W2-GNSS, GEODEZJA SATELITARNA

Zastosowanie techniki laserowej do liczenia                                                                                                        orbit sztucznych satelitów Ziemi

POLITECHNIKA KOSZALIŃSKA

WYDZIAŁ INŻYNIERII LĄDOWEJ, ŚRODOWISKA I GEODEZJI

KIERUNEK GEODEZJI I KARTOGRAFIA

TECHNIKI SATELITARNE

Techniki Satelitarne i Kosmiczne

·     Laserowa Technika Pomiarowa- Satellite Laser Ranging SLR

·     Globalny System Pozycyjny –Global Positioning System GPS

·     Globalnaja Nawigacionnaja Sputnikowaja Sistiema, GLONASS.

·     Europejski System Wspomagania Satelitar nego- European Geostationary Navigation Overlay Service , EGNOS , GALILEO

·     Altimetria Satelitarna

·     Doppler Orbitography by Radiopositioning Integrated on Satellite, DORIS

·     Technika Pomiarów satelitów z satelitów-Satellite to Satellite Tracking, SST

·     Interferencja Długich Baz- Very Long Baze Interferometry, VLBI

              Satelitarne techniki pomiarowe są wykorzystywane w geodezji do precyzyjnego wyznaczania pozycji i definiowania układów ziemskich.

Pomiary, które są realizowane za pomocą wyżej wymienionych  technik można pomierzyć z dokładnością nawet do kilu milimetrów.

GNSS

System GNSS

              GNSS(Global Navigation Satellite System)– wspólna nazwa dla wszystkich globalnych systemów nawigacyjnych. Składa się z dwóch podstawowych elementów: segmentu kosmicznego oraz segmentu naziemnego. Ponadto funkcjonują szeroko rozumiane segmenty kontrolne, przez niektórych uważane za części segmentu naziemnego. W chwili obecnej mówimy o GNSS–1 systemie pierwszej generacji, na który składają się 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 sięsieci globalne jak IGS, kontynentalne – EPN, AUSPOS i krajowe lub regionalne – ASG–EUPOS, CORS, SAPOS, SWEPOS. Służba IGS dostarcza poprzez swoją witrynę internetową następujących produktów:

·         efemerydy satelitów GPS i GLONASS, 

·         parametry jonosfery (mapy TEC – ang. Total Electron Content),

·         paramery troposfery (opóźnienie troposferyczne – ZPD – ang. Zenith Path Delay).

W planach jest budowa systemu drugiej generacji NSS–2 będzie składał się              z wpełni 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).

GPS i GLONASS - Są nawigacyjnymi systemami satelitarnymi przeznaczonymi do szybkiego i dokładnego wyznaczania współrzędnych określających pozycję anteny odbiornika w globalnym systemie odniesienia. Sygnały odbierane mogą być przez powszechnie dostępne odbiorniki w dowolnym momencie, bez ponoszenia bezpośrednich opłat. Warunki atmosferyczne nie mają większego wpływu na funkcjonowanie urządzeń i dokładność wyznaczonej pozycji. Liczba użytkowników jest nieograniczona. Odbiorniki korzystają zazwyczaj z miniaturowych anten płaskich o charakterystyce umożliwiającej jednoczesny odbiór z całego obszaru sfery niebieskiej. Wykonując pomiar musimy zapewnić dostateczną widoczność sfery niebieskiej z punktu obserwacji. Przeszkody terenowe - drzewa, budynki i konstrukcje znajdujące się na drodze sygnału uniemożliwiają mu dotarcie w linii prostej do odbiornika. Jest to jedyne występujące w praktyce ograniczenie możliwości korzystania z systemów. Oba systemy zostały utworzone i są zarządzane przez wojskowych. Oba wykorzystują technologię rozproszonego widma. Oba posiadają różne poziomy dostępu - Standardowy i Precyzyjny Serwis Pozycyjny, przeznaczone odpowiednio dla użytkowników cywilnych i militarnych.

