Systemy GNSS

Rodzaje systemów

Globalny system nawigacji satelitarnej (GNSS – ang. Global Navigation Satellite System) składa się z dwóch podstawowych elementów: segmentu kosmicznego oraz segmentu naziemnego. Ponadto funkcjonują szeroko rozumiane segmenty kontrolne, przez niektórych uważane za części segmentu naziemnego. Aktualnie na świecie funkcjonują i są w fazie operacyjnej:

  • GPS-NAVSTAR (ang. Global Positioning System – Navigation Satellites with Timing and Ranging),
  • GLONASS,

ponadto trwają intensywne prace nad uruchomieniem systemów:

  • Galileo,
  • Compass,
  • Gagan,
  • i innych.

W amerykańskim systemie GPS-NAVSTAR segment kosmiczny składa się obecnie z 32 satelitów (początkowo zakładano 24 czynne i 5 zapasowych), krążących na 6 prawie-kołowych orbitach na wysokości 20 200 km, o nachyleniu 55o do równika. Parametry te zostały dobrane tak, aby w każdym miejscu na Ziemi widoczne były zawsze minimum 4 satelity systemu GPS. Okres obiegu satelitów w orbitach wynosi ok. 12 h. Satelity emitują fale elektromagnetyczne w dwóch częstotliwościach L1 i L2 (planowane jest wprowadzenie trzeciej – L5) dobranych tak, aby eliminować wpływ jonosfery na prędkość rozchodzenia się fal. Na pokładzie satelitów znajdują się ponadto precyzyjne zegary atomowe (czas GPST – ang. GPS Time).

Rosyjski system GLONASS operuje na 20 (początkowo zakładano 24) satelitach segmentu kosmicznego, rozmieszczonych na 3 prawie-kołowych orbitach na wysokości 19 100 km, o nachyleniu 64,8o do równika. Okres obiegu satelitów wynosi nieco ponad 11 h.


Źródło: http://www.epncb.oma.be/ (2009)
Europejski (ESA) system Galileo docelowo ma posiadać 30 (27 czynnych i 3 zapasowe) satelitów równomiernie rozmieszczonych na 3 orbitach na wysokości 23 200 km, o nachyleniu 56o do równika. Obecnie system jest w fazie rozruchu – na swoich orbitach znajdują się 2 pierwsze satelity.

We wszystkich trzech systemach satelity segmentu kosmicznego transmitują na Ziemię fale elektromagnetyczne. w  skład segmentu naziemnego wszystkich tych systemów wchodzą sieci odbiorników naziemnych, które odbierając sygnały satelitarne dokonują obliczenia odległości do satelitów, których współrzędne są znane. w ten sposób, na zasadzie przestrzennego wcięcia liniowego wyznaczana jest pozycja każdej stacji naziemnej. z racji funkcjonowania na pokładach satelitów GNSS precyzyjnych zegarów atomowych opartych o wzorce cezowe i rubidowe, systemy te służą również globalnej dystrybucji czasu atomowego, poprzez odbiorniki naziemne.

Wykres po prawej przedstawia widoczność satelitów GPS i GLONASS nad stacją referencyjną LODZ, znajdującą się w  centralnej części Polski. Widać wyraźnie, że nad polskim niebem satelity GNSS widoczne są przede wszystkim nad południowym horyzontem.

Organizacje międzynarodowe odpowiedzialne za GNSS

W styczniu 1994 roku powołano w ramach IAG (ang. International Association of Geodesy – Międzynarodowa Asocjacja Geodezji) Międzynarodową Służbę GPS (IGS – ang. International GPS Service), później przemianowaną na Międzynarodową Służbę GNSS (IGS – ang. International GNSS Service). Jej głównym zadaniem jest wsparcie badań naukowych, działalności edukacyjnej i innej poprzez dostarczanie środowisku międzynarodowemu produktów GNSS o wysokiej precyzji. Służba IGS dostarcza poprzez swoją witrynę internetową następujących produktów:

  • efemerydy satelitów GPS i GLONASS,
  • współrzędne i prędkości stacji IGS,
  • parametry zegarów satelitów i stacji IGS,
  • parametry EOP (ruchu obrotowego Ziemi),
  • parametry jonosfery (mapy TEC – ang. Total Electron Content),
  • paramery troposfery (opóźnienie troposferyczne – ZPD – ang. Zenith Path Delay).

Zasada i metodyka pomiarów GNSS

W systemach GNSS zastosowano rozwiniętą w latach 70-tych metodę dystrybucji sygnałów satelitarnych – fal elektromagnetycznych, służących do określania odległości od satelitów do anten, których pozycję chcemy wyznaczyć. Za przodka obecnych systemów GNSS można uznać system TRANSIT, w którym wykorzystywano efekt Dopplera do pomiaru odległości do satelitów. Aktualnie wykorzystuje się powszechnie w tym celu (jednakże nie są to jedyne stosowane metody) dwie metody określania odległości: kodową i fazową.

W metodzie kodowej na sygnał satelitarny nakładany jest specjalny kod (poprzez modulację) – w przypadku systemu GPS wykorzystywane są 2 kody: C/A (ang. Coarse Aquisition – kod mniej dokładny) i P (ang. Precise – kod precyzyjny). Mierząc czas propagacji fali elektromagnetycznej (wiemy kiedy dany fragment kodu został wyemitowany przez nadajnik satelity oraz znamy moment dotarcia tego kodu do anteny odbiorczej) możemy określić drogę propagacji na podstawie prostego wzoru:

D = c · t

   c – prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w ośrodku,
   t - wyznaczony czas propagacji.

Naturalnie najsłabszym ogniwem powyższego równania jest prędkość c, którą jest bardzo trudno wyznaczyć z  dużą precyzją z uwagi na niejednorodność ośrodka przez jaki przechodzi sygnał. Ponadto problemem jest synchronizacja czasu zegarów odbiornika i nadajnika fali elektromagnetycznej tak, aby wyeliminować jej wpływ na wynik.

Metoda fazowa pomiaru odległości polega na wyznaczeniu fazy sygnału docierającego do anteny odbiorczej. Jednakże określenie odległości D wymaga również znajomości liczby pełnych odłożeń (cykli fazowych) fali elektromagnetycznej na drodze nadajnik-odbiornik N. Odległość wyznaczona jest w ten sposób na podstawie wzoru:

D = (N + φ) · ΔD

   ΔD - długość fali elektromagnetycznej,
   N – liczba całkowitych cykli fazowych,
   φ – pomierzona faza sygnału przychodzącego

W celu zmniejszenia wpływu ośrodka na wyznaczoną odległość do satelitów stosuje się pomiar na dwóch lub więcej powiązanych ze sobą częstotliwościach. Przykładowo w systemie GPS stosowane są obecnie dwie podstawowe częstotliwości L1 i L2, wprowadzana jest nowa, trzecia częstotliwość L5.

Pomiary różnicowe

Aby wyeliminować lub zmniejszyć wpływ czynników takich, jak wielotorowość sygnału (odbicie lub zakrzywienie sygnału przez przeszkody terenowe), opóźnienie atmosferyczne i jonosferyczne, niedokładności i asynchronizacja zegarów nadajnika i odbiornika GNSS, itp. stosuje się m. in. różnicowe metody pomiarów GNSS. z zasady pomiarów różnicowych korzystają wszystkie systemy „referencyjne”, m. in. ASG-EUPOS.

W przeciwieństwie do wyznaczeń absolutnych (bezwzględnych), w pomiarach różnicowych GNSS pozycja określana jest względem stacji referencyjnej (lub grupy stacji) o znanych, stałych współrzędnych. Bierzemy tu pod uwagę założenie, że wpływ czynników zewnętrznych na propagację sygnałów satelitarnych jest w przybliżeniu jednakowy lub liniowo zmienny na ograniczonym obszarze – maksymalnie w promieniu kilkunastu do kilkudziesięciu kilometrów. Zatem znając precyzyjne współrzędne danego punktu i jednocześnie wykonując na nim obserwacje GNSS, możemy wyznaczyć poprawki do tych obserwacji (pomiary w czasie rzeczywistym). Poprawki transmitowane do odbiornika ruchomego (tzw. rovera) – pozwalają na podniesienie dokładności wyznaczeń – nawet do poziomu pojedynczych centymetrów.

W przypadku pomiarów statycznych, opracowanych w tzw. post-processingu, zasada pomiarów różnicowych wykorzystywana jest przy wyznaczaniu wektorów pomiędzy antenami uczestniczącymi w  tym pomiarze. Wektory te podlegają później procesowi wyrównania w celu wyznaczenia szukanych współrzędnych punktów.

Najważniejsze parametry charakteryzujące pomiar GNSS

Każdy użytkownik satelitarnych systemów nawigacyjnych, aby prawidłowo posługiwać się sprzętem pomiarowym, powinien zapoznać się z podstawowymi pojęciami i parametrami, charakteryzującymi warunki pomiarowe. Wśród nich należałoby wymienić:

DOP – (ang. Dilution of Precision)

Współczynnik określający geometryczny rozkład satelitów GNSS widocznych w danym miejscu i czasie, w wolnym tłumaczeniu jest to współczynnik „rozmycia precyzji” pomiaru. Wyraża on stosunek objętości półkuli określonej przez orbity satelitarne i punkt, w którym znajduje się obserwator, do wielościanu opartego na aktualnie widocznych satelitach i obserwatorze. Wynika z tego, że  współczynnik DOP≥1. Przyjmuje się, że rozkład satelitów charakteryzowany poprzez DOP∈<1,3> jest bardzo dobry, przy DOP∈<3,6> jest on akceptowalny, natomiast przy DOP>6 nie powinno się wykonywać precyzyjnych pomiarów. W terminologii dotyczącej GNSS stosuje się często warianty cząstkowe współczynnika DOP, tj. GDOP (geometryczny), PDOP (pozycji), HDOP (pozycji poziomej), VDOP (pozycji pionowej), TDOP (czasu), charakteryzujące wpływ rozmieszczenia satelitów na jedną lub więcej wyznaczanych wielkości.

Poniżej przedstawiono przykładowy rozkład współczynnika DOP nad Warszawą w dn. 8.04.2009 r.


Źródło: Trimble Planning

SNR – (ang. Signal-to-Noise Ratio)

Stosunek mocy sygnału satelitarnego docierającego do odbiornika GNSS do szumu. Wysoki SNR świadczy o braku lub znikomym wpływie zakłóceń zewnętrznych na sygnał satelitarny, a co za tym idzie – relatywnie dobrych warunkach pomiarowych.


Źródło: Trimble GPSNet

Wielotorowość (wielodrożność) sygnału – (ang. multipath)

Sygnał satelitarny na drodze satelita – antena odbiorcza może zostać odbity. w takim przypadku do odbiornika trafia sygnał bezpośredni oraz odbity, co w  przypadku gdy odbiornik nie jest w stanie odróżnić tych sygnałów i odfiltrować odbitego, wpływa na błędny pomiar odległości do satelity. Zjawisku wielotorowości w pobliżu odbiornika sprzyjają zwłaszcza: jednolite gładkie powierzchnie, tafle szklane, tafla wody, przesłonięcie nieba przez drzewa, itp. Rysunek po prawej przedstawia wpływ wielotorowości na wyznaczaną odległość do satelity dla przykładowej stacji referencyjnej.

W poszukiwaniu wiedzy…

Czytelnika zainteresowanego szerszym poznaniem satelitarnych systemów nawigacyjnych, a zwłaszcza specyfiki funkcjonowania systemu GPS zachęcamy do lektury następujących polskojęzycznych pozycji:

Lamparski J. (2001) „Navstar GPS. Od teorii do praktyki”, Wydawnictwo UWM, Olsztyn 2001

Lamparski J., Świątek K. (2007) „GPS w praktyce geodezyjnej”, Wydawnictwo GALL, 2007

Specht C. M. (2007) „System GPS”, Wydawnictwo Bernardinum, 2007

Śledziński J. (2005) „Alfabet GPS”, seria artykułów w dodatku NAWI do magazynu Geodeta (01.2005 – 01.2006), http://www.geoforum.pl/pages/index.php?page=nawi&id_catalog_text=719, Warszawa 2005