jacek lamparski navstar_gps_od_teorii_do_praktyki.pdf
(
4453 KB
)
Pobierz
Podręcznik przydatny do
geodezji satelitarnej
UWMSC
Jacek Lamparski
NAVSTAR G
PS
OD TEORII DO PRAKTYKI
wydawnictwo
Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego
Olsztyn 2001
Kolegium Wydawnicze UWM
Przewodniczący
Jerzy Dziuba
Redaktor Działu
Alojzy Wasilewski
Spis treści
Przedmowa........................................................................................................................... 7
Wstęp ........ ....................................................................................................................9
1. OGÓLNY OPIS SYSTEMU NAYSTAR GPS ...................................................................21
1.1. Rys historyczny ..........................................................................................................21
1.2. Ogólna zasada działania systemu NAYSTAR GPS..................................................23
1.3. Konstelacja satelitów GPS ........................................................................................27
1.4. Charakterystyka orbit satelitów GPS ......................................................................41
2. PODSTAWY TEORII RUCHU SATELITÓW NAYSTAR................................................43
2.1. Ogólne zasady ruchu satelitów .................................................................................43
2.2. Obliczanie chwilowych elementów orbity keplerowskiej ........................................46
2.3. Perturbacje ruchu satelitów GPS .............................................................................48
2.4. Obliczenie współrzędnych satelitów GPS w układzie WGS84 ...............................50
3. SYGNAŁ SATELITY GPS ................................................................................................53
3.1. Status sygnału satelity GPS .....................................................................................53
3.2. Charakterystyka częstotliwości sygnałów GPS .......................................................54
3.3. Degradacja sygnału i możliwości jego odbioru......................................................... 56
3.4. Organizacja danych przesyłanych z satelity GPS ...................................................59
3.5. Zawartość depeszy satelitarnej .................................................................................60
4. ODBIORNIKI GEODEZYJNE GPS .................................................................................64
4.1. Ogólna charakterystyka odbiorników GPS..............................................................64
4.1.1. Środowisko pracy odbiorników GPS ...............................................................64
4.1.2. Precyzyjny serwis pozycyjny - PPS ................................................................65
4.1.3. Standardowy serwis pozycyjny - SPS ............................................................65
4.2. Działanie odbiornika GPS .........................................................................................67
4.2.1. Ogólne zasady pracy odbiornika GPS ............................................................67
4.2.2. Śledzenie kodu C/A..........................................................................................71
4.2.3. Śledzenie nośnej ...............................................................................................72
4.2.4. Odbiór danych ..................................................................................................72
4.2.5. Nawigacja .........................................................................................................72
4.2.6. Charakterystyka dokładności odbiornika nawigacyjnego.............................73
4.3. Parametry odbiorników nawigacyjnych ................................................................... 73
4.4. Wielkości mierzone przez odbiornik GPS ................................................................74
4.5. Najpoważniejsze ograniczenia dokładności odbiorników systemu GPS ................75
4.6. Odbiorniki geodezyjne GPS....................................................................................... 76
5. OBLICZANIE WSPÓŁRZĘDNYCH W POMIARACH GPS........................................... 78
5.1. Pomiar kodu pseudoodległości.................................................................................. 78
5.2. Pomiar dopplerowski .................................................................................................80
5.3. Pomiar fazy fali nośnej ..............................................................................................81
5.4. Tworzenie obserwacji różnicowych ...........................................................................84
5.5. Obliczanie nieoznaczoności w pomiarach fazowych ................................................88
5.6. Obliczanie współczynników DOP ..............................................................................92
6. UWZGLĘDNIANIE WPŁYWU JONOSFERY I TROPOSFERY W POMIARACH GPS .... 95
6.1. Wpływ zaburzeń jonosferycznych na pomiary GPS ................................................95
6.1.1. Charakterystyka zaburzeń jonosferycznych ..................................................95
6.1.2. Algorytm obliczania opóźnienia grupowego zastosowany w systemie GPS ..... 98
6.1.3. Uwzględnienie wpływu jonosfery w pomiarach LI i L2 pseudoodległości ..... 103
6.1.4. Uwzględnianie wpływu jonosferycznego w pomiarach fazowych LI i L2....... 104
6.1.5 Kombinacja pomiarów pseudoodległości i fazy ............................................ 107
Recenzenci
Władysław Góral
Roman Kadaj
Redakcja wydawnicza
Jolanta Mieszkalska
Projekt okładki Maria
Fafińska
ISBN 83-7299-144-8
Podręcznik dofinansowany przez MEN
© Copyright by Wydawnictwo UWM Olsztyn 2001
Wydawnictwo UWM
Olsztyn 2001 Wydanie
pierwsze, nakład 1500+50 egz.
