Tehnologii_Geodezice_Spatiale La Capitolul 3.

8/7/2019 Tehnologii_Geodezice_Spatiale La Capitolul 3.

1/55

UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN TIMIOARAFACULTATEA DE CONSTRUCIISPECIALIZAREA: MSURTORI TERESTRE I CADASTRUANUL: IV

TEHNOLOGII GEODEZICE SPAIALECURS NR.1

1 TEHNOLOGIA GPS

1.1 EVOLUIA SISTEMULUI GPSn anul 1973 U.S.Department of Defence, din Ministerul Aprrii a S.U.A, lansase ocomand ctre Joint Program Office din Los Angeles Air Force Base, s elaboreze

concepia unui sistem de poziionare bazat pe satelii, care s permit navigaia: adic sofere poziia i viteza unui obiect oarecare ce se afl n micare sau n repaus. n plus semai solicita s fie asigurate i informaii de timp foarte precise. Rezultatul trebuia s fien timp real, adic s fie la dispoziia utilizatorului imediat dup msurare. De asemenease pretindea noului sistem s funcioneze independent de starea vremii, la orice or din zisau din noapte i n orice punct de pe suprafaa sau n apropierea Pmntului (pe pmnt,pe ap i n aer).Rezultatul comenzii a fost: NAVSTAR GPS, sau mai simplu GPS, notaie folosit n modobinuit pentru sistem, corespunznd denumirii de NAVigation System with Timing AndRangingGlobal Positioning System adic sistem de poziionare global pentru asistareanavigaiei bazate pe msurrile de timp i de distane relative a sateliilor.Pentru a ndeplini condiiile sus amintite au fost stabilite urmtoarele caracteristicigenerale:

Orbite satelitare nalte care asigur avantajul c se solicit un numr mai redus desatelii, iar stabilitatea acestora pe orbite este mult mai ridicat;

Orbite satelitare nclinate care asigur avantajul c pot fi observate i n zonelepolare, evitnd astfel o aglomerare de satelii n zona polilor;

Repartizarea uniform a sateliilor pe orbite care asigur avantajul c se realizeaz oacoperire complet i cu efort minim a zonelor de pe glob i n plus sateliii pot fibine supravegheai i controlai;

Orbite satelitare simetrice care asigur avantajul c asupra sateliilor acioneazaceiai factori perturbatori, astfel nct constelaia satelitar rmne relativ stabil.

Sistemul NAVSTAR- GPS a fost realizat practic n trei faze:Faza 1: 19741979 faza de verificare i testare cnd s-a verificat concepia sistemului,s-au lansat primii satelii test i s-a fcut o evaluare a costurilor pentru realizareasistemului;Faza 2: 1979 1985 faza de dezvoltare a sistemului cnd lucrrile s-au concentratasupra dezvoltrii laturii tehnice a sistemului. S-au lansat noi satelii i s-au realizatreceptoare adecvate;


2/55

Faza 3: 1983 1994 faza de definitivare a sistemului care se ntreptrunde cu fazaprecedent, datorit rezultatelor foarte bune obinute n faza de testri. n aceast etap s-au lansat sateliii pentru completarea integral a sistemului i s-au conceput receptoare totmai performante.

ncepnd din anul 1992, sistemul a fost format din 18 satelii, n ase plane orbitale

nclinate cu 55 ntre ele, la aproximativ 20200 km altitudine, asigurnd vizibilitate la celpuin 4 satelii simultan, n orice moment al zilei, n orice punct de pe glob.Sateliii nu erau egali distribuii n planele orbitale iar orbitele erau uor turtite la poli.Constelaia actual este constituit din 34 de satelii operaionali. Altitudinea la care suntsituai sateliii este de aproximativ 20200km iar durata unei revoluii, de 11 h 58 min.

1.2 STRUCTURA SISTEMULUI GPSSistemul GPS este conceput din 3 segmente principale (fig.2.1):

segmentul spaial:o sateliii sistemului;o semnalul transmis de satelii; segmentul de control:o staiile de controlo staiile master;

segmentul utilizator:o aparatura utilizat.

Primele dou segmente se afl n exclusivitate sub controlul realizatorului sistemului(DoD-Departament of Defense - Departamentul Aprrii - USA)

Fig.1.1 Segmentele sistemului GPS

Segmentul

spaial

Segmentul

utilizator

Segmentul de

control


3/55

1.3. Segmentul spaial Sateliii sistemului

Sateliii NAVSTAR-GPS transmit semnale de timp sincronizate pe dou frecvene purttoare, parametri de poziie ai sateliilor i informaii adiionale cum ar fi starea

sateliilor.Aceast constelaie garanteaz vizibilitatea simultan spre cel puin 4 satelii, din oricepunct de pe Pmnt, iar dac satelitul trece prin zenitul observatorului, atunci acel satelitva fi vizibil pentru aproximativ 5 ore.La nceput a fost constituit Blocul I de satelii (1978- 1985) care au fost satelii prototipconcepui pentru faza de testare i dezvoltare. Greutatea lor era de 845kg i erauprevzui pentru o durat de funcionare de 5 ani. Primul satelit a fost lansat n februarie1978, iar ultimul din cei 11 prevzui, n octombrie 1985. n general sateliii din aceastgeneraie au ndeplinit durata lor de funcionare, muli dintre ei chiar depind -o, astfel nanul 1993 erau nc funcionali satelii lansai n perioada 1983 1985.Blocul II de satelii prevede 24 de satelii operaionali i 3 de rezerv dispui pe 6 plane

orbitale cu nclinaie de 55. Ei se deosebesc esenial de sateliii din generaia precedentprin faptul c aveau implementate tehnicile de protecie SA Selective Availability i ASAnti Spoofing. Durata medie de vrst a acestor satelii era preconizat la 6 ani, ceea cea condus la nceperea nlocuirii acestora ncepnd cu anul 1995. Primul satelit din aceastgeneraie, n greutate de cca. 1500 kg a fost lansat n februarie 1989. La bordul fiecruisatelit din Block- II se afl patru ceasuri atomice, dou cu Cesiu i dou cu Rubidiu. Sateliii din generaia Block- IIA (A are semnificaia Advanced - mbuntit) suntdotai cu posibiliti de comunicare satelit satelit. Primul satelit din aceast generaie afost lansat n noiembrie 1990.Sateliii din generaia Block - IIR (R are semnificaia Replenishment - nlocuire)asigur facilitatea de msurare a distanei satelit satelit - tehnica SSR (Satelit-to-Satelit

Ranging), iar ceasurile atomice (Maser - Hidrogen) sunt cu un ordin de mrime maiprecise. Greutatea lor este de 2000 kg, iar durata de via este estimat la 10 ani. Lansareasateliilor din aceast generaie a nceput n anul 1995.Sateliii din generaia Block- IIF (F are semnificaia Follow on - a continua) vor filansai n perioada 2001 2010. Se preconizeaz c aceast generaie va dispune i desisteme ineriale de navigaie.Satelitul este constituit din dou pri:1. Sistemul de transport

2. Sistemul de navigaie

1. Sistemul de transport propriu-zis const dintr-o structur compact tip cutie, de care

sunt prinse dou panouri solare cu posibilitate de rotaie.n plus, aceast structur poart: sistemul de control termic; sistemul de alimentare i distribuie; sistemul telemetric i de telecomand; sistemul de control al altitudinii i vitezei; sistemul de control al altitudinii i orbitei.


4/55

2. Sistemul de navigaie al fiecrui satelit GPS const n principal din: unitatea de amplificare a datelor de navigaie; dou emitoare de navigaie cu antene pe frecvenele L1 i L2; ceasuri atomice; memorie cu datele de navigaie pentru 14 zile.

Structura semnalului GPSSarcina principal a sateliilor este de a emite semnale, care s poat fi recepionate cureceptoare adecvate. Pentru aceasta fiecare satelit este prevzut cu ceasuri (oscilatoare),un microprocesor i o anten. Asigurarea cu energie este realizat de baterii solare. Satelitul GPS are un oscilator de nalt precizie cu frecvena fundamental de 10.23Mhz(banda L de frecvene).Toate celelalte frecvene deriv din aceasta:L1 la 1575.42 MHz = 19 cm

L2 la 1227.60 MHz = 24 cm

Semnalul de navigaie actual const n: unda purttoare din banda L modulat cu codul P

sau cu codul C/A(S) i mesajul de navigaie.Codul are caracteristicile unui zgomot aleator, dar este de fapt un cod binar generat cu un

algoritm matematic i de aceea este denumit "zgomot pseudo-aleator" (PRN PseudoRange Noise). Codul P i codul C/A sunt defazate cu 90 unul fa de cellalt. Codul C/A se repet la fiecare 1ms, pe cnd codul P are o perioad de 267 zile. Aceastsecven de 267 zile este divizat astfel nct fiecrui satelit i este asociat o poriuneunic de o sptmn din cod, care nu se suprapune cu nici o alt secven a altui satelit.Pentru msurarea precis a timpului, fiecare satelit conine cteva oscilatoare de naltprecizie, cu un grad de stabilitate de ordinul 10-14. (tabelul 2.1).

Tabel 1.1 Tipuri de ceasuri

Ceas f/f

Rubidiu 10-11 - 10-12

Cesiu 10-12-10-13

Hidrogen-maser 10-14-10-15

f = frecvena oscilatorului

Codul P este generat la frecvena ceasului GPS-ului de 10.23 MHz (Mbps).De aceea o secven de cod corespunde la un interval de timp de aproximativ 100ns, ceeace este echivalent cu o distan de 50 m.

Rezoluia poate fi mbuntit prin interpolare (sub 1m).


5/55

Fig.1.2 Structura semnalului GPS

Codul C/A nu este att de complex. El reprezint o secven de cod cu frecvena de1.023MHz, corespunznd lao rezoluie n distan de aproximativ 300m.n prezent purttoarea L1 este modulat cu ambele coduri (P i C/A), pe cnd purttoareaL2 este modulat numai pe codul P.ntregul mesaj este divizat n 5 subsegmente, fiecare constnd n zece cuvinte. Fiecarecuvnt are 30 bii fiecare.Subsegmentul 1: conine parametri de corecie de ceas pentru a da utilizatoruluiinformaii despre corecia de timp GPS i coeficienii unui model de propagare prinionosfer pentru utilizatori monofrecven.Subsegmentul 2-3: conine efemeridele satelitului precalculate din informaiile staiilorterestre de urmrire. Pe baza acestor parametri se poate calcula poziia satelitului, ntr-unsistem geocentric de coordonate.Subsegmentul 4: este rezervat pentru mesaje alfanumerice ale unor aplicaii viitoare.Subsegmentul 5: conine datele de almanah pentru un satelit. Acest subsegment coninen mod succesiv almanahul a 25 satelii. Culegerea unui almanah complet necesitmaximum 12,5 minute.

Msurarea cu codul P pe ambele frecvene permite i determinarea coreciei de refracien troposfer. Absena codului C/A pe L2 este intenionat i este una din limitrileimpuse utilizatorilor neautorizai ai sistemului.Codurile sunt mrci precise de timp care permit procesului intern al receptorului scalculeze momentul transmisiei semnalului satelitului.

Timpul de tranziie este n fond reprezentat de "deplasarea" fazei ntre secvenele identicede cod (P sau C/A) generate de ctre oscilatoarele receptorului i satelitului. Toateceasurile satelitului sunt sincronizate cu timpul sistemului GPS. Dac receptorul a fostechipat cu un ceas de nalt precizie sincronizat cu timpul GPS, atunci el va msuradistana "adevrat".

