METODE DE MÃSURARE GPS

Initial, receptoarele GPS au avut ca scop determinarea coordonatelor punctelor retelei geodezice de sprijin acolo unde metodele clasice deveneau foarte costisitoare. Datorita evolutiei foarte rapide a tehnologiei GPS in multe alte sectoare de activitate si a diversificarii aparaturii, utilizarea receptoarelor s-a extins si la determinarea coordonatelor punctelor de detaliu.

Conceptul de retea geodezica de sprijin a capatat alta semnificatie prin introducerea tehnologiei GPS. Astfel, a disparut elementul cel mai greoi: vizibilitatea intre punctele retelei. Sigur, metodologia GPS nu rezolva toate problemele geodeziei, exista elemente care perturba calitatea datelor sau chiar compromit masuratorile (Capitolul 1.3). Cea mai importanta conditie in obtinerea unor rezultate bune este vizibilitatea cerului din punctul in care se stationeaza cu receptoare GPS. Astfel, nu se pot efectua determinari in paduri sau in liziere, de asemenea in zonele urbane cu cladiri foarte mari, etc. De asemenea trebuie estimata perioada de masurare pentru a avea GDOP-ul foarte bun. Acest parametru arata geometria satelitilor care trebuie sa fie optima (Cpitolul 4.1, 4.2). Facand o analogie cu topografia clasica, este similar cu a avea la retrointersectie puncte cu coordonate cunoscute raspandite optim in cele patru cadrane.

1. Retele geodezice.

Pentru a intelege mai bine utilizarea eficienta a metodelor de masurare vom prezenta, pe scurt, cateva considerente privind modul de realizare a unei retele geodezice.

In Volumul II al cursului de Topografie - Geodezie am prezentat o clasificare a retelelor geodezice, masuratorile efectuate, datumul geodezic, etc. Consideratiile din acest capitol sunt strict legate de realizarea retelelor geodezice folosind receptoarele GPS si metoda combinata: statii totale si receptoare GPS. Dupa cum a fost prezentat in Capitolul 2, pe piata exista in acest moment o gama complexa de statii totale si receptoare GPS. Pentru fiecare tip de retea trebuie ales un anumit tip de aparat care sa corespunda preciziei finale a retelei. Astfel, pentru retelele cu scop cadastral, precizia finala poate fi de cativa centimetri. Pentru retelelele geodezice care au ca scop determinarea miscarilor placilor crustale se impun precautii speciale pentru obtinerea unei precizii milimetrice. In acest caz marcarea punctelor se realizeaza astfel incat aparatele de masurat (receptoare GPS, statii totale) sa poata fi amplasate direct si fortat pe punct. Se elimina erorile de centrare a aparatelor pe punct si determinarea inaltimii aparatului. De asemenea, pentru aparatura de tip GPS, timpul de stationare pe punct se mareste foarte mult. Atunci cand nu este necesara o precizie foarte mare, de exemplu pentru realizarea retelelor utilizate in lucrarile curente (ridicari topografice pe suprafete mici, planuri cadastrale, etc), aparatura poate fi mai slaba ca precizie, iar metodele de masurare GPS nu sunt atat de pretentioase.

Trebuie remarcat ca nu toate statiile totale pot fi utilizate pentru realizarea retelelor geodezice, la fel si receptoarele GPS. Fiecare aparat are trecut in prospect precizia de masurare, distantele la care pot fi folosite, timpul de sationare pentru a obtine o anumita precizie, etc.

Astfel, putem face o clasificare a retelelor geodezice din doua puncte de vedere:

functie de aparatura utilizata;

functie de scop.

1.1 Clasificarea retelelor geodezice functie de aparatura utilizata.

Aparatura utilizata la realizarea retelelor geodezice de sprijin a avut in ultimii 20 de ani o ascensiune spectaculoasa. Daca la inceputul anilor 80 vorbeam de teodolit combinat cu un aparat electronic sau electrooptic de masurat distante, azi vorbim de statiile totale capabile sa calculeze in teren toate elementele definitorii pentru a obtine coordonate intr-un anumit sistem de proiectie (atentie la formulele utilizate pentru reducerea distantei la planul de proiectie dorit!) si, cu utilizarea de coduri, chiar sa poata realiza planuri topografice pe loc. De asemenea vorbim de tehnologia GPS care poate furniza coordonate necesare ridicarilor topografice in zone in care reteaua geodezica a disparut sau nu este suficient de densa pentru necesitatile lucrarilor de executat.

Retelele astfel realizate sunt legate la sistemul de coordonate Stereografic 1970, la alte sisteme utilizate (Gauss Kruger, UTM, local minier, local pentru localitati, etc.) sau devin sisteme locale.