Ark. wyd. 36,5, art. druk. 34,25 Druk: Zakład
Poligraficzny UWM w Olsztynie, zam. nr 688
616. Wpływ zaburzeń jonosferycznych na dokładność wyznaczeń
w różnicowym GPS (Differential GPS) ........................................................ 109
6.2. Wpływ zaburzeń troposferycznych na pomiary GPS ............................................ 110
6.2.1. Ogólna charakterystyka zaburzeń troposferycznych .................................. 110
7 TECHNOLOGIE WYKORZYSTANIA POMIARÓW FAZOWYCH
W WYZNACZANIU WSPÓŁRZĘDNYCH PUNKTÓW ................................................ 117
7.1. Podział metod pomiarowych GPS ........................................................................... 117
7.2. Przegląd metod pomiarowych ................................................................................. 120
7.2.1. Wyznaczenie pozycji pojedynczego punktu (Point Positioning).................. 120
7.2.2. Różnicowy GPS (Differential GPS - DGPS) ................................................ 121
7.2.3. Względne wyznaczenie pozycji (Relative Positioning) ................................ 122
7.3. Opis metod względnego wyznaczania pozycji ........................................................ 124
7.3.1. Metoda statyczna ........................................................................................... 124
7.3.2. Metoda kinematyczna ................................................................................... 126
7.3.3. Metoda pseudokinematyczna ........................................................................ 129
8. PLANOWANIE OBSERWACJI GPS .............................................................................. 131
8.1. Ogólne zasady planowania obserwacji GPS ........................................................... 131
8.2. Zaplanowanie i przygotowanie kampanii pomiarowych ....................................... 132
8.2.1. Planowanie obserwacji .................................................................................. 132
8.2.2. Wywiad terenowy...........................................................................................132
8.2.3. Ustalenia ........................................................................................................ 133
8.2.4. Planowanie wstępne ...................................................................................... 138
8.2.5. Kryteria dokładnościowe i ekonomiczne ...................................................... 143
8.2.6. Analiza elementarnych warunków pomiarów ............................................. 143
8.2.7. Wybór techniki pomiaru ................................................................................ 154
8.2.8. Organizacja sesji pomiarowych..................................................................... 154
8.2.9. Wyposażenie ekipy pomiarowej GPS ............................................................ 158
9. PRACE POLOWE............................................................................................................ 159
9.1. Zakres prac polowych .............................................................................................. 159
9.2. Ustawienie anteny ................................................................................................... 159
9.3. Połączenie anteny z odbiornikiem .......................................................................... 160
9.4. Uruchomienie odbiornika ........................................................................................ 161
9.5. Prowadzenie dziennika polowego ........................................................................... 163
10. OPRACOWANIE POMIARÓW....................................................................................... 170
10.1. Ogólne zasady opracowania pomiarów................................................................. 170
10.2. Transfer danych ..................................................................................................... 1 72
10.3. Opracowanie danych .............................................................................................. 173
10.4. Baza danych ........................................................................................................... 182
10.5. Programy dostosowawcze ...................................................................................... 182
10.6. Oprogramowanie Locus Processor ........................................................................ 183
10.6.1. Ogólny opis oprogramowania.................................................................... 183
10.6.2. Wymagania systemowe ............................................................................. 183
10.6.3. Praca w programie..................................................................................... 184
10.6.4. Poruszanie się w programie ...................................................................... 185
10.6.5. Zgrywanie zbiorów obserwacji do komputera .......................................... 189
10.6.6. Tworzenie raportów i eksport danych ...................................................... 193
10.6.7. Eksport danych .......................................................................................... 194
11. FORMATY RINEX ..........................................................................................................196
11.1. RINEK dla GPS...................................................................................................... 196
11.2. Formaty RINEK dla GLONASS............................................................................208
12. OBLICZANIE WYSOKOŚCI W POMIARACH GPS
12.1. Ogólne zasady wyznaczania wysokości """"""-------.....216
12.2. Obliczanie wysokości ortometrycznej lu^nirmal^p^z^w^zyianiu""'''"
216
znanych wartości
N.....
