TEHNOLOGI SPAIALE GEODEZICE

2011

1. STADIUL ACTUAL PRIVIND UTILIZAREA TEHNOLOGIEI SPAIALE GEODEZICE

Lansarea primului satelit artificial al Pmntului:Sputnik 1, la 04.10.1957

Domeniile de utilizare ale sateliilor artificialispecializai sunt numeroase si diversificate

Au o deosebita importan strategic n domeniulmilitar i o larg utilizare n domeniul civil:dezvoltarea tehnologiilor satelitare de navigaiecare permit poziionarea precis a mijloacelor detransport aeriene, maritime i terestre aflate nmicare sau n repaus.

Aceasta tehnologie i-a gsit, de asemenea, o largaplicabilitate i in domeniul geodeziei igeodinamicii prin realizarea unor reele geodezice lanivel global sau naional, contribuii ladeterminarea formei si dimensiunilor Pmntului ia cmpului su gravitaional, determinareadeplasarilor placilor tectonice, etc.

La ora actuala funcioneaz n paralel dou sistemede poziionare global:

sistemul de poziionare NAVigation System with TimeAnd Ranging Global Positioning System (NAVSTAR GPS)cunoscut sub denumirea GPS, realizat si gestionat deStatele Unite ale Americii

sistemul de pozitionare GLObal NAvigation SatelliteSystem (GLONASS), realizat si gestionat de FederatiaRus

Proiectul GPS a fost demarat de catre guvernulStatelor Unite la inceputul anilor 70.

Scopul principal il reprezinta posibilitatea de aputea determina cu precizie pozitia unui obiectmobil sau fix in orice punct de pe suprafatapamintului, in orice moment indiferent de stareavremii. GPS este un sistem care utilizeaza oconstelatie de 32 de sateliti pentru a putea oferi opozitie precisa unui utilizator. Precizia trebuieinteleasa in functie de utilizator. Pentru un turist injur de 15 m, pentru o nava maritim in jur de 5,pentru un topograf precizie inseamna 1 cm sauchiar mai putin.

GPS poate fi utilizat pentru a obtine preciziile cerutein toate aplicatiile, singurele diferente constandnumai in tipul receptorului si a metodei de lucruutilizate.

Initial GPS a fost proiectat numai pentru aplicatiimilitare. Curand dupa ce acest obiectiv a fost atins adevenit evident ca GPS va putea fi folosit si pentruscopuri civile pastrand totusi anumite proprietatinumai pentru domeniul militar. Primele douaaplicatii civile au fost navigatia maritima simasuratorile tereste.

2. PRINCIPIUL MSURTORILOR GPS

Receptorul GPS msoar timpul necesar unuisemnal pentru a se propaga de la satelit la receptor.

Distana satelit-receptor o putem determinanmulind acest timp cu viteza luminii (c).

= distana;

c = viteza luminii;

= ntrzierea dintre codul generat i codul recepionat;

c

Geocentru

ReceptorPamant

SatelitOrbita

R

Msurtorile de distane pe care receptorul le face sunt afectate de ctre eroarea de ceas a

satelitului i a receptorului, de aceea acestea sunt denumite pseudodistane.

3. COMPONENTELE SISTEMULUI

Sistemul de pozitionare globala functioneaza peprincipiul receptionarii de catre utilizator a unorsemnale radio emise de o constelatie de sateliti denavigatie, specializati, care se misca in jurulPamintului pe orbite.

Sistemul a fost astfel proiectat nct permite ca norice moment si oriunde pe suprafata Pamintului,un mobil aflat in miscare sau in repaus, sa isi poatastabili in timp real pozitia

Sistemul de pozitionare GPS, este constituit din treicomponente sau segmente principale care asigurafunctionarea acestuia, dupa cum urmeaza:

1. Segmentul spatial, constituit din constelatia de 32de sateliti GPS;

2. Segmentul de control, constituit din statiile de lasol, care monitorizeaza intregul sistem;

3. Segmentul utilizatorilor, compus din utilizatoriicivili si militari, care folosesc receptoare GPS dotatecu antena si anexele necesare;

Primele dou segmente se afl n exclusivitate subcontrolul realizatorului sistemului (DepartamentulAprrii - USA)

3.1. Segmentul spaial Constelatia de sateliti GPS a fost proiectata sa

contina 32 de sateliti amplasati pe 6 orbiteaproximativ circulare fata de suprafata Pamintului.

Planurile orbitale ale satelitilor au o inclinatie de55o fata de planul ecuatorial terestru, satelitiievoluid la o altitudine de cca. 20.200km.

Fiecare satelit face o rotatie completa in jurulPamintului in 11 ore si 56 de minute

Fiecare satelit are o durata de functionare estimatala cca.7 ani, durata care in general a fost depasita,asigurindu-se astfel o siguranta in plus inexploatarea sistemului.

Segmentul spatial, asigura ca la orice ora, in oriceloc pe suprafata Pamintului, indiferent de conditiilemeteorologice, de perioada din zi sau din noapte, sase poata receptiona semnale radio de la minimum 4sateliti dar si mai multi, 8 sau 10, sub un unghi deelevatie de 15o deasupra orizontului, conditiiabsolut necesare pentru pozitionare.

Principalele functiuni ale segmentului spatial alsistemului si ale fiecarui satelit in parte pot fisintetizate astfel:

- satelitii GPS transmit permanent informatiiutilizatorilor prin intermediul unor semnale radio infrecventa nominala fundamentala de 10.23 MHz,din care se genereaza cele doua unde purtatoare:

L1 = fo 154 = 1575,42 Mhz = 19,05 cm = 1 L2 = fo 120 = 1227,60 Mhz = 24,45 cm = 2

unde 1 i 2 sunt lungimile de und ale undelor purttoare.