1.1.1. Realizarea retelelor geodezice utilizand teodolite de mare precizie (Theo 010, Wild T2, Wild T3, etc). Desigur, aceasta combinatie nu mai este utilizata de foarte mult timp, dar a fost utilizata o perioada atat de indelungata incat trebuie mentionata. In acest tip de retea este necesara masurarea cel putin a unei distante pentru stabilirea scarii (a planului de proiectie). Aceasta operatie se realiza ( asa cum s-a realizat si in reteaua geodezica nationala) cu ajutorul firului de invar. Desigur, operatiile de determinare a directiilor orizontale intr-o statie dura foarte mult. Numarul de serii era stabilit in functie de precizia dorita pentru coordonatele finale. De asemenea, distantele determinate cu firul de invar cereau doua echipe formate fiecare din cel putin patru persoane si pe o durata de luni de zile.

Punctele sunt semnalizate sau sunt stationate cu trepiezi si mirete.Precizia finala a coordonatelor nu era foarte buna pentru retelele mari ca intindere (reteaua geodezica a Romaniei), dar pentru retele cu intindere mica si cu foarte multe masuratori, precizia devine acceptabila. Sigur, in prezent costurile realizarii unei retele geodezice cu asemenea tip de aparatura nu se mai justifica.

1.1.2. Realizarea retelelor geodezice utilizand statii totale. Este cea mai utilizata metoda pentru realizarea retelelor geodezice de mica intindere. Se masoara toate directiile posibile. Numarul de serii pentru directiile orizontale este ales functie de precizia finala a retelei, dar se tine cont ca se masoara toate distantele posibile dus intors intre doua puncte ale retelei si aceasta mareste considerabil precizia. Ponderea unei distante masurata corect este de cateva ori mai mare decat ponderea unei directii. Pentru a efectua masuratori cat mai corect, trebuie ca punctele vizate sa fie semnalizate sau stationate cu trepied si tinta de vizare. In cazul retelelor geodezice la care nu este nevoie de precizie foarte mare se poate viza si pe un jalon care corespunde tehnic (vertical si cu nivela verificata).

Desigur, precizia finala depinde nu numai de numarul seriilor efectuate sau de faptul ca s-au masurat toate distantele dus intors ci si de precizia statiei totale utilizate. Daca precizia este de 30^cc, atunci se poate obtine o eroare pe coordonata conform formulei:

(1)

In care:

e este precizia coordonatei;

D este distanta in metri dintre doua puncte ale retelei.

De exemplu, la o precizie de 30^cc a statiei totale, eroarea aferenta pe coordonata la o distanta de 1 kilometru este de 4.7 centimetri, fara a mai adauga erorile datorita punctarii, masurarii distantei, etc. Este doar eroarea aferenta preciziei statiei totale pe directie.

Trebuie amintit aici ca pot apare erori sistematice datorita utilizarii defectuoase a statiei totale sau a modificarii unor parametri in programul intern al statiei totale. Cea mai periculoasa eroare este legata de constanta prismei. Fiecare statie totala are niste prisme ale ei. Constructorul a introdus in programul de masurare aceasta constanta. In cazul utilizarii unor seturi de prisme care nu au aceeasi constanta, distantele sunt eronate. In acest caz statia totala trebuie setata din program pentru schimbarea constantei prismei. De asemenea, daca se modifica din greseala constanta prismei in programul statiei totale, toate distantele vor fi eronate. Din acest motiv este necesar ca zilnic sa se masoare o distanta cunoscuta cu statiile totale din dotare si cu seturile de prisme utilizate pentru a verifica constanta prismei. Nu este obligatoriu, dar daca se determina si un unghi ca diferenta a doua directii (obligatoriu media celor doua pozitii) este un control al directiilor.

1.1.3. Realizarea retelelor geodezice folosind receptoare GPS. Este utilizata atunci cand reteaua geodezica se intinde pe suprafete foarte mari si statiile totale nu sunt eficiente. Este cazul retelelor geodezice utilizate pe un teritoriu administrativ foarte mare (tara, regiune, judet) sau la determinarea miscarilor crustale. Asa cum a fost mentionat mai sus, in asemenea cazuri se impun precautii de exceptie. Este nevoie de materializari speciale, borne de adancime in care se poate introduce fortat receptorul. Conditia foarte importanta este aceea de a avea cerul liber deasupra punctului. Timpul de stationare este direct proportional cu distanta dintre receptoare. De asemenea, trebuie un numar cat mai mare de sateliti vizibili pentru a avea un rezultat cat mai bun al coordonatelor finale (Capitolul 1). Punctele nu este obligatoriu sa fie semnalizate pentru a nu perturba semnalul de la sateliti.