y
w
^
Korz
y
sta
niu
12.3. Estrapolacja lub i
n
t
i
'
"
'
'
"
"
"
"
"
"
"
"
"
12.4. Matematyczna transformacja do układu wysokościowego..................................222
12.5. Niwelacja klasyczna a niwelacja satelitarna .......................................................224
13. KONSTRUOWANIE PRZESTRZENNYCH SIECI SATELITARNYCH ......................225
13.1. Wprowadzenie ........................................................................................................225
13.2. Konstruowanie sieci wektorów GPS .....................................................................225
13.3. Budowanie sieci satelitarnych - przykłady różnych konstrukcji sieci...............227
13.4. Wyrównywanie przestrzennych sieci satelitarnych.............................................234
13.4.1. Wyrównywanie sieci za pomocą znanych programów .............................234
13.4.2. Ogólne zasady realizacji wyrównania sieci satelitarnej .........................235
14. UKŁADY WSPÓŁRZĘDNYCH I ICH TRANSFORMACJE.........................................239
14.1. Układy podstawowe ...............................................................................................239
14.2. Układ odniesienia WGS84.....................................................................................241
14.2.1. System współrzędnych WGS84.................................................................241
14.2.2. Elipsoida WGS84 .......................................................................................243
14.2.3. Pole grawitacyjne WGS84 .........................................................................245
14.2.4. Geoida WGS84 ...........................................................................................246
14.3. Modele transformacji .............................................................................................247
14.3.1. Ogólne zasady transformacji.....................................................................247
14.3.2. Dwuwymiarowa transformacja podobieństwa......................................... 253
14.3.3. Najczęściej stosowane modele transformacji przestrzennej ...................254
14.3.4. Wyznaczanie parametrów transformacji..................................................267
14.4. Metoda transformacji za pomocą równań regresji wielokrotnej ........................275
14.5. Transformacja lokalnych współrzędnych geodezyjnych do układu WGS84
(z zastosowaniem modelu Mołodienskiego) ..........................................................277
14.6. Przykłady zastosowań modeli transformacji .......................................................278
15. UKŁADY WSPÓŁRZĘDNYCH STOSOWANE W POLSCE I ICH RELACJE WZGLĘDEM
GLOBALNEGO UKŁADU WGS84 ......................................................................281
15.1. Ogólne zasady realizacji układów .........................................................................281
15.2. Układy przestrzenne..............................................................................................281
15.3. Układy płaskie
x,y.
.................................................................................................284
15.4. Relacje między układami używanymi w Polsce a układem globalnym WGS84 292
16. GLONASS - ROSYJSKI SATELITARNY SYSTEM NAWIGACYJNY ....................... 310
16.1. Założenia ogólne budowy systemu GLONASS .....................................................310
16.2. Ogólny opis systemu GLONASS ........................................................................... 311
16.3. Częstotliwości satelitów GLONASS .....................................................................317
16.4. Depesza nawigacyjna.............................................................................................321
16.5. Informacje statyczne - almanach systemu ..........................................................328
16.6. Obliczenie efemeryd satelitów GLONASS na bieżący czas obserwacji.....
16.7. Algorytm obliczenia współrzędnych satelity i składowych jego prędkości na
podstawie danych z almanachu ..............................................................
17. ZASTOSOWANIA MILITARNE SYSTEMU GPS
.........................................................334
17.1. Rys historyczny powstania systemu .....................................................................334
17.2. Fazy rozwoju systemu ...........................................................................................337
17.3. Rozwój poszczególnych segmentów systemu........................................................341
17.4. Przegląd zastosowań militarnych systemu GPS .................................................348
17.4.1. Zalety systemu ................................................................:..........................348
17.4.2. Dowodzenie, kontrola, komunikacja i wywiad - (C
3
!).............................348
.330
.331
17.4.3. Precyzyjny czas z satelitów GPS ..............................................................350
17
AA.