- receptioneaza si inmagazineaza informatiileprimite de la segmentul de control;

3.2 Segmentul de control

Segmentul de control al sistemului GPS esteconstituit din statiile specializate de la sol careactualmente sunt in numar de cinci si sunt dispuseaproximativ uniform in jurul Pamintului, in zonaecuatoriala

4 staii de monitorizare - Monitor Station

1 staie de control - Master Control Station

Principalele sarcini ale segmentului de control sunt:

segmentul de control urmareste permanent prinstatii de la sol satelitii sistemului, prelucrind datelereceptionate in vederea calcularii pozitiilor acestora(efemeride), care apoi sunt transmise la sateliti;

controleaza ceasurile satelitilor;

calculeaza corectiile orbitale;

activeaza prin comenzi de la sol, la momentul doritsau necesar, sistemele de protectie SA (SelectiveAvailability) si AS (Anti Spoofing), ale sistemului;

stocheaza datele noi receptionate de la sateliti;

calculeaza efemeridele prognozate pentruurmatoarele 12 sau 24 de ore

3.2 Segmentul utilizatori

Acest segment e constituit din totalitateautilizatorilor detinatori de receptoare GPS cuantena, in functie de calitatile receptorului siantenei, rezultind acuratetea preciziei depozitionare sau a elementelor de navigatie.Receptoarele geodezice sunt receptoarele cele maiprecise si opereaza cu lungimile de unda purtatoareL1 si L2 precum si codul C/A sau P.

Receptorul GPS se compune din urmtoarele uniti funcionale:

4. STRUCTURA SEMNALULUI

Acuratetea sistemului de pozitionare GPS esteasigurata de faptul ca toate componentelesemnalului satelitar sunt controlate de ceasuriatomice.

Aceste ceasuri atomice, de foarte mareprecizie, asigura realizarea unei frecventefundamentale f0 = 10.23 MHz, in banda L.

lungimea de unda:

unde: v = c = 299 792 458 m/s (viteza luminii in vid)si f0 = 10.23 MHz

f

v

8

6

2.99792458 1030

10.23 10m

Frecventa fundamentala f0, este la originea a treiparti fundamentale ale semnalului transmis desatelitii GPS si anume:

- componenta portanta, care contine 2 undesinusoidale L1 si L2;

- componenta activa, care contine 2 coduri numiteC/A si P ;

- componenta mesaj, care contine codul D;

Cele dou unde purttoare, sunt generate prinmultiplicarea frecventei fundamentale cu 154,pentru L1 si respectiv 120, pentru L2.

Frecventele si lungimile de und rezultate auurmtoarele valori:

cm24Mhz1227.60f

cm19Mhz1575.42f

2L

1L

2L

02

1L

0 1

f

cf*120 : L apurttoare

f

cf*154 : L apurttoare

Codul C/A este liber pentru utilizatorii civili simoduleaz numai lungimea de und portant L1.Acest cod furnizeaz informatii privind identificareasatelitului receptionat.

Codul P este codul rezervat utilizatorilor militariprecum si altor utilizatori privilegiati si moduleazlungimile de und ale portantelor L1 si L2.

Codul D reprezint codul de navigatie, are ofrecvent fD =f0/204800 = 50 Hz, care contineinformatiile privitoare la efemeridele satelitilor siparametrii reali pentru calculul pozitiei lor, stareaacestora si informatii privind ceasurile de la bord.

Receptoarele de mici dimensiuni, utilizate exclusivpentru navigatie, receptioneaza numai codurile C/Asi D si asigura o pozitionare absoluta in precizia de+/- 100m.

Utilizatorii care dispun de posibilitatea de masurarea tuturor codurilor, pot beneficia de pozitionare intimp real, cu anumite date privind corectiiledistantelor provenite de la statiile permanente dereferinta GPS

Utilizatorii care dispun de receptionarea semnaluluiGPS in doua frecvente dispun de posibilitatea deeliminare a erorilor sistematice, generate de efectulinfluentei refractiei ionosferice si troposferice;

5. POZITIONAREA CU AJUTORUL TEHNOLOGIEI GPS

Pozitionarea cu ajutorul tehnologiei GPS se realizezaprin determinarea distantelor dintre punctul destatie si satelitii GPS vizibili, matematic fiindnecesare masuratori la minimum 4 sateliti. Acestnumar de sateliti este necesar pentru a ne puteapozitiona cit se poate de precis, numai pe bazadistantelor masurate la sateliti.

Daca am avea masuratori la un singur satelit si amcunoaste pozitia acestuia, pozitia noastra in spatiuar fi pe o sfera

Masurind distante la doi sateliti ne aflam pe un cercgenerat de intersectia celor doua sfere

n momentul in care avem masuratori si la un altreilea satelit, ne localizeazm in doua puncte dinspatiu.

Pentru o precizie ridicat este necesara a patramasuratoare fata de un al patrulea satelit si atunciin mod cert punctul pozitionarii noastre va fi unic.

Pozitionarea se realizeaza cu ajutorulretrointersectiei spatiale de distante, in sistemul dereferinta, reprezentat de elipsoidul WGS84.

Fata de coordonatele spatiale care definescpermanent pozitia fiecarui satelit GPS (Sj ), in acestsistem de referinta, coordonatele spatiale aleoricarui punct de pe suprafata Pamintului (Pi ) sepot determina cu deosebita precizie prinintermediul masurarii unui numar suficient dedistante de la satelitii receptionati de receptorul dinpunctul P.

OY

X

Z

R

rPi

S j

Vectorul r , reprezint vectorul de pozitie al satelitului observat la momentult Vectorul r reprezint vectorul distant de la punctul considerat la satelit

Vectorul R rezultat, reprezint vectorul de pozitie al punctului P.

Vectorial, pozitia punctului P este rezolvata prin determinarea vectorului de pozitie R:

Distanta geometric poate fi exprimat de relatia:

r R

R r

222 ))(())(())(()( ijjj

i

jj

i ZtZYtYXtXt

Pozitionarea cu ajutorul tehnologiei GPS se poateface n diferite modalitti

Pozitionare absolut: determinarea coordonatelorspatiale ale punctului P se face cu dou receptoareGPS, din care unul amplasat pe un punct care aredeja coordonate tridimensionale determinate ntr-un sistem de referint global (WGS84, EUREF, etc).