1.1.4. Realizarea retelelor geodezice utilizand statii totale si receptoare GPS. In acest caz reteaua este de mici dimensiuni. Numarul punctelor stationate cu receptoare GPS si cu statii totale este ales functie de conditiile de vizibilitate, relief, obstacole, pret al lucrarii, etc. Ideal este ca toate punctele sa fie stationate si cu receptoare GPS si cu statii totale. Necesare sunt cat mai multe masuratori si cat mai variate pentru a avea cat mai multe ecuatii in raport de numarul necunoscutelor.

1.2 Clasificarea retelelor geodezice functie de scop.

O retea geodezica serveste mai multor scopuri, asa cum a fost mentionat mai sus. Astfel, avem retele geodezice care servesc la determinarea geoidului, miscari crustale, intocmirii hartii de baza, lucrarilor topografice curente, cadastrului, lucrarilor ingineresti de interes local (miniere, hidrotehnice, urbane, etc). In functie de aceste scopuri, se poate alge aparatura adecvata.

2 Metode de masurare GPS.

Ne vom referi in acest subcapitol doar la receptoarele care nu au incorporate sistemul de transmitere al informatiilor prin unde radio. Aceste receptoare au modul lor specific de determinare al coordonatelor si vor fi tratate separat.

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

dupa numarul de receptoare;

dupa pozitia, tipul receptoarelor si timpul de stationare.

2.1 In functie de numarul aparatelor, din literatura de specialitate rezulta urmatoarele metode principale de masurare GPS:

single point (cu un singur receptor);

cu mai multe receptoare.

2.1.1. Metoda single point Metoda single point nu este utilizata in masuratorile geodezice pentru determinarea coordonatelor deoarece nu asigura precizia necesara. Este o metoda simpla, de determinare a coordonatelor aproximative in sistem WGS 84. In punctul caruia dorim sa-i determinam coordonatele, se amplaseaza un receptor GPS. Acesta trebuie sa fie de clasa geodezica in cazul determinarilor mai precise. Receptorul este deschis si primeste semnal de la satelit. El va fi lasat sa functioneze o perioada de timp, mai indelungata sau mai scurta. In mod normal, cu cat perioada de stationare pe punct este mai mare, cu atat precizia de determinare in sistem WGS 84 in sistem absolut va fi mai buna. In prezent, chiar daca timpul de stationare este mai mic, dar geometria satelitilor este buna, precizia de determinare a coordonatelor in sistem WGS 84 absolut va fi mai buna.

Pentru a intelege mai bine fenomenul determinarii coordonatelor in sistem sistem single point putem face o analogie cu topografia clasica. Sa presupunem ca trebuie efectuata o ridicare topografica intr-o zona izolata, departe de reteaua geodezica si fara pretentii (nu necesita aviz de la Oficiile de Cadastru). Se efectueaza ridicarea topografica folosind coordonate de plecare ale unei statii citite de pe plan si o orientare spre un punct vizibil: colt de casa, varf de munte, etc, ale carui coordonate sunt de asemenea extrase de pe plan. In acest mod se obtine un plan topografic in sistem de coordonate Stereografic 1970. Coordonatele determinate astfel pentru ridicare sunt in sistem de coordonate Stereografic 1970, dar nu incadrate perfect in sistem absolut. Precizia absoluta depinde de scara planului de pe care s-au extras coordonatele. In sistem relativ, respectiv distanta si orientare, punctele ridicarii raspund perfect. Daca legam ridicarea la sistemul Stereografic 1970 absolut printr-o retrointersectie simpla sau alta metoda, vom constata o diferenta de coorodonate pe punctele comune de centimetri, decimetri, metri sau zeci de metri. Aceasta diferenta este functie de scara planului de pe care am extras coordonatele. Cu cat scara este mai mare, cu atat precizia punctelor in sistem Stereografic 1970 absolut este mai mare.

Aceleasi tip de diferente se vor observa si in cazul determinarii coordonatelor unui punct in sistem single point si legarea lui apoi in sistem WGS 84 absolut. La metode de calcul a coordonatelor si a transcalculului de coordonate se va insista pe metoda de determinare single point si a avantajelor pe care le poate aduce in anumite cazuri.

2.1.2. Metoda cu mai multe receptoare. Este utilizata frecvent in lucrarile geodezice curente. Este suficient sa existe minim doua receptoare GPS care sa receptioneze semnal de la aceiasi minim 4 sateliti vizibili si sa aiba un timp comun de stationare. Astfel, unul din cele doua receptoare devine punct cu coordonate cunoscute si determina prin calcul coordonatele celuilalt. Numarul de doua receptoare este minim, asa cum pentru intersectia inainte sunt suficiente minim doua puncte cu coordonate cunoscute din care se vizeaza punctul nou. In mod frecvent se utilizeaza minim trei receptoare GPS. Cu cat numarul receptoarelor este mai mare, cu atat mai mult creste siguranta determinarilor. Trebuie tinut cont de faptul ca in prezent exista multe statii GPS permanente care pot fi integrate in reteaua noua, in acest caz numarul receptoarelor crescand cu numarul statiilor permanente existente. Statiile permanente de utilizat trebuie sa fie amplasate in asa fel incat sa poata fi folosite la calcule (distanta proportionala cu timpul de stationare).

