|
Nie obrażaj więc mojej inteligencji poprzez czynione na pokaz zaniżanie własnej.
GŁÓWNY URZĄD GEODEZJI I KARTOGRAFII
DEPARTAMENT GEODEZJI KARTOGRAFII I SYSTEMÓW INFORMACJI GEOGRAFICZNEJ WIELOFUNKCYJNY SYSTEM PRECYZYJNEGO POZYCJONOWANIA SATELITARNEGO ASG-EUPOS S ATELITARNE TECHNIKI POMIAROWE C ZĘŚĆ 1 A : W PROWADZENIE DO POMIARÓW SATELITARNYCH Opracował: Leszek Jaworski Projekt współfinansowany przez Unię Europejską Europejski Fundusz Rozwoju Regionalnego Reprodukowanie, kopiowanie, fotografowanie, skanowanie części lub całości materiału bez zgody Głównego Geodety Kraju jest zabronione Wprowadzenie do pomiarów satelitarnych 1. Wstęp Początek technik satelitarnych datuje się na drugą połowę ubiegłego wieku. Wystrzelenie pierwszego satelity Ziemi (4 października 1957 roku – SPUTNIK 1) stało się impulsem do rozwoju metod śledzenia i wyznaczania pozycji obiektów na orbicie. Wystarczyły trzy lata, aby w 1960 pojawił się pierwszy satelita nawigacyjny– TRANSIT 1B, rozpoczynający erę Globalnych Nawigacyjnych Systemów Satelitarnych GNSS (ang. Global Navigation Satellite System). Pierwszy system nawigacyjny NNSS TRANSIT bazował na kilku (4 do 10) satelitach poruszających się po kołowych orbitach biegunowych na wysokości 1100 km. Okres obiegu wokół Ziemi wynosił około 107 minut, a użytkownik widział nad horyzontem jednego satelitę. Do wyznaczenia pozycji wykorzystywano zjawisko Dopplera, a wyznaczenie pozycji statku zajmowało 1–2 godziny z dokładnością rzędu kilkuset metrów. Wspominanie tak zamierzchłej przeszłości wynika z faktu, że NNSS TRANSIT był wykorzystywany również w geodezji. Dokładność pozycji wyznaczonej z wykorzystaniem orbity precyzyjnej satelitów wynosiła około 1m. Nie była to dokładność podstawowych osnów poziomych, ale można było tak wyznaczone punkty traktować jako punkty kontrolne w sieci astronomiczno–geodezyjnej (SAG). Taką rolę w Polsce pełniła Krajowa Sieć Dopplerowska mierzona w latach osiemdziesiątych. Oczywiście zarówno uzyskiwane dokładności jak i czas wyznaczenia pozycji nawigacyjnej nie satysfakcjonował użytkowników, w tym również geodetów. Zaraz po tym jak NNSS TRANSIT przeszedł z fazy testowej w fazę operacyjną rozpoczęto prace nad nowym systemem. W założeniach miał to być system dokładniejszy, a przede wszystkim pracujący w czasie rzeczywistym, co umożliwiłoby jego wykorzystanie nie tylko w zastosowaniach morskich, ale przede wszystkim dla dynamicznie przemieszczających się obiektów jak samoloty. I właśnie lotnictwo wojskowe Stanów Zjednoczonych było instytucją inicjującą a następnie zarządzającą nowym systemem, który został nazwany GPS–NAVSTAR (ang. G lobal P ositioning S ystem – NAV igation S ignal T iming A nd R anging ). Jego odpowiednikiem po stronie radzieckiej a później rosyjskiej stał się system GLONASS (ros. Glo balnaja Na wigacionnaja S putnikowaja S istiema ) 2. TECHNIKI SATELITARNE I KOSMICZNE STOSOWANE W GEODEZJI Obok systemów satelitarnych tworzonych w różnych krajach dla celów nawigacyjnych istniały i istnieją do dziś techniki pomiarowe, które nigdy nie służyły nawigacji natomiast są wykorzystywane w geodezji do precyzyjnego wyznaczenia pozycji i definiowania układów ziemskich. Systemami tymi są VLBI oraz SLR. VLBI – (ang. Very Long Baseline Interferometry) Interferometria długich baz. Jest to technika obserwująca odległe radioźródła, często znajdujące się poza naszą galaktyką. Zasada pomiaru w założeniach jest bardzo prosta: mierzona jest różnica czasu przybycia do anten pomiarowych (minimum dwóch) tej samej fali elektromagnetycznej z obserwowanego radioźródła. Dokładność jest wprost proporcjonalnie zależna od odległości między antenami oraz dokładności pomiaru czasu i to jest podstawowy problem rozwoju tej metody pomiaru. Osiąganie wysokich dokładności wymusza stosowanie bardzo dokładnych wzorców częstotliwości, oraz ich wzajemnej synchronizacji w celu otrzymania jednolitej skali czasu. Koszt stacji VLBI wynosi miliony a nawet dziesiątki milionów dolarów. Natomiast w zamian otrzymujemy najdokładniejszą nawet w chwili obecnej metodę pomiaru. SLR – (ang. Satellite Laser Ranging) – pomiar odległości do satelitów przy użyciu