GPS

System GPS

              Początki systemu GPS sięgają końca lat pięćdziesiątych XX kiedy to w 1958-1962 w laboratorium fizyki stosowanej (Applied Physics Laboratory –APL) Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa stworzono system NNSS ( Navi Navigaton Satellite System lub TRANSIT), który był przez 35 lat stosowany do dokładnej nawigacji morskiej. W 1967 r. system ten udostępniono użytkownikom cywilnym. Ponadto system był pomocny w geodezji, oraz był źródłem częstotliwości wzorcowej. Jednak wadą tego systemu było to że nie był zdolny do nawigacji lotniczej z powodu zbyt długiego czasu pomiaru przy metodzie Dopplerowskiej.

              Dokonując prace nad realizacją systemu TRANSIT, opracowano mnóstwo nowych technologii np. stabilizację częstotliwości, synchronizację odbiornika z zegarem satelity za pomocą danych efemerycznych, kontrolę i korekcję działania układów nawigacyjnych  satelity przez kontrolne stacje naziemne. Pierwsza konstelacja satelitarna składała się z kilku satelitów. Satelity te emitowały sygnały na częstotliwościach 150 i 400 MHz a dane były uaktualniane dwa razy dziennie i odbierane przez stacje kontrolne. Dokładność satelitów z roku na rok poprawiała się: w 1962r. była do 900m, 1969r. do 185m, w 1971r. do 36m. W latach 1969-1973 wykonano pierwsze próby bezpośredniego pomiaru odległości od satelity do naziemnego obserwatora, wykorzystując atomowe wzorce czasu a program nosił nazwe TIMATION (TIMe NavigATION). W 1973r. Departament Obrony USA połączył program TIMATION z 621B (nośna struktura częstotliwości i sygnału) i powstał program DNSS (Defense Navigation Satellite System), który następnie został przekształcony w GPS-NAVSTAR, a ostatecznie w GPS.

Technika GPS (Global Positioning System) składa się z trzech segmentów

Segmenty

1.    Kosmiczny

2.    Naziemny (kontroli)

3.    Użytkownika

·       Segment kosmiczny

Składa się  z:

1-   30 satelitów umieszczonych na 6 orbitach

2-   Orbita nachylona jest 55 stopni względem płaszczyzny równika

3-   4 satelity na każdej orbicie

4-   wWysokość satelitów około 20200km nad powierzchnią Ziemi

5-   Czas obiegu satelity 11h56min , czas pozostawania nad horyzontem około 5h.

6-   W każdym punkcie na powierzchni Ziemi musi być widać co najmniej 4 satelity

Rys. Konstelacja satelitów GPS

Każdy z satelitów emituje pewne wysoko stabilne częstotliwości pomiarowe. Satelity są wyposażone w zegary rubinowo cezowe wytwarzające wysoko stabilną częstotliwość. Transmituje  sygnały czasu własnego zegara. Podstawowa częstotliwość systemu wynosi 10.23 MHz.

Pomnożenie tej częstotliwości przez 154 daje 1575.42 MHz co jest pierwszą częstotliwością

Pomnożenie częstotliwości podstawowej 10.23 MHz przez 120 daje 1227.60 MHz co jest drugą częstotliwością

Częstotliwość podstawowa po podzieleniu przez 10 formuje kod C/A dostępny dla wszystkich użytkowników.

Dzięki tym częstotliwością możemy dokonać pomiaru metodą kodową i fazową.

ELEMENTY SYGNAŁU

Częstotliwość podstawowa  10.23MH

kod P=10.23MHZ

Kod C/A =1.023MHz

10.23MHz/10

)  

·       Segment naziemny (kontrolny), który spełnia funkcje nadzoru, kontroli i korekcji danego systemu nawigacji satelitarnej. Podstawowymi elementami, włączonymi bezpośrednio w pracę systemu są stacje naziemne dwojakiego rodzaju: stacja centralna oraz stacje monitorujące. W systemie GPS Centralna Stacja Nadzoru znajduje się w Schriever AFB w Colorado Springs w USA. Stacje monitorujące , które zostały zbudowane jako części segmentu naziemnego, są rozmieszone        w pasie równikowym Ziemi. Rozmieszczenie stacji monitorujących GPS                w okolicach równika prawie równomiernie wokół Ziemi umożliwia śledzenie satelitów w całym zakresie długości geograficznych. Ważnym elementem segmentu naziemnego są sieci łączności, w tym łączności satelitarnej, między stacjami naziemnymi oraz instytucjami wspierającymi wykorzystywane               w szczególności do synchronizacji czasu działania poszczególnych urządzeń.

·        

 Rysunek 15  Segment kontrolny systemu GPS

Źródło: ( http://www.kowoma.de)

Stacje :

Colorado Springs (USA)

Hawaje-Pacyfik

Ascension-Ocean atlantycki

Diego Garcia-Ocean Indyjski

Kawajalein- Pacyfik

Te stacje mają precyzyjnie wyznaczone współrzędne w układzie WGS-84 innymi metodami SLR, VLBI

Segment użytkowników stanowią wszyscy korzystający z różnorodnych odbiorników sygnałów i informacji z satelitów danego systemu. Systemy nawigacji satelitarnej mają charakter pasywny, transmisja sygnałów odbywa się jednokierunkowo, z pokładu satelitów do użytkowników. Urządzenie z którego korzystają użytkownicy jest odbiornikiem sygnałów nadawanych z satelity do wyznaczania pozycji, prędkości oraz czasu nie musi emitować żadnych sygnałów radiowych. Dlatego właściciel systemu praktycznie nie ma wpływu na sposób jego wykorzystania przez użytkownika. Liczba użytkowników systemów nawigacji satelitarnej jest nieograniczona.

Ten segment składa się z odbiorników GPS stojących na punktach. W zależności od celu i aparatury użytkownicy systemu mogą wyznaczać natychmiastowo swoją pozycję lub pozostając dłużej na punktach obserwacyjnych (obserwacje statyczne) otrzymują a posteriori dokładniejszą pozycję. Za pomocą odbiorników rejestruje się  częstotliwości emitowane przez kilka satelitów (co najmniej 4). Odpowiednio modulowane pozwalają  na realizowanie konstrukcji geometrycznej przestrzennego wcięcia wstecz. Pozycje satelitów w przestrzeni wyznacza się na podstawie transmitowanych przez satelitę efemeryd zwanych DEPESZĄ SATELITARNĄ.

DEPESZA SATELITARNA

Depesza satelitarna pozwala wyznaczyć i ekstrapolować pozycję satelity w przestrzeni

              anomalia średnia

  - przyrost ruchu średniego

                -   mimośród orbity satelity

- pierwiastek z duże półosi

-ługość węzła wstępującego, pochodna wzgl czasu długości węzła wstępującego

nachylenie orbity satelity do równika, pochodna nachylenia

-argument perigeum

  - wyrazy poprawkowe do argumentu szerokości

- wyrazy poprawkowe do promienia orbity

- wyrazy poprawkowe do inklinacji

- epoka efemerydy

              parametr grawitacyjny dla układu WGS84

-początkowa wartość ruchu średniego

  poprawiona wartość ruchu średniego

przyrost czasu od czasu efemerydy pokładowej

wartość anomalii średniej na epokę obserwacji

-wartość anomalii mimośrodowej na epokę obserwacji

              - anomalia prawdziwa

   -argument szerokości

-promień orbity

   -nachylenie płaszczyzny orbity do płaszczyzny równika na moment obserwacji

  - współrzędne w układzie związanym z obracającą się Ziemią.

Współrzędne prostokątne satelity w chwilowym układzie ziemskim.

Przejście do układu CTS (Convential Terrstrial System) czyli uwzględnienie ruchów bieguna.

METODY POMIARU

1.Pomia...