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

statice;

stop and go (rapid static).

Dupa cum a fost prezentat in Capitolul 2, receptoarele GPS sunt de mai multe tipuri. Metodele descrise in subcapitolul 2.2. se preteaza pentru aparatura care nu are incorporat sistemul de transmitere radio a informatiilor intre receptoare.

2.2.1. Metoda statica este cea mai utilizata atunci cand se vorbeste de realizarea retelelor geodezice care necesita precizii foarte mari. De asemenea, atunci cand receptoarele GPS nu sunt de clasa geodezica si este nevoie de precizii mai bune.

Metoda statica presupune existenta a minim doua receptoare GPS amplasate pe doua puncte materializate pe teren. Cele doua receptoare primesc semnal de la aceiasi mimin 4 sateliti si au timpul de stationare comun. Distanta dintre cele doua receptoare trebuie sa fie minim de 2 metri. Maximul de distanta este legat de vizibilitatea celor patru sateliti comuni. Cu cat distanta este mai mare, cu atat timpul de stationare este mai mare. Dupa cum a fost prezentat mai sus, acest minim de 4 sateliti nu este suficient pentru determinarea unui punct cu o precizie suficienta. De asemenea, pentru obtinerea unui randament mai bun si a unor precizii mai bune, numarul receptoarelor este mai mare, la care se pot adauga si statiile permanente.

Cazul in care se masoara cu doua receptoare In principiu, unul din receptoare este amplasat pe un punct, iar celalalt receptor stationeaza o perioada de timp pe fiecare din celelalte puncte (Figura 1). De exemplu, statia fixa (cea care ramane pe punct) este amplasata pe punctul de coordonate cunoscute, A. Celalalt receptor stationeaza punctele noi, E, F, G si H, apoi cel putin un punct vechi (B, C, sau D). In acest caz avem o singura determinare pentru punctele noi. Conform normelor in vigoare, fiecare punt nou trebuie sa aiba cel putin patru vectori de pozitie (determinari). Pentru acesta avem doua variante:

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

Determinari cu statia totala intre fiecare doua puncte vizibile, integrand masuratorile de directii si distante cu masuratorile GPS intr-un singur model de prelucrare prin metoda celor mai mici patrate.

Fig. 1.

Nu este obligatoriu ca statia fixa sa fie amplasata pe un punct cu coordonate cunoscute (figura 2). De exemplu, se poate stationa punctul H, punct nou. In acest caz, receptorul mobil se stationeaza pe cel putin un punct vechi si pe toate punctele noi. Daca s-a stationat punctul vechi A, se determina in prim faza coordonatele punctului nu H din coordonatele punctului A. Din coordonatele punctului H se determina apoi si coordonatele celorlalte puncte noi: E, F si G. Procedeul se repeta apoi cu stationare tot pe un punct nou sau pe un punct vechi, sau cu determinari cu statia totala. In final, fiecare punct nou trebuie sa aiba cel putin patru vectori de determinare.

Fig. 2.

Cazul in care se masoara cu trei receptoare. In acest caz, exista mai multe variante:

stationarea receptorului care ramane fix pe un punct cunoscut iar celelalte doua se amplaseaza pe punctele de determinat si pentru verificare (figura 3);

stationarea a doua receptoare fixe pe doua puncte de coordonate cunoscute, iar unul din receptoare, mobil, se deplaseaza pe fiecare punct nou (figura 4);

stationarea receptorului fix pe oricare din punctele noi, celelalte doua stationand cel putin un punct cu coordonate cunoscute si toate punctele noi (figura 5);

stationarea a doua receptoare fixe pe puncte noi, celalalt receptor stationand pe rand toate punctele noi si cel putin un punct cu coordonate cunoscute (figura 6);

stationarea a doua receptoare fixe unul pe un punct nou, unul pe un punct cu coordonate cunoscute, celalalt receptor stationand pe rand celelalte puncte noi (figura 7).

Fig. 3.

Fig. 4.

Fig.

Fig. 6.

Fig. 7.

1. Din figura 3 se observa ca stationand punctul cu coordonate cunoscute A, iar cele doua receptoare sunt amplasate pe punctele noi E si H, avem simultan determinarea coordonatelor punctelor E si H, dar si un vector de determinare intre punctele E si H. Tot din punctul A se pot determina apoi punctele noi G si F, dar si vectorul de control intre G si H. Se pot stationa apoi punctele B, C si D cu coordonate cunoscute pentru determinarea punctelor noi. Trebuie indeplinita conditia ca in fiecare punct nou sa existe minim patru vectori. Acesti vectori pot fi dati de masuratorile GPS sau de statiile totale.

2. Se stationeaza receptoarele GPS fixe in punctele cu coordonate conoscute A si B. Se determina simultan din aceste doua puncte, coordonatele punctelor noi: E, F, G si H prin dubla radiere. Daca se stationeaza apoi punctele C si D care au de asemenea coordonate cunoscute, punctele noi E, F, G si H vor avea patru determinari independente. Astfel este indeplinita cerinta normativelor de a avea patru vectori independenti pentru fiecare punct nou determinat. De asemenea, se verifica incadrarea punctelor vechi prin vectorii AB si CD. Va rezulta o diferenta de distanta si de coordonate.

3. Se stationeaza cu receptorul GPS fix punctul nou E. Celelalte doua receptoare se amplaseaza in punctele A de coordonate cunoscute si punctul nou H. Astfel se determina coordonatele punctului nou E din A si ale punctului nou H tot din punctul A. De asemenea se determina vectorul dintre punctele E si H. Se pot stationa apoi cu receptoarele mobile punctele noi F si G. Astfel, din coordonatele punctului nou determinat E, se vor determina coordoantele punctelor noi F si G si vectorul dintre punctele F si G. Receptorul fix se poate amplasa pe oricare alt punct nou sau vechi, important este ca fiecare punct sa indeplineasca conditiile de determinare.

4. Se pot stationa cu receptoarele GPS fixe punctele E si H. Receptorul mobil stationeaza punctele A, F, G, eventual si un alt punct cu coordoante cunoscute, B. Se determina astfel coordonatele punctelor noi E si H direct din punctele cu coordonate cunoscute A si B. De asemenea se determina si coordonatele punctelor noi F si G. Receptoarele fixe se pot muta in punctele noi F si G, receptorul mobil fiind mutat pe rand in punctele cu coordonate cunoscute C si D si in punctele noi E si H. Se pot completa masuratorile cu statia totala. Rezultatul trebuie sa corespunda atat cerintelor normativelor, dar si ca precizie de determinare.

Un receptor fix este amplasat pe un punct cu coordonate cunoscute (A), iar celalalt receptor fix pe un punct nou (H). Receptorul mobil se deplaseaza in punctele E, F, G si eventual pe punctele B, C si D. Dupa incheierea primului set de masuratori se stationeaza din nou un punct cu coordonate cunoscute (C) si punctul nou (F). Procedeul se repeta. Bineanteles ca nu este obligatoriu sa se respecte modul de amplsare al receptoarelor expus aici. Se pot face combinatii din punctele 1, 2, 3 si Important este ca fiecare punct sa fie determinat corect si din sficiente puncte, cu sufieciente legaturi. Aceasta se poate rezolva si utilizand statia totala intercalata unitar cu determinarile GPS.

Cazul in care se masoara cumai mult de trei receptoare Cu cat sunt mai multe receptoare cu atat se detrmina mai corect si mai precis coordonatele punctelor noi. In cazul a 8 puncte, patru puncte cu coordonate cunoscute si patru puncte noi, cu opt receptoare se vor determina un numar de 28 vectori, respectiv combinatii de opt puncte luate cate doua. Se masoara astfel toate combinatiile posibile. Atunci cand se efectueaza si masuratori de directii si distante, numarul de masuratori suplimentare este foarte mare, iar coordonatele finale ale punctelor noi vor avea precizii foarte bune.

2.2.2. Metoda stop and go. Este utilizata atunci cand se doreste o determinare rapida a coordonatelor, dar cu o precizie mai mare. Timpul de stationare este minim, programul de prelucrare al datelor este diferit fata de metoda statica. In prezent, cand metoda determinarii coordonatelor prin metoda LRK, RTK (direct prin utilizarea undelor radio), aceasta metoda este mai putin utilizata si doar cu aparatura care nu are incorporata tehnologia determinarii directe cu ajutorul undelor radio. Metoda statica este cea mai utilizata atunci cand se vorbeste de realizarea retelelor geodezice care necesita precizii foarte mari. De asemenea, atunci cand receptoarele GPS nu sunt de clasa geodezica si este nevoie de precizii mai bune.