Pozitionare relativ: sunt determinate diferentelede coordonate ntre dou puncte sau componentelevectorului (baseline), ce uneste cele dou punctestationate cu receptoare GPS

Pozitionare diferential: este asemntoare,caprocedeu, cu pozitionarea absolut cu deosebireac eroarea care afecteaz distanta de la satelit lareceptor este calculat si aplicat n timp real, ca ocorectie diferential, dat de ctre receptorul carestationeaz pe un punct de coordonate cunoscutectre receptorul care stationeaz n punctul nou.

Masuratorile GPS, in geodezie sau ridicaritopografice, se pot executa prin doua metodeprincipale, care in functie de situatie, de aparatura,etc. au fiecare diferite variante :

5.1 METODE DE MASURARE CU AJUTORUL TEHNOLOGIEI GPS

Metoda static subnelege staionarea cureceptorul pe punctul de staie, pe toatperioada observrii, prilej cu care se realizeazun numr mare de msurtori. Receptoarelesunt dispuse pe puncte n mod continuu pe operioad de timp mai ndelungat

Durata acesteia este stabilita in functie delungimea laturilor, numarului de satelitiutilizabili, de geometria segmentului spatialobservabil, precum si de precizia dedeterminare a punctelor noii retele.

Metoda cinematic subnelege deplasarea unuireceptor pe perioada observrii, n timp ce unreceptor rmne fixat pe punctul cunoscut.

Principiul poziionrii prin metoda cinematic sebazeaz pe faptul c n primul rnd se ocup ctevapuncte cu coordonate cunoscute pe care se culegdate de la satelii (este necesar ca numrulsateliilor vizibili s fie ct mai mare) pe parcursul acteva minute. Prin aceast metod se stabiletevectorul dintre receptorul staionar (de baz) i celmobil (rover), cu o precizie de ordinul a doi la treicentimetri.

Tehnica de msurare

Num. min. de

satelii

Timpul min. de obs.

Precizia orizontal Alte caracteristici

Static(Static)

4 1ora

Cu o frecven:5 mm + 1 ppm

Cu dou frecvene:

5 mm + 1 ppm

Prin utilizarea receptoarelor cu unic frecven, cea mai mare precizie se obine la liniile de baz 10 km.

La utilizarea receptoarelor cu dubl frecven nu exist limitri privind lungimea liniei de baz.

Rapid static(Fast Static)

4 8-30 min

Variaz ntre precizia metodei statice i

cinematice, funcie de perioada de msurare

Procedura este identic ca la metoda static, dar timpul de msurare este mai scurt.

Cinematic cu prelucrare ulterioar

(PP Kinematic)

4 2 etape 1cm+2ppm

Linia de baz este limitat la aproximativ 10Km. Receptorului i sunt necesari 5 satelii pentru a efectua iniializarea . Receptorul mobil trebuie s fie iniializat

cu o precizie centimetric.

Cinematicn timp real

(RTK)4 1 etap 1cm+2ppm

Este necesar legtura radio. Lungimea liniei de baz este limitat la aproximativ 10 km. Receptorul are nevoie de 5 satelii pentru a efectua iniializarea.

Receptorul mobil trebuie s fie iniializat cu o precizie centimetric.

6. REALIZAREA RETELELOR UTILIZAND STATII TOTALE SI RECEPTOARE GPS

In principiu sunt doua criterii dupa care sunt clasificate masuratorile GPS:

-dupa numarul de receptoare;

-dupa pozitia, tipul receptoarelor si timpul de stationare.

In functie de numarul aparatelor rezulta urmatoarele metode principale de masurare GPS :

-single point position SPP (cu un singur receptor);

-cu mai multe receptoare.

6.1. Metoda cu un singur receptor (single point position)

Nu este utilizata in masuratorile geodezice

Este o metoda simpla, de determinare acoordonatelor aproximative in sistem WGS 84.

In punctul unde trebuie determinate coordonatele,se amplaseaza un receptor GPS. Receptorul estedeschis si primeste semnal de la satelit. El va fi lasatsa functioneze o perioada de timp, mai indelungatasau mai scurta. In mod normal, cu cat perioada destationare pe punct este mai mare, cu atat preciziade determinare in sistem WGS 84 va fi mai buna

6.2 Metoda cu mai multe receptoare

Este utilizata frecvent in lucrarile geodezicecurente. Este suficient sa existe minim douareceptoare GPS care sa receptioneze semnalde la aceiasi minim 4 sateliti vizibili si sa aibaun timp comun de stationare.

Astfel, unul din cele doua receptoare devinepunct cu coordonate cunoscute si determinaprin calcul coordonatele celuilalt.

Cu cat numarul receptoarelor este mai mare, cu atatmai mult creste siguranta determinarilor.

Trebuie tinut cont de faptul ca in prezent se potfolosii statii permanente de referinta GPS care pot fiintegrate in reteaua noua, in acest caz numarulreceptoarelor creste cu numarul statiilorpermanente existente.

Statiile permanente de referinta GPS utilizatetrebuie sa fie amplasate in asa fel incat sa poata fifolosite la calcule (distanta proportionala cu timpulde stationare).

Dupa pozitia, tipul receptoarelor si timpul de stationare, masuratorile GPS pot fi:

statice sau rapid-statice;

stop and go.

6.2.1. Metoda statica Metoda statica este cea mai utilizata atunci cand se

vorbeste de realizarea retelelor geodezice carenecesita precizii foarte mari.

Metoda statica presupune existenta a minim douareceptoare GPS amplasate pe doua punctematerializate pe teren. Cele doua receptoareprimesc semnal de la aceiasi mimin 4 sateliti si autimpul de stationare comun.

De asemenea, pentru obtinerea unui randamentmai bun si a unor precizii mai bune, numarulreceptoarelor este mai mare, la care se pot adaugasi statiile permanente de referinta GPS.

6.2.1.1. Cazul in care se masoara cu doua receptoare

In principiu, unul din receptoare este

amplasat pe un punct, iar celalalt receptor

stationeaza o perioada de timp pe fiecare din

celelalte puncte.

GF

H

E

AB

D C

De exemplu, statia fixa (cea care ramane pe punct) esteamplasata pe punctul de coordonate cunoscute A.

Celalalt receptor stationeaza punctele noi, E, F, G si H, apoicel putin un punct vechi (B, C sau D).

In acest caz avem o singura determinare pentru punctelenoi. Conform normelor in vigoare, fiecare punt nou trebuiesa aiba cel putin patru vectori de pozitie (determinari).

Pentru acesta avem doua variante:

Stationarea cu receptorul fix si pe punctele vechi B, C si D sideterminarea celorlalte puncte noi. Astfel, vom avea patrudeterminari independente pentru fiecare punct nou, caz incare se poate aplica metoda celor mai mici patrate.

Determinari cu statia totala intre fiecare doua punctevizibile, integrand masuratorile cu masuratorile GPS

Nu este obligatoriu ca statia fixa sa fie amplasata pe un punct cu coordonate cunoscute.

G

F

H

E

A B

D C

De exemplu, se poate stationa punctul H, punctnou. In acest caz se stationeaza pe cel putin unpunct vechi si pe toate punctele noi.

Daca s-a stationat punctul vechi A, se determina inprima faza coordonatele punctului nou H dincoordonatele punctului A. Din coordonatelepunctului H se determina apoi si coordonatelecelorlalte puncte noi: E, F si G.

Procedeul se repeta apoi cu stationare tot pe unpunct nou sau pe un punct vechi, sau cudeterminari cu statia totala. In final, fiecare punctnou trebuie sa aiba cel putin patru vectori dedeterminare.

6.2.1.2. Cazul in care se masoara cu trei receptoare

In acest caz, exista mai multe variante:

stationarea cu receptorul care ramane fix pe un punct conoscut iar celelalte doua receptoare se amplaseaza pe punctele de determinat

GF

H

E

A B

D C

stationarea cu receptorul care ramane fix pe un punct conoscut iar celelalte doua receptoare se amplaseaza

pe punctele de determinat

Stationand punctul cu coordonate cunoscute A, sicu celelalte doua receptoare amplasate pe punctelenoi E si H, avem simultan determinareacoordonatelor punctelor E si H, dar si un vector dedeterminare intre punctele E si H.

Tot din punctul A se pot determina apoi punctelenoi G si F, dar si vectorul de control intre G si H.

Se pot stationa apoi punctele B, C si D cucoordonate cunoscute pentru determinareapunctelor noi.

Trebuie indeplinita conditia ca in fiecare punct nousa existe minim patru vectori. Acesti vectori pot fidati de masuratorile GPS sau de statiile totale.

stationarea cu doua receptoare fixe pe doua punctede coordonate cunoscute, iar celalalt receptor,mobil, se deplaseaza in fiecare punct nou

G

F

H

E

A B

D C

Se stationeaza cu receptoarele GPS fixe in punctelecu coordonate conoscute A si B.

Se determina simultan din aceste doua puncte,coordonatele punctelor noi: E, F, G si H.

Daca se stationeaza apoi punctele C si D care au deasemenea coordonate cunoscute, punctele noi E, F,G si H vor avea patru determinari independente.

Astfel este indeplinita cerinta de a avea patruvectori independenti pentru fiecare punct noudeterminat. De asemenea, se verifica incadrareapunctelor vechi prin vectorii AB si CD. Va rezulta odiferenta de distanta si de coordonate.

stationarea receptorului fix pe oricare din punctele noi, celelalte doua stationand cel putin un punct cu coordonate cunoscute si toate punctele noi;

G

F

H

E

A B

D C

Se stationeaza cu receptorul GPS fix punctul nou E.

Celelalte doua receptoare se amplaseaza inpunctele A de coordonate cunoscute si punctul nouH. Astfel se determina coordonatele punctului nouE din A si ale punctului nou H tot din punctul A.

De asemenea se determina vectorul dintre puncteleE si H. Se pot stationa apoi cu receptoarele mobilepunctele noi F si G. Astfel, din coordonatelepunctului nou determinat E, se vor determinacoordoantele punctelor noi F si G si vectorul dintrepunctele F si G. Receptorul fix se poate amplasa peoricare alt punct nou sau vechi, important este cafiecare punct sa indeplineasca conditiile dedeterminare.

stationarea cu doua receptoare fixe pe puncte noi, celalalt receptor stationand pe rand toate punctele noi si cel putin un punct cu coordonate cunoscute;

G

F

H

E

A B

D C

Se pot stationa cu receptoarele GPS fixe punctele Esi H.

Receptorul mobil stationeaza punctele A, F, G,eventual si un alt punct cu coordoante cunoscute,B. Se determina astfel coordonatele punctelor noi Esi H direct din punctele cu coordonate cunoscute Asi B.

De asemenea se determina si coordonatelepunctelor noi F si G. Receptoarele fixe se pot mutain punctele noi F si G, receptorul mobil fiind mutatpe rand in punctele cu coordonate cunoscute C si Dsi in punctele noi E si H. Se pot completamasuratorile cu statia totala.

stationarea cu doua receptoare fixe unul pe un punct nou, unul pe un punct cu coordonate cunoscute, celalalt receptor stationand pe rand celelalte puncte noi.

G

F

H

E

A B

D C

Un receptor fix este amplasat pe un punct cucoordonate cunoscute (A), iar celalalt receptor fixpe un punct nou (H). Receptorul mobil sedeplaseaza in punctele E, F, G si eventual pepunctele B, C si D. Dupa incheierea primului set demasuratori se stationeaza din nou un punct cucoordonate cunoscute (C) si punctul nou (F).Procedeul se repeta.

