Jakie sposoby służą do wyznaczania pozycję odbiornika GPS?

Które metody wykorzystuje się do pomiarów odbiornikami GPS?

Są dwa ogólne systemy wyznaczenia pozycji technologią GPS: pomiary pseudoodległości na podstawie pomiaru przesunięcia kodów oraz pomiary fazy częstotliwości fali nośnej. Odbiorniki GPS przystosowane są do działania w jednym z tych systemów.

Pomiar metodą kodową (pomiar pseudoodległości)

Na podstawie zmierzonej wielkości przesunięcia wylicza się czas, który pomnożony przez prędkość rozchodzenia się fal elektromagnetycznych wyznacza dokładną odległość z punktu na ziemi do satelity.

Metoda fazowa (pomiar fazowy)

W metodzie fazowej odbiornik porównuje fazę sygnału dochodzącego z satelity z kodem generowanym przez odbiornik. Do pomiaru odległości trzeba znać ilość pełnych długości fali plus fazę tej ostatniej niepełnej. Rozwiązanie takie umożliwia uzyskiwanie bardzo dużych dokładności przez nową generację odbiorników GPS. 

Pomiary odbiornikami GPS mogą być wykonywane sposobem bezwzględnym i względnym różnicowanym. Takie pomiary nazywane są także pomiarami precyzyjnego wyznaczania pozycji odbiornika GPS.

  • Metoda bezwzględna polega na stosowaniu jednego odbiornika, którym można wyznaczyć współrzędne punktu w układzie topocentrycznym WGS’84. Na podstawie znajomości zależności układu WGS’84 i układu współrzędnych obowiązujących na danym terenie można uzyskać dane o położeniu punktu, ale ich dokładność w zależności od różnych czynników może być najwyżej w granicach kilku metrów. Z tego powodu metoda bezwzględna do celów geodezyjnych jest nieprzydatna.
  • Metoda względna polega na wyznaczaniu różnic współrzędnych dwóch lub więcej punktów, na których są ustawiane odbiorniki. Są to tzw. obserwacje różnicowe. Prowadzenie takich pomiarów umożliwia uwolnienie się od wielu systematycznych błędów wspólnych dla obserwacji na dwu stanowiskach, takich jak: refrakcje troposferyczna i jonosferyczna, błędy wskazań zegarów umieszczonych na satelitach oraz błędy zegarów umieszczonych w odbiornikach.

W metodzie względnej istnieją różne procedury obserwacyjne wynikające z dysponowania określonym typem odbiornika i oprogramowania, przystosowanych fabrycznie do określonych obserwacji, oraz z celu, jakiemu obserwacje mają służyć. Metody pomiarowe stosowane w geodezji są statyczne lub kinematyczne.

Do metod statycznych

należą:

  1. statyczna
  2. statyczna-szybka
  3. pseudostatyczna

Ad. 1

Metodę statyczną stosuje się do wyznaczenia współrzędnych punktów osnów szczegółowych. Odbiorniki wykonujące obserwacje przy tej metodzie pozostają w bezruchu przez cały czas przyjmowania sygnałów satelitarnych. Czas pomiaru zależy od oczekiwanej dokładności wyznaczanych współrzędnych i odległości między punktem o znanych współrzędnych  – bazowym a punktem wyznaczanym. Wszystkie wykonane obserwacje są opracowywane we wspólnym procesie wyrównawczym, noszącym nazwę postprocessingu.

Ad.2

Metodą statyczną szybką jest nazywany pomiar przy stosowaniu odbiorników mających możliwość odbioru obydwu częstotliwości nośnych, wyposażonych w kod P, umożliwiający szybkie uzyskiwanie współrzędnych o wysokiej dokładności +/- (5mm + 1ppm). Długość sesji pomiarowej na punkcie wynosi przy tym 2 minuty.

Ad.3

Metodą pseudostatyczną nazwano dwukrotny pomiar na punktach wyznaczanych. Po pierwszym obejściu wszystkich punktów pomiar powtarza się. Powinno to nastąpić w odstępie przynajmniej 1 godziny.

Metody kinematyczne są pewnym uproszczeniem i przystosowaniem metod statycznych do masowych pomiarów szczegółowych. Ogólnie, w tych metodach w czasie pomiarów jeden z odbiorników albo grupa odbiorników lub na zmianę wszystkie odbiorniki poruszają się, podczas gdy przynajmniej jeden odbiornik prowadzi pomiar stacjonarny.

Z metod kinematycznych

na uwagę zasługują metoda „stań i idź” (stop&go) i RTK (Real Time Kinematic). W pierwszej metodzie należy zachowywać ciągłość odbioru sygnałów przy przemieszczaniu ruchomej anteny, co pozwala na bieżące korygowanie błędów systemu. Na początku pomiaru konieczna jest tzw. inicjalizacja odbiornika. Jest to pomiar statyczny na jednym lub dwóch punktach o znanych współrzędnych. W czasie pomiarów nad przenoszoną anteną nie może być przeszkód uniemożliwiających obserwacje satelitów. W przypadku przerwania obserwacji należy cofnąć się i powtórzyć pomiar na punkcie, gdzie ciągłość była zachowana. Pomiar na punktach wyznaczanych trwa 1-2 minuty.

Wzbogacenie pomiarów kinematycznych o łączność radiową między odbiornikami pozwoliło uzyskać metodę pomiarową, nazywaną pomiarem w czasie rzeczywistym RTK. Jest to rozwiązanie najbardziej przystosowane do stosowania przy szczegółowych pomiarach geodezyjnych. Zestaw instrumentów pomiarowych składa się ze stacji bazowej nowej generacji oraz z jednej lub wielu stacji ruchomych i z łącz radiowych między tymi stacjami. Stację bazową ustawia się na punkcie osnowy (o znanych współrzędnych), włącza się ją i wprowadza współrzędne stanowiska. Stacja, pracując cały czas, wykonuje pomiary fazowe satelitów i przetwarza ich wyniki, uwzględniając współrzędne punktu, na którym jest ustawiona. Poprawki korygujące obserwacje fazowe stacji są wyznaczane w sposób ciągły, są one przekazywane do stacji ruchomych. Stacje te prowadzą również ciągłe obserwacje fazowe tych samych satelitów przy przenoszeniu do punktów wyznaczanych (o nieznanych współrzędnych). Na podstawie obserwacji satelitarnych oraz odebranych przez radio danych ze stacji bazowej, dotyczących obserwacji fazy fali nośnej oraz poprawek, wyznacza się współrzędne stacji ruchomych w układzie stacji bazowej. Na takie wyznaczanie współrzędnych potrzeba jednej sekundy postoju. Dokładność tak otrzymywanych współrzędnych, określana błędem średnim, wynosi +/- (1-2 cm + 1 ppm) na 1 km odległości między stacjami.

Zestaw taki może być stosowany zarówno do inwentaryzacji szczegółów w terenie, jak i do tyczenia budowli, których współrzędne są obliczane w trakcie prac projektowych. Można tak tyczyć odcinki proste i linie zakrzywione, wyznaczać w terenie linie o zadanym nachyleniu, przenosić punkt na wyższe kondygnacje itp. Ograniczeniem stosowania techniki GPS są sztuczne i naturalne przeszkody ograniczające swobodny przepływ fal radiowych od satelitów, a więc góry, drzewa i lasy, ściany wąwozów i budynków znajdujących się między satelitami i odbiornikami, które mogą utrudniać lub wręcz uniemożliwić wykonywanie pomiarów GPS.