FRECVENAFUNDAMENTAL

10.23 MHz

L1 CODUL C/A CODUL P

1575.42 MHz 1.023 MHz 10.23MHz

L2 CODUL P

1227.60 MHz 10.23 MHz

50 BPS MESAJUL SATELITULUI

10

154

120


6/55

Prin msurri simultane de distane spre trei satelii, poziia utilizatorului poate fi definitde intersecia a trei sfere de raz cunoscut, centrate fiecare pe satelit, ale cruicoordonate sunt furnizate n mesajul de navigaie.n general, receptoarele sunt echipate cu ceasuri cu cristal care nu pot stabiliza timpul cai ceasurile stabile ale satelitului.

Implicit, distana msurat va fi afectat de eroarea de ceas a receptorului. Aceast cantitate msurat este cunoscut ca pseudodistan i de aceea utilizatorultrebuie s urmreasc 4 satelii i s rezolve 4 ecuaii cu 4 necunoscute: componentelepreciziei 3D(x, y, z) i corecia de ceas a receptorului (dT).

1.3. Segmentul de control Atribuiile segmentului de control i staiile de control:

Segmentul de control are urmtoarele atribuii: Calcularea efemeridelor sateliilor; Determinarea coreciilor pentru efemeridele satelitare (inclusiv implementareatehnicilor SA i AS la sistemul GPS); Meninerea standardului de timp, prin supravegherea strii de funcionare a ceasurilor

satelitare i extrapolarea mersului acestora; Transferul mesajelor de navigaie spre satelii; Controlul integral al sistemului.Datele de la staiile de urmrire (staii monitor), a cror poziii sunt bine cunoscute, sunttransmise staiei master.Aici, orbitele sateliilor sunt precalculate mpreun cu coreciile de ceas ale sateliilor.Aceste date sunt apoi transmise sateliilor corespunztori formnd o parte esenial amesajului satelitului. Sincronizarea timpului sateliilor este una din funciile cele mai

importante ale segmentului de control. De aceea, staia master este conectat direct cutimpul standard al Observatorului Naval al USA din Washington D.C."Defense Mapping Agency" (D.M.A.) este serviciul care furnizeaz efemeride precisepentru sateliii sistemului GPS pe o baz de calcul sptmnal. n prezent exist i alteorganizaii care calculeaz efemeride precise ca de exemplu National Geodetic Surveydin Rockville, Maryland etc.

D.M.A. opereaz cu 5 staii monitor, distribuite global pentru a ntri acoperireasateliilor furnizat de ctre cele 5 staii monitor ale Forelor Aeriene (U.S.A.F.). Acestestaii sunt: Colorado Spring din Colorado care este staia master (Master Control Station),Hawaii, Kwajalein (n insulele Marshall din Oceanul Pacific), Diego Garcia (insul nOceanul Indian) i Ascension (insul n sudul Ocenului Atlantic).

Sistemul de control include:

Staiile monitor care recepioneaz mesajul de navigaie; Staiile master (de control) care prelucreaz datele brute pentru a furniza; Poziiile precise ale sateliilor i coreciile de ceas; Staiile care sunt folosite pentru actualizarea memoriei sateliilor i retransmiterea

subsecvent a datelor de la satelit la utilizator.


7/55

Reeaua de 5 staii de urmrire furnizeaz observaii pe care D.M.A. le utilizeaz ncalculul orbitelor GPS.Datele de la cele 5 staii monitor ale U.S.A.F. sunt combinate cu datele de la cele 5 staiimonitor ale D.M.A.

Fig.1.3 Poziiile staiilor monitor

Amplasarea acestor staii monitor a inut cont de: Asigurarea acoperirii la latitudini mari n nordul i sudul celor dou emisfere; Asigurarea vizibilitii spre orice satelit de la cel puin 2 staii monitor n orice

moment;

Asigurarea accesului n staie pentru operare continu i ntreinerea echipamentului. Vizibilitatea simultan a satelitului din dou sau mai multe staii asigur urmrireacontinu a acestuia chiar dac una sau mai multe staii nu funcioneaz corespunztor. nacelai timp, aceste observaii asigur formarea diferenelor simple sau duble pentruprelucrarea datelor.

Toate staiile master au fost poziionate n sistemul de coordonate WGS 84 cu ajutorulmsurtorilor Transit (Doppler).Datumul sateliilor este definit prin:a) modele fizice(dinamice), cum este modelul adoptat al cmpului gravitaional terestru,modele pentru forele ce perturb micarea sateliilor i constante fundamentale ca: vitezade rotaie a Pmntului, viteza luminii, etc. b) modele geometrice, cum sunt coordonatele adoptate ale staiilor de urmrire asateliilor utilizate n determinarea orbitelor i modele ce descriu precesia, nutaia,micarea polilor, etc.Datumul sateliilor este meninut prin efemeridele acestora (coordonatele sateliilor la unmoment dat), exprimate ntr-un sistem de referin terestru.Exist un numr de datumuri ale sateliilor reflectnd diferite combinaii ale modelelorcmpului gravitaional (constante geodezice asociate), modele ale micrii de rotaie aPmntului sau coordonatele staiilor monitor care sunt utilizate.Fiecare datum poate s difere de sistemul de referin terestru convenional (CTRS) norientare, n localizarea originii i n scar.Efemeridele difuzate i cele post calculate sunt determinate n sistemul WGS`84.


8/55

Politica de siguran a sistemului GPS:D.o.D. i rezerv toate drepturile asupra ntregului sistem GPS, fr s comunice nprealabil utilizatorilor unele carene de utilizare.Tehnica SA (Selective Availability)este o reducere voit a preciziei pentru poziionarean timp real, deci influeneaz mai ales navigaia n timp real. Dim inuarea preciziei este

realizat pe de o parte prin manipularea controlat a ceasului din satelii (procesul dither),cnd se produc erori controlate de perioad lung i scurt n toate mrimile msurabile(coduri i purttoare), iar pe de alt parte printr-o denaturare controlat a efemeridelortransmise (procesul epsilon). Mrimea denaturrii controlate a datelor poate fi dirijat desegmentul de control al sistemului. Fr tehnica SA activat, se estimeaz cprecizia poziionrii n timp real cu codul C/A este de 1530 m. Cu tehnica SA activatpotenialul de precizie se reduce la cca. 100 m n poziie planimetric i cca. 140 m n poziie altimetric. Dei uneori tehnica SA este dezactivat pentru o perioad de timp,utilizatorul trebuie s procedeze n permanen ca i cum ar fi activ. n mod oficialtehnica SA a fost implementat pentru prima dat la 25 martie 1990 la toi sateliii dingeneraia Block II.

Tehnica A-S (Anti - Spoofing)produce o recodificare a codului P.Noul cod rezultat se numete codul Y i este accesibil numai unui grup restrns deutilizatori autorizai. Navigaia n timp real cu codul P este substanial mai precis fa denavigaia cu codul C/A i poate aduce avantaje substaniale n cazul unei conflagraii.Acesta a fost motivul principal pentru care s-a recodificat codul P. Iniial era planificat catehnica A-S s fie activ dup atingerea fazei finale din punct de vedere militar cndsegmentul spaial era prevzut numai cu satelii din generaia Block II.

1.3. Segmentul utilizator

Segmentul utilizator include diferite tipuri de receptoare i echipament periferic, necesare pentru operaiile de teren ale receptoarelor GPS i pentru prelucrarea datelor cuProgramul de post procesare GPS ( GPPS ).

Receptoarele GPSReceptoarele sunt componentele principale ale segmentului utilizator i cuprind:receptorul GPS propriu-zis; antena: platforma antenei i preamplificator; cablu conector;aprtori mpotriva semnalelor reflectate; cabluri (10, 20, 30m)baterie (intern i/sauextern) i bastoane de msurare a nlimii antenei.Antenele receptoarelor GPS pot fi: antene monopol; antene helix; antene spiral-helix iantene microstrip (cu band ngust).

Echipamentul periferic al segmentului utilizator const n: calculatoare ce auimplementate softuri specifice; imprimante; dischete, etc.Acest echipament periferic este necesar pentru prelucrarea datelor i listarea rezultatelor ntr-o formadecvat, ct i pentru stocarea informaiilor.Antena recepioneaz semnalele de la sateliii vizibili, punctul de referin fizic pentrusemnalele recepionate fiind centrul de faz, care poate s difere fa de centrul geometrical antenei. Poziia centrului de faz depinde de modul de construcie al antenei i variazn funcie de direciade inciden a semnalelor satelitare.


9/55

Semnalele sunt transmise mai nti la amplificatorul de semnal i ulterior la unitatea denalt frecven ca unitate efectiv de recepie. Aici semnalele sunt identificate i apoiprelucrate. La majoritatea receptoarelor semnalele recepionate de la un satelit suntdirijate spre un canal unic de recepie. ntreaga instalaie de recepie este coordonat deun microprocesor, care asigur i stocarea datelor i efectueaz calculele pentru o

poziionare n timp real. Printr-o unitate de control, care n esen const dintr-o tastaturi un monitor, utilizatorul poate comunica cu receptorul. n memoria receptorului suntnregistrate msurtorile i mesajele de navigaie. Alimentarea cu energie electric poatefi efectuatfie direct de la reea, fie prin baterii externe.Scopul prelucrrii semnalului const n a determina timpul de propagare a semnalului prin intermediul codului C/A sau P(Y), s decodifice semnalul de navigaie i sreconstruiasc unda purttoare a semnalului. Dac un receptor poate s nregistrezenumai codurile i mesajele de navigaie, se vorbete de receptoare de navigaie. Pentru scopuri geodezice sunt necesare receptoare care pe lng nregistrarea timpului depropagare mai permit i msurtori de faz pe unda purttoare. Aici se poate face din nouo difereniere ntre receptoarele care opereaz pe o singur frecven i receptoarele care

opereaz pe ambele frecvene.


10/55



1.3 DESCRIEREA SISTEMULUI DE REFERIN GPSDe-a lungul timpului oamenii au dezvoltat mai multe modaliti de determinare a poziieiunui punct i a modului de deplasare de la un punct la altul. La nceput marinarii foloseaupentru orientare msurtori de unghiuri dintre stele, Soare i Lun i n urma unor calculelaborioase determinau poziia observatorului. Anii 1920 sunt martorii introducerii nnavigaie a unei tehnologii revoluionare - radionavigaia - care la nceput permiteanavigatorilor s stabileasc direcia de unde vine semnalul radio de la staiile aflate pe

mal atunci cnd navele se aflau n raza de aciune a emitorului. Maitrziu, evoluia sateliilor artificiali a permis transmiterea unor semnale de navigaie maiprecise i a deschis o nou er n tehnologia de navigaie. Sateliii au fost utilizai primadat pentru aflarea poziiei ntr-un sistem bidimensional folosit de marina american inumit TRANSIT. Acest sistem a fost precursorul actualului sistem GPS.NAVSTAR GPS, corespunde denumirii de NAVigation System with Timing And

RangingGlobal Positioning System adic sistem de poziionare globalpentru asistarea navigaiei bazate pe msurrile de timp i de distane relative a sateliilor.GPS-ul este deci un sistem de poziionare global, adic un sistem datorit cruia, pornind de la poziiile mobile de-a lungul orbitelor a sateliilor, poate fi determinatpoziia punctelor aflate n oricare parte a Terrei. Sistemul de referin trebuie de aceea sa

fie geocentric, unic pentru tot globul i fix cu privire la micarea Pmntului. Sistemuladoptat pentru GPS este sistemul conform WGS84 (Sistemul geodezic mondial 1984)schematizat n figura 2.1.Poziia sateliilor de-a lungul orbitei lor ct i poziia punctelor de pe suprafaa terestrdeterminate cu ajutorul sateliilor este dat de cele trei coordonate ortogonale X, Y, Zraportate la originea unui sistem ce este descris n continuare (Fig 2.1). Axa Z a acestuisistem este paralel cu direcia polului terestru (CTP) definit n 1984 de BureauInternational de lHeure (BIH acum IRS). Axa X este definit de intersecia planuluimeridianului de referin la WGS84 cu planul ecuatorului conform polului terestru.Meridianul de referin este paralel cu meridianul zero definit de BIH. Axa Y este situatpe planul ecuatorial i este perpendicular pe axa X. Valorile coordonatelor cresc de la

stnga la dreapta.La acest sistem de coordonate caracteristic GPS-ului este asociat un elipsoid (elipsoidulGRS80) avnd aceeai origine cu sistemul cartezian. Coordonatele X i Y din sistem GPSpot fi uor transformate n coordonate geografice (latitudine i longitudine) raportate laun elipsoid. Cotele furnizate de receptorii GPS sunt i ele raportate la suprafaaelipsoidului prezentat anterior. Pentru o serie de aplicaii, cum ar fi navigaia de exemplu,coordonatele GPS (carteziene sau geografice) pot fi utilizate direct. Pentru a folosi


11/55

coordonatele GPS n geodezie sau n topografie, acestea trebuie s fie transformate nmod oportun.

O

ZWGS84

YWGS84XWGS84

Centrul de masa

al Terrei

Meridianul zero

Fig.1.4 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 poziiaplanimetric a punctelor suprafeei fizice;

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

Suprafaa geoidului este determinat de nivelul mediu al mrii. Aceasta este decisuprafaa care se obine dac suprafaa liber a mrilor i oceanelor ar fi pus ncomunicare i dac ar fi ptruns sub continente nconjurnd ntreaga planet. Formageoidului este foarte aproape de aceea a unui elipsoid de rotaie turtit la poli dar suprafaasa nu este o suprafa geometric regulat. Ondulaiile mai mult sau mai puin accentuateale geoidului se datoreaz diferenelor de densitate care exist din loc n loc pe Terra.

Suprafaa elipsoidului de referin este n schimb o suprafa geometric regulat, definitastfel nct s aproximeze ct mai bine geoidul pentru teritoriul considerat. Deoareceforma geoidului nu este uniform, pentru realizarea cartografiei naionale, diferite statesau grupuri de state folosesc elipsoizi de referin diferii alei astfel nct s aproximezect mai bine geoidul n cadrul teritoriului de interes.Recurgnd la metode adecvate de transformare i folosind un anumit numr de punctenotate n cele dou sisteme, este posibil trecerea, fr probleme particulare, alecoordonatelor X i Y ale GPS la coordonate corespunztoare n sistemele geodezicenaionale. Problema este de fapt n ceea ce privete cotele.

1.4 SCRI DE TIMP UTILIZATE N GEODEZIA CU SATELIITimpul reprezint forma fundamental de existen a materiei n micare.n general, pentru stabilirea unei scri uniforme de timp, fa de care s se raporteze observaiile, este necesar s se defineasc dou mrimi: unitatea de msur pentru timp (secunda sau ziua) i epoca sau originea timpului ales. Deci, trebuie s raportm data anumitor evenimente la o epoc sau origine determinat,cu alte cuvinte s situm aceast dat ntr-o scar de timp.Scara de timp este constituit din originea axei timpului, definit i recunoscut


12/55

internaional, o unitate de msur (secunda) i un sens. n acest scop, pentru a msura uninterval de timp, se poate utiliza perioada de vibraie continu i regulat a unuiinstrument de msurat.n trecut unitatea de msur, secunda, s-a bazat pe rotaia Pmntului n jurul axei sale,astzi, ea bazndu-se pe frecvena natural a unui element chimic.

De asemenea, timpul are o importan deosebit n geodezia satelitar, datorit faptului cpoziiaunui satelit i coordonatele punctelor de pe suprafaa Pmntului, sunt funcii detimp din cauza rotaiei Pmntului.Odat cu dezvoltarea tehnologic, fenomenele de precesie i nutaie care influeneaz cel mai mult rotaia diurn a Pmntului, au nceput s se cunoasc ct mai exact, acesteaavnd repercursiuni remarcabile n definirea timpului i a sistemelor de coordonate. n geodezia cu satelii, ntlnim trei sisteme de timp care vor fi prezentate ulterior:- timp dinamic

- timp atomic

- timp sideral

n geodezia satelitar, la o eroare de poziie de 1 cm corespund erori de timp, funcie de

timpul utilizat:-pentru timpul sideral, adic rotaia Pmntului, eroarea de timp este 210-6s-pentru timpul atomic, adic pentru propagarea semnalelor, eroarea de timp este 110-10s-pentru timpul dinamic, micarea orbital, eroarea de timp este 110-6s11. Timp dinamic

Timpul dinamic reprezint scara de timp uniform care descrie micarea corpurilor ntrunsistem de referin specificat i care se mic conform unei teorii gravitaionale (teoriageneral a relativitii sau mecanica newtonian). Legat de teoria relativitii timpuldynamic depinde de sistemul de coordonate utilizat ca sistem de referin.De asemenea, timpul dinamic este utilizat pentru generarea efemeridelor unui satelit GPS

(descrierea micrii sateliilor), fiind dat de micarea orbital a Pmntului n jurulSoarelui i fcnd legtura ntre timpul efemeridelor (TE) i scara de timp dat de fizicatomic terestr.Astfel, n astronomie ecuaiile de micare se raporteaz la baricentrul sistemului solar iartimpul (utilizat n ecuaiile micrii) msurat ntr-un sistem aproape inerial care areoriginea n centrul de mas al sistemului solar (baricentru) se numete timp dinamicbaricentric, abreviat TDB.

De exemplu, un ceas fix pe Pmnt va avea variaii periodice cu ecartul sub 1.6 ms fade TDB, datorit micrii Pmntului n cmpul gravitaional al Soarelui. Uneori, ndescrierea micrii orbitale a sateliilor din apropierea Pmntului (cu orbite joase), nueste nevoie s utilizm TDB, deoarece atit satelitul ct i Pmntul sunt influenate deaceleai perturbaii.De asemenea, timpul utilizat n calculul orbitelor sateliilor se numete timp dinamicterestru, abreviat TDT i reprezint scara uniform de timp pentru micarea n cmpul gravitaional terestru, scar ce se raportez la centrul de mas al Pmntului. TDT este oscara de timp idealizat uniform, care pentru corpurile din sistemul solar reprezintscara efemeridelor aparente geocentrice, pe cnd timpul atomic international (TAI) este oscar de timp static care se bazeaz pe funcionarea unui numr de orologii de pesuprafaa Pmntului, servind la definirea practic a TDT. Astfel TDT s -a legat de TAI


13/55

cu scopul de a fi utilizat foarte uor cu timpul universal coordonat, care se bazeaz deasemenea pe S.I. (Sistem Internaional).Deoarece secunda SI s-a utilizat i n scara timpului dinamic terestru, introdus la1.01.1984, diferena ntre cele dou scri TAI i TDT este constant i exprimat prinrelaia:

TDT = TE = TAI + 32s.184 (2.1)Introducerea TDT ca i legtura ntre TAI i TDT s-a realizat cu scopul continuitii cuscara de timp a efemeridelor (TE), care a fost dedus din micarea Lunii n jurulPmntului.La momentul introducerii TDT, diferena ntre TDT i TAI era egal cu diferenaestimat ntre TE i TAI.Inainte de timpul dinamic baricentric (TDB), s-a utilizat timpul efemeridelor TE. TDBcorespunde cu timpul coordonat fiind obinut din micri orbitale raportate la baricentrulsistemului solar iar TDT corespunde cu timpul propriu, micrile orbitale n acest cazraportndu-se la geocentru.In anul 1991, Uniunea Astronomic Internaional (IAU) a stabilit c timpul dinamic

pentru micrile planetare este identic cu scara de timp a fizicii atomice terestre. ngeneral, timpul determinat din ecuaiile de micare ale Soarelui, Lunii i planetelor ar putea diferi de timpul determinat din fenomene fizice terestre, dar, deocamdat,determinrile observaionale nu sunt destul de precise pentru a scoate n eviden astfelde diferene.2.2. Timp sideral

Timpul sideral este definit ca fiind unghiul orar al punctului vernal, eliberat de micrilede precesie i nutaie, reprezentnd de asemenea o msur a rotaiei Pmntului. In acest moment toate observatoarele astronomice sunt dotate cu orologii siderale de

mareprecizie. Timpul sideral reprezint o msur a rotaiei Pmntului i poate fideterminat din observaii asupra obiectelor cereti.Ca msur a timpului sideral avem timpul sideral aparent Greenwich (GAST), definit caunghiul orar al echinociului adevrat (punct vernal adevrat), i care reprezintintersecia ecuatorului adevrat cu ecliptica adevrat. Se tie c poziia punctului vernaladevrat este afectat de nutaia axei de rotaie a Pmntului, aceasta introducnd nmsurarea intervalelor de timp sideral aparent unele inegaliti.De asemenea, ntlnim timpul sideral mijlociu (GMST) definit prin intermediul micriidiurne a punctului vernal mijlociu, afectat numai de precesia axei de rotaie a Pmntului,timpul sideral local care este raportat la meridianul locului i timpul sideral Greenwich.Datorit micrii punctului vernal, care este dependent de poziia axei de rotaie aPmntului, trebuie s se aplice o corecie zilei siderale pentru a se ajunge la punctulvernal mijlociu, rezultnd, bineneles, o zi sideral medie. Diferena ntre GAST iGMST se numete ecuaia echinociilor, abreviat Eq.E, conform fig. 2.1.Eq.E = GAST - GMST (2.2)


14/55

Fig.2.1 Timp sideral

Conform fig. 2.1 avem urmtoarele notaii:

A -punct vernal adevrat (afectat de precesie i nutaie)M punct vernal mijlociu (afectat de precesie)zGzenitul la GreenwichzAzenitul locului sau a observatorului- longitudinea ntre meridianul local i meridianul Greenwich GASTtimp sideral aparent GreenwichLASTtimp sideral aparent localGMSTtimp sideral mijlociu GreenwichLMSTtimp sideral mijlociu localTimpul sideral la Greenwich la ora zero UT, adic la miezul nopii, se calculeaz prinintermediul relaiei:

GMST = 6h41m50s,5481 + 8640184s,812866T + 0s,093104T2 - 6s,2x10-7T3 (2.3)unde Tintervalul de timp exprimat n secoli Julieni cuprins ntre ora zero UT la datacalendaristic respectiv i ora zero de timp universal standard J2000. UT este bazatimpuluicivil, fiind legat de micarea diurn mijlocie a Soarelui.Se tie c timpul sideral i universal nu au o scurgere uniform, cauza principal fiind viteza unghiular a Pmntului, care nu este constant.In general, fluctuaiile vitezei unghiulare se datoreaz variaiilor momentului polar datededistribuia maselor i oscilaiilor axei de rotaie a Pmntului. Astfel, timpul universalUTcorectat de micarea polar este UT1 i cunoscut ca Greenwich Mean Time (GMT),fiind

influenat de uoarele variaii n rotaia Pmntului (micarea polilor). UT1 este obinut

din analiza observaiilor asupra micrii diurne a stelelor, realizate de IERS, i se poateexprima n legtur cu UTC, prinrelaia:UT1=UTC+UT1 (2.4)Corecia UT1 este transmis codat n semnalele de timp receptionate, UTC fiindmeninutfa de UT1 la o diferen de 0.90 secunde, n valoarea absolut prin introducerea(repetarea)

secundei de salt, care a fost descris i la subcapitolul timp universal coordonat.


15/55

UT1 este scara de timp fundamental n astronomia geodezic, geodezia satelitar i navigaie, scar de timp bazat pe rotaia Pmntului in jurul axei sale. UT1 este hotrtorpentru determinarea de poziii prin observaii astronomo-geodezice deoarece corespundevitezei unghiulare reale a rotaiei sistemului de coordonate convenional terestru. UT1 este legat de TAI, timp definit de un numr mare de ceasuri cu cesiu n diferite

laboratoare i care a fost egal cu UT1 la 1 ianuarie 1958, existnd o diferen ntre ele datorit micorrii vitezei de rotaie a Pmntului. Aceste diferene au fost puse neviden ncursul anilor, conform urmtoarelor relaii ( vezi explicaii n subcap. TAI): TAI-UT1=+6.1 s - 1 Ianuarie 1968

TAI-UT1=+16.4 s - 1 Ianuarie 1978

TAI-UT1=+23.6 s - 1 Ianuarie 1988 (2.5)TAI-UT1=+24.7 s - 1 Ianuarie 1990

TAI-UT1=+26.1 s - 1 Ianuarie 1992

2.3. Timp atomic

2.3.1. Timpul atomic internaional (TAI)

Timpul atomic reprezint baza unei scri de timp uniforme i este meninut de ceasurileatomice. Scara de timp fundamental este reprezentat de Timpul Atomic Internaional(TAI), adoptat ca sistem de referin de timp mondial, fiind foarte important pentruinstrumentele de msurat timpul terestru.TAI este o scar de timp precis i uniform necesar pentru msurtori precise de timp, timp necesar parcurgerii semnalului satelitar de la satelit la receptor, fiind legat defenomenele fizicii nucleare.TAI corespunde necesitilor de precizie fiind baza pentru creearea i interpolarea altorscri de timp, avnd o stabilitate a frecvenei, pe perioade foarte lungi.Se tie c acest timp atomic este inut de Serviciul Internaional de Rotaie a Pmntuluiide Biroul Internaional de Msuri i Greuti dinParis iar unitatea de timp foarte precisaferent acestuia, este secunda atomic, care este definit n sistemul internaional cafiinddurata a 9192631770 perioade ale radiaiei emis de atomul de cesiu 133 cnd starea debaztrece de la un hipernivel la altul, neexcitat din exterior.Astfel, la 1.01.1958 ora 0h, s-a ales arbitrar ca originea (epoca) acestei scri de timp atomic s corespund cu timpul universal (UT). n timp, s-a modificat diferena ntre eledincauza vitezei de rotaie lente a Pmntului, deci a nesincronizrii timpului universal (carese

raporteaz la rotaia Pmntului) cu timpul atomic (se raporteaz legilor naturii, caregenereaz tranziia ntre nivelele de energie a atomilor, fiind o scar de timp continu), ajungndu-se la 1.01.1986 la valoarea de 22,7 secunde, exprimat prin urmtoareaformul:TAIUT1= 22,7 s (2.6)Conform tabelului 2, diferena ntre TAI i UTC este de 32s.TAI=UTC+32s (2.7)

2.3.2. Timpul Universal Coordonat


16/55

UTC este scara de timp care rezolv problema sincronizrii ntre TAI (scar de timp continu) i rotaia Pmntului, i este cunoscut ca GMT.Deoarece rotaia Pmntului n jurul Soarelui, are o micare ncetinit cu valoarea de 1 secund pe an, n medie, TAI devine greu de sincronizat cu ziua solar. As tfel, pentru arezolva

aceast problem s-a introdus Timpul Universal Coordonat (UTC), care e incrementat cuosecund (secund de salt), cnd este necesar, la sfritul lui Iunie sau Decembrie n fiecarean.UTC difer de TAI printr-un numr ntreg de secunde. Ca exemplu, n perioada iunie1994decembrie 1995, a fost necesar s se adauge 29 secunde la UTC pentru a obine TAI. UTC=TAI - n(1s) (2.8)Aceast secund de salt, de fapt este o corecie care se aplic diferenei acumulate ntr-oanumit perioad, ntre dou scri de timp diferite ( a se vedea exemplele de mai sus).Aceast

inserare a unei secunde la anumite intervale de timp, nu indic o ncetinire continu arotaieiPmntului. Deoarece timpul rotaional UT1 care se bazeaz pe rotaia Pmntului,rmne nurm cu 2 milisecunde de timp pe zi fa de ceasul atomic care este considerat etalon,dup 500de zile, aceast diferen ntre timpul rotaional i atomic va crete la 1 secund. Deci,aceastdiferen se corecteaz prin inserarea unei singure secunde n scara de timp atomic UTC pentru a o aduce ct mai aproape de scara rotaional UT1, n limita de 0.9 secunde. |UT1-UTC|


17/55

msurarea timpului. Creterea preciziei msurrii timpului s-a obinut cu ajutorulstandardelordate de frecvenele atomice, tiindu-se c principiul fizic al timpului atomic se raporteazla

nivelele de energie atomic (nivele de tranziie).

Elementele utilizate pe acest principiu sunt rubidiu, cesiu sau hidrogen, iar caracteristicilede stabilitate al timpului atomic se bazeaz pe citarea raportului f/f, n care f reprezintvariaia frecvenei f. Caracteristicile de stabilitate pot fi pe termen scurt, mediu sau lung.n acest scop, se prezint n tabelul nr.1 stabilitatea zilnic i timpul scurs (de ordinul azeci de mii de ani), pentru c ceasul atomic s aib o eroare de 1 secund, presupunnd c stabilitatea frecvenei rmne aceeai.

Tabelul 1

Trebuie s acordm o atenie deosebit i erorilor de timp din cadrul tehnologiei GPS, deoarece timpul are un rol important n calitatea msurtorilor. Se tie c principiulsistemului GPS este msurarea timpului, necesar ca semnalul electromagnetic s parcurgdistana de la satelit la receptor, avnd n vedere c o eroare de 10 nanosecunde nmsurarea timpuluicorespunde unei erori de poziie de aproximativ 3 m. Fiecare satelit

GPS , funcie de generaian care a fost lansat, are mai multe ceasuri: cu cesiu, rubidiusau hidrogen.

Sistemul GPS are de asemenea, propria lui scar de timp, care este legat de scaratimpului atomic TAI, prin intermediul urmtoarei formule:TAI=GPS+19s.00 (2.10)

U.S. Naval Observatory (USNO) a referit timpul GPS la UTC, fiind setat la UTC la ora 0

pe 6 ianuarie 1980, sau altfel spus, la epoca standard GPS 6d.0 Ianuarie 1980, i nu este incrementat prin nici o secund.In Decembrie 1994 diferena ntre GPS i UTC a fost de 10 secunde. GPS=UTC+10s.00 (2.11)

In Februarie 2005 diferena a crescut la 13 secunde, conform tabelului 2.

GPS=UTC+13s.00 (2.12)


18/55

1.5 PRINCIPIUL MSURTORILOR GPSReceptorul GPS msoar timpul necesar unui semnal pentru a se propaga de la satelit lareceptor.

Distana satelit-receptor (fig.2.5) o putem determina nmulind acest timp cu vitezaluminii (c).

= c 2.1= distana;c = viteza luminii;

= ntrzierea dintre codul generat i codul recepionat;Msurtorile de distane pe care receptorul le face sunt afectate de ctre eroarea de ceas asatelitului i a receptorului, de aceea acestea sunt denumite pseudodistane. Utiliznd ceasuri sincronizate i n absena altor influene perturbatoare, msurnd osingur distan spre satelit putem determina poziia receptorului undeva pe o sfercentrat pe satelit avnd raza egal cu distana msurat. Efectund msurtori simultane spre cei doi satelii, poziia receptorului va fi pe un cerccare reprezint locul de intersecie al celor dou sfere centrate pe aceti satelii.

Efectund o a treia msurtoare simultan de distan, rezult o a treia sfer careintersecteaz pe celelalte dou numai n dou puncte.Unul dintre aceste puncte poate fi eliminat imediat ca fiind poziia receptorului, deoareceel se va gsi undeva departe n spaiu.n principiu, determinrile simultane de distane spre trei satelii asigur suficienteinformaii pentru a putea determina o poziie fix n trei dimensiuni.Dac presupunem existena erorii ceasului receptorului t i considernd c ceasulreceptorului nu este sincronizat cu ceasul satelitului n timp GPS, atunci nu estematematic posibil s determinm n mod unic valorile celor 4 parametri (x, y, z, t)dndu-se numai trei msurtori. Aceasta implic faptul c trebuie s msurm simultan o pseudodistan adiional spre un al patrulea satelit presupunnd c eroarea de ceas a

satelitului a fost eliminat.Observatorul Naval al S.U.A urmrete ceasurile sateliilor GPS i determin abaterile(erorile) fa de timpul GPS. Aceti parametri sunt actualizai n memoria sateliilor itransmii ca parte a mesajului de navigaie difuzat de satelii.

Fig.1.5 Principiul msurtorilor GPS

Receptorul GPS utilizeaz valorile acestor corecii ale ceasului satelitului pentru a corectapseudodistana msurat.Ecuaia observaiei va fi:


19/55

rs= | x

s- xr |+ trc 2.2

unde:x s= definete coordonatele satelitului;xr= definete coordonatele (necunoscute) receptorului;tr = eroarea ceasului receptorului;

c = viteza luminii;Dac introducem n modelul ecuaiei (2.2) i corecia ceasului (ts ) atunci este necesars avem msurtori simultane efectuate cu dou sau mai multe receptoare. Dac una sau mai multe coordonate ale receptorului sunt deja precis cunoscute, atuncicelelalte coordonate i corecia ceasului receptorului pot fi determinate utiliznd maipuin de patru pseudodistane.

2 ASPECTE ALE NTOCMIRII UNUI PROIECT PRINDETERMINRI GPS

2.1 PLANIFICAREA UNEI SESIUNI GPS2.3. Consideraii generaleCnd o determinare este fcut cu ajutorul tehnologiei GPS, vizibilitatea dintre receptoarenu constituie o cerin a msurtorii ntruct aceste receptoare nu transmit i nurecepioneaz semnale ntre ele, ci le primesc de la sateliii care se mic n jurulPmntului. Singura condiie ce trebuie ndeplinit pentru a putea recepiona acestesemnale se refer la obinerea unui orizont liber spre cer. Semnalele emise de sateliii GPS sunt asemenea razelor solare, astfel nct, orice obstacolaflat n calea acestora reduce considerabil intensitatea semnalului putnd chiar mpiedic

recepionarea lui.Prima faz a planificrii se refer la alegerea unei perioade pentru efectuareamsurtorilor, care se va subdivide n sesiuni de lucru. Perioada optim este caracterizat printr-un numr suficient de mare de satelii vizibili io valoare PDOP ct se poate de mic.Un alt criteriu de alegere a perioadei optime de lucru se refer la influena refracieiatmosferice, care, noaptea este mult mai redus dect ziua.La stabilirea sesiunilor de lucru n poziionarea relativ trebuie luai n consid erare 4factori :

lungimea bazei numrul sateliilor vizibili geometria constelaiei satelitare (PDOP) raportul semnal/zgomot pentru semnalul satelitar.A doua faz a planificrii pentru observaii statice se refer la distribuirea receptoarelor laechipe i programarea punctelor pentru fiecare echip.


20/55

2.3. AmplasamentulEste indicat ca staiile s nu fie obstrucionate din punct de vedere al vizibilitii pesteelevaia de 15-20 grade; n cazul n care staia este portabil, este bine de gsit zona cugradul de obstrucie cel mai redus.Vegetaia prea dens poate crea probleme de vizibilitate pentru staiile GPS; frunzele

copacilor i crengile pot bloca semnalele sateliilor. Se procedeaz la defriri n zonarespectiv, pe baza acordului obinut de la organele n drept. De asemenea, se va evitaamplasarea staiilor n apropierea cldirilor nalte sau a pereilor verticali ce pot interferacu semnalul recepionat, ct i a emitorilor de nalt putere (TV). n aceast faz sentocmete o diagram de obstrucie sau o diagram polar, n vederea determinriiperioadei optime de staionare pe punct, atunci cnd vizibilitatea sateliilor este cea maibun.

2.3. Recunoaterea terenuluiVizitarea staiilor se face obligatoriu pentru fiecare punct ce urmeaz a fi staiona t,nainte de nceperea propriu-zis a proiectului de msurtori.

Este indicat ca toi membrii echipei s participe la aceast recunoatere n teren itotodat s se analizeze la faa locului diagrama de obstrucie.Pe baza acestei recunoateri a terenului se pot determina cu precizie: accesul cel mai comod la punct schia complet a terenului cu direciile importante de acces modul de marcare, pentru uurarea recunoaterii punctului obinerea acordului de acces n zon, n cazul proprietilor privatePe tot parcursul acestei identificri a staiilor, se va ine cont de condiiile meteo care nuafecteaz sistemul GPS sau receptoarele, dar n schimb poate afecta accesibilitatea lastaie.Tot n faza de recunoatere se identific sistemele de semnalizare apunctelor, lundu-se

msuri de precauie pentru cele aflate pe osele (prin sgei direcionale) sau cele ce vor fistaionate pe timp de noapte (sisteme de iluminare corespunztoare).

2.3. Puncte de control planimetricUn minim de trei puncte de sprijin sunt necesare pentru o compensare complet 3D. Cuct proiectul este mai mare, cu att trebuie incluse mai multe puncte de sprijin. n cazulsuspectrii anumitor puncte cu precizie sczut, este recomandat s se extind numrullor, pentru control suplimentar - n aceast situaie se estimeaz rezultatele cu un gradridicat de precizie.

Amplasarea acestor puncte de sprijin se face astfel:-se deseneaz linia N-S prin centrul proiectului; apoi se deseneaz i linia E-V,obinndu-se patru cadrane egale. Trei dintre acestea trebuie s conin, fiecare, cel puinun punct de sprijin ; ele pot fi att n interiorul ct i n exteriorul perimetrului proiectat.Pentru a avea un control mai bun asupra reelei, se recomand a se pstra o distan de60km sau chiar mai mic ntre un punct de sprijin i unul necunoscut.


21/55

Fig.2.1Reperajul punctelor de sprijin. Metoda cadranelor

n cazul drumuirilor, aceste trei puncte de sprijin vor fi amplasate la capetele traseului iunul la mijlocul acestuia. Pentru drumuiri ntinse, punctele de sprijin se vor gsi la odistan de maximum 60km.

Fig.2.2 Reperajul punctelor de sprijin. Metoda pasajului

2.3. Puncte de control altimetricCotele ortometrice nu trebuie confundate cu cele obinute din msurtori GPS. Cum estetiut, cotele punctelor suprafeei fizice a Pmntului sunt raportate la nivelul mediu al

mrii, adic la geoid, pe cnd cotele GPS sunt raportate la suprafaa elipsoiduluiWGS84. Cu alte cuvinte, cotele GPS i cotele topometrice (cote ortometrice) nu suntraportate la aceeai suprafa zero. O asemenea situaie este n mod schematicexemplificat n figura 3.3.n acest exemplu s-a presupus msurarea denivelrii GPS dintre dou puncte fixe denivelment A i B. Cu aceeai figur se pune n eviden faptul ca valoarea ondulaieigeoidului variaz de la punct la punct. Pentru transformarea cotelor elipsoidice n coteortometrice ar fi necesar cunoaterea diferenei dintre cote raportate la cele dou sistemede referin (adic valoarea ondulaiei geoidului). Din pcate, cum am mai amintit deja,valoarea ondulaiei geoidului nu este constant.Dac valoarea ondulaiei geoidului ar fi cunoscut (i de multe ori nu este), pentru a

corecta cota GPS i a determina cota ortometric este necesar s fie luate n considerarealtepuncte cu cote cunoscute (att cotele elipsoidice ct i cele ortometrice).


22/55

Fig.2.3Relaii de legtur Geoid-Elipsoid

Notaii: N- ondulaia geoiduluiH - altitudinea ortometrich - altitudinea elipsoidal

N+H=h 2.1Precizia determinrii cotei h depinde de precizia cu care este cunoscut N.

Amplasarea punctelor de sprijin pentru altimetrie se face n modul urmtor: se mparte proiectul n 4 cadrane egale; n fiecare din cele 4 cadrane, trebuie s existe

cel puin un punct de sprijin pe vertical (fig. 3.4). pentru reele mai mari (depind 100 km2), se vor introduce mai multe puncte de

sprijin, aproximativ la intervale de 10 km (fig. 3.5).

pentru trasee de drumuire nivelitic, se folosete metoda pasajului, punctele fiindamplasate att la capetele traseului ct i pe parcursul acestuia, de o parte i decealalt a axului drumuirii. Se obine astfel un minim de 4 puncte ce mrginesc

proiectul (fig. 3.6). n cazul reelelor ntinse, un punct de sprijin trebuie regsit la fiecare 10 km distan,

pe ambele pri ale axului de drumuire. Se vor evita punctele aliniate (toate) peaceeai parte a axului (fig. 3.7).

Fig.2.4 Reperajul punctelor de control altimetric. Metoda cadranelor


23/55

Fig.2.5 Reperajul punctelor de control altimetric pentru reele mari

Fig.2.6 Reperajul punctelor de control altimetric. Metoda pasajului

Fig.2.7 Reperajul punctelor de control altimetric. Metoda pasajului pentru reele mari

2.3. Alegerea distanelorPentru obinerea unei precizii ridicate a determinrilor se folosesc de regul distane mici,ntre 5-15 km; traseele cu lungimi mari (>30km) implic erori absolute mai mari. Oricedistan mare poate fi segmentat n mai multe componente care s asigure precizia doritpe fiecare poriune a ei n parte.n cazul metodei pasajului, pentru drumuiri avnd trasee lungi, cu ct acestea au valorimai mari, cu att eroarea transmis punctului urmtor este mai mare.Se impune meninerea acestor lungimi la cotele minime. Dac este necesar s se lucreze

cu distane mari, atunci se vor nmuli punctele de sprijin pe traseu.

2.3. Planificarea unei sesiuni de msurtoriSesiunea se definete ca perioada cnd dou sau mai multe receptoare colecteazsimultan datele furnizate de satelii. nceputul acestei "sesiuni" depinde de mai muli


24/55

factori, cel mai important fiind legat de disponibilitatea satelitului, adic de perioada luioptim de emisie.Planificarea unui proiect GPS const n alegerea unei metode optime de msurare, aaparaturii necesare , precum i planificarea observaiilor . Planificarea se deosebete de planificrea observaiilor geodezice clasice , ntruct

msurtorile GPS pot fi executate practic pe orice vreme i la orice or din zi , n plus ,nu trebuie s existe vizibilitate ntre punctele reelei , dar se pretinde un orizont liber sprecer de la o elevaie de 150n sus .

La planificarea observaiilor ntr-un proiect GPS trebuie inut cont de mai mulifactori :

Configuraia sateliilor; Numrul i tipul receptoarelor avute la dispoziie ; Aspecte economice .Configutaia reelei joac un rol mai mic n msurtorile GPS , ea trebuind s fie luatn seam doar cnd reeaua GPS trebuie legat la reeua naional . Pentru aceastatrebuie s dispunem de minimum 3 puncte cunoscute bine distribuite fa de reeaua

GPS .Planificarea unei sesiuni de msurtori satelitare se realizeaz cu programe specialelivrate de firmele constructoare mpreun cu softurile de prelucrare .

Prima faz n proiectare prevede alegerea unei perioade optime pentru efectuareamsurtorilor , care se va subdivide n sesiuni de lucru . Perioada optim este

caracterizat printr-un numr suficient de mare de satelii vizibili , care se se studiazpe un grafic i o valoare PDOP ct se poate de mic ( ntre 1 i 5 )

,Fig. 2.8 Sateliii disponibili pentru punctul Poo1

Proiectarea observaiilor GPS const deci n alegerea unei perioade de lucru optimesusinut prin reprezintri grafice . Aceste reprezentrise bazeaz n esen pe calculareaazimutului i elevaiei pentru fiecare satelit n funcie de timpul i locul unde se facobservaiile . De menionat , c studiul constelaiei satelitare i a valorilor PDOP trebuierealizat pentru ntregul grup de puncte care va fi staionat intr-o sesiune. Poziia punctelortrebuie cunoscut doar cu o precizie de km.


25/55

Un alt criteriu care ar putea intra n clcul pentru alegerea perioadei de lucru este influenarefraciei ionosferice , care noaptea este mult mai redus dect ziua . L stabilirea sesiunilor de lucru n poziionarea relativ trebuie luai n considerare 4factori :

Lungimea bazei ;

Numrul sateliilor vizibili ; Geometria constelaiei satelitare ( PDOP ) ; Raportul semnal / zgomot pentru semnalul satelitar ( Signaltonois ratio

SNR )Unele valori informative pentru durata sesiunilor de lucru , cnd se dorete o precizieridicvat sunt date n tabelul de mai jos :

Lungimea bazei ( km ) Durata sesiunii ( minute )

0 - 1 10-30

1 - 5 3060510 6090

10 - 15 90 - 120Durata sesiunilor se dimensioneaz n funcie de precizia care se dorete s fie atins ,dar nu trebuie omis nici factorul economic.

A doua faz a planificrii pentru observaii se refer la distribuirea receptoarelorpe echipe i la programarea punctelor pentru fiecare echip.De regul se ntocmeteun tabel , n care se prevede ce echip , n ce sesiune trebuie s staioneze ntr-unpunct .Numrul minim de sesiuni ntr-o reea cu p puncte i la folosirea a r receptoare sedetermin cu relaia :

s = (pn ) / ( rn )

unde nreprezint numrul punctelor de legtur ntre sesiuni. Sesiunile trebuie astfel alese , ca s existe contact spre minimum 4 satelii comuni la oelevaie de peste 150n toate punctele incluse ntr-o sesiune , iar factorul PDOP s nufie mai mare de 4 pentru ntrega durt de msurare .n timpul msurtorilor de teren trebuie asigurate urmtoarele :

Centrarea corect a antenei pe punctul de staie ; Msurarea nalimii antenei ; Conectarea corect a cablurilor la anten , respecti receptor i controler ; Punerea n funciune a receptorului la momentul prestabilit n programul

sesiunilor ; Setarea corect a modului de lucru ;

Urmrirea periodic a modului de nregistrare a datelor.


26/55



2.2 METODE DE DETERMINARE A POZIIEI PUNCTELORPRIN MSURTORI GPS

Exist mai multe tehnici de msurare care pot fi folosite de majoritatea receptorilor pentru msurtori GPS. Geodezul ar trebui s aleag cea mai adecvat tehnic pentrurealizarea msurtorilor.Metoda static folosit pentru linii lungi, reele geodezice, studiul plcilor tectonice,etc. Ofer oprecizie mare pentru distane lungi, dar comparativ este lent. Metoda static rapid folosit pentru organizarea reelelor de control locale, ndesirea dereele, etc. Ofer o precizie ridicat pentru msurarea bazelor de pn la 20 km lungime ieste mult mai rapid dect metoda static.Metoda cinematic folosit pentru msurarea de detalii i msurarea de mai multepuncte ntr-o succesiune rapid. Este o modalitate foarte eficient pentru msurarea maimultor puncte situate aproape unul de altul. n orice caz, dac exist obstrucii spre cer cai poduri, copaci, cldiri nalte etc, i mai puin de 4 satelii pot fi observai, echipamentultrebuie reiniializat, fapt care poate lua 5-10 minute. O tehnic de procesare cunoscut caOn The-Fly (OTF) a fcut un mare progres n minimizarea acestei restricii.

Metoda de msurare n timp real RTK RTK folosete o legtur de transmitere a datelorradio pentru a transmite datele de la satelit, de la baz la mobil. Aceasta face posibilcalcularea coordonatelor i afiarea acestora n timp real, n timpul desfurriimsurtorilor. Este folosit pentru aplicaii similare metodei cinematice.Metoda de msurare combinat - Combinarea primelor trei metode poate asiguraexecutarea oricrui proiect orict de amplu, cu condiia cunoaterii i aprecierii corecte alocului i momentului unde se preteaz a fi utilizat fiecare metod. Rolul impactuluiplanificrii lucrrilor se va evidenia n acest caz n mod deosebit.Poziiile diferitelor puncte de pe suprafaa terestr pot fi determinate utiliznd tehnici itehnologii multiple de msurare.Astfel, poziionarea se poate face n raport cu un anumit sistem de coordonate care se

alege de obicei ca fiind geocentric n raport cu un alt punct determinat anterior sau, ncontextul existenei unei reele de puncte predeterminate. Noiunea de poziionare poate fiatribuit att elementelor aflate n micare (mobile) ct i celor fixe (statice).Determinrile pot fi fcute relativ la un sistem de coordonate bine definit, de regultridimensional, la care originea o constituie chiar centrul de mas al Pmntului, fie nraport cu un alt punct ce reprezint originea unui sistem de coordonate locale, diferit decentrul de mas al Pmntului i stabilit conform scopului i destinaiei urmrite.


27/55

In tabelul ce urmeaza sunt recapitulati timpii de executie i preciziile care caracterizeazametodele enumerate mai sus .

Tabel 3: Timpii de execuie ai sesiunii i precizia de determinare

Metoda operativa Timpii de observatiereferiti la baze maimici de 20 km

Precizie Limitri

Static Circa o oraPrecizie

subcentimetrica

( de la 0.2 la 10ppm)

Nici una

Rapid static (Fast

static)

Circa 5-20

minute:Timpulefectiv depinde de

lungimea bazei si deconfiguratiasatelitilor

De la 1 la 10 ppmNecesitatea

receptorilor de a se

adapta la metoda.

Pseudo-staticCirca 20 minute

pentru vector (cere

insa doua serii de

observatii de 10minute fiecare )

De la 2 la 20 ppmCere doua

interventii pe

fiecare punct , la un

interval de timp decel putin o ora.

Cinematic 2 minute sau cel

putin pentru fiecarevector

De la 1 la 10 ppm

Cere

si mentinerea

contactului cu cel

putin 4 sateliti peintreaga durata a

sesiunii

masuratorii,si in

timpul mutarilordintre puncte

Tabel 4: Sectoarele de utilizare ale acestor metode

Static Rapid - static Pseudo-static Cinematic

Determinarea punctelor de

retele,subretele sau

indesire;determinarea

punctelor de sprijin pentru

fotogrametrie

Determinarea punctelor

de indesire,determinarea

de puncte de sprijin

pentru fotogrametrie,etc.

Determinarea de

puncte de indesire,de

puncte de sprijin

pentru fotogrametrie

etc.

Masuratori de detaliu,masuratori de modele

digitale ale terenului,de profil,sectiune,etc.

In versiunea aerotriangulatiei e utilizata pentr

ghidarea traiectoriei de acceleratie si

determinarea centrelor de precizie ale

aerofotografiei pentru controlul zonei de

triangulatie


28/55

2.3. Metoda de msurare staticAceasta a fost prima metod dezvoltat n cadrul msurtorilor GPS. Poate fi utilizatpentru msurarea bazelor lungi, de obicei de 20 km) i mai lungi. Un receptor este amplasat pe un punct ale crui coordonate sunt cunoscute cuprecizie nsistemul WGS84. Acesta este cunoscut sub denumirea de receptor baz (mam). Cellalt

receptor este amplasat la cellalt capt al bazei i este cunoscut sub denumirea de mobil(rover).Datele sunt apoi nregistrate de ambele staii simultan. Este important ca datele s fienregistrate la acelai interval de timp de ctre fiecare staie. Durata de timp ntrenregistrrile de date poate fi setat la intervale de 15, 30 sau 60 de secunde. Receptorii trebuie s colecteze datele pentru o perioad precis de timp. Aceast perioadeste influenat de lungimea bazei, de numrul sateliilor observai i de geometriasateliilor. Ca regul de baz, timpul de observaie

este de minim o or pentru o lungime a bazei de 20 km cu 5 satelii i un GDOPpredominant de 8. Bazele mai lungi necesit un timp de observaie mai ndelungat.

Odat ce au fost colectate date suficiente, receptorii pot fi oprii. Mobilul (rover-ul) poatefi apoi mutat pe urmtoarea baz i msurtorile pot ncepe din nou.Este foarte important introducerea redundanei n reeaua care este msurat. Aceastaimplic msurarea punctelor cel puin ce dou ori i creeaz verificri de siguranmpotriva unor probleme care altfel ar putea trece neobservate. O cretere a productivitii poate fi realizat prin adugarea unui receptor mobilsuplimentar. Buna coordonare este necesar ntre echipele care execut msurtorilepentru a putea maximiza efectul de folosire a trei receptori. Un exemplu este dat n figurade mai jos.

Ca o estimare empiric a preciziei msurtorilor relative, se poate considera 5 mm (3mm) +1 ppm din lungimea bazei. Aceasta este metoda principal pentru crearea reelelor

geodezice de sprijin.O reducere substanial a duratei sesiunilor de lucru, la 5 20 minute pentru o sesiune,este atins cu metoda Static rapid, fiind folosit pentru estimarea ambiguitilor. Metodaofer rezultate foarte bune la determinri de baze scurte (maxim 5 10 km), cuconstelaii satelitare foarte bune i cu receptoare care msoar pe ambele frecvene.Precizia potenial este estimat la (5 mm +1 ppm). Metoda se utilizeaz des landesirea reelelor de sprijin i reperaj fotogrametric.

Fig.2.9a Realizarea msurtorilor GPS n metoda static.Etapele 1, 2


29/55


30/55

Apoi, unul dintre receptorii mobili

poate s se ntoarc la birou, ntimp ce cellalt msoar punctul 5.

Rezultatul final este prezentat n figurade mai sus. n ziua urmtoare,

operaiile vor fi repetate pentru a severifica existena unor erori grosolane.

Fig.2.10 Realizarea msurtorilor GPS cu metoda static rapid (fast-static)

Trebuie realizate verificri pentru a ne asigura de faptul c nici o eroare grosolan nu aintervenit n msurtori. Acest lucru poate fi realizat prin remsurarea punctelor n un altmoment al zilei.

Atunci cnd lucrm cu doi sau mai muli receptori mobili, o alternativ este aceea s neasigurm c toi mobilii funcioneaz n fiecare punct ocupat simultan. Astfel este permis

ca datele de la fiecare staie s fie folosite ori careferin ori ca rover pe durata postprocesrii fiind cea mai eficient metod de lucru darde altfel i cea mai greu de sincronizat.O alt cale de introducere a redundanei este aceea de a stabili dou staii fixe i de afolosi un mobil pentru staionarea pe puncte aa cum este artat n figura de mai sus. Sau varianta alternativ

Reeaua 12345 trebuiemsurat din staia de

referin R cu 3receptori GPS.

Staia de referin(baza) este fixat. Unmobil ocup punctul 1

n timp ce cellaltocup punctul 3.

Dup perioada de timpnecesar, unul dintrereceptorii mobili se

mut n punctul 2, iarcellalt n punctul 4.


31/55

Staii de referin(baze) sunt amplasate

n punctele R i 1.Receptorul mobil

ocup punctul 1.

Dup perioada de timpnecesar staionrii,receptorul mobil se

mut n punctul 3.

n mod similar,receptorul mobil trece

mai departe n punctul4.

Fig.2.10 Variant alternativ de realizare a msurtorilor GPS cu metoda static rapid

2.3. Metoda cinematicMetoda cinematic este de obicei utilizat pentru msurtori de detaliu, nregistrareatraiectoriilor, etc., dei odat cu apariia metodei RTK popularitatea ei este pe o pantdescresctoare.Tehnica implic mutarea receptorului mobil (rover) a crui poziie poate fi calculatrelativ la receptorul fix (baz).n primul rnd, mobilul trebuie s ndeplineasc ceea ce este cunoscut ca iniializare.Aceasta este n fond acelai lucru ca i a msura un punct cu metoda static rapid i apermite soft-ului postprocesarea pentru rezolvarea ambiguitii odat ajuni la birou.

Baza i mobilul sunt pornii i rmn nemicai pentru 5-20 de minute, nregistrnd date.Timpul de staionare depinde de lungimea bazei de la receptorul fix i de numrulsateliilor observai.Dup aceast perioad, dup aceast perioad mobilul poate fi mutat nestingherit.Utilizatorul poate nregistra poziiile la o rat de nregistrare predefinit, poate nregistrapoziii distincte, sau o combinaie a celor dou. Aceast parte a msurtorii este denumitn mod comun lanul cinematic.

... i apoi n punctul 5.Rezultatul final este reeaua

msurat cu redundana introdus.


32/55

Un aspect important a fi urmrit este acela ca pe parcursul msurtorii s se eviteapropierea de obiecte care ar putea bloca semnalul sateliilor spre receptorul mobil. Dacoricnd pe parcursul msurtorii mobilul observ mai puin de 4 satelii, msurtoareatrebuie oprit, receptorul trebuie mutat ntr-o poziie n care 4 sau mai muli satelii suntobservai i trebuie refcut iniializarea nainte de continuarea msurtorilor.

Metoda cinematic OTF

Iniializarea esterealizat de la bazla mobil.

Mobilul poate apoi s sedeplaseze. Poziiile sale pot

fi nregistrate la intervale detimp predefinite...

...i n alte punctedistincte dac se

dorete.

Fig.2.12 Realizarea msurtorilor GPS n metoda cinematic

Aceasta este o variant a metodei cinematice i nltur cerinele de iniializare i celeurmtoare iniializriicnd numrul sateliilor observai scade sub 4.Metoda cinematic OTF este o metod de procesare care este aplicat msurtorilor peparcursul postprocesrii. La nceputul msurtorilor, operatorul poate pur i simplu s sedeplaseze cu receptorul i s nregistreze datele. Dac va trece pe sub coroana unui copaci va pierde sateliii, la momentul intrrii n aria de acoperire a sateliilor, sistemul se vareiniializa automat.

2.3. Metoda cinematic n timp realPrescurtarea de RTK provine de la cinematic n timp real. Este o metod de msurarecinematic OTF ce se deruleaz n timp real.Staia fix are ataat o legtur radio i retransmite datele pe care le recepioneaz de lasatelii.i mobilul are o legtur radio i recepioneaz transmis de staia fix. Mobilulrecepioneaz de altfel date i direct de la satelii prin intermediul propriei sale antene

GPS. Aceste dou seturi de date pot fi procesate mpreun de receptorul mobil n scopulrezolvrii ambiguitii i prin urmare se va obine o precizie ridicat relativ la receptorulfix.

Odat ce receptorul fix a fost instalat i transmite date prin legtura radio, receptorulmobil poate fi activat.

Atunci cnd urmrete sateliii i recepioneaz date de la fix, poate ncepe procesul deiniializare. Acesta este similar cu iniializarea realizat n cazul unei msurtoricinematice OTF, diferena principal fiind faptul c este dus la capt n timp real.


33/55

Odat ce iniializarea este complet, ambiguitile sunt rezolvate i mobilul poatenregistra puncte i coordonate. n acest moment precizia de determinare a bazei este decuprins n intervalul 1-5 cm.Este important meninerea contactului cu receptorul fix, cci altfel mobilul ar puteapierde ambiguitatea. Aceasta duce la calcularea unei poziiia punctului mult deprtat de

realitate.n plus, probleme ar putea fi ntlnite la msurarea aproape de obstrucii ca i cldirinalte, copaci, etc. unde semnalul sateliilor ar putea fi blocat.RTK a devenit foarte repede cea mai ntlnit metod de obinere a unor precizii ridicate,msurtori GPS de acuratee mare pe arii restrnse i poate fi utilizat i pentru aplicaiisimilare celor la care se folosesc staiile totale. Aceasta include i msurtori de detaliu,supraveghere, aplicaii COGO, etc.

Legtura radioMajoritatea sistemelor GPS RTK, folosesc mici modemuri radio pe frecvena UHF.Comunicaia radio este acea parte a sistemului RTK cu care majoritatea utilizatorilor

ntmpin dificulti. Merit luat n considerare influena urmtorilor factori nmomentul ncercrii optimizrii performanei legturii radio:Puterea transmitorului radio. n general vorbind, mai mult putere nseamnperforman mai bun. Oricum, majoritatea rilor restricioneaz legal puterea de emisiela 0,5-2W.

nlimea antenei transmitorului. Comunicaiile radio pot fi afectate de linia de vizare.Cu ct mai sus este poziionat antena, cu att este mai puin probabil s fie probleme culinia de vizare. De asemenea va crete raza de aciune a comunicaiilor radio. Acelailucru este valabil i n cazul antenei receptoare.Ali factori de influen ce afecteaz performana includ lungimea cablului pn la antenaradio (cabluri mai lungi nseamn pierderi mai mari) i tipul de anten radio folosit.


34/55



2.3 SURSE DE ERORI N MSURTORILE GPS2.3. Generaliti

Sistemul GPS a fost conceput ca un sistem de navigaie n special n scopuri militare. nacest domeniu de aplicare intereseaz n mod deosebit poziionarea n timp real cumsurarea i prelucrarea pseudodistanelor.Tehnica GPS, ca i orice alt tehnic de msurare, este afectat de erori sistematice i deerori aleatoare.

Principalele surse de erori ce influeneaz msurtorile GPS sunt legate de: efectele instrumentale; efectele mediului de propagare; deficienele n modelele dinamice utilizate pentru determinarea micrilor relative ale

sateliilor GPS.Aceste surse de erori pot provoca:

I. Erori sistematice (eliminate sau estimate n procesul de calcul): erori sistematice de reprezentare a orbitelor; erori sistematice ale modelului de funcionare a ceasului satelitului; coordonatele ( cunoscute ) staiei; eroarea sistematic a ceasului receptorului;

eroarea troposferic i ionosferic; ambiguitatea fazei purttoare.II. Erori aleatoare (remanente n procesul de calcul): erori sistematice reziduale; "cycle-slip" necorectai; excentricitatea centrului de faz; eroarea datorat reflexiei semnalelor (multipath); eroarea aleatoare de msurare.

2.3. Principalele erori i modul de eliminare sau reducere a lor Erori ale satelitului

Erorile datorate sateliilor sistemului GPS au ca surs erorile efemeridelor i cele aleceasurilor din satelii.Este evident c erorile efemeridelor influeneaz precizia poziionrii. Unii autoriestimeaz, foarte optimist, eroarea poziionrii la 1,5 m, datorit imprecizieiefemeridelor. Alii afirm ca valoarea amintit reprezint doar efectul impreciziei poziiei


35/55

radiale al sateliilor pe orbite, eroarea total fiind de dou sau de trei ori mai mare.Estimrile se refer la soluia de navigaie obinut cu efemeridele transmise n mesajulde navigaie al semnalelor GPS i recepionate de utilizator.Existena unor servicii specializate care se ocup de determinarea efemeridelor sateliilorGPS au condus, n prezent, la o evaluare mult mai precis a efemeridelor. Aceste date pot

fi puse la dispoziia utilizatorilor autorizai prin internet i cuprind: Constelaia actual a sateliilor (Satellite Health Data); Starea i dezvoltarea planificat a sistemului; Efemeridele precise; Almanahul; Vizibiliti; Ondulaia geoidului; Parametrii rotaiei Pmntului; Firme constructoare de echipamente GPS, etc.

Erori sistematice ale ceasurilorAcestea reprezint efectele instrumentale ale ceasurilor sistemelor emitoare ireceptoare.

n funcie de modul de prelucrare a datelor, influena acestor erori este diferit: pentru faza oscilaiei purttoare (nedifereniat) i ecuaii de faz simplu difereniate:

fluctuaii ale oscilatoarelor (satelitului i receptorului) n ecuaiile dublu difereniate utilizate uzual, efectele fluctuaiilor oscilatoarelor sunt

reduse considerabil, dar nu este eliminat influena negativ a:o abaterii timpului epocii fa de UTC- aceasta este specific receptoarelor i

provoac interpolarea efemeridelor pentru un moment de timp eronat. Eroareaintrodus n msurarea bazei este determinat de produsul erorii de timp cu vitezaunghiular a satelitului.

o Pentru a obine msurtori de baze cu precizie de sub 1ppm este necesarsincronizarea ceasurilor receptorului cu timpul UTC sub ~7ms.

o 2. abaterii timpului nregistrat pentru o epoc, de dou receptoare.o Pentru a obine o eroare sub 1cm, eroarea ceasului receptorului trebuie s fie

meninut sub 3s. Aceast eroare este critic pentru msurtori de nalt preciziei baze scurte.

o driftul ntre dou receptoare: - n general driftul dintre oscilatoarele a doureceptoare nu constituie o problem.

Probleme pot apare dac oscilatoarele nu sunt bine calibrate sau nu se pregtesccorespunztor. n orice caz, drifturile pot fi estimate din diferena ecuaiilor de faz dintrestaii.

Efectul datorat reflexiei semnalelor (efectul multipath)n msurtorile GPS se presupune c semnalul ajunge direct de la satelit la receptor. Daracest lucru nu este ntotdeauna adevrat, alturi de semnalul direct ajungnd la receptor isemnale reflectate datorate contactului cu solul sau alte obiecte, nainte de a atingeantena. Dac diferena de drum parcurs de cele dou semnale (direct i reflectat) esteconsiderabil de mare (mai mare de 10 m) atunci se poate face o difereniere ntre


36/55

semnalul care ajunge direct la receptor i semnalul care a fost reflectat. n cazul n carediferena de drum este mic, apare o incertitudine de determinare a semnalului direct sideci implicit a momentului de timp la care acesta a fost receptat.

Mrimea erorii este de aproximativ: 10 m pentru cod i variaz ncet; 0.01 m pentru faza purttoare i variaz rapid.Pentru a reduce aceast eroare se poate alege atent amplasarea antenei sau seprelungete perioada observaiilor. De asemenea exist metode de diminuare a efectuluide multipath cum ar fi: tehnica procesrii semnalului si utilizarea unor inele de respingerea efectului de multipath (numite choke rings).

Tehnica procesrii semnalului const n analiza separat a semnalului direct fade semnalul reflectat. Acest procedeu este ineficient dac diferena de drum parcurs desemnalul direct i cel indirect este mai mica de civa metrii. Eliminarea semnaluluireflectat implic uneori eliminarea unei pri din semnalul direct fapt ce duce la mrireazgomotului (ceea ce nu este de dorit).

Folosirea inelelor de respingere a efectului de multipath funcioneaz doar n

cazul n care semnalul a fost reflectat de obiecte aflate sub nivelul antenei. Semnalulreflectat atinge partea inferioar a antenei i el este respins. Aceast tehnic nu esteeficient n cazul n care semnalele au fost reflectate de obiecte aflate deasupra antenei.

Totui, majoritatea semnalelor care sunt reflectate de obiecte aflate deasupraantenei determin o diferen mai mare de 10 m ntre drumul parcurs de semnalul directi cel reflectat i eroarea poate fi eliminat prin tehnica procesrii semnalului. Deoarececele dou metode prezentate sunt complementare ca natur este posibil diminuarea eroriide multipath att n cazul n care diferena de drum parcurs de semnalul direct i de celindirect este mare ct i n cazul n care aceasta este mic.

Erorile sistematice ale orbiteiAceste erori sunt datorate interpolrii greite a efemeridelor sau efectului de

disponibilitate selectiv (S.A) introdus de ctre proprietarul sistemului sau pot fi datoratemanevrelor sateliilor.Mrimea erorilor este de aproximativ:

10-20 m pentru efemeridele difuzate; 100 m pentru efemeridele difuzate i efectul de disponibilitate selectiv activat (SA).

Metodele de evaluare a erorilor sistematice ale orbitelor sunt:

presupunerea c poziiile satelitului sunt puncte cunoscute (efemeridele suntconsiderate a fi perfecte);

lucrul n mod diferenial: - diferene de faz (ecuaii de faz nedifereniate cuestimarea erorii de ceas a satelitului). n acest caz eroarea orbiteiva fi inut sub 20 m(nivel 1ppm).

calculul orbitei - se presupune c sateliii sunt noi i se caut rezolvarea acesteiprobleme prin:o introducerea unor erori sistematice geometrice i estimarea a trei translaii (se pot

introduce i rotaii);o introducerea unui model dinamic cu parametri keplerieni (ca i condiii iniiale)

pentru un model de fore.


37/55

Erori sistematice ionosfericeAceste erori sunt datorate influenei mediului de propagare (mediul conine

particule ncrcate electric) la o altitudine ntre 50-1000 km.Mrimea acestor erori sistematice depinde de variaiile elevaiei sateliilor,

variaiile anuale ale ionosferei, exploziile solare, etc.

Influena ionosferei este mai mare pe timpul zilei i mai redus pe timpul nopii.De asemenea se poate observa o ciclicitate a mrimii erorii datorate ionosferei n funciede timp. n ciclul actual valoarea maxim a influenei ionosferei a avut loc n anul 1998iar cea minim n anul 2004. Acest ciclu se repet.

Valoarea erorii datorate ionosferei este mai mare de 10 m i din aceast cauz eatrebuie diminuat.

Unii receptori utilizeaz modele matematice ale efectelor ionosferei. Cunoscndcu aproximare densitatea de particule ncrcate electric din ionosfer (aceste date sunttransmise de ctre satelii), eroarea datorat ionosferei poate fi diminuat cu aproximativ50%.

Eroarea ionosferei este invers proporional cu frecvena semnalului. Cu ct

frecvena semnalului este mai mare cu att impactul ionosferei asupra precizieimsurtorilor este mai mic. Deci, dac se folosesc dou frecvene, este posibil s seelimine eroarea datorat ionosferei. Din aceast cauz sateliii GPS transmit informaii pedou frecvene numite L1 i L2. Receptorii de precizie recepioneaz ambele semnalepentru a putea elimina eroarea ionosferic. Receptorii de precizie sczut recepteaz doar pe frecvena L1. Aceasta este una dintre modalitile principale de difereniere ntretipurile de receptori, cei care recepioneaz dou frecvene se numesc receptori de dublfrecven iar ceilali receptori de simpl frecven.

Erori sistematice troposfericeAceste erori sunt datorate efectelor mediului de propagare ntre suprafaa

Pmntului i altitudini de aproximativ 50-80 km i au dou componente: componenta uscat; componenta umed;

Mrimea erorii este de ordinul a 2-3 m pentru zenit i aproximativ 20 m pentru oelevaie de 10.

Pentru estimarea (sau eliminarea) acestor erori putem:

s le ignorm; s utilizm modele troposferice standard cum ar fi:

o modelul cu atmosfer standard;o modelul cu atmosfer standard i parametri de scar;o modelul cu atmosfer standard i date meteo de suprafa;o

modelul cu atmosfer standard, parametru de scar i date meteo de suprafa; o modelul profilului local de refracie pe vertical. Erori sistematice ale ambiguitii (N)

Eroarea sistematic de ambiguitate este o eroare sistematic cu o amplitudine cedepinde de lungimea de und a purttoarei (). Valoarea ambiguitii este N.

Valoarea ambiguitii este mult mai complex n msurtorile cu dou frecvenedect n cazul msurtorilor cu o frecven.


38/55

n primul caz este foarte greu de a fixa ambiguitatea pentru baze lungi. Dac parametri ambiguitii sunt estimai n procesul de compensare, ei vor fi

afectai de erori sistematice nemodelate ca eroarea orbitei, erori troposferice, etc.Influena acestor erori exprimat n fraciuni de ciclu () scade cu creterea lungimii deund. n lucrul cu dou frecvene se pot utiliza combinaii liniare pentru a mbunti

estimarea ambiguitii.Opiunile de modelare sunt: soluia geometric (pentru observaii cu durata mai mare de 1 or); combinaia purttoarei i codului numai pentru receptoare cu codul P pe benzile L1

sau / i L2. Fixarea ambiguitii este posibil numai dac erorile remanente (N) sunt mai mici

dect jumtate din lungimea de und (N < /2). Propagarea erorilor sistematice i aleatoare n coordonatele staiei depinde de: distribuia pe cer a sateliilor (geometria constelaiei); latitudinea punctului de staie; unghiul minim de elevaie impus; orientarea bazei.

Propagarea erorilor pentru soluiile cu ambiguitile fixate, soluiile cuambiguitile libere i direciile zenitale ale observaiilor, trebuie luat n considerare.

Pentru soluiile cu ambiguiti libere trebuie considerate n plus lungimea arculuii orientarea traiectoriei fiecrui satelit.

Pentru a mbunti rezultatele msurtorilor GPS este important cunoatereageometriei sateliilor i a tipului de compensare prin metoda celor mai mici ptrate(ambiguiti fixate sau libere). n prezent, au fost dezvoltate tehnici de simulare care ajututilizatorii GPS pentru o nelegere mai bun a propagrii efectelor erorilor sistematice ialeatoare n coordonatele geodezice.

n tabelul 2.1 sunt prezentate pe scurt principalele erori, cauzele ce le produc i

modul n care ele pot fi reduse sau chiar eliminate.Trebuie explicat ce se nelege prin folosirea metodelor difereniale deoarece

aceasta este cea mai frecvent utilizat metod de eliminare a erorilor. Presupunnd cdispunem de doi receptori relativ apropiai unul de cellalt. n acest caz erorile orologiilorsateliilor, erorile orbitelor sateliilor, eroarea ionosferei, a troposferei i disponibilitateaselectiv influeneaz n acelai mod ambii receptori. Dac se cunoate poziia exact aunuia dintre receptori atunci putem folosi aceste date pentru a calcula erorile ce au

intervenit n cadrul msurtorii iar aceste valori pot fi folosite pentru a corecta dateleobinute de la cellalt receptor.

Receptorul care se gsete pe punctul cunoscut se numete receptor fix sau baziar cel care se gsete pe punctul ce trebuie determinat se numete receptor mobil sar

rover. n determinarea coreciilor ce se aplic receptorului mobil este importantcunoaterea cu precizie a poziiei punctului fix.

Distana dintre receptorul fix si cel mobil se numete baz. Cnd baza este scurt(distana dintre cei doi receptori este mic) domeniile de erori ai celor doi receptori suntaproape identice i n acest caz se pot folosi coreciile determinate pentru receptorul fix i pentru receptorul mobil. Cu ct lungimea bazei este mai mare cu att corelaia dintredomeniile de erori ale celor doi receptori este mai slab rezultnd erori reziduale. Ca iregul ne putem atepta la o scdere a preciziei de determinare cu 1 mm atunci cnd


39/55

baza se mrete cu 1 km i se utilizeaz pentru msurtori receptori de dubl frecven.Pe scurt putem spune c eroarea crete cu 1 ppm (o parte pe milion). n cazul receptorilorde simpl frecvena eroarea crete cu 2 ppm.

Prin metode difereniale se pot elimina majoritatea erorilor excepie eroarea demultipath i eroarea receptorilor.

Eroarea receptorului (sau zgomotul) este de aproximativ 10 cm pentru msurarea prin cod i de 1 mm pentru msurarea cu ajutorul fazei purttoare. Pe de alt parteeroarea de multipath poate fi de ordinul metrilor n cazul determinrilor cu ajutorulcodului i de ordinul centimetrilor pentru faza purttoare. Astfel, eliminarea erorii demultipath combinat cu folosirea metodelor difereniale duce la o precizie de ordinulmilimetrilor n cazul utilizrii fazei purttoare i de ordinul decimetrilor n cazul utilizriicodului.

Tabel 5 Tipuri de erori

Tipul de eroare Cauze Corectare

Diminuareapreciziei geometrice

a rezultatelor

Proasta configuraie aconstelaiilor n momentul

observaiilor

Executarea observaiilorn perioada n care

configuraia sateliiloreste cea mai bun

Eroarea

efemeridelor

Variaia poziiei teoretice asateliilor de-a lungul orbitei

lor

Folosirea metodelor

difereniale

ntrziereaionosferic

ncetinirea vitezei semnaluluidatorat traversrii ionosferei

Folosirea metodelor

diferenialentrzierea

troposfericncetinirea vitezei semnalului

datorat traversrii

troposferei

Folosirea metodelordifereniale

Tipul de eroare Cauze Corectare

Defazajul

orologiilor sateliilorEroarea n msurareatimpului din partea

orologiilor la bordulsatelitului

Folosirea metodelor

difereniale

Eroarea orologiuluide la receptor

Eroarea n msurareatimpului de parcurgere al

semnalului din partea

receptorului

Este calculat i eliminatfolosind observaiile a

patru satelii

Receptor zgomotos Obstrucii sau alte cauzelocale

Dificil de eliminat

Starea de

funcionare asatelitului

Erori cu privire la un satelit

determinat datorit proasteisale funcionri

Satelitul nu poate fi

folosit

UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN TIMIOARA


40/55

FACULTATEA DE CONSTRUCIISPECIALIZAREA: MSURTORI TERESTRE I CADASTRUANUL: IV


3 ALTE SISTEME DE POZIIONARE GLOBAL PRINSATELII

3.1 SISTEMUL GLONASS Domeniile de utilizare a sistemului GLONASS sunt urmatoarele:

managementul traficului aerian i naval cu accent pe creterea siguranei; geodezie i cartografie; monitorizarea transportului terestru; sincronizarea ca timp a dou obiecte aflate la distan; monitorizarea ecologic, organizarea operaiunilor de cutare i salvare.

Performanele sistemului GLONASSSistemul GLONASS este controlat de guvernul Federaiei Ruse prin intermediul Forelor

Spaiale Ruse. Acest sistem va acorda beneficii comunitii utilizatorilor civili prin intermediulunei game variate de aplicaii. Sistemul GLONASS are dou tipuri de semnale de navigaie:semnalul standard de navigaie, de precizie redus SP i semnalul de mare precizie HP. Sis temelede poziionare i timp prin intermediul semnalului SP sunt disponibile tuturor utilizatorilor civilin mod continuu pe tot globul pmntesc i asigur o precizie de poziionare orizontal de 57-70m, o precizie a poziionrii verticale de 70 m. Aceste caracteristici pot fi n mod semnificativmbuntite folosind modul diferenial de navigaie i metode speciale de msurare (de exemplu

prin intermediul fazei purttoare)

Modul de funcionare al sistemul GLONASSPentru obinerea unei poziionri 3D, a determinrii vitezei sau a timpului, utilizatorii

sistemului GLONASS folosesc semnale radio de navigaie care sunt transmise continuu de satelii.Fiecare satelit GLONASS transmite dou tipuri de semnale: semnalul de precizie standard SP isemnalul deprecizie ridicat H. Banda L1 A semnalului SP are o frecven divizat ca multiplu defrecvena de baz L: L1=1602MHz+n*0,5625MHz, unde n este numrul canalului de frecven(n=0,1,2,...). Aceasta nseamn c fiecare satelit transmite pe frecvena proprie.Totui unii sateliitransmit pe aceeai frecven dar aceti satelii sunt poziionai la antipozi pe orbitele satelitare astfelnct nu pot s apar concomitent pe cerul vizibil utilizatorilor. Receptorii GLONASS nregistreazautomat semnalele GLONASS de la cel puin 4 satelii i msoar pseudodistana pn la ei.

Simultan ei selecteaz i proceseaz mesajele de navigaie de la satelii. Computerul din receptorulGLONASS proceseaz toate datele de intrare i calculeaz trei coordonate, trei componente devitez i timpul precis.

Componentele sistemului GLONASSSistemul GLONASS include trei pri:

constelaia GLONASS sistemul de control la sol receptorii GLONASS


41/55

Tabelul 6. Constelaia GLONASS

GLONASS

Descrierea constelaieiNumr de satelii 24 activi (constelaia complet)

Geometrie 3 planuri, 8 satelii pe fiecare planOrbita

MEO - 19,100 km (10,313 nmi) circular, nclinare de64.8

Perioada orbitei 11 ore 15 minute

Acoperire Global

Capabiliate operaionaliniial (IOC)

1993 Septembrie

Ca pabilitate operaionalfinal (FOC)

-

Coordonat de:Guvernul Federaiei Ruse prin intermediul Forelor

Spaiale Ruse

Constelaia GLOANSS Complet va fi compus din 24 de satelii mprii n 3 planuriorbitale care fac un unghi diedru de 1200ntre ele. Cte 8 satelii sunt plasai la distane egale pefiecare orbit. n afar de unghiul pe care l fac ntre ele, cele trei planuri orbitale au o nclinaiede 150

Fiecare satelit GLONASS se mic pe o orbit aflat la o altitudine de 19100 km i fiecare satelit parcurge complet orbita n aproximativ 11 ore i 15 minute. Sateliii sunt astfel dispui pe orbiteastfel nct din orice punct de pe pmnt sfie vizibil minim 5 satelii cu o geometrie adecvat. Datorit acestui fapt sistemul GLONASS asiguro acoperire complet i performant pentru observaiile de navigaie.

O caracteristic a constelaiei GLONASS este aceea c un satelit va ocupa aceeai poziiedup 8 zile. Cum fiecare plan orbital conine 8 satelii, nu exist o repetare identic dup o zi sideraldeoarece aceea poziie va fi ocupat de alt satelit. Acest lucru estediferit fa de constelaia GPS

unde exist o repetare identic dup o zi sideral.Datorit situaiei economice din Rusia, n aprilie 2002 erau operaionali doar 8 satelii

ceea ce fcea aproape inutil sistemul de navigaie.Deoarece situaia economic a Rusiei s-a

Tehnologii_Geodezice_Spatiale La Capitolul 3.

Documents

Transcript of Tehnologii_Geodezice_Spatiale La Capitolul 3.