Operacje taktyczne .................................................................................... 351
17.5. Przykłady wykorzystania GPS w działaniach armii USA ..................................361
17.6. Przykłady wykorzystania systemu NAYSTAR GPS w działaniach armii polskiej ... 364
18. SYSTEM GPS W ZASTOSOWANIACH CYWILNYCH................................................ 373
18.1. Ogólny przegląd zastosowań GPS.........................................................................373
18.2. Zastosowania systemu GPS na morzu ................................................................. 376
18.3. Zastosowania lądowe .............................................................................................382
18.4. Zastosowania w lotnictwie.....................................................................................397
18.5. Zastosowania GPS w systemach GPS/GIS...........................................................407
18.5.1. Ogólne zasady współdziałania GPS z GIS ...............................................407
18.5.2. System ProMark X-CM .............................................................................410
18.5.3. Zintegrowany system GPS/GIS do pomiarów dynamicznych AFPS ......412
19. RÓŻNICOWY (DIFFERENTIAL) GPS ..........................................................................423
19.1. Ogólne założenia systemu różnicowego DGPS ....................................................423
19.2. Główne źródła błędów w pomiarach GPS .............................................................425
19.2.1. Błędy wynikające z SA(Selective Availability - selektywna dostępność) ..425
19.2.2. Opóźnienie jonosferyczne ..........................................................................425
19.2.3. Opóźnienie troposferyczne ........................................................................426
19.2.4. Błędy efemeryd (pozycji satelity)..............................................................427
19.2.5. Błędy zegara satelity .................................................................................427
19.3. Metody pomiaru w DGPS ......................................................................................427
19.3.1. Zasady ogólne .............................................................................................427
19.4. Stacja referencyjna ................................................................................................429
19.4.1. Ogólne zasady funkcjonowania stacji referencyjnej ................................429
19.4.2. Stacja monitorująca ...................................................................................430
19.4.3. Stacja kontrolna systemu..........................................................................432
19.5. Wyposażenie użytkownika DGPS .........................................................................433
19.6. Przesyłanie i odbiór poprawek różnicowych ........................................................434
19.6.1. Ogólne zasady przesyłania poprawek ......................................................434
19.6.2. Technika pseudolite (pseudosatelita) .......................................................435
19.6.3. Operacje kinematyczne w czasie realnym ...............................................435
19.7. Standardy RTCM ...................................................................................................436
19.8. Zastosowania technologii DGPS ...........................................................................441
Dodatek A. PROGRAM AOSS............................................................................................... 442
Planowanie sesji pomiarowej ............................................................................466
Przykładowe obliczenie sieci .............................................................................472
Dodatek B. CHARAKTERYSTYKA ODBIORNIKÓW GPS UŻYWANYCH W POLSCE ... 474
Charakterystyka odbiorników firmy TRIMBLE..............................................475
Charakterystyka odbiorników firmy ALLEN OSBORNE ASSOCIATES ......481
Charakterystyka odbiorników firmy ASHTECH.............................................484
Charakterystyka odbiorników firmy WILD-LEICA ........................................494
Charakterystyka odbiorników firmy CARL ZEISS .........................................498
Dodatek C. UKŁADY ODNIESIENIA UŻYWANE PRZEZ GEODETÓW .........................501
Odwzorowania używane przez geodetów ......................................................... 508
Dodatek D. OPERAT POMIARU SATELITARNEGO .........................................................509
Piśmiennictwo ........................................................................................................................533
Indeks ......... .........................................................................................................................541
Przedmowa
Dynamiczny rozwój zastosowań cywilnych oraz skuteczność systemu
NAYSTAR GPS w działaniach militarnych spowodowały duże zaintereso-
wanie systemem wielu jego potencjalnych użytkowników. Mimo iż system
stał się w pełni operacyjny i skuteczny dopiero pod koniec 1997 r., wiele
ośrodków naukowych na świecie oraz w Polsce rozwijało badania i wdrażało
nowe technologie, wykorzystujące system GPS w zastosowaniach prak-
tycznych już od początku lat osiemdziesiątych.
W Polsce od wielu już lat badaniami dotyczącymi wykorzystania syste-
mów satelitarnych w geodezji zajmuje się kilka ośrodków naukowych, spośród
których należy wymienić: Zakład Geodezji Planetarnej Centrum Badań
Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk, Instytut Geodezji Wyższej i
Astronomii Geodezyjnej Politechniki Warszawskiej, Instytut Geodezji i
Kartografii w Warszawie, Katedrę Geodezji i Fotogrametrii Akademii
Rolniczej we Wrocławiu, Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska
Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, Instytut Geodezji Uniwersytetu
Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie.
Możliwość szybkiego i precyzyjnego wyznaczenia współrzędnych za po-
mocą GPS spowodowała duże zainteresowanie tą technologią, tym bardziej że
przy pełnej automatyzacji odbiorników GPS i dostępie do firmowego
oprogramowania stosunkowo łatwo jest uzyskać szukane współrzędne.
Obecnie na rynku krajowym odczuwa się brak literatury kompleksowo
opisującej zasady korzystania z systemu GPS.
Niniejsze opracowanie jest próbą opisania systemu w sposób dający
możliwość zrozumienia jego funkcjonowania każdemu z jego potencjalnych
użytkowników. Dokładnie i w przystępny sposób omówiono wykorzystanie
systemu w geodezji.
Jako autor opracowania zaprosiłem do współpracy w zredagowaniu
rozdziałów poświęconych wykorzystaniu Systemu NAYSTAR w zastosowa-
niach militarnych i cywilnych inż. Tadeusza Popławskiego - specjalistę w
aplikacjach GPS w różnorodnych dziedzinach gospodarki. Inżynier Tadeusz
Popławski jest absolwentem Wydziału Geodezji Uniwersytetu w Mamę w
USA. Studiował pod kierunkiem profesora Alfreda Leicka, uznanego w
świecie autorytetu w geodezji satelitarnej. Po studiach - jako pionier
wykorzystania systemu GPS w geodezji - uczestniczył w realizacji wielu
różnorodnych projektów, zarówno badawczych, jak i utylitarnych. Obecnie
jako specjalista systemów nawigacyjnych jest właścicielem firmy konsul-
tingowej w USA.
Jacek Lamparski
7
Wykaz ważniejszych oznaczeń
alfa
- duża półoś orbity (dla satelity GPS = 26 560 km),
(a)1/2 - pierwiastek kwadratowy dużej półosi,
alfa zero -
duża półoś orbity w chwili
t
Q
,
a,b,c,-
parametry związane z kształtem i rozmiarami przyjętej elipsoidy
odniesienia
ae-
duża półoś elipsoidy ziemskiej,
a0
—
pierwszy wyraz wielomianu poprawki zegara satelity,
a1
- drugi wyraz wielomianu poprawki zegara satelity,
A
1
= stała nocna = 5 10
-9
s
A
2
= a
1
+
a
2
&
m
+
a
3
<Pj +
a
4
</>
m
3
,
A
3
= faza -
godz. 14 czasu lokalnego,
A
4
= ^ + / ? A + b
3
<Z>
m
2
+ b40
m
3
,
A — macierz rotacji ruchów bieguna,
b -
mała półoś (elipsy orbity satelity, elipsoidy odniesienia),
b / a = l -f (f-
spłaszczenie elipsoidy),
B — macierz czasu gwiazdowego,
C — macierz nutacji,
D - macierz precesji,
c —
prędkość światła w próżni,
Cjj dj =
1,2,3) - parametry transformacji, które są funkcjami 3 kątów obrotów osiowych
oraz parametru zmiany skali,
q =77,64 (K -mb-
1
), c
2
=-12,96 (K -mb-
1
),
c
3
=3,718 lOSOP-mb-
1
),
C
rs
—
amplituda wyrazu harmoniki sinusowej promienia orbity,
C
uc
-
amplituda wyrazu harmoniki cosinusowej argumentu szerokości,
C
us
-
amplituda wyrazu harmoniki sinusowej argumentu szerokości,
C
ic
-
amplituda wyrazu harmoniki cosinusowej kąta nachylenia orbity,
Ci
s
—
amplituda wyrazu harmoniki sinusowej kąta nachylenia orbity,
C
rc
-
amplituda wyrazu harmoniki cosinusowej promienia orbity,
Db/b—
błąd względny bazy,
dX, dY, dZ -
przesunięcia początku układu WGS84 względem środka układu elipsoidy
Krasowskiego (1940),
D
—
wartość wyznacznika macierzy A,
11
Plik z chomika:
TomaszKarpinski
Inne pliki z tego folderu:
geodezja satelitarna rogowski kłęk 2009.rar
(88220 KB)
GWSAG_egzinz2.pdf
(56 KB)
Precesja i nutacja.doc
(105 KB)
GS 2.pdf
(6686 KB)
geodezja satelitarna 2 część wykładów.pdf
(4602 KB)
Inne foldery tego chomika:
Fizyka
Fotogrametria i teledetekcja
Geodezja wyższa
Kartografia
Matematyka
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin