput inițial ca având 24 de sateliți (SV – spacevehicles), dispuși în așa fel încât să asigure o poziționare globală. Astfel, s-a hotărât în final dispunerea celor 24 de sateliți în 6 plane orbitale, având o înclinare de 55 ͦ , câte 4 sateliți în fiecare plan orbital, la o altitudine de 20 230 km deasupra Pământului. Perioada de revoluție a sateliților este de jumătate de zi siderală (adica 11 ore și 58 de minute), ceea ce înseamnă că în timp ce Pământul face o rotație completă de 360 ͦ  în jurul axei sale, satelitul va efectua două mișcări de revoluție.

Guvernul Statelor Unite ale Americii a investit masiv în sistemul GPS, iar durata mare de viață a sateliților raportată la durata preconizată de viață, a făcut ca actuala constelație să cuprindă până la 30 de sateliți. Fiecare satelit poate fi identificat în mai multe moduri, fie în funcție de data lansării, fie în funcție de numărul de catalog al NASA (National Aeroanutics and Space Administration), fie în funcție de orbita în care se află, fie după numărul PRN (Pseudo-Random Number) ce reflectă porțiunea de cod P pe care acesta o folosește.

În funcție de perioada în care au fost lansați și de capabilitățile lor tehnice, sateliții sistemului GPS se împart în:

Block I – sateliții din această generație au fost sateliții prototip ai sistemului și erau concepuți pentru o durată de viață de 5 ani. Primul satelit a fost lansat în februarie 1978 și ultimul în octombrie 1985. Ultimul dintre sateliții din această generație a funcționat până în 1995. Sateliții Block I erau dispuși pe 3 planuri orbitale, înclinate la 63 ͦ față de planul ecuatorial. Această generație a cuprins 11 sateliți;

Block II – sateliții din această generație se deosebesc prin faptul că aveau implementate tehnicile SA (Selective Availability) și AS (Anti-Spoofing) de protecție (prima este în prezent dezactivată). Durata de funcționare fusese estimată la 7-8 ani, dar ultimul dintre acești sateliți (lansat în 1990) a funcționat până în 2007. Sateliții au fost organizați în 6 planuri orbitale, având înclinația de 55 ͦ față de planul ecuatorial;

Block IIA – (Advanced) sunt sateliți din aceeași generație ca cei Block II, dar cu îmbunătățiri în ceea ce privește comunicarea satelit – satelit. De asemenea, au montate reflectoare laser ce permit măsurători de tipul SLR (Satellite Laser Ranging). În momentul de față mai există 11 sateliți activi (din totalul de 19 lansați) din această generație;

Block IIR – (replenishment) sunt sateliți ce au avut ca scop înlocuirea sateliților din vechea generație Block II. Din punct de vedere tehnic, aceștia beneficiază de ceasuri cu hidrogen, de tip MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation), mult mai precise decât cele cu cesiu sau rubidiu utilizate anterior. De asemenea, aceștia dispun de legături intersatelitare ce permit ameliorarea preciziei de determinare a orbitelor satelitare. În prezent exista 12 sateliți activi din această generație;

Block IIR-M – (modernised) sunt sateliți ce beneficiază și de posibilitatea măsurării distanței între sateliți (SSR – Satellite to Satellite Ranging). Au fost lansați până în prezent 7 sateliți din această generație. De asemenea, acești sateliți beneficiază de un nou cod militar M și un nou cod civil pe L2 – L2C;

Block IIF – (follow on) erau programați să fie lansați până în 2010, dar datorită longevității neprevazute a sateliților din generațiile anterioare, s-a amânat lansarea lor. Astfel, în prezent există un singur satelit din această generație lansat. Această nouă generație de sateliți emite și un nou semnal civil L5;

Block III – sateliții din cadrul noii generații vor beneficia de o putere mai mare a semnalului și vor fi dezvoltați având ca scop interoperabilitatea cu alte sisteme (Galileo în special). Acești sateliți urmează să fie lansați cel mai devreme în 2017.

Segmentul de control al NAVSTAR-GPS este alcătuit dintr-o stație de control principală (MasterControl Station – MCS) aflată la baza Falcon Air Force (Colorado Springs), o stație de control principală de rezervă aflată la Cape Canavral, alte 4 stații de monitorizare situate în insula Hawaii (estul Oceanului Pacific), insula Kwajalein (vestul Oceanului Pacific), insula Diego Garcia (vestul Oceanului Indian) și insula Ascension (oceanul Atlantic), precum și 10 stații de monitorizare ale National Geospatial Intelligence Agency. În acest moment, orice satelit poate fi „vazut” din cel puțin 2 stații de monitorizare. Segmentul de control are următoarele atribuții: monitorizarea stării sateliților, calcularea efemeridelor, menținerea standardului de timp prin verificarea stării de funcționare a ceasurilor satelitare, încărcarea (actualizarea) mesajului de navigație din satelit, etc.

Segmentul utilizator este alcătuit din totalitatea receptoarelor de la sol sau din aer ce utilizează semnalul transmis de sateliții GPS pentru a-și determina poziția. Utilizatorii GPS se împart în utilizatori civili și utiliztori militari, în funcție de gradul de accesibilitate la capabilitățile sistemului, categorii care fac obiectul altui subcapitol al lucrării.

Clasificarea receptoarelor se poate face după mai multe criterii. După numărul de frecvențe, acestea se împart în:receptoare cu o frecvență (L1), cu două frecvențe (L1, L2), cu trei frecvențe (L1, L2, L5). După destinație, receptoarele pot fi: de navigație, geodezice sau destinate menținerii unui standard de timp. După tipul de coduri utilizate, pot fi cu cod C/A, cu cod C/A și P(L1), cu cod C/A, P(L1) și P(L2).

Structura semnalului GPS- acuratețea sistemului este asigurată de faptul că toate componentele semnalului satelitar sunt controlate de ceasuri atomice. Astfel, sateliții GPS din generația Block II utilizau ceasuri atomice cu cesiu și rubidiu, care asigurau o stabilitate a timpului de 10 -12 secunde. Sateliții din generația Block IIR erau dotați cu ceasuri atomice cu hidrogen, de tip Maser, care asigură stabilitatea timpului de 10 -15 secunde. Aceste ceasuri au fost păstrate și pentru sateliții generației Block III. Ceasurile atomice de mare precizie cu care sunt dotați sateliții GPS asigură realizarea unei frecvențe fundamentale f 0= 10,23 MHz. Această frecvență fundamentală stă la baza celor 3 componente ale semnalului satelitar:

Componenta portantă, care conține cele trei unde sinusoidale L1, L2 și L3;

Componenta activă, cuprinde codul P și codul C/A;

Componenta mesaj, cuprinde codul D.

Cele 3 unde purtătoare sunt generate prin multiplicarea frecvenței fundamentale cu 154 pentru L1, 120 pentru L2 și 115 pentru L5. Astfel, frecvențele și lungimile de undă rezultante sunt:

L1: fL1= 1575,42 MHz; λ ≈ 19 cm;

L2: fL2= 1227,60 MHz; λ ≈ 24 cm;

L5: fL5= 1176,45 MHz; λ ≈ 25 cm.

λ = ; c ≈ 299 792 458 m/s; c-viteza luminii în vid.

Sistemul a fost proiectat pentru a emite în două frecvențe, L1 și L2, condiție teoretică indispensabilă pentru eliminarea diverselor cauze ale unor erori, cum ar fi cele sistematice prezentate în lucrare. În 2010 a fost lansat primul satelit care operează și cu frecvența L5, însă actualmente aceasta este folosită doar în scopuri științifice sau de cercetare. Va fi disponibilă utilizatorilor civili, pe deplin, abia după lansarea tuturor sateliților din generația Block III.

Determinarea distanței dintre sateliții GPS și receptoarele utilizatorilor este indispensabil legată strâns de determinarea cât mai precisă a timpului de propagare al undei pe această distanță, determinare care se realizează cu ajutorul codurilor generate de un algoritm cu periodicitate în timp, care modulează frecvențele portantelor. Aceste coduri, denumite PRN (Pseudo-Random Noise) sunt folosite sub următoarele forme:

Codul C/A (Coarse/Aquisition): fC/A= 1,023 MHz; λ ≈ 300 m;

Codul P (Precision): fP = 10,23 MHz; λ ≈ 30 m;

Codul C/A este liber pentru utilizatorii civili și modulează numai lungimea de undă L1. Acest cod se repetă la fiecare milisecundă și furnizează informații privind identificarea satelitului recepționat.

Codul P este codul rezervat utilizatorilor militari sau altor utilizatori privilegiați și modulează lungimile de undă L1 și L2, cu un decalaj care se repetă săptămânal.

Codul D reprezintă codul de navigație, are o frecvență de 50 Hz și cuprinde informații referitoare la efemeridele sateliților și parametri reali pentru calculul poziției acestora, starea lor și a ceasurilor pe care le au la bord.

Receptoarele de mici dimensiuni, utilizate exclusiv pentru navigație, recepționează numai codurile C/A și D și asigură o poziționare absolută cu precizie de ± 100 m.

Complexitatea semnalului GPS este deosebită și poate fi motivată printr-o serie de condiții pe care trebuie să le asigure, cum ar fi:

GPS reprezintă în primul rând un sistem militar, fiind însă pus și la dispoziția utilizatorilor civili. Acest sistem trebuie să ofere utilizatorilor precizii corespondente domeniului și preocupărilor acestora, dar și receptoarelor de care dispun;

Utilizatorii care dispun de posibilitatea măsurării codurilor pot beneficia de poziționare în timp real, cu informații referitoare la corecții provenite de la stațiile permanente DGPS, amplasate în zone de coastă sau pe uscat, care transmit datele în formatul standardizat RTCM (Radio Technical Commision for Maritim Services Format);

Utilizatorii care pot măsura fazele undelor purtătoare pot realiza o poziționare cu precizie superioară, obținută în urma post-procesării;

Utilizatorii care pot recepționa semnale GPS în cele două frecvențe L1 și L2 dispun de posibilitatea eliminării erorilor sistematice, generate de influența refracțiilor troposferice și ionosferice.

CONSTELAȚIA GLONASS

Dezvoltarea sistemului GLONASS (GLObalnaya NAvigatsionnaya Sputnikova Sistema) a început relativ simultan cu cea a sistemului GPS. Sistemul de poziționare rusesc este organizat în principiu în același mod ca și sistemul GPS, și anume cuprinde cele 3 mari segmente: segmentul satelitar, segmentul de control și cel utilizator.Constelația satelitară a fost concepută inițial ca fiind alcătuită tot din 24 de sateliți ca și în cazul GPS, dar dispuși în 3 plane orbitale, având o înclinare de 64.8 ͦ , câte 8 sateliți în fiecare plan orbital. Sateliții sunt decalați între ei pe orbita cu 45 ͦ și au o perioadă de revoluție de 11 ore, 15 minute și 44 de secunde.

Orbitele sunt aproape circulare și au o altitudine de aproximativ 19 100 km. Sistemul rusesc de poziționare a avut o evoluție relativ oscilantă, acesta ajungând la maturitatea de 24 de sateliți în 1996. Însă, din cauza unei durate de viată destul de scăzuta a sateliților, sistemul a funcționat o perioadă și cu 7-10 sateliți (2000). În ultima perioadă, în urma unei Directive a Președintelui Putin (18.01.2006), s-a hotărât să se investească din nou în GLONASS pentru a ajunge la o constelatie de 24 de sateliți în 2009-2010. Sistemul a ajuns în prezent la o constelație completă. Înârzierea față de termenul propus a fost cauzată de lansarea eșuată a ultimilor 3 sateliți din seria M la sfârșitul anului 2010.

Și în cazul GLONASS, ca și în cazul GPS, sateliții au fost îmbunătățiți în timp, și astfel aceștia alcătuiesc mai multe generații:

GLONASS – sateliții originali ai sistemului, lansați în prima fază de dezvoltare a acestuia. Aceștia emiteau semnale doar pe o singură frecvență și aveau o perioadă de viață de aproximativ 3 ani;

GLONASS – M – această generație de sateliți emit semnale pe două frecvențe și au o durata de viata de aproximativ 7 ani. În momentul de față întreaga constelație GLONASS activă este alcatuită din stateliți din generatia GLONASS – M;

GLONASS – K – reprezintă următoarea generație de sateliți GLONASS, ei urmând să emită pe trei frecvențe, având o masă redusă la jumătate și o durată de viață de 10-12 ani. Din această generație a fost deja lansat primul satelit în februarie 2011, satelit ce se află momentan în faza de stabilizare a orbitei.

Segmentul de control al GLONASS este alcătuit dintr-un centru de control principal (SCC -System Control Center) și alte stații de Telemetrie, Urmărire și Control (TT&C – Telemetry, Tracking and Control) distribuite pe teritoriul Rusiei. Acestea se ocupă, ca și în cazul GPS, cu monitorizarea sateliților, cu studiul orbitelor acestora și cu încărcarea în sateliți a informațiilor de navigație.

Segmentul utilizator este reprezentat, ca și în cazul GPS, de totalitatea receptoarelor capabile să utilizeze semnalul venit de la sateliții sistemului în scopuri de navigație, poziționare, etc. 

Structura semnalului satelitar GLONASS- în cazul sistemului satelitar de poziționare rusesc, în prezent, sateliții emit semnale modulate BPSK (Binary Phase Shift Keying) cu ajutorul codurilor (C/A și P), dar care nu diferă de la satelit la satelit, ca în cazul GPS. În schimb, fiecare satelit emite pe o frecvența puțin diferită FDMA ( Frequency Division Multiple Acces), doar sateliții aflați în același plan orbital și amplasați diametral opus emit pe aceeași frecvență. Frecvențele pe care emit sateliții sunt bazate pe o frecvență nominală la care se adaugă o variație a acesteia pe baza unui indice acordat satelitului.

Modularea undelor purtatoare se face tot prin modulație de fază (BPSK), ca și în cazul purtătoarelor GPS. Modernizarea și dezvoltarea sistemului GLONASS se va axa, pe lângă lansarea sateliților de generație mai nouă, GLONASS-K, ce vor emite pe o a treia frecvență L3 (1202.025 MHz), și pe interoperabilitatea GLONASS/GPS. De aceea, pe lângă semnalele existente, bazate pe FDMA (Frequency Division Multiple Acces), se vor dezvolta și o serie de alte noi semnale bazate pe CDMA (Code Division Multiple Acces).

Aceste semnale vor fi emise în toate cele 3 frecvențe nominale iar semnalele L3 vor fi transmise doar prin tehnici CDMA, lucru ce atestă tendința GLONASS de interoperabilitate.

Codurile folosite de sistemul GLONASS (C/A și P) sunt similare celor ale sistemului GPS și nu vor fi descrise în continuare. Sistemul GLONASS transmite, spre deosebire de GPS, două mesaje de navigație care sunt adunate folosind o sumă modulo 2 (funcție XOR-eXclusive OR) cu cele două coduri ale sistemului. Transmiterea mesajului de navigație se face la o rată de 50 bps. Mesajele transmise de fiecare satelit GLONASS cuprind așa numitele informații operaționale (informații referitoare la satelitul ce emite mesajul de navigație) și non-operaționale (informații ce se referă la întregul sistem).

Informațiile operaționale transmise sunt :

Marca de timp a satelitului;

Abaterea standardului de timp ținut de satelit față de standardul de timp GLONASS;

Diferența relativă a frecvenței purtătoarei semnalului emis de satelit față de valoarea nominală;

Efemeridele satelitului;

Informațiile non-operaționale transmise sunt:

Date asupra stării fiecărui satelit (almanahul satelitului);

Corecții pentru scara de timp a sistemului GLONASS.

Organizarea mesajului de navigație – mesajul de navigatie al GLONASS este organizat dintr-un super-cadru de 2.5 minute, acesta conținând 5 cadre de 30 secunde, fiecare dintre acestea compuse din 15 linii de 2 sec. Primele 3 linii conțin efemeridele difuzate pentru satelitul observat. Celelalte linii conțin almanahul pentru toți sateliții din sistem. Fiecare cadru conține informații legate de maxim 5 sateliți. Ca și în cazul GPS, pozițiile rezultate pe baza almanahului nu pot fi folosite în determinarea unei poziții, ele doar ajută receptorul în găsirea sateliților disponibili.

CONSTELAȚIA GALILEO

Sistemul de poziționare dezvoltat de Uniunea Europeană va fi primul sistem de  poziționare ce va fi orientat către aplicații civile. Aceasta este diferența majoră față de sistemele globale de poziționare GPS și GLONASS. Apariția sa a fost cauzată de mai multe aspecte economice, politice, sociale și tehnologice. În momentul de față, sistemul se află în plină fază de dezvoltare. Segmentul spațial va fi compus din 30 de sateliți distribuiți în 3 plane orbitale, având fiecare o înclinare nominală de 56 ͦ , în fiecare plan orbital fiind dispuși câte 9 sateliți activi, plus unul neactiv (de rezervă), decalați cu aproximativ 40 ͦ între ei. Orbitele sateliților vor avea o altitudine de aproximativ 23 222 km, iar un sateilt va parcurge 17 perioade de revoluție pe parcursul a 10 zile. 

În momentul de față, segmentul satelitar a încheiat faza de validare a orbitelor IOV ( In Orbit Validation). Astfel, până în prezent au fost lansați doi sateliți, GIOVE-A și GIOVE-B (Galileo In Orbit Validation Equipment). Aceștia au fost urmați în 2011 și 2012 de primii 4 sateliți operaționali ai sistemului, realizați de Astrium GmBH. S-a încheiat astfel faza IOV și s-a trecut în faza intermediară, denumită IOC (Initial Operations Capability), moment care a condus și la începerea operațiunilor de încheiere a activităților pentru sateliții de testare GIOVE.

Realizarea următorilor sateliți ai constelației Galileo a fost deja contractată de către firma germană OHB Technology AG împreună cu SSTL (Surrey Satellite Technology Ltd). Segmentul de control va fi compus din două sisteme principale:

Sistemul de control propriu-zis GCS (Ground Control System), ce se va ocupa de comanda și controlul sateliților;

Segmentul de Misiuni GMS (Ground Mission System) ce se va ocupa de colectarea datelor de la stațiile de monitorizare, calculul efemeridelor, etc.

Sistemul GALILEO va oferi 5 servicii de poziționare diferite:

OS (Open Service), ce va avea acces liber și va oferi o poziționare cu o precizie sub 4m (orizontal) și sub 8m (vertical) folosind ambele frecvențe, sau sub 15m (orizontal) și sub 35m (vertical) folosind o singură frecvență;

CS (Commercial Service) la care se va avea acces contra-cost și va oferi o precizie submetrică. În cadrul acestui serviciu se vor folosi alte două semnale de poziționare;

PRS (Public Regulated Service) – serviciu cu acces restricționat pentru un anumit segment utilizator (inclusiv militar) ce va avea un nivel crescut de protecție împotriva interferențelor;

SoL (Safety of Life Service) completează serviciul OS prin furnizarea unui mesaj de integritate pentru aplicații critice în conformitate cu ICAO LPV 200

(International Civil Aviation Organisation Localizer Performance with Vertical guidance).

Structura semnalului satelitar în cazul GALILEO – sistemul GALILEO va pune la dispoziția utilizatorilor serviciile menționate anterior prin transmiterea a trei semnale compuse obținute prin multiplexare în benzile E5 (1164 MHz – 1214 MHz), E6 (1260 MHz – 1300 MHz) și L1 (1563MHz –1591MHz). Vor exista 10 semnale de bază obținute prin modularea rezultatului adunării binare dintre codurile pseudoaleatoare și a unui flux de date opțional (canal de navigație sau canal pilot).

Pe baza serviciului către care sunt orientate și a benzii în care sunt transmise, semnalele Galileo pot fi cuplate în 6 semnale de navigație principale: L1F, L1P,E6C, E6P, E5a și E5b. Toți sateliții vor emite pe aceleași frecvențe, dar vor avea coduri modulatoare CDMA (Code Division Multiple Acces).

Așadar, semnalele L1F, E6C, E5a și E5b sunt semnale cu acces liber destinate OS (OpenService), CS (Commercial Service) și SOL (Safety of Life). Semnalul E6C va fi un semnal destinat CS (Commercial Service), iar semnalul E6P va fi un semnal cu acces restrictionat ce va fi destinat PRS (Public Regulated Service).

CONSTELAȚIA COMPASS

Sistemul COMPASS, cunoscut și sub denumirea de Beidou – 2, este sistemul global de navigație dezvoltat de Republica Populară Chineză. COMPASS nu este o continuare a programului Beidou – 1 (ce reprezenta un sistem satelitar regional de poziționare alcătuit din 3 sateliți), ci un sistem complet nou, similar din punct de vedere al principiului, cu sistemele prezentate anterior. Scopul său este de a asigura poziționare globală. Segmentul satelitar al sistemului va fi alcătuit din 35 de sateliți + 4 de rezervă, din care 5 cu orbite geostaționare (GEO), 3 sateliți având orbite geosincrone înclinate IGSO, la o altitudine de aproximativ 36 000 de km) și 27 de sateliți având orbite cu altitudine medie de 21 500 km (MEO). Cei 27 de sateliți vor fi dispuși în 3 plane orbitale. Sistemul COMPASS a încheiat faza de validare a orbitelor, trecând la faza de dezvoltare propriu-zisă.

Până în prezent au fost lansați de la centrul de lansare Xichang aflat în provincia Sichuan 16 sateliți ai sistemului: 5 MEO, 6 GEO și 5 IGSO1. Odată cu ultima lansare din 2012, COMPASS va putea oferi o poziționare regională. Ca o concluzie asupra tuturor constelațiilor satelitare ale sistemelor globale prezentrate, în anul 2020 când se prefigurează constelații complete pentru toate acestea, utilizatorii vor beneficia de semnale de la mai mult de 75 de sateliți, situație ce va îmbunătăți simțitor precizia și posibilitatea de poziționare, în special pentru zonele unde există multe obstrucții (ex: canioanele urbane).

Sistemul dezvoltat de Republica Populară Chineză va emite semnale în 4 frecvențe: E1, E2, E5B și E6, conform mențiunilor realizate de China la Uniunea Internațională de Telecomunicații. Deși sistemului de poziționare are parte de o dezvoltare rapidă, acesta având, la momentul realizării acestei lucrări, deja 16 sateliți lansați.

RECEPTOARE GNSS

GENERALITĂȚI

Receptoarele GNSS reprezintă practic principala componentă a segmentului utilizator. Așa cum s-a descris anterior în lucrare, segmentul utilizator este împărțit în două mari categorii, în funcție de domeniul de activitate: utilizatori civili și utilizatori militari.

În 1983, un avion al Liniilor Aeriene Sud-Coreene având 269 de persoane la bord a fost doborât deasupra teritoriului URSS, în vecinătatea Insulei Sahalin. Acest eveniment a avut loc datorită unei erori de navigație, în urma căreia echipajul de zbor s-a abătut în spațiul aerian rusesc, în care nu avea autorizație de zbor. În urma acestei tragedii, Președintele american Ronald Reagan a semnat o directivă prin care GPS devenea disponibil și utilizatorilor civili. Inițial, semnalele disponibile pentru armată erau de calitate superioară, iar cele civile erau degradate prin funcția Disponibilitate Selectivă (SA-Selective Availability). În data de 1 mai 2000, Președintele american Bill Clinton a semnat directiva prin care funcția SA era înlăturată, astfel că precizia disponibilă utilizatorilor civili a fost îmbunătățită considerabil.

STRUCTURA ȘI COMPONENTELE PRINCIPALE ALE UNUI RECEPTOR GNSS

ANTENA

Antena unui receptor GNSS reprezintă dispozitivul ce are rolul de a recepționa undele electromagnetice situate deasupra orizontului receptorului, convertește energia undelor în impulsuri electrice, le amplifică și le transmite spre receptor. Această transmitere poate fi realizată prin cabluri de conexiune sau ‚wireless’, prin tehnici cum ar fi ‚Bluetooth’. Antena trebuie să prezinte sensibilitate ridicată, întrucât semnalele satelitare, datorită distanței mari pe care o parcurg prin atmosfera terestră, au intensități scăzute. Punctul de referință al unei antene GPS îl constituie centrul de fază al acesteia. La unele tipuri de antene, centrul de fază diferă de centrul fizic al acesteia. În timpul realizării observațiilor GNSS, centrul fizic al antenei și punctul stație materializat la sol trebuie să se găsească pe aceeași verticală.

Antenele receptoarelor GNSS sunt caracterizate prin parametri tehnici constructivi: frecvențele recepționate, poziția centrului de fază față de centrul fizic, temperaturi de lucru. Astfel, prin modul de proiectare, antenele pot recepționa semnale L1, L1 și L2 sau L1, L2 și L5. Pentru aplicații speciale în navigația maritimă și aeriană, este necesară utilizarea unor antene care pot recepționa semnale și sub planul orizontal al acestora. De asemenea, după modul de integrare în echipamentele GNSS, antenele receptoarelor pot fi interne sau externe. De cele mai multe ori antenele interne sunt folosite pentru o navigație orientativă.

BLOCUL DE RADIO-FRECVENȚĂ ȘI FRECVENȚĂ INTERMEDIARĂ

Această componentă a receptoarelor GNSS are rolul de a filtra și demodula semnalele sau codurile, procesând una, două sau trei frecvențe, în funcție de tipul receptorului. Ulterior, semnalele sunt distribuite pe canale, fiecare canal cuprinzând informații de la un singur satelit. Numărul de canale reprezintă astfel o caracteristică importantă a receptoarelor GNSS. Primele receptoare GNSS aveau puține canale, sau chiar unul singur, încât trebuiau să urmărească sateliții secvențial. Receptoarele moderne au un număr suficient de mare de canale pentru a putea urmări în mod continuu toți sateliți aflați deasupra orizontului. Elementele de bază ale blocului de radio-frecvență sunt oscilatoarele care generează frecvențele de referință, filtrele pentru eliminarea frecvențelor nedorite și mixerele.

MICROPROCESORUL

Microprocesorul (CPU- Central Processing Unit) controlează toate operațiunile la nivelul receptorului, respectiv achiziția semnalului, procesarea acestuia, decodificarea mesajelor de navigație, precum și comenzile date de utilizator, afișarea informațiilor, transmiterea datelor, iar în final obținerea poziției antenei. Astfel, aplicațiile și programele de operare implementate de constructori în receptoarele GNSS devin tot mai importante, oferind soluții din ce în ce mai avansate și mai variate problemelor din domeniul poziționării.

BLOCUL DE ALIMENTARE

Pentru asigurarea energiei necesare efectuării sarcinilor caracteristice, receptoarele GNSS dispun de surse de alimentare internă, cum ar fi baterii sau acumulatori interni reîncărcabili, de tipul Nichel Metal Hydride (NiMh) sau Litium-Ion (LiIon). Acești acumulatori asigură o autonomie medie de 6-7 ore. În cazul observațiilor de durată mai mare, receptoarele au posibilitatea conectării unor acumulatori externi, care cres considerabil autonomia acestora. De asemenea, receptoarele stațiilor de referință permanente au posibilitatea conectării la surse exterioare de curent continuu. Primele receptoare mobile dezvoltate consumau cantități foarte mari de energie (peste 700 W, în cazul receptorului Magnavox X-Set), de aceea aveau autonomie redusă sau condiționau existența unei surse continue de alimentare, în timp ce receptoarele moderne consumă mai puțin de 5 W/h.

BLOCUL DE MEMORIE

Majoritatea receptoarelor au capacitatea memorării anumitor date. Astfel, receptoarele folosite în navigație au capacitatea de a memora rezultatele observațiilor și eventuale trasee parcurse, în timp ce receptoarele geodezice memorează toate observațiile efectuate precum și mesajele de navigație, pentru a putea fi utilizate ulterior în etapa de post-procesare. Pentru realizarea procesului de memorare a datelor, receptoarele trebuie să dispună de memorii interne (mai rar) sau de dispozitive externe de stocare, cum ar fi cartele CF (Compact Flash) sau SD (Secure Digital), memorii USB (Universal Serial Bus), unități HD (Hard Drive). În general, datele pot fi transmise către alte dispozitive externe prin intermediul unui port serial sau echivalent, precum și prin alte mijloace de comunicare ‚wireless’.

BLOCUL DE CONTROL

Blocul de control al receptoarelor GNSS permite comunicarea interactivă dintre utilizator și instrument. La majoritatea aparatelor, această componentă cuprinde tastatura, indicatoarele luminoase LED (Light Emitting Diode) și ecranul (la receptoarele noi, acesta fiind de tipul ‚touch-screen’) pe care sunt afișate informații despre starea receptorului și a sateliților, dar care permite de asemenea introducerea unor setări sau parametri în aparat. Întreg acest ansamblu de componente poate fi integrat în carcasa receptorului sau poate fi extern acestuia, caz în care comunicarea între ele se realizează fie prin intermediul unui cablu serial, fie printr-o conexiune wireless, cum ar fi bluetooth-ul.

CLASIFICAREA RECEPTOARELOR GNSS ÎN FUNCȚIE DE MODUL DE OPERARE

RECEPTOARE CARE OPEREAZĂ PE BAZA CODULUI C/A

Aceste receptoare sunt numite în mod curent navigatoare. Pentru recepționarea semnalelor satelitare cuprind între 4 și 12 canale de obicei, iar determinarea poziției se face fie într-un sistem bidimensional (latitudine și longitudine), fie într-un sistem tridimensional (latitudine, longitudine și altitudine elipsoidală pe elipsoidul WGS84). Alte sisteme de coordonate în care pot fi făcute aceste determinări GNSS sunt UTM (Universal Transverse Mercator), UPS (Universal Polar Stereographic), etc.

Precizia acestor instrumente este în medie de 10 metri. Majoritatea navigatoarelor prezintă posibilitatea înregistrării traseelor navigate și memorării coordonatelor unui anumit număr de puncte în memoria internă, iar aceste date pot fi ulterior descărcate prin intermediul unui port de comunicare.

RECEPTOARE CARE OPEREAZĂ PE BAZA CODULUI C/A ȘI A MĂSURĂTORILOR DE FAZĂ PE UNDA PURTĂTOARE L1

Majoritate acestor receptoare cuprind 12 canale. Precizia de poziționare este mult îmbunătățită față de receptoarele din categoria anterioară, iar aceste instrumente au capacitatea de stocare a datelor recepționate de la sateliți în vederea post-procesării.

Leica sr 20 face parte din categoria asta, scriu despre specificațiile tehnice din fișierul pdf (sr 20 user manual…) de pe desktop

RECEPTOARE CARE OPEREAZĂ PE BAZA CODULUI C/A ȘI A MĂSURĂTORILOR DE FAZĂ PE UNDELE PURTĂTOARE L1 ȘI L2

Prin metode speciale, acest tip de receptoare are capacitatea măsurării și fazei purtătoarei L2, aplicând un procedeu de multistratificare a semnalului ce are ca efect restabilirea fazei undei purtătoare la jumătate din lungimea de undă. Codul P nu trebuie cunoscut, deoarece el se pierde la post-procesare. Ulterior, faza purtătoarei L2 este folosită în combinație cu faza purtătoarei L21 pentru reducerea influenței ionosferice asupra semnalelor satelitare. Acest lucru duce la o precizie ridicată de determinare a bazelor lungi.

RECEPTOARE CARE OPEREAZĂ PE BAZA CODULUI C/A, A CODULUI P(Y) ȘI A MĂSURĂTORILOR DE FAZĂ PE UNDA PURTĂTOARE L1

Acest tip de receptor a fost proiectat inițial pentru aplicații militare. Începând cu 1989, instrumentul a fost pus și la dispoziția utilizatorilor civili, fiind capabil să determine baze lungi de până la 100 km cu precizie decimetrică în mai puțin de două ore.

RECEPTOARE CARE OPEREAZĂ PE BAZA CODULUI C/A, A CODULUI P (Y) ȘI A MĂSURĂTORILOR DE FAZĂ PE UNDELE PURTĂTOARE L1 ȘI L2

Acest tip de receptoare înglobează tehnologia de vârf în ceea ce privește componentele constructive cât și metodele de filtrare și procesare a semnalelor satelitare. Toate acestea conduc la posibilitatea determinării bazelor lungi (100 km) rapid și cu precizii centimetrice.

CLASIFICAREA RECEPTOARELOR GNSS ÎN FUNCȚIE DE UTILIZAREA LOR

NAVIGATOARE GNSS

Denumite generic GPS-uri de mână (hand-held GPS), aceste receptoare operează, așa cum s-a specificat anterior în lucrare, numai cu codul C/A modulat pe unda purtătoare L1. Majoritatea modelelor noi de navigatoare au pozibilitatea recepționării corecțiilor DGPS de la stații terestre de referință sau de la sateliți geostaționari din constelațiile SBAS (Satellite Based Augmentation System), cum ar fi WAAS (Wide Area Augmentation System), EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System), etc. În acest caz, precizia de poziționare crește semnificativ, ajungând la 2-3 metri.

Pe lângă funcția principală de navigare, aceste receptoare cuprind și o serie de alte facilități, cum ar fi: memorarea coordonatelor și atributelor pentru un anumit număr de puncte, înregistrarea traseelor navigate (coordonate, altitudine, viteză, timp), busolă electronică, altimetru, calculator astronomic, dirijarea pilotului automat, etc.

Alte caracteristici:

Alimentarea acestor instrumente poate fi făcută atât prin acumulatori interni cât și prin surse externe de energie;

Antena poate fi internă sau externă, cea externă având posibilitatea detașării;

Datele și hărțile auxiliare sunt stocate în memoria internă sau pe cartele CF sau SD;

Transferul de date se realizează prin intermediul unui port serial de comunicații;

Astfel de echipamente pot fi dedicate și utilizării în navigația autovehiculelor sau ambarcațiunilor.

pun imagini cu navigatoare

Tabelul xxxx Tipuri de navigatoare

RECEPTOARE GNSS PENTRU TOPOGRAFIE ȘI GIS

Aceste receptoare procesează codurile C/A, P pe L2C și fac de asemenea măsurători de fază pe L1. Precizia lor se încadrează între 5 m în modul autonom, 25 cm în timp real-diferențial și 1 cm + 2 ppm prin post-procesare diferențială. Receptoarele au între 14 și 220 de canale, având posibilitatea de a recepționa și procesa semnale de la sateliții vizibili în zona efectuării determinărilor. Pot lucra și în timp real, folosind corecții diferențiale recepționate prin modem radio sau GSM/GPRS. Pot avea antena încorporată în aceeași carcasă cu receptorul sau aceasta poate fi externă, conexiunea dintre ele realizându-se prin porturi și cabluri seriale sau wireless, prin bluetooth.

poze cu receptoare topo

Tabelul xxxx Tipuri de receptoare topografice

RECEPTOARE GNSS GEODEZICE

Aceste receptoare utilizează codurile C/A, P pe L2C și fac măsurători de fază pe frecvențele GNSS disponibile. Receptoarele au de obicei între 12 și 40 de canale ce permit recepționarea semnalelor de la sateliții aparținând constelațiilor GPS, GLONASS, Galileo, Compass și SBAS.

Precizia de poziționare obținută de receptoarele de talie geodezică este de 5 metri în modul autonom, 1 cm în timp real-diferențial și 3 mm+0,1 ppm prin post-procesare diferențială. Receptoarele pot lucra în timp real, folosind corecții diferențiale recepționate prin modem radio sau prin modem GSM/GPRS. Din punct de vedere constructiv, receptoarele geodezice pot fi compacte, când antena, receptorul, tastatura, ecranul și bateriile sunt încorporate în aceeași carcasă, sau componentele pot fi separate, caz în care sunt conectate între ele prin porturi seriale sau wireless.

imagini receptoare geodezice

Tabelul xxxx Tipuri de receptoare geodezice

RECEPTOARE GNSS PENTRU STAȚII PERMANENTE DE REFERINȚĂ

Receptoarele folosite pentru stațiile de referință permanente sunt receptoare care fac măsurători permanente de cod și fază pe frecvențele GNSS disponibile.

Caracteristicile acestor receptoare sunt:

Majoritatea folosesc antene de tip choke-ring, descrise anterior în lucrare din punct de vedere al avantajelor ce le prezintă;

Antenele folosite sunt calibrate conform IGS (International GNSS Service);

Receptoarele prezintă posibilitatea conectării senzorilor meteo sau a senzorilor de înclinare;

Sunt prevăzute cu porturi pentru conectarea oscilatoarelor externe;

Cele mai multe prezintă capacitatea conectării la rețele de tip LAN (Local Area Network) sau WAN (Wide Area Network);

Stocarea datelor recepționate se poate face fie în receptor, fie într-un PC, caz în care între cele două trebuie stabilită o conexiune;

Administrarea stației se poate realiza fie local, fie de la distanță (RC- Remote Control) prin intermediul softurilor specializate.

Un caz special de receptoare ce fac înregistrări permanente îl constituie cele ale căror antene sunt montate solitar cu elemente ale construcțiilor hidrotehnice, podurilor, clădirilor, pentru urmărirea în timp real a deplasărilor acestora.

imagini receptoare pt stații permanente

Tabelul xxxx Tipuri de receptoare pentru stații permanente de referință

RECEPTOARE GNSS FOLOSITE ÎN CONTROLUL UTILAJELOR

Pentru ghidarea utilajelor agricole sau terasiere sunt folosite receptoare în simplă sau dublă frecvență, care lucrează în timp real. De obicei, acestea prezintă între 12 și 24 de canale, iar precizia de poziționare trebuie să fie cuprinsă între 1-30 cm (timp real-diferențial). Astfel, cu ajutorul softurilor și servomecanismelor speciale se poate asigura deplasarea utilajelor agricole pe traiectorii predefinite sau executarea săpăturilor/umpluturilor până la cotele prestabilite.

Pun aici niște poze cu combine/tractoare șmechere cu gps și cu autogredere

RECEPTOARE GNSS FOLOSITE ÎN SISTEMELE INERȚIALE

Sistemele inerțiale reprezintă practic sisteme formate din două, trei sau patru receptoare GNSS în dublă frecvență, integrate în aceeași carcasă. Măsurătorile de fază și cod efectuate de aceste receptoare simultan asigură determinarea direcției de deplasare, respectiv a orientării într-un sistem tridimensional de referință. Sistemele inerțiale au capacitatea de a lucra cu corecții RTK sau DGPS pentru determinarea cu precizie a poziției sau vitezei.

Imagini

RECEPTOARE GNSS FOLOSITE ÎN SISTEMELE MIXTE DE MĂSURARE

Sistemele mixte de măsurare sunt sisteme care cuprind o stație totală și un receptor GNSS geodezic integrate în aceeași carcasă.

Sistemul Leica SmartStation este format dintr-o stație totală din seria Viva, la care este atașat, coaxial cu vericala sa, modulul GNSS GS12 SmartAntenna. Acest modul este de fapt un receptor GNSS, RTK, în triplă frecvență, care se integrază și comunică deplin cu stația totală. Toate setările, comenzile, afișajul, funcțiile, operațiunile și calculele specifice unui receptor GNSS sunt integrate în procesorul, tastatura și afișajul stației totale. În acest mod, cele două echipamente sunt perfect integrate și permit executarea unor lucrări cu un grad foarte ridicat de precizie și independență.

Imagini leica smart station, FĂRĂ tabelul din carte

SISTEME DE REFERINȚĂ UTILIZATE ÎN GNSS

Pentru a putea formula matematic problema navigației bazată pe sisteme satelitare,este necesară alegerea unui sistem de referință la care să se raporteze pozițiile satelitului și cele ale receptorului. Definirea unui sistem de referință implică definirea unui model care să aproximeze cât mai bine suprafața Pământului, definirea parametrilor ce leagă modelul definit de Pământ și definirea unui sistem de coordonate la care să raportăm pozițiile.

6.2. CLASIFICAREA SISTEMELOR DE COORDONATE UTILIZATE ÎN GNSS

În general, sistemele de coordonate utilizate în GNSS sunt fie sisteme carteziene (X,Y,Z) ce diferă prin alegerea originii sistemului și a axelor, fie coordonate elipsoidale geodezice (B,L,H). Sistemele de coordonate se pot imparti în funcție de modul de alegere al axelor și al originii în trei categorii:

Sisteme de coordonate inerțiale – pentru care originea este amplasată în baricentru (centrul de greutate al Pământului) iar axele sunt îndreptate către direcții fixe în raport cu stelele. Astfel de sisteme segăsesc în repaos față de Sistemul Solar;

Sisteme de coordonate cvasi-inerțiale – pentru care originea este de regulă amplasată în geocentru (centrul de masă al Pământului), iar axele sunt îndreptate către direcții fixe în raport cu stelele. Aceste sisteme mai pot fi găsite în literatura de specialitate sub denumirea de Earth Centered Inertial Coordinate Systems (ECI). În general, sistemele de tip ECI au planul XZ coincident cu planul ecuatorului terestru, axa X dată de direcția punctului vernal (intersecția eclipticii cu planul ecuatorului terestru), axa Z perpendiculară pe planul XY cu sensul pozițiv îndreptat spre Polul Nord. Într-un astfel de sistem, poziția unui punct fix aflat pe suprafața Pământului are coordonate variabile, dependente de timp din cauza rotației Pământului. De regulă, aceste sisteme nu sunt utilizate pentru a exprima poziții ale punctelor de la sol. În schimb, se pretează foarte bine pentru exprimarea orbitelor sateliților;

Sisteme de coordonate neinerțiale – pentru care originea este amplasată în geocentru, iar axele îndreptate în direcții fixe în raport cu Pământul. În literatura de specialitate pot fi găsite și sub denumirea de Earth Centered Earth Fixed (ECEF). Axele fiind îndreptate către direcții fixe în raport cu Pământul, sistemul se va roti împreună cu acesta. De aceea, în acest caz, coordonatele unui punct aflat pe suprafața terestră rămân constante, fiind independente de mișcarea de rotație a Pământului. În general, un sistemde tip ECEF are planul XY coincident cu planul ecuatorului terestru, axa X îndreptată către intersecția dintre ecuator și meridianul de longitudine 0 ͦ (Greenwich) iar axa Z dată de axa medie de rotație a Pământului. Transformarea dintre sistemele de tip ECEF în sistemele de tip ECI se realizează prin aplicarea unor matrice de rotație (datorită timpului sideral, datorită mișcării polului, datorită precesiei și nutatiei).

6.3. WORLD GEODETIC SYSTEM (WGS 84)

Sistemul de referință utilizat pentru aplicații GPS este sistemul WGS84 realizat de DOD (Department Of Defense). Acesta conține un model geometric ce aproximează forma Pământului (un elipsoid echipontential) dar și un model gravimetric detaliat. Setul de parametri prezentați mai jos se referă la forma geometrică a modelului elipsoidal – semiaxă mare (a) și turtire (f), viteza de rotație a acestuia (ω) și constanta sa gravitațională (GM).

a=6378137,000 m

f=1/298,2572236

ω=7,292115*10-5 rad*sec-1

GM=398600,5 km3 *sec-2

Un alt set de parametri definesc modelul gravimetric al WGS84 de ordinul 180. Acesta poate fi utilizat pentru calcularea ondulației geoidului și componentele deviației verticalei prin dezvoltări în funcții armonice. Acest sistem de referință a fost introdus de DOD în 1986 și era la acel moment definit în concordanță cu NAD83 (North American Datum 1983), sistemul de referință american oficial. WGS84 a fost definit atunci folosind măsurătorile Doppler pe baza sistemului satelitar TRANSIT și măsurători VLBI (Vey Long Baseline Interferometry). În timp s-au dezvoltat și alte realizări ale WGS84, dar de data aceasta pe baza observațiilor GPS. Elipsoidul asociat WGS84 a fost determinat avand la baza elipsoidul GRS80 asociat (Geodetic Reference System 1980), diferind de acesta doar printr-o valoare de 0.1 mm pe semiaxa mica.

6.4. ITRS/ETRF – ETRS/ETRF

În 1980, Serviciul Internațional de Rotație a Pământului (IERS), a introdus Sistemul de Referință Terestru Internațional (ITRS – International Terrestrial Reference System) pentru aplicații științifice ce necesitau poziționări de precizie (mișcările scoarței, mișcarea axei de rotație a Pământului, etc). Prima realizare a ITRS a fost introdusă în 1988 și poartă denumirea de ITRF88 (International Terrestrial Reference Frame). ITRF 88 a fost realizat pe baza Măsurătorilor Laser Satelitare (SLR – Satellite Laser Ranging) și tehnicilor de măsurare interferometrică cu baze foarte lungi (VLBI – Very Long Baseline Interferometry). Trebuie făcută aici deosebirea dintre noțiunile de „sistem de referință” (reference system) și realizările acestuia (frame).

Prin sistem de referință se înțelege definirea teoretică de principiu a sistemului, în timp ce realizarea constă în determinarea practică a sistemului pe baza măsurătorilor. ITRS are parte de o nouă realizare bazată pe determinarea unui set de poziții aproape în fiecare an, realizare de care este responsabil IERS. O anumită realizare este identificată pe baza cifrelor atașate ce reprezintă anul realizării (exemplu: ITRF89). De asemenea, trebuie menționat că realizările ITRS țin cont și de mișcările plăcilor tectonice. De aceea, coordonatele punctelor aflate pe suprafața Pământului au valori variabile în timp. Ținând cont de necesitatea unui sistem de referință precis pentru Europa, Asociația Internațională pentru Geodezie (AIG) a decis în august 1987 să înființeze o subcomisie pentru a rezolva această problemă. Având în vedere că la momentul respectiv cea mai bună posibilitate de realizare a unui sistem de referință se baza pe SLR și VLBI, s-a hotărât ca Sistemul de Referință Terestru European (ETRS – European Terrestrial Reference System) să fie definit pe baza ITRS. Astfel, pentru prima realizare a ETRS, numită ETRF89 (European Terrestrial Reference Frame 1989) s-au folosit 35 de poziții situate pe teritoriul Europei din realizarea ITRF 89 a ITRS. În timp, pentru alte realizări ale ETRS, aceste puncte au fost îndesite.

În prezent, la noi în țară, ANCPI a adoptat ETRS 1989 ca unic sistem de referință pentru poziționări pe baza sistemelor de radionavigație cu ajutorul sateliților. În acest sens, ANCPI a pus la dispoziția utilizatorilor un program (Transdat RO) de transcalculare a coordonatelor punctelor obținute din sistem de refereință ETRS 89, în sistem de proiecție Stereografic 1970, ce reprezintă încă sistemul național de proiecție, bazat pe sistemul de referință S-42, elipsoid Krasovski (1940), și invers.

Realizarea EUREF în România s-a realizat în anul 1994, printr-un program comun al Ministerului Agriculturii și Alimentației din acea vreme, reprezentat de fostul IGFCOT (Institutul de Geodezie, Fotogrammetrie, Cartografie și Organizarea Teritoriului), DTM (Direcția Topografică Militară) și NGS (National Geodetic Survey) –USA. În cadrul acestei determinări s-au efectuat legături cu Ungaria, Bulgaria și Turcia. Scopul lucrării l-a constituit determinarea coordonatelor a 7 puncte de bază, de clasă A, care să devină bază pentru determinările ulterioare ale unor puncte din clasele B sau C. Aceste stații au fost legate la 3 puncte ale rețelei EUREF: Madrid (Spania), Onsala (Suedia) și Wettzell (Germania). Coordonatele acestor 3 puncte erau determinate în sistemul de coordonate ITRF 92.

Figura xxxx Vectorii din 3 stații IGS folosite în determinarea coordonatelor punctului Dealul Piscului-București

Inițial au mai fost alese încă două puncte, unul în Matera (Italia) și unul în Graz (Austria), dar ulterior s-a renunțat la ele din cauza instabilității tectonice a primului și a unei erori de cotă a celui de-al doilea.

Punctele din România alese pentru a fi determinate și a face parte din clasa A ale rețelei EUREF au fost: Constanța, Dealul Piscului, Moșnița, Oșorhei, Sfântu-Gheorghe, Sârca și Stănculești. toate aceste puncte sunt și puncte de ordinul I ale rețelei geodezice naționale, fiind bine repartizate pe teritoriul țării.

Figura xxxx Vectorii folosiți din punctul Dealul Piscului pentru determinarea coordonatelor celorlalte stații

Timpul de staționare pentru fiecare astfel de punct a fost de 4 zile. Precizia dorită pentru coordonatele finale a fost de 5 mm. Punctul Dealul Piscului, localizat în incinta Observatorului Militar Astronomic a fost ales ca origine a rețelei, fiind determinat în funcție de cele 3 puncte menționate. Ulterior, acesta a devenit punct de coordonate cunoscute și a servit la determinarea celorlalte 6 puncte de pe teritoriul național. Programul de prelucrare a datelor a fost elaborat de specialiști ai NGS.

Datele înregistrate pe parcursul celor 4 zile au fost împărțite în sesiuni de câte 24 de ore fiecare, fiind calculate separat. Punctul Dealul Piscului a devenit atât bază pentru determinarea celorlalte 6 puncte din România, cât și bază pentru determinarea altor puncte din statele vecine: în Ungaria: Mako, Penc, Sopron, Tarpa și Tenkes, în Bulgaria: Gabrovo, Kavarna, Sofia și Vidin iar în Turcia punctul Yigilca. Punctele determinate în Ungaria fac parte dintr-o rețea care are ca scop determinarea mișcărilor crustale în Europa Centrală și de Est.

CONDIȚII DE DESFĂȘURARE A CERCETĂRILOR. OBIECTIVE URMĂRITE

NECESITATEA ȘI JUSTIFICAREA CERCETĂRILOR

Problemele actuale legate de executarea lucrărilor geo-topo-fotogrammetrice pe teritoriul țării noastre sunt complexe și au apărut din motive bine întemeiate. Astfel, nu reprezintă o noutate faptul că unele metode, tehnici și tehnologii de culegere și prelucrare a datelor s-au schimbat semnificativ după anul 1989 (an care reprezintă un pivot în etapele dezvoltării țării, inclusiv din punct de vedere geo-topo-cadastral). Noile metode dezvoltate pe plan mondial au fost introduse și la noi, în timp ce noțiunile legate de toleranțe, precizii, acuratețe și omogenitate referitoare la acestea lipsesc cu desăvârșire. Așadar, în momentul de față există o mulțime de teorii și controverse referitoare la modul de lucru în acest domeniu.

Principalul act normativ după care ar trebui să se ghideze în mod oficial comunitatea ttopografică în realizarea rețelelor geodezice și topografice folosind tehnologia GNSS este Ordinul nr. 534 din 1 octombrie 2001 privind aprobarea Normelor Tehnice pentru introducerea cadastrului general. Deși face referiri la probleme geo-topografice de interes, documentul nu are valoarea unor Norme de lucru în domeniu, acesta fiind depășit ca terminologie și confuz în ceea ce privește recomandările și procedeele de lucru folosind tehnologiile moderne, cum ar fi GNSS.

OBIECTIVELE CERCETĂRILOR

Tehnologiile GNSS pot fi folosite cu succes, așa cum s-a descris anterior în prezenta lucrare, pentru determinarea cu precizie ridicată a coordonatelor unor puncte de pe suprafața terestră, date într-un sistem de referință.

Astfel, un prim obiectiv al acestei lucrări a urmărit analiza comparativă a coordonatelor unui set de 12 puncte. În acest sens, inițial au fost preluate în lucrare coordonatele acestora în urma determinării lor folosind sistemul GNSS Trimble R6 și metoda RTK pe baza sistemului ROMPOS. În cadrul cercetărilor din lucrare s-au realizat alte observații asupra acelorași puncte (materializate prin buloane metalice și semnalizate la sol prin vopsea, identificabile în teren pe baza descrierilor topografice), utilizând sistemul GNSS Leica SR 20, rezultatele centralizându-se tabelar.

Un alt obiectiv al lucrării l-a constituit

De asemenea s-a urmărit analiza comparativă a rezultatelor obținute în urma compensării empirice și a compensării semiriguroase (clasice) a unei rețele de ridicare poligonometrice, pe baza rezultatelor obținute în urma măsurătorilor efectuate cu Stația Totală.

PROGRAME, SISTEME ȘI INSTRUMENTE DE LUCRU DISPONIBILE

Realizarea obiectivelor stabilite în această lucrare presupune utilizarea instrumentelor, calculatoarelor și programelor specifice. În această categorie sunt incluse instrumente necesare efectuării observațiilor și măsurătorilor, respectiv două tipuri de receptoare GPS și o stație totală, calculatoarele și programele generale specifice procesării datelor și transformării coordonatelor din sistemul global GPS (WGS 1984, descris anterior în lucrare) în cel național (Stereografic 1970), etc.

Instrumentele folosite pentru culegerea datelor din teren sunt:

Receptoarele GPS, ca sisteme de recepție și depozitare a datelor satelitare avute la dispoziție au fost de două modele diferite:

Un receptor în dublă frecvență L1/L2 Trimble R6 GNSS. Caracteristicile acestuia, conform manualului tehnic, sunt:

Sistem compact ce operează pe 220 de canale în frecvențele L1 și L2;

Antena, receptorul și acumulatorul sunt înglobate în aceeași carcasă;

Datorită numărului mare de canale, sistemul permite recepția simultană a semnalelor sateliților GPS, GLONASS, SBAS, Galileo și Compass (Beidou). În prezenta lucrare, observațiile efectuate cu acest sistem GNSS au fost de tipul RTK, iar baza folosită a fost stația permanentă din sistemul ROMPOS RTCM 0058 din Sfântu-Gheorghe (SFGH), aceasta fiind cea mai apropiată de zona de lucru. În această stație se află instalat un receptor geodezic care preia observații și transmite corecții numai de la sateliții constelației GPS, astfel încât observațiile efectuate cu sistemul Trimble R6 s-au bazat exclusiv pe această constelație satelitară;

Unitatea de control (TSC2) funcționează pe baza sistemului de operare Windows Mobile și are implementat codul sursă al utilitarului TransDatRO, ceea ce înseamnă că toate punctele determinate au coordonatele în sistemul național Stereografic 1970, cu cotele referite la sistemul Marea Neagră 1975. Conexiunea dintre unitatea de control (Controller) și receptor se realizează printr-o conexiune wireless de tip bluetooth;

Sistemul cuprinde modem GSM/GPRS utilizat la conectarea cu serviciul ROMPOS pentru măsurătorile RTK, bluetooth, memorie internă de 125 MB. Pentru transferul datelor în calculator se folosește un cablu de date;

Preciziile de poziționare obținute, conform constructorului, pentru determinările efectuate în prezenta lucrare cu acest sistem (în modul RTK) sunt:

Orizontal……………………………………………………………………± 8 mm +1 ppm RMSE

Vertical…………………………………………………………………….±15 mm +1 ppm RMSE

Unde RMSE (Route Mean Square Error) reprezintă eroarea medie pătratică de determinare a unui punct.

(poză cu receptorul și controllerul, găsesc pe telefon)

Două receptoare în simplă frecvență (pe undeva pe aici trebuie să caut și să bag chestii din instrucțiunea aia de efectuare a măsurătorilor GNSS dată de ancpi) L1 Leica SR 20. Caracteristicile tehnice ale acestui sistem, conform manualului tehnic, sunt:

Sistem ce operează pe 12 canale în frecvența L1;

Receptorul și bateria sunt înglobate în aceeași carcasă. Această carcasă cuprinde și o antenă internă, care poate fi folosită doar în scopuri de navigație, nu și topografice. Sistemul prezintă o antenă externă (AT501), iar conexiunea dintre aceasta și receptor se realizează prin intermediul unui cablu;

Sistemul preia observații numai de la sateliții GPS;

Antena AT 501 are capacitatea de a efectua observații atât asupra codului C/A cât și asupra fazei undei purtătoare pe frecvența L1;

Memorarea observațiilor satelitare efectuate se realizează pe o cartelă de memorie de tipul CF, iar transferul acestora în calculator se poate realiza fie prin utilizarea unui cititor de carduri (cartele) de memorie, fie prin utilizarea unui cablu de date;

Preciziile de poziționare obținute, conform constructorului, pentru determinările efectuate în prezenta lucrare cu acest sistem (în modul static cu post-procesare) sunt de 10 mm + 2 ppm RMSE (planimetric). Cu toate acestea însă, această precizie de poziționare a sistemului SR 20 este foarte sensibilă la o serie de factori variabili, cum ar fi: numărul sateliților urmăriți, geometria constelației satelitare, timpul de observație, precizia efemeridelor, influențele ionosferei asupra semnalelor, efectul traseului multiplu al semnalelor, rezolvarea ambiguităților. Pe parcursul lucrării s-a încercat reducerea la minim a efectelor factorilor enumerați pentru obținerea unor rezultate cât mai bune.