lasera optycznego. Impuls laserowy wysłany ze stacji wraca po odbiciu od lustra umieszczonego na satelicie. Różnica czasu między wysłaniem i odbiorem impulsu stanowi podwójną odległość od satelity. Ze względu na potrzebną moc impulsu lasera, wykorzystuje się do obserwacji głównie satelity LAGEOS. Również część satelitów GLONASS wyposażonych jest w lustra. Wszelkie prawa zastrzeżone – Główny Geodeta Kraju 2 Wprowadzenie do pomiarów satelitarnych W chwili obecnej pracuje na świecie około 20 stacji SLR w tym jedna w Polsce w Obserwatorium Astro–Geodynamicznym CBK PAN w Borowcu pod Poznaniem. Uzyskiwane dokładności są porównywalne z techniką GPS i wynoszą kilka cm dla mierzonej odległości do satelity. Ze względu na znacznie wyższe koszty wybudowania stacji SLR a później jej eksploatacji jest powoli wypierana przez permanentne stacje GPS. Techniki VLBI i SLR ze względu na koszty nigdy nie były używane w typowych pracach geodezyjnych. Ich rola polegała i polega na realizacji geocentrycznego układu ziemskiego ITRF. GNSS – (ang. Global Navigation Satellite System) – wspólna nazwa dla wszystkich globalnych systemów nawigacyjnych. W chwili obecnej mówimy o GNSS–1 systemie pierwszej generacji, na który składają się: − Istniejące globalne systemy nawigacyjne GPS i GLONASS, − Satelitarne systemy wspierające (SBAS–Satellite Based Augmentation System), do których należą amerykański WAAS (Wide Area Augmentation System, europejski EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System), japoński MSAS (Multi–Functional Satellite Augmentation System), − Naziemne systemy wspierające (GBAS–Ground Based Augmentation System), do których należą sieci stacji permantnych. W tej grupie mieszczą się sieci globalne jak IGS, kontynentalne – EPN, AUSPOS i krajowe lub regionalne – ASG–EUPOS, CORS, SAPOS, SWEPOS. System drugiej generacji GNSS–2 będzie składał się z w pełni cywilnego systemu GALILEO oraz ze zmodernizowanego systemu GPS (sygnał L2C oraz nowa częstotliwość L5 i dwie częstotliwości cywilne) i GLONASS. W GNSS–2 znajdzie się również projektowany globalny nawigacyjny system chiński – COMPAS oraz regionalne systemy nawigacyjne: indyjski Indian Regional Navigational Satellite System (IRNSS) i japoński Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) . 3. SATELITARNE SYSTEMY NAWIGACYJNE GNSS GPS–NAVSTAR (ang. Global Positioning System – NAVigation Signal Timing And Ranging) Historia systemu GPS zaczeła się latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku. Pierszego eksperymentalnego satelitę bloku I wysłano w 1978 roku. Właściwości: − NAVSTAR GPS jest radiowym satelitarnym systemem wyznaczania pozycji, prędkości oraz transferu czasu − GPS jest systemem globalnym (dostępnym w dowolnym punkcie Ziemi) niezależnie od warunków atmosferycznych − Informacja jest dostarczana nieodpłatnie do nieograniczonej liczby użytkowników wyposażonych w odpowiedni sprzęt System składa się z trzech części (segmentów): 1. Satelitarnego (projektowany na 24 satelity, obecnie składa się z 32 satelitów) 2. Kontrolnego - Master Control Station w Colorado Spring - zarządzanie systemem, obliczanie efemeryd, - stacje śledzące w Colorado Spring, Hawai, Diego Garcia, Ascension, Kwajalein - obserwacje satelitów, tworzenie skali czasu, kontrola efemeryd - anteny nadawcze w Diego Garcia, Ascension, Kwajalein - przesyłanie danych na satelitę 3. Użytkownika – zastosowania nawigacyjne, geodezyjne, transfer czasu. 1. Segment Satelitarny. Wysokość orbity : 11 h 58 min. Wszelkie prawa zastrzeżone – Główny Geodeta Kraju 3 Okres Obiegu : 20 200 km Wprowadzenie do pomiarów satelitarnych Liczba płaszczyzn : 55 o Satelitów w płaszczyźnie : 4 (5) Liczba satelitów : projektowany na 24 satelity, obecnie jest na orbicie 32 satelity Charakterystyka sygnału GPS − Częstotliwość podstawowa oscylatora (zegara) 10.23MHz, − Częstotliwości fal nośnych L1 i L2 – L1 = 154•10.23MHz = 1575.42MHz – L2 = 120•10.23MHz = 1227.60MHz – L5* = 115•10.23MHz = 1176.45MHz (*projektowana) Informacja kodowa • Navigation Message – częstotliwość = 50 Hz nałożony na obydwa kody P(Y) i C/A. – dzieli się na 25 ramek o długości 1 500 bitów. Każda ramka dzieli się na 5 podramek, – czas transmisji 30 sekund - pełna po 12.5 min, – zawiera wszystkie informacje o satelitach: • almanac - przybliżone położenie satelity, • współczynniki modelu opóźnienia jonosferycznego, • poprawki zegarów satelitarnych, • efemerydy broadcast (pokładowe) satelitów, • Kod C/A (Coarse Acquisition) – jawny - o znanej strukturze, – transmitowany tylko na częstotliwości nośnej L1, – częstotliwość = 1.023MHz (długość fali = 293.1m), – długość kodu wynosi 1023 bitów odmiennych dla każdego satelity (PRN - Pseudo Random Noise), – czas transmisji całego kodu - 1 milisekunda • Kod P/Y (precision/encrypted) – struktura niejawna, – transmitowany na częstotliwościach L1 i L2 – częstotliwość = 10.23MHz (długość fali =29.31m), – czas transmisji całego kodu - 266 dni (7 dni dla każdego satelity) • Kod L2C (L2 Civilian) – jawny - o znanej strukturze, – transmitowany tylko na częstotliwości nośnej L2, – częstotliwość = 1.023MHz (długość fali = 293.1m), – kod dzielony jest na dwie sekwencje CM ( Civilian Moderate) o długości 10 230 bitów i powtarzany co 20 ms oraz CL (Civilian Long) o długości 767 250 bitów powtarzany co 1500. • Kod L1C (L1 Civilian). Planowany w satelitach bloku III (po 2013 roku). Struktura ma być podobna jak dla kodu L2C GLONASS (ros. Globalnaja Nawigacionnaja Sputnikowaja Sistiema) Historia systemu GLONASS podobnie jak GPS zaczeła się latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku a fazę operacyjną przewidywano na 1991 rok. Ze względu na perturbacje związane z rozpadem Związku Radzieckiego i kłopotami ekonomicznymi Rosji w latach dziewięćdziesiątych system nie osiągnął do dnia dzisiejszego fazy operacyjnej. Poczynając od 2001 roku podjęto działania mające na celu dokończenie budowy systemu. Budowa systemu GLONASS ma wiele elementów podobnych do GPS, czyli: Wszelkie prawa zastrzeżone – Główny Geodeta Kraju 4 Nachylenie orbity : 6 Wprowadzenie do pomiarów satelitarnych − GLONASS jest radiowym satelitarnym systemem wyznaczania pozycji, prędkości oraz transferu czasu − jest systemem globalnym (dostępnym w dowolnym punkcie Ziemi) niezależnie od warunków atmosferycznych − Informacja jest dostarczana nieodpłatnie do nieograniczonej liczby użytkowników wyposażonych w odpowiedni sprzęt System składa się z trzech części (segmentów): 1. Satelitarnego (nominalnie 24 satelity) obecnie czynne 16 satelitów, 2. Kontrolnego - Ground-based Control Complex (GCS): - System Control Center (SCC) - stacja w Krasnoznamensku koło Moskwy) (zarządzanie systemem, obliczanie efemeryd, poprawek zegarów satelitów, przesyłanie danych na satelitę) - stacje śledzące Command Tracking Stations (CTS) - obserwacje satelitów, przesyłanie danych do SCC - Quantum Optical Tracking Stations - kalibracja danych obserwacyjnych z CTS przy użyciu obserwacji laserowych 3. Użytkownika – zastosowania nawigacyjne, geodezyjne, transfer czasu. 1. Segment Satelitarny. Wysokość orbity : 19 100 km Okres Obiegu : 11 h 15 min Nachylenie orbity : 64.8 o Satelitów w płaszczyźnie : 7+1 Liczba satelitów : 24 (21+3). Obecnie (2008 roku) jest na orbicie 16 satelitów Charakterystyka sygnału Częstotliwości fal nośnych L1 i L2: – L1 = 1602.0 - 1614.94 MHz przesunięcie dla satelitów = 562.5 kHz 1602.0 - 1609.31 Mhz (do 2005) i 1598.06 - 1605.38 po 2005 – L2 = 1246.0 - 1256.06 MHz przesunięcie dla satelitów = 437.5 kHz Informacja kodowa • Navigation Message – częstotliwość = 50 Hz nałożony na obydwa kody SP i HP. – dzieli się na 5 ramek. Każda ramka dzieli się na 15 linii, – czas transmisji 30 sekund - pełna po 2.5 min, – zawiera wszystkie informacje o satelitach: • almanac - przybliżone położenie satelity, • parametry przesunięcia fazy, • poprawki zegarów satelitarnych, • efemerydy broadcast (pokładowe) satelitów, • Kod SP (Standard Precision) – jawny - o znanej strukturze, – transmitowany tylko na częstotliwości nośnej L1, – częstotliwość = 0.511MHz, – długość kodu wynosi 511 bitów odmiennych dla każdego satelity, – czas transmisji całego kodu - 1 milisekunda • Kod HP (High precision) Wszelkie prawa zastrzeżone – Główny Geodeta Kraju 5 Liczba płaszczyzn : 3 |
Menu
|