6.2.1.3. Cazul in care se masoara cu mai mult de trei receptoare

Cu cat sunt mai multe receptoare cu atat sedetrmina mai corect si mai precis coordonatelepunctelor noi. In cazul a 8 puncte, patru puncte cucoordonate cunoscute si patru puncte noi, cu optreceptoare se vor determina un numar de vectori,respectiv combinatii de opt puncte luate cate doua.Se masoara astfel toate combinatiile posibile. Atuncicand se efectueaza si masuratori de directii sidistante, numarul de masuratori suplimentare estefoarte mare, iar coordonatele finale ale punctelornoi vor avea precizii foarte bune.

6.2.2. Metoda stop and go Este utilizata atunci cand se doreste o determinare

rapida a coordonatelor, dar cu o precizie mai mare.Timpul de stationare este minim, programul deprelucrare al datelor este diferit fata de metodastatica. In prezent, cand metoda determinariicoordonatelor prin metoda RTK (direct prinutilizarea undelor radio) este tot mai utilizata,aceasta metoda este din ce in ce mai putin utilizatasi doar cu aparatura care nu are incorporatatehnologia RTK.

7. RECEPTOARE GPS - CLASIFICARE

7.1. Clasificare in functie de mrimile obsevabile cu care pot opera

Receptoare care opereaz cu codul C/A

Navigatoare

Precizia de pozitionare n cazul acestorreceptoare este n medie de aproximativ 15m

Multe dintre receptoare au posibilitateanregistrrii traseelor navigate si memorriicoordonatelor unui numr limitat de punctentr-o memorie intern care apoi, prinintermediul unui port de comunicare, poate fidescrcat

Receptoare care opereaz cu codul C/A si msurtori de faz pe unda purttoare L1

Precizia de pozitionare a acestor receptoare este mult imbunttit prin msurtorile de faz ajungnd pn la 5m

pot stoca n memorie mrimile msurate. Prin postprocesarea ulterioar a datelor precizia de determinare este substantial mbunttit.

Receptoare care opereaz cu codul C/A si msurtori de faz pe L1 si L2 Faza purttoarei L2 este folosit n combinatie

cu L1 reduce influenta ionosferei asupra semnalului.

Acest lucru duce la o crestere substantial a preciziei de determinare a bazelor lungi.

Receptoare care opereaz cu codul C/A, codul P si msurtori de faz pe unda purttoare L1.

acest tip de receptor este capabil s msoare cu precizie decimetric baze lungi de pn la 100km sau baze cu lungimi medii (20km) n mai putin de dou ore.

Receptoare care opereaz cu codul C/A, codul P si msurtori de faz pe L1 si L2

determinarea rapid a bazelor mari (80 100 km) cu precizii centimetrice

Posibilitatea receptionrii corectiilor diferentiale DGPS transmise prin radio, GSM sau Internet de la statii fixe permanente.

7.2. Clasificarea receptoarelor GPS n functie de precizia asigurat

Navigatoare

aceste receptoare lucrez numai cu codul C/A modulat pe L1

Precizia lor este de 15m

Receptoare topografice L1 cod si faz

Aceste receptoare proceseaz codurile C/A si P si facde asemenea msurtori de faz pe L1.

Precizia lor se ncadreaz ntre 5m (autonom), 25cm(timp real-diferential)

Pot lucra si n timp real, cu corectii diferentialereceptionate prin modem sau telefon GSM.

Pot avea antena ncorporat n aceeasi carcas cureceptorul, tastatura, ecranul si bateriile, sau toatesau o parte din aceste componente pot fi separatesi conectate ntre ele

Receptoare Geodezice L1, L2 cod si faz

Receptoarele din aceast categorie utilizeazcodurile C/A si P

Precizia lor este de 5m (autonom), 5cm (timp real-diferential) si 5mm (postprocesare diferential).

Receptoarele pot lucra n timp real, cu corectiidiferentiale receptionate prin modem sau telefonGSM.

pot fi compacte, antena, receptorul, tastatura,ecranul si bateriile ncorporate n aceeasi carcas,sau componentele pot fi separate si conectate ntreele

8. ERORI

Erori sistematice ale geometriei sateliilor

Dispunerea spaial a sateliilor influeneaz directasupra preciziei coordonatelor obinute.

Msura geometric pentru calitatea geometrieisatelitului este volumul corpului pe care l formeazvectorii unitari de la staie ctre sateliii observai.Un volum mai mare conduce la o geometrie maibun.

Geometrie favorabil a doi satelii. De laobservator, liniile spre satelii formeaz ununghi drept. La intersecia cercurilor este osuprafa relativ mic de form patrat,precizia determinrii va fi ridicat.

Geometrie defavorabil a doi satelii. De laobservator, sateliii sunt vzui unul n spateleceluilalt, pe linii foarte apropiate. Poziiaprobabil este pe o suprafa de interseciemult mai mare i alungit. Ca urmare, preciziade determinare este sczut

Geometrie satelitar bun (stnga) i nesatisfctoare (dreapta)

Pentru a aprecia calitatea geometriei sateliilor se pot folosi valorile DOP (dilution of precision, micorarea preciziei). n funcie de datele utilizate la calcul, se pot deosebi diverse valori DOP:

GDOP (Geometric DOP) determin precizia geometric; PDOP (Position DOP) - abaterea standard a poziiei;HDOP (Horizontal DOP) - abaterea standard a poziiei planimetrice;

VDO P(Verical DOP) - abaterea standard n plan vertical;

TDOP (Time DOP) - abaterea standard de timp.Factorii DOP reprezint influena geometriei satelitului

i se pot calcula din timp pe baza coordonatelor

aproximative ale satelitului i staiei.

Valori HDOP mai mici ca 4 sunt foarte bune, iar celemai mari ca 8 sunt slabe. Valorile HDOP cresc dacsateliii recepionai se afl aproape de zenit.

Valorile VDOP sunt mai slabe dac sateliiirecepionai sunt n apropierea orizontului

Valorile PDOP sunt cele mai bune cnd un satelit seafl la zenit i ali trei satelii sunt rspndiiuniform n apropierea orizontului.

Pentru o determinare bun a poziiei, valoareaGDOP trebuie s fie sub 5.

Valori ale factorului DOP

1 ideal

2-4 excelent

4-6 bun

6-8 moderat

8-20 slab

20-50 foarte slab

Erori sistematice ale orbitei satelitului

Aceste erori sunt datorate interpolrii greite a efemeridelor

Eroarea orbitei Eroarea bazei

125 m 5 ppm

25 m 1 ppm

12.5 m 0.5 ppm

2.5 m 0.1 ppm

Efecte atmosferice Semnalul GPS este incetinit la trecerea prin

atmosfera. Sistemul GPS foloseste un model incorporat care calculeaza intarzierea medie pentru a corecta partial acest tip de erori

Troposfera reprezint, segmentul de baz al atmosferei, cuprins ntre suprafata Pmntului si o nltime de cca.40 - 50 km.

Ionosfera este partea atmosferei care cuprinde centura dintre 70 km i 1000 km deasupra suprafeei Pmntului.

Aceste erori sunt n cea mai mare parte compensate n receptorul GPS prin calcule corespunztoare.

Efectul datorat reflexiei semnalelor (efectul multipath)

Acest efect este cauzat de reflexia semnalului la contactul cu solul sau alte obiecte, nainte de-a atinge antena. Este fenomenul care conduce la faptul c antena primete n acelai timp un semnal direct i unul reflectat, ceea ce duce la scderea preciziei msurtorii .

Efectul multipath

Erorile care apar ca urmare a reflexiei multiple asemnalului de la mediul nconjurtor, au caracterntmpltor i nu se pot modela, ci se pot doarreduce printr-o alegere cu atenie a locului staiei ialegerea unghiului de elevaie minim corespunztor.

Ca o posibilitate de reducere a acestei influene estei utilizarea frecvenelor nalte. n ultimul timpaceast surs de erori se reduce prin utilizareaantenei de form corespunztoare.

TIPUL DE EROARE CAUZE CORECTARE

Diminuarea preciziei geometrice a

rezultatelor

Proasta configuraie a constelaiilor n

momentul observaiilor

Executarea observaiilor n

perioada n care configuraia

sateliilor este cea mai bun

Eroarea efemeridelor Variaia poziiei teoretice a sateliilor

de-a lungul orbitei lor

Folosirea metodelor

difereniale

ntrzierea ionosferic ncetinirea vitezei semnalului datorat

traversrii ionosferei

Folosirea metodelor

difereniale

ntrzierea troposferoc ncetinirea vitezei semnalului datorat

traversrii troposferei

Folosirea metodelor

difereniale

Defazajul orologiilor sateliilor Eroarea n msurarea timpului din

partea orologiilor la bordul satelitului

Folosirea metodelor

difereniale

Eroarea orologiului de la receptor Eroarea n msurarea timpului de

parcurgere al semnalului din partea

receptorului

Este calculat i eliminat

folosind observaiile a patru

satelii

Receptor zgomotos Obstrucii sau alte cauze locale Dificil de eliminat

Starea de funcionare a satelitului Erori cu privire la un satelit determinat

datorit proastei sale funcionri

Satelitul nu poate fi folosit

Perturbaii din ionosfer 5m

Abateri ale orbitelor sateliilor 2,5m

Erori de ceas al sateliilor 2m

Efecte cilor multiple 1m

Perturbaii din troposfer 0,5m

Erori de calcul i de rotunjire 1m

10. PLANIFICAREA MSURTORILOR Atunci cnd planificm sesiunile este recomandabil s utilizm

intervalele de timp n care valoarea GDOP este ct mai mic. Deoarecedatorit multor factori mai mult sau mai putin previzibili este imposibils planificm sesiunile la minut este de preferat ca mai bine s msurmcu un punct mai putin dect s reducem timpul de observare n celelaltepuncte.

Coordonatele obtinute din msurtorile GPS sunt bazate pe elipsoidulWGS84. Pentru a putea permite transformarea lor n coordonate localeeste necesar ca punctele cu coordonate locale cunoscute s fie inclusen reteaua msurat cu receptoarele GPS. Aceste puncte trebuie s fieuniform distribuite pe suprafata acoperit de retea. Pentru o corectcalculare a parametrilor de transformare trebuie s fie utilizate cel putintrei puncte plus un punct de control (preferabil cinci sau mai multe).

Trebuie tinut cont de statiile permanente din zon, care au un rol foarteimportant acolo unde exist si pot suplini punctele de coordoantecunoscute. Ele pot fi utilizate si la transcalcul.

MetodaNumr sateliti

GDOP

Condiii care trebuie ndeplinite:

a) n apropierea punctului n care se execut observarea nu trebuie s existe obstacole fizice (arbori, construcii metalice, ntinderi mari de ap) din cauza crora pot fi reflectate semnalele;

b) La mai puin de 400 metri de locul unde se execut observaiile nu trebuie s existe staii radio releu, sau alte surse de radiaie electromagnetic.

c) Existena vizibilitii boltei cereti sub un unghi de elevaie minim de 15 n fiecare punct n care se execut observaiile;

Trimbles Planning Software.

9. STATII DE REFERINTA GNSS

O statie permanenta GNSS indeplineste in principal urmatoarele functii:

detectarea si urmarirea automata a satelitilor;

inregistrarea, stocarea si analiza calitativa automata a datelor;

comunicatiile cu alte statii permanente si cu beneficiarii serviciilor.

Detectarea si urmarirea automata a satelitilor este asigurata in cadrul statiilor permanente de catre echipamentele si programele specifice receptoarelor satelitare

Datele satelitare (observatiile de cod, faza si mesajul de navigatie) receptionate la statia permanenta de referinta GNSS sunt colectate la diverse intervale de timp, de regula 1s pana la 30s

Comunicatiile au ca scop transmiterea datelor (informatiilor) spre exterior, cat si receptia unor date si informatii.

Statiile permanente de referinta GNSS,furnizeaza si alte date utile: observatii meteo (presiune, temperatura, umiditate) cu un grad ridicat de precizie.

O statie permanenta de referinta GNSS estecompusa dintr-un receptor GNSS a carui antenaeste amplasata in mod ferm intr-o locatie stabila sisigura unde se afla de asemenea si o sursa dealimentare.

Receptorul lucreaza in mod continuu inregistranddate si de asemenea avand posibilitatea de atransmite date pentru alte receptoare

Receptorul este controlat local sau de la distanta cuajutorul unui PC. In PC, la intervale de timpprestabilite, sunt descarcate datele inregistrate careapoi sunt disponibile prin intermediul unui serverFTP.

Componente necesare inregistrarii datelora - sursa de energie electrica

e - receptor satelitar

g, h - antena GNSS

f - cupola de protectie (optional)

i - cablu de antena

j - amplificatorator (optional)

k - card de memorie

o - calculator (PC) pe care ruleaza programul

q - cablu de transmisie de date

Componente necesare transmiterii de datel - cablu de transfer de date Intre receptor si modem

m - modem radio/GSM

n - cablu de transfer de date Intre modem si antena modemului

r - antena modemului

s- amplificator (optional)

Componente optionale:b- cablu de interfata

c - alimentator 12V DC (optional)

d - senzor meteorologic si senzor de Inclinare

La alegerea unei locatii pentru amplasarea unei statii permanente de referinta GNSS se iau in considerare urmatoarele criterii:

locul trebuie sa fie degajat si sa existe o buna vizibilitate a cerului;

sa nu existe in apropiere obiecte sau obstacole care ar putea duce la aparitia efectului multipath;

sa nu se afle in apropierea releelor sau antenelor de transmisie care ar putea creia interferente;

scopul pentru care va fi utilizata statia permanenta de referinta GNSS;

asigurarea stabilitatii antenei GNSS;

asigurarea functionarii sigure a sursei de alimentare si a comunicatiei;

modul de protejare a echipamentului;

asigurarea securitatii locului;

acces usor pentru control si service;

costuri.

Amplasamentul Receptoarele utilizate

pentru statii permanente dereferinta GNSS suntconfigurate sa urmareascasatelitii aflati la o altitudinemai mare de 10o deasupraorizontului.

Obstructiile pot conduce lapierderea semnaluluireceptionat de la satelit sipot cauza aparitia efectuluimultipath (reflectareasemnalului).

Receptorul GNSS Receptoarele GNSS utilizate pentru a deservi statiile

permanente de referinta trebuie in mod obligatoriusa poata asigura toate tipurile de masuratori L1, L2,cod si faza, sa poata genera toate felurile desemnale necesare in formatele uzuale cunoscute sisa poata suporta orice fel de aplicatie

Distanta maxima fata de o statie permanenta dereferinta GNSS pana la care un receptor standardRTK poate functiona optim (poate rezolvaambiguitatile) este de obicei 30 km

9.1. Avantajele utilizarii unei statii permanente de referinta GNSS

Amplasarea unei statii permanente de referinta GNSS seface tinand cont in primul rand de scopul pentru care va fiutilizata. In acest sens se va tine seama de mai multi factori:

marimea suprafetei care trebuie acoperita;

zonele cu densitate mare de populatie si structuriindustriale;

zonele nepopulate sau subdezvoltate;

serviciile pe care trebuie sa le furnizeze statia: date RINEX,date RTK si / sau date DGPS;

numarul de receptoare RTK si GIS care vor utiliza serviciilestatiei;

bugetul disponibil.

9.2. Stadiul sistemelor GNSS

Statiile GNSS permanente / Retele de statii GNSS permanente realizate

la nivel :

global IGS (International GNSS Service for Geodynamics)

continental (european) EUREF-EPN

national (DE, F, UK, A, PL, H, RO)

local

Stadiul Retelei europene de statii permanente GNSS EUREF-EPN

http://epncb.oma.be/

Statii EUREF-EPN din Romania

Sistemul ROMPOS parte integranta a EUPOS

10. SISTEMUL DE REFERIN GPS

Sistemul adoptat pentru GPS este sistemulconform WGS84 (Sistemul geodezic mondial1984)

Poziia sateliilor de-a lungul orbitei lor ct ipoziia punctelor de pe suprafaa terestrdeterminate cu ajutorul sateliilor este dat decele trei coordonate ortogonale X, Y, Zraportate la originea unui sistem de referinta

OZWGS84

YWGS84XWGS84

Centrul de masa

al Terrei

Meridianul zero

Sistemul de referin GPS

n geodezie i topografie sunt luate n considerare trei suprafee distincte:

Suprafaa fizic terestr, pe care sunt efectuate msurtorile;

Suprafaa de referin (elipsoidul), n raport cu care este determinat poziia planimetric a punctelor suprafeei fizice;

Geoidul, n raport cu care este determinat poziia altimetric a punctelor suprafeei fizice.

