Prof. dr hab. inż. Janusz Śledziński

Technologie pomiarowe oparte na wykorzystaniu satelitarnego systemu pozycyjnego GPS stosowane w geodezji i nawigacji

4. Technologie pomiarów GPS

System GPS jest globalnym satelitarnym systemem nawigacyjnym wojskowym i jego głównymi użytkownikami są przede wszystkim różne rodzaje sił zbrojnych Stanów Zjednoczonych. System został udostępniony również użytkownikom cywilnym aczkolwiek z pewnymi dość istotnymi ograniczeniami. Miał on służyć do wyznaczania pozycji punktów stałych (nieruchomych) i obiektów poruszających się (statków, samolotów, rakiet, środków komunikacyjnych itd.). Przewidywano więc pierwotnie, że opracowanie dwóch technologii pomiarów GPS - technologii pomiarów statycznych i technologii pomiarów kinematycznych - zadowoli wszystkich użytkowników systemu GPS, zarówno wojskowych jak i cywilnych. Jednak żądania użytkowników dotyczące zwiększania dokładności wyników i skrócenia czasu pomiaru, ulepszanie systemu GPS, konstruowanie coraz bardziej skomplikowanych odbiorników wyposażonych w bardziej zaawansowane wewnętrzne oprogramowanie
Rys. 4. Zasada wyznaczania położenia punktu z pomiarów satelitarnych GPS
Rys. 5. Wyznaczanie pozycji na podstawie pomiarów kodowych pseudoodległości długości fal
Rys. 6. Rysunek ilustrujący problem nieoznaczoności pełnych cykli
Rys. 7. Porównanie głównych charakterystyk pomiarów kodowych i fazowych
Rys. 8. Zasada pomiarów kodowych i fazowych
Rys. 9. Zasada inicjalizacji "ON THE FLY"
Rys. 10. Bezwzględne i względne wyznaczanie położenia punktów
Rys. 11. Postprocessing i pomiary w czasie rzeczywistym (real time)
doprowadziły do tego, że na podstawie tych dwóch podstawowych technologii pomiarów GPS powstało kilka następnych ( rys.12.), których zwięzłą charakterystykę podamy w kilku następnych paragrafach tego artykułu. Omówimy pokrótce te technologie względnych pomiarów GPS, które mają zastosowanie w różnych pracach geodezyjnych. Podkreślamy, że będzie to omówienie różnych technologii wyznaczania różnic współrzędnych, a więc w pomiarze będą musiały uczestniczyć przynajmniej dwa odbiorniki geodezyjne.

4.1 Technologia pomiarów statycznych GPS (Static relative positioning).

Technologia pomiarów statycznych GPS jest technologią najwyższej dokładności. Oba odbiorniki uczestniczące w pomiarze pozostają stacjonarne w ciągu całej sesji (kampanii) obserwacyjnej. Możliwe jest zbieranie obserwacji z wielu sesji obserwacyjnych (np. po kilka godzin dziennie), zaś zebrany materiał jest poddawany opracowaniu po zakończeniu całej kampanii obserwacyjnej (tzw. "postprocessing" - rys. 11). Długość sesji (kampanii) obserwacyjnej zależy głównie od żądanej dokładności (przeznaczenia sieci) i od odległości między punktami i - jak wynika to z wieloletnich doświadczeń różnych ośrodków - wynosi (a) 30-90 min. dla sieci lokalnych, (b) 1-2 dni dla punktów odniesienia sieci krajowych i geodynamicznych o charakterze lokalnym i państwowym, (c) 4-6 dni dla sieci kontynentalnych i podstawowych sieci geodynamicznych regionalnych. Dla przykładu możemy podać, że dla pomiaru sieci geodezyjnej lokalnego znaczenia o bokach do 15-20 km wystarcza wykonanie obserwacji około 1 godziny, dla sieci typu EUREF (European Reference Frame) nawiązującej polski układ geodezyjny do układu geodezyjnego Europy Zachodniej stosowano długość obserwacji 5 dni; tyle samo czasu trwały europejskie kampanie pomiaru sieci geodynamicznej CERGOP (Central Europe Regional Geodynamics Project) i EXTENDED SAGET (Satellite Geodynamic Traverses).

4.2 Technologia pomiarów kinematycznych GPS (Kinematic relative positioning).

Technologia ta jest typowa technologią nawigacyjną. W pomiarze bierze udział jeden odbiornik stacjonarny, względem którego wyznaczana jest pozycja drugiego ruchomego odbiornika umieszczonego na obiekcie poruszającym się. Możliwe jest otrzymywanie pozycji obiektu ruchomego w czasie rzeczywistym (natychmiastowe, np. co 1 sekundę, co 5 sekund; będzie to tzw. "real time positioning" - rys. 11) albo też cały zebrany materiał obserwacyjny może być poddany opracowaniu po zakończeniu pomiarów ("postprocessing") w wyniku którego otrzymujemy obraz trasy, jaką przebył ruchomy obiekt. Podczas całej sesji obserwacyjnej niezbędna jest ciągła łączność z obserwowanymi satelitami. Jeśli pomiar ma być dokonywany metodą fazową, to - jak wspomniano w p. 3 - dla wyznaczenia nieoznaczoności fazy (wyznaczenia liczby N) niezbędna jest inicjalizacja pomiaru. Znamy dzisiaj dwie grupy metod inicjalizacji - metody statyczne i kinematyczne. Przed przystąpieniem do pomiaru kinematycznego inicjalizację metodą statyczną można wykonać albo (1) przez około 25 minutowy pomiar statyczny dowolnej bazy, albo (2) przez pomiar znanego wektora (jeśli znamy współrzędne dwóch punktów oddalonych o kilkanaście metrów, wykonujemy na nich pomiar statyczny przez około 5-10 minut), albo też (3) przez pomiar statyczny z zamianą anten (oba odbiorniki wykonują pomiar statyczny przez około 5 minut, a następnie zamienia się w odbiornikach anteny i nadal obserwuje się około 5 minut).

Wykonywanie inicjalizacji pomiarów metodą statyczną w technologiach kinematycznych jest czynnością dość uciążliwą. W ostatnim czasie pojawiły się nowe metody inicjalizacji pozwalające na wyznaczenie liczby N z obserwacji odbiornikiem ruchomym. Nie wymagane są tu pomiary statyczne przed rozpoczęciem pomiaru kinematycznego. Typowa metodą tej grupy jest kinematyczna metoda inicjalizacji nazywana "On-the-fly" (OTF). Nowsze typy odbiorników GPS mają zainstalowane wewnętrzne oprogramowanie pozwalające stosować tę metodę inicjalizacji polegającą na łącznym wykorzystaniu pomiarów kodowych i fazowych rys. 9).

4.3 Technologie pół-kinematyczne (Semi-kinematic relative positioning).
Technologia "STOP & GO".

Wysiłki konstruktorów odbiorników i geodetów szły w kierunku skrócenia czasu pomiaru GPS w terenie i stworzenia technologii wyznaczania położenia punktów, która nie wymagałaby wykonywania długotrwałych obserwacji statycznych. Pierwszą taką technologią była technologia znana pod nazwą "stop and go", co można by przetłumaczyć jako "zatrzymaj się i idź dalej". Technologia ta będąca kombinacją technologii statycznych i kinematycznych wydawała się w pewnym okresie czasu bardzo atrakcyjną, jednak jej wady spowodowały, że w dalszym ciągu poszukiwano lepszych rozwiązań technologicznych. W pomiarze technologią "stop and go" biorą udział przynajmniej dwa odbiorniki, jeden umieszczony na punkcie odniesienia, drugi przemieszczający się z punktu na punkt. Niezbędna jest inicjalizacja statyczna na początku pomiaru. Niewątpliwą zaletą tej technologii jest to, że odbiornik ruchomy wykonuje pomiary na kolejnych punktach sieci tylko przez 1-2 minuty (rzeczywiście przemieszczając się z punktu na punkt na każdym punkcie tylko się "zatrzymujemy" i zaraz "idziemy dalej"). Jednak w ciągu całej sesji pomiarowej (w czasie pomiaru na punktach i nawet w czasie transportu instrumentu z punktu na punkt) niezbędna jest nieprzerwana łączność z przynajmniej 4 satelitami GPS. Jest to podstawowa wada tej technologii uniemożliwiająca jej zastosowanie w terenie o wysokiej zabudowie, w lesie itd. Przejazd pod drzewami, pod wiaduktem lub mostem przerywa pomiar. Technologię tę można zatem stosować tylko w otwartym, nie porośniętym i niezabudowanym terenie.
Rys. 12. Różne rodzaje technologii satelitarnych GPS

4.4 Technologie pseudo-statyczne (pseudo-kinematyczne).
(Pseudo-static = pseudo-kinematic relative positioning, intermittent static positioning, reoccupation).

Następną technologią usuwającą podstawową wadę technologii "stop and go" jest technologia pseudo-statyczna (pseudo-kinematyczna) polegająca na dwukrotnym pomiarze GPS na każdym wyznaczanym punkcie, lecz niewymagająca ciągłej nieprzerwanej łączności z satelitami podczas transportu odbiornika z punktu na punkt. W pomiarze biorą udział - jak zwykle - przynajmniej dwa odbiorniki jeden ustawiony na punkcie odniesienia, drugi przemieszczający się z punktu na punkt. Pomiar na każdym punkcie trwa około 10-15 minut, wykonujemy pomiary na kolejnych punktach sieci, na ostatnim wyznaczanym punkcie czekamy 1-2 godzin na zmianę konfiguracji satelitów i ponownie wykonujemy pomiar GPS na punktach wyznaczanych (reoccupation). Ten podwójny pomiar GPS na każdym stanowisku przy różnych konfiguracjach satelitów zastępuje proces inicjalizacji. Zaletą tej technologii jest to, że nie jest wymagana łączność z satelitami podczas transportu odbiornika z punktu na punkt, wadą tej technologii jest natomiast konieczność dwukrotnego stawania na tym samym punkcie wyznaczanym.

4.5 Technologie szybkie statyczne (Fast/rapid static relative positioning).

W pomiarze biorą udział, podobnie jak poprzednio, przynajmniej dwa odbiorniki GPS, jeden ustawiony na punkcie odniesienia, drugi przemieszczający się z punktu na punkt. Technologia wymaga jednokrotnego pomiaru na każdym wyznaczanym punkcie, nie wymaga nieprzerwanej ciągłości śledzenia satelitów w czasie transportu odbiornika z punktu na punkt, jednak pomiar tą technologią można wykonać jedynie odbiornikami dwuczęstotliwościowymi (z kodem P) z wbudowanym specjalnym oprogramowaniem wewnętrznym. Czas obserwacji na stanowisku zależy od liczby obserwowanych satelitów i wynosi od około 10 do 20 minut przy obserwacji 6-4 satelitów. Istotą pomiaru jest szybkie wyznaczanie nieoznaczoności fazy przy wykorzystaniu kombinacji pomiarów kodowych i fazowych na obu częstotliwościach L1 i L2. Technologia ta należy dzisiaj do najczęściej używanych.

4.6 Pomiary dyferencjalne GPS (DGPS), (Differential GPS).

Pomiary DGPS są szczególnym przypadkiem pomiarów względnych GPS. Technologia DGPS opiera się w zasadzie na pomiarach nawigacyjnych kodowych (pseudoodległości) wykonywanych w czasie rzeczywistym, jednak w ostatnim czasie w technologiach tych zaczynają być stosowane również pomiary fazowe i opracowanie typu "postprocessing". Istotą technologii DGPS jest to, że stacja bazowa transmituje do odbiornika ruchomego poprawki, które są na bieżąco wykorzystywane przez odbiornik ruchomy do obliczania poprawionej pozycji anteny odbiornika ruchomego. Dokładność pomiarów DGPS opartych tylko na pomiarach kodowych wynosi 1-2 m. Jest to dokładność zupełnie wystarczająca dla celów nawigacyjnych, np. wyznaczania (ustalania) pozycji radiowozów policyjnych, ambulansów pogotowia ratunkowego, pojazdów straży pożarnej, pociągów, środków transportu samochodowego itd. Na tej zasadzie pracują dzisiaj różne systemy nawigacyjne morskie i lotnicze.