Datorită faptului că cele două sisteme prezintă precizii de determinare (teoretice) aproximativ egale în cele două moduri de lucru în care au fost folosite, este posibilă realizarea studiului comparativ prezentat în această lucrare.

Caut ceva și introduc aici și despre stația totală trimble 3305 (am într-o lucrare dinaia de licență de la ciprian)

Programele folosite în această lucrare pentru prelucrarea datelor și efectuarea compensărilor, așa cum vor fi ele descrise în continuare, precum și pentru transcalculările efectuate, sunt:

Leica Geo Office v 5.0, este un program dezvoltat de compania Leica Geosystems și este destinat prelucrării datelor GNSS sau tereste, în special preluate cu instrumente Leica. În lucrare, cu acest program s-a realizat post-procesarea observațiilor satelitare preluate cu sistemul SR 20.

Microsoft Excel 2007, este unul dintre cele mai utilizate programe de calcul tabelar din ziua de azi. Aparține grupei de programe Microsoft Office și este disponibil pentru sistemele de operare Microsoft Windows și Mac OS (Macintosh Operating System). În lucrare, acest program a fost utilizat pentru compensarea poligonometrică a rețelei de ridicare, atât empiric cât și semiriguros.

TransDatRo v 4.04, este un program dezvoltat de ANCPI (Agenția de Cadastru și Publicitate Imobiliară) în scopul efectuării transformărilor de coodronate. Programul se poate descărca gratuit de pe site-ul ANCPI (www.ancpi.ro) și este relativ simplu de instalat pe orice calculator. În această lucrare s-a folosit utilitarul TransDatRo pentru transformarea coordonatelor din sistemul european de referință (ETRS 1989) în cel național (Stereografic 1970).

AutoCad Land Desktop 2007, este un program specializat, dezvoltat de Autodesk Inc. În lucrare, această aplicație s-a folosit la raportarea punctelor rețelei de ridicare poligonometrice pentru vizualizarea efectivă a configurației acesteia din teren.

Alt sistem folosit la realizarea lucrării, începând de la documentare, efectuarea observațiilor, prelucrarea acestora și până la efectuarea capturilor de ecran și tehnoredactarea lucrării îl reprezintă laptopul Acer Aspire ZG 503, a cărui caracteristici hardware și software sunt prezentate în figura xxxxx.

Figura xxxx Caracteristici Acer Aspire ZG xxxxxx

ANALIZA COMPARATIVĂ A UNEI REȚELE DE RIDICARE SUB ASPECTUL MODURILOR DE REALIZARE

GENERALITĂȚI

Dacă am timp, pot compensa drumuirile liniare (pe străzi)-de fapt nu le mai compensez, le iau din autocad și zic că alea au fost compensate la firmă cu un soft specializat și doar fac tabele și le compar cu coordonatele obținute de mine empiric și semiriguros poligonometric, și atunci e valabil ce am scis mai jos, altfel nu, și văd eu unde introduc chestiile respective.

În prezenta lucrare s-a efectuat și un studiu comparativ între metoda abordată în realizarea documentațiilor respective și metoda bazată pe compensarea întregii rețele, sub forma unor poligoane, atât empiric cât și riguros, din punct de vedere al erorilor obținute pentru coordonatele punctelor rețelei de ridicare, erori care influențează în mod direct precizia de determinare a tuturor punctelor radiate.

Observațiile efectuate cu sistemul GNSS Trimble R6 au făcut parte dintr-o serie de Documetații Tehnice Cadastrale de dimensiuni relativ mari, la care autorul a luat parte. Aceste documentații au avut ca obiectiv întabularea unor străzi din Municipiul Brașov. În acest sens, s-a recurs la ridicarea în plan a suprafeței respectivelor străzi, efectuându-se drumuiri cu stația totală încadrate pe puncte determinate prin tehnologia GNSS. Datorită faptului că aceste străzi erau învecinate, a fost posibilă formarea rețelei de ridicare sub forma unor poligoane. Cu toate acestea, întrucât fiecare dintre aceste străzi făcea obiectul unei documentații tehnice, rețeaua de ridicare nu a fost compensată unitar, ca și rețea poligonometrică, cu toate că observațiile efectuate permiteau acest lucru. S-a preferat încadrarea drumuirilor liniare pe puncte determinate prin tehnici GNSS și calculul lor sub această formă. Astfel, datele referitoare la aceste rețele de ridicare încadrate pe punctele GNSS au fost aduse în această lucrare și tratate unitar, sub forma unei singure rețele de poligoane învecinate. Alte observații și cercetări folosind sistemul Trimble R6 nu au fost efectuate în lucrare, acesta nefiind la dispoziția autorului.

ACHIZIȚIA DATELOR SATELITARE

În prezenta lucrare a fost preluat un număr de 12 puncte având coordonatele determinate cu sistemul GNSS Trimble R6, în modul RTK. În cadrul acestei lucrări toate observațiile GNSS s-au efectuat folosind sistemul Leica SR 20 L1. Pentru ca preciziile de poziționare ale sistemului în simplă frecvență să poată concura cu cele ale sistemului în dublă frecvență, s-a impus efectuarea observațiilor în modul static, cu post-procesare. După modul de organizare al acestor observații, respectiv timpul de staționare și punctul ales ca și bază, acestea pot fi împărțite în 3 sesiuni, menționând că acestea s-au desfășurat în zile diferite:

În prima sesiune de lucru s-au efectuat observații asupra acelorași 12 puncte determinate anterior în modul RTK, folosind un receptor instalat ca bază pe un punct de coordonate cunoscute iar celălalt setat ca și rover, cu timpul de staționare de 20 de minute în fiecare punct, folosind metoda statică;

În a doua sesiune de lucru s-au efectuat observații asupra a 3 puncte din cele 12 puncte disponibile (s-au ales 3 puncte care aveau cel mai favorabil amplasament pentru efectuarea observațiilor GNSS), cu un receptor setat ca și bază pe același punct folosit ca bază și în prima sesiune, iar celălalt setat ca și rover. Timpul de staționare în fiecare punct a fost de o oră, folosind metoda statică, iar observațiile s-au efectuat noaptea, pentru reducerea influenței ionosferei asupra semnalelor satelitare și implicit asupra rezultatelor măsurătorilor;

În a treia sesiune de lucru s-au efectuat observații asupra unui punct din cele 12 puncte disponibile și asupra punctului folosit ca bază în primele două sesiuni de lucru, cu un receptor setat ca și bază pe un alt punct cunoscut, iar celălalt setat ca și rover, cu timpul de staționare de 20 de minute în fiecare punct.

Operațiile pregătitoare din teren pentru realizarea observațiilor efective (fiind aceleași pentru toate cele 3 sesiuni de lucru), au vizat:

Instalarea unui receptor pe trepied în punctul de coordonate cunoscute (baza), centrarea și calarea acestuia;

Măsurarea directă (cu ruleta) a centrului de fază al antenei acestui receptor;

Pornirea receptorului și efectuarea setărilor corespunzătoare, inclusiv setarea acestuia ca bază;

Montarea pe jalon a celui de-al doilea receptor, ridicarea jalonului la înălțimea de 2 metri;

Instalarea acestuia în punctul de determinat;

Verticalizarea jalonului, respectiv a antenei și menținerea acesteia folosind un tripod metalic;

Pornirea receptorului și efectuarea setărilor corespunzătoare, inclusiv setarea ca rover a acestuia;

Repetarea operațiilor ce vizează receptorul rover în fiecare punct nou de determinat.

Totalitatea observațiilor efectuate simultan, continuu și către aceiași sateliți în cadrul unui proiect GNSS reprezintă o sesiune de lucru. Metoda de lucru aleasă în cadrul acestui proiect presupune în mod obligatoriu ca atât baza cât și roverul să urmărească același număr de sateliți identici pe durata observațiilor. Această condiție a fost îndeplinit datorită amplasamentelor favorabile ale punctelor, dar și a faptului că distanțele dintre bază și punctele staționate cu roverul au fost mai mici de 5 km.

PROCESAREA DATELOR SATELITARE

Pentru determinarea vectorului dintre receptorul bază și cel rover se impune condiția amintită anterior, și anume efectuarea observațiilor simultan către aceiași sateliți în ambele puncte considerate.

În urma efectuării observațiilor satelitare, datele au fost înregistrate pe memoriile CF (Compact Flash) ale receptoarelor. Transferul acestora în calculator în vederea prelucrării se poate face în două moduri, fie prin utilizarea unui cablu de date, fie prin utilizarea unui cititor de carduri universal. În cazul de față, s-a preferat a doua metodă, folosind cititorul de carduri redat în figura xxxx.

Figra xxx Cititorul de carduri folosit pentru transferul datelor din receptoare în calculator

Pentru realizarea post-procesării folosind programul Leica GeoOffice Combined v 5.0, iar inițial s-a creat un proiect nou. Pentru fiecare dintre cele 3 sesiuni de lucru, așa cum au fost ele descrise anterior, s-a făcut câte un nou proiect în cadrul post-procesării. În continuare se descrie detaliat procesarea datelor din prima sesiune de lucru, iar din considerente practice, pentru celelalte două sesiuni de lucru se prezintă doar rezultatele post-procesării, etapele fiind identice.

Figura xxxx Crearea unui proiect nou în programul Leica GeoOffice

În cadrul aceluiași proiect s-au adus atât datele din receptorul setat ca și bază, cât și cele din receptorul setat ca și rover în prima sesiune de lucru, prin încărcarea job-urilor corespunzătoare observațiilor în discuție, folosind comanda Import/Raw Data, așa cum se poate urmări în Figura XXX și Figura Xxy.

Figura XXX Importul job-ului din receptorul bază în LGO

Figura XXX Importul job-ului din receptorul rover în LGO

După importul datelor în LGO, s-au șters observațiile nefolositoare din timpul deplasării roverului de la un punct la altul. De asemenea s-a setat punctul de referință folosit în procesare, care apare cu culoare roșie și punctele rover, care apar cu verde. Acestea pot fi urmărite în Figura XXX, alături de timpul comun de observare al acelorași sateliți de către ambele receptoare.

Figura xx Setarea punctului de referință, al roverului și urmărirea timpului comun

Ulterior acestor operații, se fac o serie de setări asupra punctului BAZA, setări care cuprind schimbarea clasei acestuia din Navigated în Control precum și introducerea manuală a coordonatelor sale. Întrucât acest punct era un punct cunoscut în sistemul Stereografic 1970, s-a folosit utilitarul TransDatRo pentru transformarea coordonatelor în sistemul ETRS 1989. Aceste setări pot fi urmărite în Figura xxx.

Figura xx Setări asupra punctului de referință

Pentru diminuarea erorilor introduse de pozițiile sateliților în timp și spațiu (efemeride), în post-procesarea datelor (din toate cele 3 sesiuni de lucru) s-au folosit seturi de efemeride precise (precise ephemeris). La momentul preluării observațiilor, receptoarele au înregistrat efemeridele transmise de către sateliți (broadcast ephemeris), care sunt de fapt niște preziceri ale poziției spațial-temporale a sateliților. Efemeridele precise sunt calculate de IGS (International GPS Service) și pot fi descărcate prin internet de la stațiile de control de la sol ale GPS. Conform http://www.ngs.noaa.gov/GPS/GPS.html, clasificarea și caracteristicile efemeridelor satelitare sunt prezentate în Tabelul XX.

Tabelul XX Informații despre efemeridele sateliților

Programul LGO cuprinde un modul care permite vizualizarea stațiilor de control GPS de la sol în funcție de distanța de la zona măsurătorilor până la acestea, precum și pentru descărcarea efemeridelor precise (finale) pentru ziua efectuării observațiilor. Întrucât în această lucrare, datele din cele 3 sesiuni de lucru au fost post-procesate deliberat la mai mult de 13 zile de la data preluării lor, sunt disponibile elementele orbitale finale calculate pentru momentul culegerii datelor. Acestea au fost descărcate de la Stația de Urmărire (tracking station) Yamoussoukro, aflată pe Coasta de Fildeș, Africa de Vest. Procesul poate fi urmărit în Figura XX.

Figura XXX Procesul de descărcare a efemeridelor precise

Efemeridele precise sunt apoi aduse în cadrul proiectului urmând secvența Import/Precise ephemeris, conform Figurii XX.

Figura XX Importul efemeridelor precise în proiect

După cum s-a prezentat în capitolele anterioare ale lucrării, efectele ionosferei și troposferei asupra semnalelor satelitare pot fi diminuate prin folosirea unor modele matematice. Programul LGO folosit în post-procesare permite utilizarea mai multor modele matematice în acest sens. Astfel, în lucrare, pentru diminuarea erorilor datorate refracției troposferice s-a utilizat modelul Hopfield iar pentru cele datorate refracției ionosferice s-a utilizat modelul Klobuchar, pentru toate cele 3 sesiuni de lucru. Alegerea acestor modele este prezentată în Figura xxx și Figura XXX.

Figura xx Alegerea modelului Hopfield pentru corectarea efectelor troposferice

Figura XXX Alegerea modelului Klobuchar pentru corectarea efectelor ionosferice

Odată efectuate toate aceste operații, se trece la procesarea propriu-zisă. Principalul rezultat al procesării observațiilor satelitare din cele 3 sesiuni de lucru îl constituie componentele tridimensionale dX, dY și dZ calculate în sistemul geocentric WGS ’84 ale vectorului de poziție dintre cele două antene (bază și rover), una amplasată pe un punct cunoscut și cealaltă pe punctul nou de determinat. Aceste rezultate ale prelucrării vectorilor obținute în urma post-procesării pentru cele 3 sesiuni de lucru, sunt redate centralizat în Figura XX, Figura YYY și Figura ZZZ.

Figura XX Rezultatele centralizate ale prelucrării vectorilor din prima sesiune de lucru

Figura XX Rezultatele centralizate ale prelucrării vectorilor din a doua sesiune de lucru

Figura XX Rezultatele centralizate ale prelucrării vectorilor din a treia sesiune de lucru

În conformitate cu Ordinul 534/2001, abaterea standard de determinare (redată în cele trei tabele de mai sus în ultima coloană-Position+Hight Quality) pentru punctele rețelelor de ridicare din intravilan trebuie să fie mai mică de 10 cm. După cum se poate observa în tabelele de mai sus, abaterea standard maximă pentru determinarea unui punct este de 2,4 cm, obținută în ultima sesiune de lucru. Așadar, după acest criteriu, măsurătorile GNSS efectuate se încadrează în normele ANCPI.

Programul LGO permite prezentarea rezultatelor sub forma unui raport complex, în care pot fi vizualizate atât datele de intrare cât și soluțiile obținute în urma procesării. De asemenea, în conformitate cu Decizia nr. 1 privind realizarea măsurătorilor GNSS, pentru avizarea lucrărilor de cadastru depuse la Oficiile de Cadastru și Publicitate Imobiliară în realizarea cărora au fost efectuate și observații GNSS, acestea trebuie să cuprindă în mod obligatoriu Anexa 15. În cazul determinărilor statice, se va prezenta Anexa 15a, care are următorul conținut (conform Deciziei Nr. 1/2008):

Schema cu dispunerea punctelor determinate;

Schema conținând planificarea sesiunilor de măsurători;

Fișiere pe suport magnetic în format RINEX conținând măsurătorile efectuate (inclusiv denumirea punctului, înălțimea corectă și tipul antenei, intervalul de înregistrare);

Rezultate ale prelucrării vectorilor măsurați (coordonatele relative și indicatori de precizie pe componente);

Coordonatele compensate ale punctelor și precizii în sistem geocentric cartezia și/sau elipsoidal și rezultatele transcalculului în sistem de referință național pentru punctele calculate.

În continuare este redat raportul complet al observațiilor GPS din cele 3 sesiuni de lucru sub forma Fișei de măsurători statice prin tehnologie GNSS , în conformitate cu Decizia Nr 1/2008:

Fișa de măsurători statice prin tehnologie GNSS pentru prima sesiune de lucru:

Project Information

Point Information

Processing Parameters

Satellite Selection

Final Coordinates

Fișa de măsurători statice prin tehnologia GNSS pentru a doua sesiune de lucru:

Project Information

Point Information

Processing Parameters

Satellite Selection

Final Coordinates

Fișa de măsurători statice prin tehnologie GNSS pentru a treia sesiune de lucru:

Project Information

Point Information

Processing Parameters

Satellite Selection

Final Coordinates

În continuare, în Figura xx, Figura YY și Figura ZZ se prezintă modul de dispunere a punctelor noi determinate, vectorii obținuți (cu roșu), ordinea efectuării observațiilor asupra punctelor (cu orange) și elipsele erorilor (cu albastru):

Figura xxx Dispunerea punctelor din prima sesiune de lucru

Figura xxx Dispunerea punctelor din a doua sesiune de lucru

Figura xxx Dispunerea punctelor din a treia sesiune de lucru

Coordonatele obținute în urma post-procesării observațiilor din cele 3 sesiuni de lucru sunt determinate în sistemul geocentric WGS ’84. Pentru a putea folosi în continuare rezultatele, s-a folosit utilitarul TransDatRo pentru a transforma coordonatele în sistemul național Stereografic 1970.

În Tabelul XX sunt prezentate coordonatele celor 12 puncte rezultate din prima sesiune de lucru, centralizat, precum și diferențele față de coordonatele acelorași puncte determinate cu sistemul GNSS Trimble R6 L1/L2.

Tabelul xxx Coordonatele celor 12 puncte studiate, în Sistem Stereografic 1970 și diferențele dintre determinările R6 și SR20

În Tabelul XX sunt prezentate coordonatele punctelor rezultate în urma celei de-a doua sesiuni de lucru, cele din prima sesiune și diferențe între acestea.

Tabelul xxx Rezultatele din sesiunile 1 și 2 cu diferențele dintre ele

Întrucât punctele preluate cu sistemul Trimble R6 L1/L2 RTK au fost determinate față de un punct geodezic din Clasa B, iar aparatura și metoda prezintă precizii ridicate, acestea pot fi considerate ca referință pentru evaluarea determinărilor cu sistemul în simplă frecvență. În continuare, în Tabelul xxx sunt prezentate comparativ rezultatele sistemului R6 și cele din a doua sesiune de lucru.

Tabelul xxx Rezultatele din sesiunea 2 și cele obținute cu sistemul R6 cu diferențele dintre ele

Pt bibliografie: (obligatoriu in ordine alfabetică)

Boș, N., Iacobescu, O., 2007- Topografie Modernă, Editura C.H. Beck, 500 p

Etc.

****www.ancpi.ro

****www.rompos.ro

Etc

Decizia nr 1