Cotele punctelor suprafeei fizice a Pmntului sunt raportate la nivelul mediu al mrii, adic la geoid, pe cnd cotele GPS sunt raportate la suprafaa elipsoidului WGS84

SUPRAFATAPAMANTULUI

GEOID

ELIPSA

SFERA

Legtura Geoid ElipsoidN valoarea ondulaiei geoidului, ce difer de la zon la zonH cota ortometric a punctului (raportat la geoid) (PERPENDICULARA LA GEOID)h cota elipsoidala a punctului (raportat la elipsoidul WGS84) (PERPENDICULARA LA ELIPSOID)

h=N+H

SUPRAFATA PAMANTULUI

GEOID

ELIPSOID

http://www.unavco.org/community_science/science-support/geoid/geoid.html

11. TRANSFORMAREA MSURTORILOR GPS

Problema transformarii de coordonate esteinevitabila in masuratorile GPS

Se realizeaza o transformare dintr-un sistemcartezian tridimensional in alt sistem carteziantridimensional prin intermediul unei roto-translatiispatiale si a modificarii de scara

Legatura dintre cele 2 sisteme este stabilita printr-oserie de puncte a caror pozitie este cunoscuta inambele sisteme

Dispunerea punctelor comune ambelor sistemetrebuie sa acopere cat mai bine intreaga zona aretelei

Pentru punctele cunoscute se dispune de coordonatele:

XGPS =(X,Y,Z)GPS coordonate in sistemul WGS84

(x,y)LOC coordonate plane din sistemul national de proiectie

hLOC altitudini elipsoidale obtinute din altitudininormale l-a care s-a aplicat ondulatia geoidului

Se pune problema ca punctele noi determinate prinmasuratori GPS sa fie transformate in sistem local

11.1 TRANSFORMAREA COORDONATELOR PLANE (x,y)LOC IN COORDONATE ELIPSOIDALE ( , )LOC

TRANSFORMAREA COORDONATELOR PLANE GAUSS N COORDONATE

GAOGRAFICE PE ELIPSOIDUL KRASOVSKI 1940

x= y=

xo= Y=

x-xo=

dx=

1 2 3 4 5 R

DX0= 0 -26.2457302 0.0043872 Y0= R0=

DX= 3238.772427 -0.8191913 0.0002442 Y2= R2=

DX2= -0.256028 -0.0131746 0.000009 Y4= R4=

DX3= * 0.0001115 -0.0002819 0.0000003 *

DX4= 0.0000208 -0.0000057 0 Df"=

DX5= 0 -0.0000001 0 Df=

S0 S2=- S4= fo=

f=fo+Df=

DX0= 4647.284561 -0.59725451 0.00014563 Y= R1=

DX= 75.31951 -0.03516938 0.00001478 Y3= R3=

DX2= 1.791764 -0.00145632 0.0000009 Y5= R5=

DX3= * 0.0351694 -0.00004925 0.00000004 *

DX4= 0.0007282 -0.00000151 0 l"=

DX5= 0.0000149 -0.00000004 0 l =

DX6= 0.000003 0 0 lo=

S1= S3=- S5= = o+l =

11.2. TRANSFORMAREA COORDONATELE ELIPSOIDALE( , ,h)LOC N COORDONATE RECTANGULARE (X,Y,Z)LOC

Mrimi date :

parametrii elipsoidului : semiaxa mare a, semiaxa mic b, prima excentricitate e

coordonatele elipsei: latitudinea , longitudinea , altitudinea h

Mrimi necunoscute

coordonate rectangulare X,Y,Z

Formulele pentru transcalculare sunt:

2

X cos cosP

X Y cos sinP

Z 1 e sinP

P

LOC

N h

N h

N h

2 2

aN 1 e sin

2

22 2

a

bae

2 2X Yh N

cos

11.3 TRANSFORMAREA TRIDIMENSIONALA INTRE 2 SISTEME SPATIALE metoda HELMERT

XGPS

O

ZGPS

ZLOC

P

YLOC

YGPS

o

XLOC

Transformarea tridimensionala

PRINCIPIUL ROTO-TRANSLATIEI

SISTEM DE COORDONATE INITAL

ROTATIE TRANSLATIE SCALARE

SISTEM DE COORDONATE FINAL

Transcalcularea coordonatelor ntre 2 sisteme spaialeutilizeaz urmtorul model matematic:

0

LOC GPSX X m R X

XLOC ,XGPS matricea ce conine coordonatele aferente unui punct n sistemul de

referin local respectiv GPS i au forma:LOC

LOC LOC

LOC

x

X y

z

X0 matricea de translaie i are forma:

0

0

0

0

z

y

x

X

R Matricea de rotaie n jurul axelor X, Y i Z ce conine unghiurile de rotaieeuleriene are forma:

( ) ( ) ( )z z y y x xR R R R

m - coeficient de scara

GPS

GPS GPS

GPS

x

X y

z

Din punct de vedere matematic aceast transformare areurmtoarea form:

0

0

0

0

0

0

0

1

1

1

( )

( )

( )

LOC

LOC

LOC

LOC

LOC GPS

LOC GPS

z y

LOC GPS

z x

GPS

y x

GPS GPS GPS

z y

GPS GPS GPS

z x

GPS GPS GPS

y x

X X m R X

x x x

y y m y

z zz

x x m x y z

y y m x y z

z z m x y z

Practic este necesar a se cunoate cei 7 parametri de transformare

(factorul de scar, 3 translaii i 3 rotaii) i anume: zyxzyxm ,,,,,, 000

11.3 TRANSFORMAREA COORDONATELOR RECTANGULARE(X,Y,Z)LOC N COORDONATE ELIPSOIDALE ( , ,h)LOC

Mrimii cunoscute:

parametrii elipsei : semiaxa mare a, semiaxa mic b, prima excentricitate e

coordonatele rectangulare: X,Y,Z

Mrimi necunoscute:

coordonatele elipsoidale: , ,h1

2

2 2

Z Ntan 1-e

N hX Y

Ytan

X

2 2X Yh N

cos

VALORILE PARAMETRILOR DE TRANSFORMARE

m X0 Y0 Z0 x y z1.000025 -227.579606 -400.622946 183.079705 0.000081 -0.000031 -0.000032

Matricea X0 Matricea RMatricea m*R

PUNCT

COORDONATE CUNOSCUTE IN SISTEMUL B (WGS)

COORDONATE DETERMINATE IN SISTEMUL A (LOC)

X Y Z X Y Z

P1440060.23 379581.7 1046.2

P2440247.691 373023.533 849.173

P3433532.194 370178.1 745.14

P4431245.33 374022.57 971.2

P5434571.51 364900.92 788.91

P6429066.11 360834.98 795.4