3 Prezentare generala a tehnologiei GPS cu transmiterea datelor prin unde radio UHF (real-time = timp real)

3.1 Principiu

Principiul sistemului GPS diferential consta in observarea erorilor de masurare a pseudodistantelor privind fiecare satelit observabil intr-un punct de referinta a carui pozitie este cunoscuta cu precizie in sistemul WGS84. Observarea acestor erori permite stabilirea corectiilor care sunt radio-difuzate, asa incat de ele sa beneficieze utilizatorii (statiile mobile) care evolueaza in zona de interes din jurul statiei de referinta. Cele mai performante sisteme de transmitere a corectiilor prin radio, la ora actuala, permit ca aceste corectii sa fie transmise pana la distante de 45-50 km fata de statia de referinta, in conditii bune de propagare a undelor radio. Aceasta distanta poate fi depasita cu ajutorul utilizarii sistemului de telefonie mobila pe post de transmisie a corectiilor. Problema care apare este legata de faptul ca atat statia fixa, care transmite corectiile cat si statia mobila, trebuie sa vada aceeaiasi minim patru sateliti. Din acest motiv, distanta intre cele doua receptoare nu poate fi marita foarte mult.

Cauzele principale ale erorilor de masuratoare in sistemul GPS sunt:

- erorile privind estimarea intervalelor de timp pentru propagarea datelor GPS;

- erorile legate de informatiile transmise prin satelit privind:

- ceasul satelitului;

- datele orbitale;

- erorile voluntare provocate prin degradarea voluntara a sistemului GPS, urmarind sa diminueze performantele sistemului pentru utilizatorii care nu au acces la serviciul de pozitionare precisa; metodele diferentiale (statie de referinta + statie mobila) asigura si corectarea acestor erori voluntare;

Toate aceste erori sunt corelate pe toata suprafata zonei de interes si sunt corectate prin acest sistem diferential cu transmiterea datelor prin unde radio UHF.

Fig. 8. - Transmiterea datelor prin unde radio UHF

Transmiterea corectiilor catre utilizatori trebuie sa se faca, in cazul unui sistem "timp real", printr-o asemenea modalitate incat:

- sa acopere intreaga zona de interes;

- sa asigure o fiabilitate a transmisiei compatibila cu calitatea necesara;

Frecventele utilizate la transmitere corectiilor in cazul statiilor de referinta Scorpio 6001 SK sau 6002 SK (firma DSNP Thomson) sunt de 410 - 470 Mhz.

3.2 Calculul corectiilor la statia de referinta si receptia acestora la statia mobila

Calculul corectiilor se face printr-un modul receptor, echipat cu 12/16 canale paralele de receptie, permitand sa se calculeze simultan corectiile de la 12/16 sateliti .

Modulul receptor calculeaza pentru fiecare satelit:

- diferenta dintre distanta masurata si distanta teoretica obtinuta pornind de la datele efemeridelor si de la pozitia cunoscuta a antenei GPS de la statia de referinta;

- viteza evolutiei corectiei;

Corectiile sunt calculate la fiecare 0,6 secunde pentru toti satelitii si sunt transmise la unitatea centrala care gestioneaza emisia pe suportul UHF.

Un mesaj de corectie transmis la unitatea centrala de catre modulul receptorului GPS cuprinde:

numarul saptamanii;

contorul Z, care permite sa se dateze cu precizie fiecare corectie in scara de timp GPS;

pentru fiecare satelit:

indicarea schimbarii efemeridelor;

corectia observata (maxim 9.999.999 milimetri);

viteza evolutiei corectiei (maxin 999 mm/s);

numarul satelitului (SV. 0-31);

corectia ionosferica calculata la statia de referinta (centimetri);

corectia troposferica calculata la statia de referinta (centimetri);

Frecventa de emisie poate fi programata prin pasi de 12,5 kHz, intr-o banda de 4MHz in raport cu frecventa nominala a statiei.

Mesajul de corectie, care poate contine corectii pentru maxim 12 / 16 sateliti, este primit printr-un receptor UHF, care transmite corectiile receptorului GPS al mobilului unde ele sunt decodate printr-un modem. Receptorul GPS al mobilului aplica corectiile diferentiale masuratorilor sale proprii de pseudo-distante, pentru fiecare satelit astfel:

(2)

unde:

PR_t = pseudodistanta corijata la timpul t;

PRM_t = pseudodistanta masurata de receptorul mobilului;

PRC_t = corectia pseudodistantei transmisa de statia de referinta;

Erorile ionosferica si troposferica, calculate de statia de referinta, sunt incluse in termenul PRC_t

4 Modul de lucru

4.1 Consideratii generale.

Un receptor GPS masoara faza semnalului emis de sateliti cu precizie milimetrica. Semnalul transmis de sateliti in drumul sau catre Pamant la trecerea prin atmosfera este afectat de catre ionosfera si troposfera. Distorsiunile si turbulentele produc degradari majore ale preciziei observatiilor. Masuratorile GPS statice si rapid statice se bazeaza pe metoda diferentiala. Astfel o baza este observata si calculata intre doua receptoare. Atunci cand ambele receptoare GPS observa simultan aceeasi sateliti majoritatea efectelor atmosferei in degradarea semnalului sunt eliminate. Cu cat baza este mai scurta cu atat precizia cu care este masurata va fi mai mare, presupunandu-se ca atmosfera prin care trece semnalul catre cele doua receptoare este aceeasi. Este foarte important in cazul metodei rapid static ca bazele sa fie scurte pentru a putea presupune ca distorsiunile ionosferice sunt aceleasi la ambele capete ale bazei. In consecinta este de preferat, atat din punctul de vedere al preciziei cat si al timpului de masurare, sa se masoare baze scurte (pana la 5-6km) fata de puncte de referinta temporare decat sa se masoare baze lungi (15-20km) fata de un singur punct central. In toate tipurile de masuratori este important controlul acestora utilizand masuratori independente. In special atunci cand utilizam metoda rapid static daca timpul de observare este prea scurt, GDOP are valori mari, sau distorsiunile ionosferice sunt foarte mari, este posibil ca la post procesare programul sa rezolve ambiguitatile dar rezultatele sa depaseasca tolerantele stabilite pentru proiectul respectiv. Pentru controale independente se recomanda:

Ocuparea fiecarui punct a doua oara la o alta ora decat in prima sesiune;

Inchiderea determinarii punctelor masurarea bazei intre ultimul si primul punct in cazul procedurii stop & go;

Masurarea bazelor independente intre punctele retelei;

Utilizarea a doua statii de referinta;

Fiecare punct nou determinat sa aiba minim doi vectori independenti de determinare.

In general cu cat baza este mai lunga cu atat timpul de stationare va fi mai mare. Noaptea influentele datorate ionosferei sunt considerabil reduse, astfel ca in cazul metodei rapid static timpul de stationare poate fi practic injumatatit, obtinandu-se aceleasi rezultate. Pentru baze de pana la 20km se poate incerca rezolvarea ambiguitatilor considerandu-se un singur model ionosferic pentru ambele capete ale bazei. Pentru baze de peste 20km nu este recomandabil sa se incerce rezolvarea ambiguitatilor. In acest caz se utilizeaza un alt algoritm care elimina in mare masura influentele ionosferei dar nu mai incearca rezolvarea ambiguitatilor.

Atunci cand planificam sesiunile este recomandabil sa utilizam intervalele de timp in care valoarea GDOP este cat mai mica. Deoarece datorita multor factori mai mult sau mai putin previzibili este imposibil sa planificam sesiunile la minut este de preferat ca mai bine sa masuram cu un punct mai putin decat sa reducem timpul de observare in celelalte puncte.

Coordonatele obtinute din masuratorile GPS sunt bazate pe elipsoidul WGS84. Pentru a putea permite transformarea lor in coordonate locale este necesar ca punctele cu coordonate locale cunoscute sa fie incluse in reteaua masurata cu receptoarele GPS. Aceste puncte trebuie sa fie uniform distribuite pe suprafata acoperita de retea. Pentru o corecta calculare a parametrilor de transformare trebuie sa fie utilizate cel putin trei puncte plus un punct de control (preferabil cinci sau mai multe).

Trebuie tinut cont de statiile permanente din zona, care au un rol foarte important acolo unde exista si pot suplini punctele de coordoante cunoscute. Ele pot fi utilizate si la transcalcul.

4.2 Planificarea sesiunilor.

Valoarea GDOP ne ajuta sa analizam influenta geometriei satelitilor disponibili deasupra zonei de lucru. Pentru metoda rapid static aceasta valoare trebuie sa fie mai mica de 8, dar este recomandabil sa alegem sesiunile in perioadele cand nu depaseste valoarea 6. In principiu este bine sa proiectam sesiunile de lucru in perioadele cand sunt vizibili minimum 5 sateliti cu o elevatie de peste 15¿, iar valoarea GDOP este mai mica de 6 atat pentru statia de referinta cat si pentru statia mobila. Daca stim ca in zona de lucru exista obstructii majore, o recunoastere prealabila urmata de o simulare a obstructiilor in programul de planificare va conduce la obtinerea unor rezultate deosebit de bune.

Figura 9 Planificarea sesiunilor

4.3 Durata sesiunii si lungimea bazei.

Durata unei sesiuni, pentru obtinerea unui rezultat bun la post procesare, depinde de mai multi factori: lungimea bazei, numarul satelitilor observati, valoarea GDOP, perturbarile ionosferice. Deoarece perturbarile datorate atmosferei sunt mult mai mici noaptea este avantajos, daca este posibil, ca masurarea bazelor lungi (20-30km) sa se faca in aceasta perioada. Este recomandabila marirea duratei sesiunii daca doi din patru sau cinci sateliti observati au elevatia mai mica de 20¿. Urmatoarele valori sunt orientative:

Din experienta acumulata in mai multi ani de masuratori GPS, se poate enunta, empiric, o "Regula de aur" in baza careia se poate stabili durata unei sesiuni de masuratori, in conditii optime, in functie de lungimea bazei masurate cu un receptor GPS cu dubla frecventa atunci cand se utilizeaza metoda Rapid-Static cu inregistrare la 5 secunde. Aceasta este: Durata este egala cu 1 min. pentru fiecare km. din lungimea bazei masurate, dar nu mai putin de 5 min.

4.4 Observatiile de teren.

La alegerea amplasamentului statiei de referinta trebuie sa se tina cont de mai multe criterii. Orizontul sa nu fie obstructionat la o elevatie mai mare de 15¿. Sa nu existe in apropiere suprafete reflectante care sa genereze efectul multipath. Sa nu se afle in apropierea zonelor cu trafic intens si daca este posibil sa se aleaga locatii sigure unde sa nu fie necesar sa se lase un paznic. Sa nu se afle in apropierea releelor, a liniilor de inalta tensiune, sau a cailor ferate electrificate. Deasemenea statia de referinta trebuie sa indeplineasca si anumite conditii tehnice. Acumulatorii sa fie complet incarcati, sa se asigure conectarea unei a doua baterii sau sa se utilizeze conectarea externa la un acumulator auto sau printr-un transformator la reteaua de energie electrica prin intermediul unui UPS. Memoria trebuie sa aiba o capacitate suficienta pentru intreaga durata a sesiunii. Verificati de doua ori inaltimea antenei si offset-ul acesteia daca este necesar. Verificati daca parametrii configurati sunt corecti si se potrivesc cu parametrii statiilor mobile.

Figura 10 Observatii de teren

Statia de referinta nu trebuie instalata in mod obligatoriu intr-un punct cu coordonate cunoscute. Este de preferat ca ea sa fie amplasata intr-un punct care indeplineste conditiile enumerate decat sa fie pusa intr-un punct cunoscut dar care nu indeplineste aceste conditii. Pentru calcularea parametrilor de transformare punctele de coordonate cunoscute trebuie incluse in reteaua GPS. Aceste puncte pot fi stationate cu statiile mobile si nu este obligatoriu ca ele sa fie utilizate ca amplasamente pentru statiile de referinta.

Pentru a evita ca rezultatele sa fie influentate de erori sistematice, coordonatele WGS84 ale punctului de referinta trebuie cunoscute cu o precizie de 10 m. Daca acest punct va fi determinat prin metoda Single Point Position (SPP) atunci este necesar ca timpul de stationare in punct sa fie de minimum 2-3 ore, receptionand cel putin 4 sateliti si avand o valoare mica a GDOP. Cu cat timpul de stationare este mai mare cu atat pozitia obtinuta prin SPP va fi mai precisa.

Operatorul statiei mobile trebuie sa asigure si sa verifice indeplinirea mai multor conditii. Parametrii configurati in receptor sa fie corecti si sa se potriveasca cu parametrii statiei de referinta. Inaltimea antenei sa fie corect masurata. Pentru sesiunile scurte sa se urmareasca permanent valoarea GDOP si sa se mareasca timpul de stationare in cazul cand acesta are valori ridicate sau, daca a depasit valoarea 8, sa se intrerupa sesiunea si sa se reia atunci cand GDOP a scazut la valoarea optima. Sa evite amplasarea punctelor noi in zone cu obstructii cu elevatie mai mare de 15, in apropierea suprafetelor reflectante, sau in apropierea statiilor de emisie, sub liniile de inalta tensiune, sau langa caile ferate electrificate. Deasemenea se va evita stationarea sub vegetatie deasa mai ales pe vreme umeda. Se va verifica periodic starea de incarcare a bateriei (este bine sa existe o baterie de rezerva) si rezerva de capacitate a memoriei. Cu titlu informativ se poate utiliza indicatorul Stop & Go. Este recomandabil ca pentru fiecare punct nou stationat sa se intocmeasca o fisa care sa cuprinda datele punctului, descrierea si o schita.

GPS - FORMULAR TEREN

Denumire punct: Data:

Tip receptor / antena: Operator:

Modul de stationare: Baston

Trepied

Pilastru

Inaltimea antenei:

Pornire Ora: Oprire Ora:

Numar de epoci:

Numar de sateliti:

GDOP:

DESCRIERE:

SCHITÃ: