Geodezie satelitară. Curs I. 1. Consideratii generale asupra conceptului GPS. Segmentele sistemului GPS.

Transcript

1 Geodezie satelitară Curs I 1. Consideratii generale asupra conceptului GPS. Segmentele sistemului GPS. Subiectul geodeziei satelitare Geodezia satelitara inglobeaza tehnici de observare si calcul care pot rezolva probleme geodezice utilizand masuratori la, de la si intre sateliti artificiali, in mod deosebit, cei din apropierea Pamantului. Rezultatele geodeziei satelitare se pot regasi in domenii ca: geofizica, oceanografia, navigatia, tehnici militare, geodinamica, meteorologie si climatologie, gravimetrie, masuratori seismice, geografie, topografie si cadastru, fotogrammetrie, etc. 1.1 Conceptul GPS Punctul de pornire al sistemelor de navigaţie bazate pe sateliţi artificiali îl reprezintă descoperirea că efectul Doppler, ce se putea observa în semnalul transmis de un satelit, putea fi utilizat pentru determinarea exactă a timpului când satelitul se afla cel mai aproape de suprafaţa terestră. Această descoperire, corelată cu calcularea efemeridelor satelitului conform legilor lui Kepler a dus la determinarea instantanee a poziţiei oriunde în lume. Astfel în 1958 s-a proiectat sistemul de navigaţie Navy Navigation Satellite System, cunoscut şi sub denumirea TRANSIT, sistem ce a fost operaţional în anul În aceeaşi perioadă şi după aceeaşi concepţie a fost realizat în URSS sistemul TSIKADA. Sistemul TRANSIT a fost predecesorul sistemului modern de poziţionare globală. Acesta era alcătuit din 6 sateliţi ce erau plasaţi pe orbite aproape circumpolare la o altitudine de aproximativ 1100 km. Datorită factorilor perturbatori ce acţionează asupra sateliţilor de joasă altitudine s-a remarcat o instabilitate destul de mare a orbitelor fapt ce conducea la o precizie de poziţionare pentru navigaţie destul de mică. În acelaşi timp existau probleme în acoperirea cu 4 sateliţi a zonelor terestre, goluri care în apropierea ecuatorului puteau ajunge chiar la 6 ore, neasigurându-se o poziţionare continuă. Sistemul GPS (Global Positioning System) a fost dezvoltat pentru a înlocui sistemul TRANSIT şi implicit corectarea celor două mari probleme prezentate mai sus. Astfel în anul 1973 U.S Department of Defence (DoD), din cadrul Ministerului Apărării Statelor Unite, a elaborat concepţia unui sistem de poziţionare bazat pe sateliţi, care să permită navigaţia unui obiect oarecare aflat în mişcare sau în repaus precum şi asigurarea unor informaţii de timp foarte precise. Sistemul GPS a cunoscu trei faze în dezvoltarea sa: -Faza 1: Programul de validare a conceptului ; -Faza 2: Dezvoltarea completă şi testarea sistemului ; -Faza 3: Capacitatea operaţională deplină după Faza 1 a fost faza Blocului I de sateliţi experimentali, care au fost înlocuiţi progresiv cu sateliţii operaţionali ai Blocului II în faza a doua de dezvoltare a constelaţiei. Începând din anul 1992, sistemul a fost format din 18 sateliţi, în şase plane orbitale, la aproximativ km altitudine, asigurând vizibilitate la cel puţin 4 sateliţi simultan, în orice moment al zilei, în orice punct de pe glob.

2 La sfărşitul anului 1992 constelaţia era formată din 21 de sateliţi operaţionali, în 24 de poziţii cu 4 sateliţi pe orbite înclinate cu 55 o între ele, la altitudinea de km. Constelaţia actuală este constituită din 28 de sateliţi operaţionali. Altitudinea la care sunt situaţi sateliţii este aproximativ km iar durata unei revoluţii, de 11h15min. Componentele unui satelit sunt: -emiţător ; -ceasuri atomice ; -computere ; -echipamente auxiliare. Fiecare satelit emite un mesaj pentru determinarea poziţiei sale spaţiale. 1.2 Structura sistemului GPS Sistemul GPS este conceput din 3 segmente principale: -segmentul spaţial ; -segmentul de control ; -segmentul utilizator Segmentul spaţial Sateliţii NAVSTAR-GPS tramsmit semnale de timp sincronizate pe două frecvenţe purtătoare, parametrii de poziţie ai sateliţilor şi informaţii adiţionale cum ar fi starea sateliţilor. Această constelaţie de sateliţi garantează vizibilitatea simultană spre cel puţin 4 sateliţi, din orice punct de pe Pământ, iar dacă satelitul trece prin zenitul observatorului, atunci acel satelit va fi vizibil pentru aproximativ 5 ore. Fig. 1.1 Constelaţia sateliţilor GPS Sateliţii În esenţă, sateliţii GPS reprezintă platforme purtătoare de emiţătoare radio, ceasuri atomice, computere precum şi variate echipamente auxiliare necesare pentru operarea întregului sistem. Sateliţii GPS au diverse modalităţi de a fi identificaţi: după data când au fost lansaţi, numărul de catalog al NASA, numărul poziţiei orbitale sau după numărul PRN (pseudorandom noise) ce reflectă porţiunea de cod P ce este utilizată de satelit. În general, s-a convenit să se folosească numărul PRN.

3 Tipurile de sateliţi GPS sunt: Block I, Block II, Block IIA, Block IIR, Block IIM, Block IIF şi Block III. Sateliţii din generaţia "Block-I" au fost sateliţi prototip, concepuţi pentru faza de testare şi dezvoltare ( ) şi erau prevăzuţi cu o durată de funcţionare de 5 ani. Sateliţii din generaţia "Block-II" se deosebesc esenţial de sateliţii din generaţia precedentă, prin faptul că aveau implementate tehnicile de protecţie SA Selective Availability şi AS - Anti Spoofing. Primul satelit din această generaţie a fost lansat în februarie 1989, durata lui funcţionare fiind estimată la cca. 7,5 ani. La bordul fiecărui satelit din "Block-II" se află 4 ceasuri atomice, două cu Cesiu şi două cu Rubidiu. Sateliţii din generaţia "Block-IIA" (A are semnificaţia "Advanced" - avansat) sunt dotaţi cu posibilitatea de comunicare satelit-satelit. Primul satelit din această generaţie a fost lansat în noiembrie Sateliţii din generaţia "Block-IIR" (R are semnificaţia "Replenishment"- înlocuire) asigură facilitatea de măsurare a distanţei satelit-satelit - tehnica SSR Satelit-to-Satelit Ranging), iar ceasurile atomice cu hidrogen sunt cu un ordin de mărime mai precise. Durata de viaţă este estimată la 10 ani. Lansarea sateliţilor din această generaţie a început în anul Sateliţii din generaţia Block-IIM (M are semnificaţia "Modernized" - modernizat) au fost lansaţi începând din iulie Sateliţii din generaţia "Block-IIF" (F are semnificaţia "Follow on" - continuă) se doreşte a fi lansaţi până în Această generaţie va dispune de sisteme inerţiale de navigaţie precum şi o structură avansată a semnalului. Durata lor de viaţă va fi de minim 10 ani şi vor pregăti drumul pentru noua generaţie de sateliţi de navigaţie Block-III Segmentul de control Segmentul de control al sistemului GPS este constituit din statiile specializate de la sol care actualmente sunt în numãr de cinci si sunt dispuse aproximativ uniform în jurul Pãmântului, în zona ecuatorialã. Principalele sarcini ale segmentului de control, sunt urmatoarele: - segmentul de control urmãreste permanent prin statii de la sol satelitii sistemului, prelucrând datele receptionate în vederea calculãrii pozitiilor spatio-temporale ale acestora ( efemeride), care apoi sânt transmise la sateliti; - controleazã ceasurile satelitilor comparându-le cu un ceas atomic cu hidrogen, de tip MASER; - calculeazã corectiile orbitale, care sunt transmise la fiecare satelit si operate de motoarele rachetã proprii de corectare a orbitei; - activeazã prin comenzi de la sol, la momentul dorit sau necesar, sistemele de protectie SA (Selectiv Availability) si AS (Anti Spoofing), ale sistemului; - stocheazã datele noi receptionate de la sateliti; - calculeazã efemeridele prognozate (Broadcast) pentru urmãtoarele 12 sau 24 de ore pe care le transmite la segmentul spatial; - executã întregul control asupra sistemului; Cele 5 statii la sol care formeazã segmentul de control al sistemului de pozitionare GPS au urmãtoarele clasificãri si atributii: statia de control principalã (Master Control Station), amplasatã la Colorado Springs în Statele Unite, centralizeazã datele receptionate de la sateliti de statiile monitoare de la sol, prelucreazã aceste

4 date pentru prognozarea orbitelor satelitilor (efemeridelor), si executã calculul corectiilor acestora precum si ale ceasurilor, date, care apoi se transmit la statiile de control ale sistemului pe care acestea le încarcã la segmentul spatial, sub o forma care constituie mesajul de navigatie, receptionat de utilizatori; statiile monitor ale segmentului de control sunt amplasate dupã cum urmeazã: insula Hawai (estul oceanului Pacific), insula Kwajalein (vestul oceanului Pacific), insula Diego Garcia (vestul oceanului Indian) si insula Ascension (oceanul Atlantic). Fiecare dintre aceste statii împreunã cu statia principalã receptioneazã permanent semnalele de la satelitii vizibili, inregistreazã datele meteorologice si parametrii ionosferici pe care le transmit pentru prelucrare la statia principalã; statiile de control la sol, amplasate lângã statiile monitor din insula Kwajalein, insula Diego Garcia si insula Ascension si care de fapt sunt antene la sol cu ajutorul cãrora se realizeazã legãtura permanentã cu satelitii sistemului si prin care se transmit efemeridele, corectiile orbitelor si ale ceasurilor atomice, precum si alte date necesare bunei functionãrii a sistemului. Fig Statiile de control ale sistemului GPS Pentru calculul efemeridelor precise, necesare în special prelucrãrii mãsurãtorilor GPS cu utilizare în geodezie-geodinamicã, se folosesc mãsurãtori si de la alte cinci statii terestre Segmentul utilizatorilor Acest segment e constituit din totalitatea utilizatorilor detinãtori de receptoare GPS cu antenã, în functie de calitãtile receptorului si antenei, rezultând acuratetea preciziei de pozitionare sau a elementelor de navigatie. Receptoarele geodezice sunt receptoarele cele mai precise si opereazã cu lungimile de undã purtãtoare L 1 si L 2 precum si codul C/A sau P. Dacã la nivelul anului 1990 existau cca de utilizatori GPS, la nivelul anului 2000 se estimau cca utilizatori GPS care pe grupe mari de activitãti reprezentau urmãtoarele cifre si procente[ngs 1994]: navigatia maritimã si fluvialã receptoare 45% navigatie si transport terestru receptoare 27% navigatia aerianã receptoare 16% utilizatori militari receptoare 7% geodezie si cartografie receptoare 5% Tabel.1.1 Statistică privind utilizatorii de receptoare GPS pe grupe de activităţi

5 Curs II 2. Semnale GPS. Structura semnalelor GPS Sistemul GPS este un sistem de masurare a distantelor intr-un singur sens. Satelitii GPS emit semnale care se propaga prin spatiu pana la receptoarele aflate pe suprafata Pamantului sau in apropierea ei. Din semnalul interceptat, receptorul masoara distanta intre centrul de faza al antenei receptorului si centrul de faza al antenei de emisie a satelitului. Acuratetea sistemului de pozitionare GPS este asiguratã de faptul cã toate componentele semnalului satelitar sunt controlate de ceasuri atomice. Satelitii GPS din Block II prin ceasurile atomice de la bord, 2 cu cesiu si douã cu rubidiu, asigurã o stabilitate pe perioadã îndelungatã de secunde. Satelitii din Block IIR, dotati cu ceasuri atomice MASER, cu hidrogen, asigurã pe perioadã îndelungatã o stabilitate echivalentã cu secunde. Aceste ceasuri atomice, de foarte mare precizie, asigurã realizarea unei frecvente fundamentale f 0 = Mhz, în banda L. Având în vedere faptul cã lungimea de undã este datã de relatia: λ = v f unde: v = c = m/s (viteza luminii în vid) f 0 = * 10 8 Hz rezultã: λ = m Frecventa fundamentalã f 0, este la originea a trei pãrti fundamentale ale semnalului transmis de satelitii GPS si anume: - componenta portantã, care contine cele 2 unde purtatoare L 1 si L 2 ; - componenta activã, care contine 2 coduri numite C/A si P ; - componenta mesaj, care contine codul D; Fig.2.1 Mesaje transmise de către sateliţii GPS

6 Cele douã unde portãtoare, sunt generate prin multiplicarea frecventei fundamentale cu 154, pentru L 1 si respectiv 120, pentru L 2. Frecventele si lungimile de undã rezultate au urmãtoarele valori: L 1 L 2 : : f L 1 f L 2 = 154 = 120 f f 0 0 = = Mhz Mhz λ = λ = c f L 1 c f L 2 19 cm 24 cm Sistemul a fost proiectat cu douã frecvente, conditie teoreticã indispensabilã pentru eliminarea diverselor cauze de manifestare ale unor erori, cum ar fi erorile sistematice care au ca efect imediat întârzierea semnalului radio emis de satelitii GPS, datoratã în principal erorilor generate de efectele erorii de ceas, refractiei ionosferice, troposferice, etc. Determinarea distantei de la satelit la receptorul GPS terestru, esentialã pentru pozitionarea acestuia, este indispensabil legatã de determinarea, cât mai precisã, a timpului de propagare al undei de la satelit la receptor, mãsurãtoare care se realizeazã cu ajutorul codurilor generate de un algoritm cu periodicitate în timp, care moduleazã frecventele portantelor. Modulaţia se poate scrie sub forma: L1 () t = a1p() t W () t cos( f1t) + a1c() t D() t sin( f1t) L t = a P t W t D t cos f t () () () () ( ) unde: a amplitudinea semnalului P codul P (Precise sau Protected) W codul W, care pentru protecţia împotriva semnalelor de bruiaj (A-S) transformă codul P în codul secret Y (P+W=Y) C codul C/A (Coarse sau Clear Acquisition, obţinere date brute sau deschise, după alţii Civil Access acces civil) D cod de date (Data cu viteza de modulaţie de 50 bit/s) f frecvenţa semnalului care aici şi mai departe se foloseşte în locul frecvenţei circulare ω = 2π T t timpul Codul C/A Doua coduri PRN sunt transmise de fiecare din sateliti, respectiv, codul C/A si codul P. Codul C/A reprezinta o secventa de 1023 numere binare, denumite si cipuri si se repeta la fiecare milisecunda. Acest fapt denota ca sunt generate 1,023 milioane de cipuri pe secunda, si ca un cip are o durata de aproape o microsecunda, astfel modularea va fi de f0/10. Fiecare cip calatoreste pe unda purtatoare prin spatiu cu viteza luminii, astfel se poate converti intervalul de timp in distanta, rezultand o lungime de unda a codului C/A de aprox. 300m. codul C/A (Coarse Acquisitio n) : fc/a = f 0/10 = 1.023Mhz λ = c/f 300m C/A C/A

7 Codul P In ceea ce priveste codul P, precizii mai bune se pot obtine daca se utilizeaza lungimi de unda mai mici. Pentru obtinerea acestor precizii, satelitii emit si codul P, modularea in acest caz fiind chiar frecventa fundamentala. Lungimea de unda a codului P este de doar 30m, adica o zecime din lungimea codului C/A. Frecventa cu care sunt generate cipurile este in mod normal de 10 ori mai rapida: 10, 23 milioane de cipuri pe secunda. codul P(Precision ) : f = f = Mhz λ = c/f 30m Codul Y P 0 Ca o politica de securitate cunoscuta sub denumirea de Anti Spoofing (AS), Ministerul Apararii al SUA a codat codul P cu ajutorul unui unui cod secret W, cod ce are o frecventa de 20 de ori mai mica decat frecventa fundamentala. In acest sens exista doua servicii de pozitionare oferite de catre sistemul NAVSTAR GPS, si anume SPS Standard Positioning Service si PPS Precise Positioning Service. Primul permite accesul doar la codul C/A, iar cel de-al doilea este precis si permite accesul atat la codul C/a cat si la codul P, fiind destinat armatei americane. P P Mesajul de navigatie D Este foarte important ca receptorul sa stie unde se afla satelitii pentru a putea determina distantele dintre receptor si satelitii vizibili. In acest sens, este necesar ca satelitii sa emita mesaje privind informatii orbitale (efemeride) ce se vor utiliza la calculul pozitiei satelitului, a diferentei ceasului satelitar fata de timpul sistemului GPS, informatii despre modul de operare al satelitilor, respectiv informatii privind precizia masuratorilor de distante. Mesajul de navigatie mai contine un almanah, ce cuprinde un set de date ce prezinta o descriere sumara a orbitelor satelitare, calculul frecvenţei de recepţie a satelitului si alte informatii utilizate la proiectarea masuratorilor GPS. Codul D f D =f 0 / = 50 Hz

8 Curs III 3. Atmosfera terestra. Influenta semnalelor in ionosfera. Influenta semnalelor in troposfera 3.1 Structura atmosferei terestre Atmosfera Forma atmosferei:sferă turtită,datorită mişcării de rotaţie a Pământului şi densităţii ei mai reduse Limite: max km(uneori este considerată chiar km) Alcătuire: azot(78,09%) şi oxigen(20,95%),la care se adaugă dioxid de carbon(0,03%), argon(0,93%),neon,heliu,hidrogen,ozon,amoniac,metan etc. Structura verticală a atmosferei: Troposfera: - limite: 12 km(16-18 km la Ecuator,6 km la poli) - concentrează 90 % din masa atmosferei - temperatura scade odată cu înălţimea(6,4 C la 1 km) - temperatura la limita superioară: - 60 C Tropopauza-strat intermediar între troposferă şi stratosferă Stratosfera: - limite:12-50 km - este cea mai rarefiată - temperatura aerului creşte de la - 60 C la - 4 C - prezintă un strat de ozon între km Stratopauza -strat intermediar între stratosferă şi mezosferă Mezosfera: - limite: până la 80 km - temperatura aerului scade la 83 C Troposfera + stratosfera + mezosfera = homosfera Mezopauza- strat intermediar mezosferă şi ionosferă Ionosfera(termosfera): - limite: km - temperatura creşte la C - are mai multe straturi ce absorb radiaţiile solare şi reflectă undele radio de pe Pământ - aici se formează aurorele polare Exosfera: - limite: peste km Termosfera + exosfera = heterosfera Magnetosfera: - limite: până la km Centuri de radiaţii: km şi km

9 3.2 Influenta semnalelor in ionosfera Fig.3.1 Structura atmosferei terestre Ionosfera este un mediu dispersiv pentru microunde, cum sunt cele emise de sateliţii sistemelor de poziţionare globală, în sensul că timpul de propagare este dependent de frecvenţa semnalului care străbate ionosfera. Cu cât frecvenţa semnalului este mai mare, cu atât influenţa ionosferei este mai redusă. Deci influenţa refracţiei ionosferice asupra semnalului L1 emis de sateliţii GPS este mai redusă decât asupra semnalului L2. Fig.3.2 Influenţa semnalelor în ionosferă

10 Semnalele satelitare care sunt recepţionate sub un unghi de elevaţie mai mic, suferă refracţii mai puternice, datorită traseului lor mai lung prin ionosferă, faţă de semnalele satelitare recepţionate din zenit. În condiţii normale, influenţa refracţiei ionosferice asupra semnalelor recepţionate la elevaţia de 15 este de cca. 2,5 ori mai puternică, decât asupra semnalelor recepţionate din zenit. Conţinutul de electroni în ionosferă şi perturbaţiile ionosferice ating un maxim în perioada cu activitate solară maximă. Activitatea solară are un caracter ciclic (protuberantele sau exploziile solare) şi se repetă la cca. 11 ani. Cercetările recente au dovedit o corespondenţă între activitatea solară şi fenomenele care au loc în ionosferă. Influenţa ionosferei asupra măsurătorilor depinde şi de lungimea bazei. Cu cât lungimea bazei este mai mare, cu atât condiţiile ionosferice sunt mai variate, iar influenţa asupra semnalelor recepţionate în staţiile S 1 şi S 2 este diferită. O diminuare substanţială a efectului ionosferic asupra măsurătorilor, se poate obţine, prin combinarea măsurătorilor efectuate pe cele două semnale L1 şi L2. Sateliţii sistemelor de poziţionare globală emit pe două frecvenţe nu numai pentru a transmite un volum mai mare de date, ci mai ales pentru a putea controla efectul momentan al ionosferei. Este evident că doar măsurătorile efectuate cu receptoare care operează pe ambele frecvenţe, pot oferi corectarea în mare măsură a refracţiei ionosferice. Fenomenele care au loc în ionosferă, care depind în cea mai mare măsură de activitatea solară, sunt greu de anticipat şi de modelat. Din acest motiv, refracţia ionosferică rămâne în continuare sursa principală de erori în poziţionarea relativă, în special când bazele care se măsoară au lungimi de zeci de kilometri sau chiar sute de kilometri. 3.3 Influenta semnalelor in troposfera Troposfera reprezintã, segmentul de bazã al atmosferei, cuprins între suprafata Pãmântului si o înãltime de cca km. Aceastã zonã este divizatã în douã pãrti: partea umedã cuprinsã între suprafata Pãmântului si o altitudine de cca. 11km, zonã în care umiditatea atmosfericã este prezentã si are valori semnificative; partea uscatã cuprinsã între altitudinea de cca.10km si 40km (parte din stratosfera). Refractia troposfericã provoacã o întârziere a receptionãrii semnalului de la satelit, întârziere care conduce la cresterea timpului de parcurgere a distantei de la satelit la receptor si în consecintã o crestere sistematicã a distantelor. Intârzierea datoratã refractiei troposferice este independentã de frecventa semnalului, aceasta comportându-se identic fatã de cele douã unde purtãtoare L 1 si L 2, dar este dependentã de parametrii atmosferici si de unghiul zenital sub care se gãseste receptorul fatã de satelit. Valoarea refractiei troposferice creste exponential cu valoarea unghiului zenital si din aceste motive nu este recomandabil a se efectua observatii la satelitii care apun sau rãsar, decât dupã ce au intrat sau au iesit, sub unghiul zenital de Pentru eliminarea acestei erori sistematice, s-au realizat mai multe modele matematice printre care cele mai utilizate sunt cele realizate de Hopfield si Saastamoinen.

11 Curs IV 4. Timpul - generalitati. Sistemul orar GPS 4.1. Definire, istoricul timpului. Termenul timp include cel putin trei intelesuri: timpul secunda - o marime masurabila cu un ceas pentru a determina viteza schimbarilor, timpul ca un concept o constructie a gandirii umane si timpul ca fenomen sinonim al variabilitatii lumii, prin care se accepta timpul ca o realitate. Determinarea cu precizie a timpului a devenit posibila in anul 1920, o data cu inventarea oscilatorului si a filtrelor cu cristal de cuart. Ceasul atomic a fost inventat in anii 40 ai secolului al XXlea si de atunci precizia determinarii timpului a crescut continuu, aproximativ in acelasi ritm cu care a crescut densitatea de inregistrare in memoria calculatoarelor Clasificarea timpului Se cunosc trei grupe mari de scari de timp si anume: Timpul sideral sau Timpul Universal, Timpul efemer, dinamic sau terestru si Timpul atomic Timp Sideral sau Timp Universal - redă orientarea în timp a Pământului faţă de spaţiul inerţial, iar scara de timp adecvată este legată de rotaţia diurnă a Pământului. Există patru elemente care definesc timpul sideral: LAST timp aparent local atribuit echinocţiului de primăvară, sau unghi orar local al echinocţiului de primăvară real; GAST timp sideral aparent Greenwich sau unghi orar Greenwich al echinocţiului de primăvară real; LMST - unghi orar local al echinocţiului de primăvară mediu; GMST - unghi orar Greenwich al echinocţiului de primăvară mediu; LMST GMST = LAST - GAST Fig.4.1 Scara timpului universal

12 Timp efemer, Timp dinamic, Timp terestru este un timp convenţional şi este definit ca o mişcare orbitală a corpurilor cereşti în jurul Soarelui. Astronomii au inventat (in 1960) timpul efemeridelor. Acest sistem de timp este precis si nu ia in consideratie rotatia Pamantului. A fost folosit la calculul efemeridelor, mai ales la efemeridele corpurilor ceresti ce se misca in sistemul solar. In 1984 TE a fost inlocuit cu Timpul dinamic terestru, iar în 1991 TDT a devenit timpul terestru (TT). In 1984 a fost creat timpul dinamic baricentric. Acesta se refera la centrul de masa al sistemului solar, apoi, in 1991, a aparut timpul coordonat baricentric, ce este bazat pe relativitate. Ultimele doua sisteme sunt neimportante pentru amatori pentru ca difera cu cateva milisecunde Timp atomic se leagă de masurarea exactă a timpului de călătorile a unui semnal, care cere o scară de timp de înaltă rezoluţie (TAI), uniformă şi uşor accesibilă. Ceasul atomic utilizeaza ca standard de referinta frecventa perioadei de oscilatie a radiatiei emise la tranzitia intre doua niveluri energetice dintr-un atom. In conformitate cu hotararea celei de a XIII-a Conferinte Generale pentru Masuri si Greutati din anul 1967, secunda este durata a perioade de oscilatie ale radiatiei emise la tranzitia intre doua niveluri hiperfine ale starii fundamentale 3S1/2 a atomului de cesiu 133. Ultima referinta internationala pentru timpul precis si frecventa este Timpul Universal Coordonat, care este stabilit pe baza informatiilor despre timp si frecventa de la centrele de timp dispuse in jurul globului pamantesc. In anul 1970, Timpul Universal Coordonat a fost conceput de catre un grup international de experti, format in cadrul Uniunii Internationale de Telecomunicatii, care a considerat ca, pentru evitarea confuziilor in comunicarile asupra timpului, cel mai bine ar fi sa se foloseasca, in toate limbile pamantului, o singura forma abreviata de referinta asupra timpului (UTC) Importanţa sistemului orar GPS Cel mai semnificativ exemplu privind folosirea de catre navigatie a determinarii cu precizie a timpului este existenta Sistemului Global de Pozitionare (GPS) care se bazeaza pe comunicarile a 24 de sateliti orbitali care transmit semnale pe baza carora se evalueaza cu precizie timpul. Deoarece semnalele se deplaseaza cu viteza luminii si timpul de transmisie este cunoscut, calculatoarele care receptioneaza semnalele pot determina cu o inalta precizie distanta la care se afla fiecare satelit orbital. In acest proces se comunica calculatoarelor receptoare timpul determinat cu precizie de catre ceasurile atomice ale GPS si, prin comparare, se determina cu o deosebita acuratete atat pozitia satelitilor, cat si timpul care este comunicat, pentru a fi inregistrat, unui mare numar de utilizatori. In plus, au fost dezvoltate multe tipuri de sisteme de comunicatie care depind de GPS si multe tari utilizeaza semnalele GPS in perfectionarea sistemelor de navigatie si in controlul traficului aerian. Evaluarea exacta a timpului, inclusiv a Timpului Universal Coordonat, este un parametru impus al GNSS, iar ceasul atomic este unul din instrumentele de baza ale sistemului. In prezent, GPS poate fi utilizat pentru a obtine estimarea UTC, iar transformarea UTC intr-un serviciu de timp real reprezinta o preocupare la nivel mondial.

13 Curs V 5. Sisteme de coordonate utilizate in tehnologia GPS Sistemul de coordonate cartezian geocentric Sistemul de coordonate cartezian geocentric are ca suprafatã de referintã geoidul, fiind considerat sistemul de coordonate fundamental al geodeziei. Este un sistem de coordonate tridimensional rectangular cu centrul în centrul de masã al Pãmântului. Pozitia unui punct oarecare P de pe suprafata Pãmântului este definitã atât în sistem tridimensional (geodetic) cât si în coordonate astronomice. Cele trei axe rectangulare sunt: - Axa Z este axa polilor; - Axa X este în planul ecuatorului si intersecteazã meridianul 0 (Greenwich); - Axa Y este perpendicularã pe celelalte douã, situatã în planul ecuatorului, cu sensul pozitiv spre est. Fig.5.1 Sistemul de coordonate astronomic

14 Coordonatele astronomice sunt: - latitudinea astronomicã, notatã ; - longitudinea astronomicã, notatã. Pentru a defini pozitia punctului nu pe geoid ci pe suprafata terenului, acestor douã coordonate li se adaugã altitudinea ortometricã, notatã H OR. Latitudinea astronomicã,, a punctului P este unghiul format de verticala punctului P cu planul ecuatorial al geoidului. Longitudinea astronomicã,, este unghiul diedru format de meridianul astronomic al punctului Greenwich cu meridianul punctului P. Altitudinea ortometricã, H, este diferenta pe verticalã, mãsuratã pe verticala locului, dintre punctul P de pe suprafata terenului si punctul în care verticala punctului P înteapã geoidul. Fizic, verticala unui punct oarecare P este datã de firul cu plumb. Toate observatiile geodezice sunt referite la verticala locului, care trebuie sã coincidã cu axa verticalã a oricãrui instrument geodezic amplasat în punctul respectiv. Sistemul astronomic local, legat de normala n, intr.-un punct de observatie P poate fi definit ca: n = cosφ cos Λ cosφ sin Λ sin Φ 5.2. Sistemul astronomic local Acest sistem de coordonate are axele definite in felul urmator: - planul orizontal xy este perpendicular pe directia gravitãtii; - axa z este axa polilor; - axa x este situatã în meridianul local al punctului P (originea sistemului), deci cu sensul pozitiv spre nordul geografic; - axa y are sensul pozitiv spre estul astronomic si este perpendicularã atât pe axa x cât si pe directia gravitãtii; - altitudinea, H OR, este îndreptatã dupã tangenta la directia gravitãtii, cu sensul pozitiv cãtre zenitul astronomic. Orice alt punct din vecinãtatea punctului P si vizibil din acest punct, poate fi determinat în acest sistem de coordonate prin mãsurãtori clasice (directii, distante, unghiuri zenitale) sau GPS. Mãsurãtorile clasice sunt denumite si coordonate astronomice polare locale: - S - distanta înclinatã dintre cele douã puncte; - - azimutul astronomic al punctului de statie în raport de punctul nou, R; - Z- unghiul zenital, format între verticala locului punctului P si directia PR; Coordonatele astronomice polare locale care definesc pozitia punctului nou R în sistemul astronomic local pot fi transformate în coordonate naturale locale, respectiv x, y, H OR, pentru punctul R. X x cos Asin Z = y = S sin Asin Z z cos Z

15 Fig.5.2 Sistemul astronomic local 5.3. Sistemul global elipsoidal Sistemul global elipsoidal este similar cu sistemul cartezian global geocentric. Originea sistemului este în imediata apropiere a centrului sistemului cartezian global geocentric, respectiv cât mai aproape de centrul de masã al Pãmântului. De asemenea, cele trei axe de coordonate sunt apropiate pânã la coincidentã cu axele de coordonate ale sistemului cartezian global geocentric. Este de asemenea un sistem de coordonate tridimensional rectangular. Pozitia unui punct oarecare P de pe suprafata Pãmântului este definitã atât în sistem tridimensional elipsoidal cât si în coordonate elipsoidale (latitudinea si longitudinea elipsoidalã). Cele trei axe rectangulare sunt: - Axa Z este cât mai aproape de axa polilor geografici; - Axa X este în planul ecuatorului elipsoidal si intersecteazã meridianul 0 al elipsoidului respectiv; - Axa Y este perpendicularã pe celelalte douã, situatã în planul ecuatorului elipsoidului, cu sensul pozitiv spre est. Coordonatele elipsoidale, analog coordonatelor astronomice sunt: - latitudinea geodezicã, notatã B;

16 - longitudinea geodezicã, notatã L. Pentru a defini pozitia punctului pe suprafata terenului, si nu pe elipsoid, acestor douã coordonate li se adaugã altitudinea elipsoidalã, notatã H E. Latitudinea geodezicã, B, a punctului P este unghiul format de normala la elipsoid în punctul P cu planul ecuatorului elipsoidului de referintã. Longitudinea geodezicã, L, este unghiul diedru format de meridianul geodezic al punctului P cu meridianul geodezic al punctului Greenwich. Altitudinea elipsoidalã, H E, este diferenta pe verticalã, mãsuratã pe normala la elipsoid a punctului P, dintre punctul P de pe suprafata terenului si punctul în care normala le elipsoid a punctului P înteapã elipsoidul. De remarcat cã meridianul 0 0 al elipsoidului nu corespunde cu meridianul 0 0 al geoidului. De asemenea, în mod normal, fiecare elipsoid are altã origine pentru meridianul 0 0 si altã pozitie a ecuatorului. De exemplu, între elipsoidul Krasovski si elipsoidul WGS84 este o diferentã de circa 1 pe longitudine si circa 6 pe latitudine la nivelul tãrii noastre. Fig.5.3 Sistemul elipsoidal global Sistemul elipsoidal local, legat de normala n, intr.-un punct de observatie P poate fi definit ca: cosϕ cosλ n = cosϕ sin λ sinϕ

17 5.4. Sistemul elipsoidal local Sistemul de coordonate elipsoidal local are axele definite astfel: - planul orizontal xy este perpendicular pe normala la elipsoid; - axa x este situatã în meridianul geodezic al punctului P (originea sistemului), deci cu sensul pozitiv spre nordul geodezic; - axa y are sensul pozitiv spre estul geodezic si este perpendicularã atât pe axa x cât si pe normala la elipsoid; - altitudinea, H E este îndreptatã dupã normala la elipsoid, cu sensul pozitiv cãtre zenitul geodezic. Fig.5.4 Sistemul elipsoidal local Coordonatelor astronomice polare le corespund coordonatele elipsoidale polare locale: - D - distanta înclinatã dintre cele douã puncte; - α - azimutul astronomic al punctului de statie în raport de punctul nou, R; - E - unghiul zenital, format între normala la elipsoid a punctului P si directia PR; Coordonatele elipsoidale polare locale care definesc pozitia punctului nou R în sistemul elipsoidal local pot fi transformate în coordonate elipsoidale locale, respectiv xyh E, pentru punctul R. x cosα sinζ X = y = D sinα sinζ z cosζ

18 5.5. Sistemul WGS 84 Sistemul de referinţă utilizat de tehnica GPS este sistemul WGS 84 (World Geodetic System), căruia îi este asociat un elipsoid geocentric echipotenţial de revoluţie. Sistemul de referinţă în care este încadrată o reţea GPS poate fi considerat un sistem convenţional, local, care are originea translatată cu o cantitate necunoscută faţă de sistemul WGS. Sistemul WGS 84 a fost dezvoliat de D.M.A. (Defense Mapping Agency) din SUA şi este în principiu identic cu Sistemul Geodezic de Referinţă l980. Sistemul WGS 84 a necesitat realizarea: -unui sistem de coordonate geocentric ; -unui elipsoid mediu (al Pământului) ; -parametrilor de transformare în alte datumuri geodezice. Sistemul WGS 84 este un sistem geocentric fix cu originea în centrul de masă al Pământului şi prezintă următoarele particularităţi: - axa Z este paralelă cu direcţia Polului Terestru Convenţional (CTP) şi a meridianului zero - axa X reprezintă intersecţia meridianului WGS de referinţă cu un plan paralel cu Ecuatorul Polului Terestru Convenţional ce include centrul de masă al Pământului definit de WGS 84. Sunt prezentaţi în continuare parametri elipsoidului ataşat sistemului WGS 84 : Parametrii sistemului WGS 84 Parametri Notaţie Mărime Precizie Semiaxa mare A m 2 m Coeficientul armonic zonal C m Viteza unghiulară a Pământului rad/s 0, rad/s Constanta gravitaţională a Pământului GM m 3 /s 2 0, m 3 /s 2 Turtirea F 1/ ppm Raza ecuatorială (a) este determinată cu o eroare de 1-2 m, iar valoarea turtirii (f) este cunoscută cu precizia de aproximativ 3 ppm. Parametrii sistemului WGS 84 sunt practic identici cu cei ai Sistemului Geodezic de Referinţă (GRS 80), singura diferenţă constând în faptul că valoarea coeficientului zonal gravitaţional C20 este luată din modelul gravitaţional WGS 84 şi de aceea diferă puţin de GRS 80. Această neconcordanţă se manifestă de fapt printr-o diferenţă nesemnificativă a valorii semiaxei mici a celor 2 elipsoizi corespondenţi. b WGS 84 b GRS 80 = +0,1 mm Recurgând la metode adecvate de transformare şi folosind un anumit număr de puncte notate în cele două sisteme, este posibilă trecerea, fără probleme particulare, ale coordonatelor X şi Y ale GPS la coordonate corespunzătoare în sistemele geodezice naţionale. Problema este de fapt în ceea ce priveşte cotele. Cum este ştiut, cotele punctelor suprafeţei fizice a Pământului sunt raportate la nivelul mediu al mării, adică la geoid, pe când cotele GPS sunt raportate la suprafaţa elipsoidului WGS 84. Cu alte cuvinte, cotele GPS şi cotele topometrice (cote ortometrice) nu sunt raportate la aceeaşi suprafaţă zero.

19 Curs VI 6. Tipurile de mărimi măsurabile utilizate în tehnologia GPS Mărimile măsurabile se clasifică astfel: - faza codurilor; - numărul integrat Doppler; - faza undei purtătoare Măsurarea fazei codurilor sau a pseudodistanţelor Măsurarea fazei codurilor reprezintă în fapt o înregistrare a diferenţei de timp (ΔT) între momentul de emisie a semnalului din satelit şi al recepţiei în antenă. Deoarece timpul este măsurat în receptor cu ajutorul unui ceas intern, a cărui funcţionare un coincide cu ceasul satelitului, rezultă o decalare provocată de această diferenţă, care se răsfrănge asupra calculului distanţei. Practic, produsul ΔT*v nu determină corect distanţa de la satelit la receptor, fapt pentru care produsul amintit se mai numeşte pseudodistanţă. Mãsurarea pseudodistantelor poate fi realizatã numai prin utilizarea codurilor, deoarece numai acestea pot da indicatii asupra momentului când marca de timp este emisã de satelit si poate fi detectatã de receptor. Această diferenţă de timp se va obţine în receptor printr-o corelare încrucişată a semnalului recepţionat de la satelit cu un semnal identic generat în receptor. Reconstruirea semnalului în receptor este dependentă de cunoaşterea unei secvenţe PRN, după care s-a codificat semnalul satelitar. Astfel, satelitul emite o undă purtătoare codificată f şi este recepţionată sub forma f r, dar în cadrul receptorului, un oscilator este responsabil de generarea unei frecvenţe f i = f r. Această corespondenţă a frecventelor se menţine pe toată perioada măsurătorilor. In acest moment, semnalul f i este codificat printr-o modulaţie de fază cu o secvenţă PRN identică cu cea utilizată de satelit pentru codificarea semnalului. ΔT = P D /v = km/aprox km/s = 0,07secunde Dacă ceasul satelitului ar corespunde cu ceasul receptorului, problema s-ar simplifica întrucât produsul dintre ΔT si viteza luminii ar da distanta dintre satelit şi receptor, dar corespondenţa aceasta nu există, aşa că se acceptă o decalare Δt privitoare la ceasul din receptor. Δt = T s - T r Acum am fi în măsură să corectăm timpul măsurat cu decalarea Δt: T c = ΔT + Δt Astfel se poate scrie acum o relaţie prin care se determină distanta satelit-receptor: D =(ΔT + Δt)*v <=> D = ΔT*v + Δt*v

20 ΔT*v = D - Δt*v Ca o concluzie se poate spune că măsurarea timpului de propagare ΔT multiplicată cu viteza luminii reprezintă diferenţa dintre distanţa satelit receptor şi o valoare constantă Măsurători Doppler Fig.6.1 Determinarea fazei codurilor Măsurătorile Doppler urmaresc efectul mişcării relative a satelitului, care are o viteză de deplasare de cca km/h, în raport cu receptorul de la sol. Datorită acestei mişcări, frecventa receptionată f r nu este constantă. Ştim că n = f * t, unde f frecventa constantă t timpul n numărul de lungimi de undă Numărul de perioade sau de cicluri n se poate obţine prin utilizarea unor intervale scurte de timp Δt i: n = Δt 1 f 1 + Δt 2 f 2 + Δt 3 f Δt n f n Se vor obţine rezultate foarte bune atâta vreme cât Δt are valoare mică, sau tinde spre 0. Dacă se întâmplă acest lucru, atunci numărul de cicluri de lungimi de undă recepţionate în perioada T 1 T 2, se va determina prin integrarea frecventei recepţionate.

21 n = Practic, pe noi ne interesează să determinăm o diferenţă de distanţă dintre receptor şi două poziţii orbitale consecutive ale aceluiaşi satelit la două epoci diferite T 1 şi T 2. Acest lucru se realizeaza prin compunerea frecventei recepţionate f r cu o frecvenţă generată în interiorul receptorului f i, dar foarte apropiată de cea recepţionată. Astfel vom obţine o frecvenţă a variaţiei în amplitudine: T 2 T1 f dt r f a = f i - f r În final se vor măsura ciclurile frecvenţei de variaţie a amplitudinii f a în intervalul ales T 1 - T 2. N T 2 T T1 T1 = f a dt = ( f i f r ) dt, N- reprezintă numărul integrat Doppler Măsurarea fazei purtătoare sau a purtătoarei mixate Măsurarea fazei purtătoare sau a purtătoarei mixate are la bază principiul fazic, care se bazează pe măsurarea diferentei de faza între modulaţiile transmise şi cele recepţionate. Mărimea care se urmăreşte în această situaţie este diferenţa de fază Δλ a semnalului recepţionat de la satelit şi cea a semnalului generat în receptor, denumită şi faza purtătoarei, ţinând cont şi de efectul Doppler. Lungimea receptor satelit, poate fi obtinutã astfel prin mãsurarea fazelor portantelor L1 si L2, metoda presupunând urmãrirea unui satelit j în lungul orbitei sale la o epoca initialã t0 si respectiv la o epoca oarecare t. Fig.6.2 Măsurarea fazei purtătoare

22 La momentul t0 distanta de la satelitul j la receptorul i poate fi exprimatã ca o sumã, datã de numãrul întreg de cicli ai undei de la satelit la receptor, plus o fractiune de lungime de undã, care exprimã o fractiune de ciclu întreg de lungime de undã. D ji = Nλ + Δλ In realitate, aceasta este mãrimea care se mãsoarã, în timp ce numãrul de cicli întregi denumit ambiguitate de faze, rãmâne ca o nouã necunoscutã pentru fiecare satelit observat. Dacã se presupune cã ambiguitatea rãmâne la o valoare constantă trebuie mentinut contactul cu satelitul între diferite epoci de mãsurare si pe urmã continutul numãrului întreg de cicli se schimbã datoritã miscãrii relative a satelitului fatã de receptor (efectul Doppler). Pierderea contactului receptorului cu satelitul, generatã în special de obstacole în calea semnalului, denumitã cycle slip, provoacã aparitia unei noi ambiguitãti de fazã, necunoscutã care apare la fiecare întrerupere de semnal. 1992): unde: Modelul matematic de mãsurare de faze are deci urmãtoarea expresie (Hofmann-Wellenhof j Φ i = λ 1 j j j ρ (t) N f j i + i + Δδi j Φ i (t)λ - mãsuratoarea de fazã, exprimatã în cicli; λ - lungimea de undã; j ρ - distanta geometricã; i j i N - ambiguitatea de fazã (numãr întreg de lungimi de undã), independentã de t ; j f - frecventa semnalului de la satelit; j Δ δ - combinatii ale erorilor de ceas ale satelitului j si ale receptorului i. i (t) Precizia distanţei cu măsurători de fază este de aprox. 3 mm, deci această măsurătoare este mult mai precisă decât cea de cod. Distanţa de fază însă în cazul fiecărui satelit conţine o necunoscută (sunt necunoscute ciclurile în momentul începerii măsurătorii), care se pot determina la prelucrarea datelor.

23 Curs VII 7. Tehnici de poziţionare GPS Poziţiile diferitelor puncte de pe suprafaţa terestră pot fi determinate utilizând tehnici şi tehnologii multiple de măsurare. Determinările pot fi făcute relativ la un sistem de coordonate bine definit, de regulă tridimensional, la care originea o constituie chiar centru de masă al Pământului, fie în raport cu un alt punct ce reprezintă originea unui sistem de coordonate locale, diferit de centrul de masă al Pământului şi stabilit conform scopului şi destinaţiei urmărite. Noţiunea de poziţionare poate fi atribuită atât elementelor aflate în mişcare (mobile) cât şi celor fixe (statice). Astfel, în cadrul determinărilor în spaţiu se disting două tehnici de poziţionare: -poziţionarea relativă; -poziţionarea absolută Poziţionarea absolută sau autonomă Prin poziţionare absolută se înţelege determinarea poziţiilor obiectelor mobile sau statice în raport cu un sistem tridimensional de coordonate, originea constituind-o chiar centrul Pământului. In altă ordine de idei, poziţionarea absolută reprezintă o determinare independentă a unui punct, unde din măsurători de cod găsim coordonatele în sistemul WGS84 din determinarea pseudodistanţei în acelaşi timp cu măsurătorile. Această metodă necesită un singur receptor. Ca măsurători, intră în atenţie doar măsurarea pseudodistanţelor cu ajutorul codurilor, deci este suficient să dispunem de un receptor cu caracteristici tipice pentru navigaţie. Precizia potenţială în poziţionarea absolută, poate fi influenţată şi dirijată din segmentul de control al sistemului prin tehnica S-A (select availability). Fig.7.1 Metoda poziţionării absolute

24 Se poate spune că precizia acestei metode pentru o determinare în plan este de cca. 100 m, iar în poziţionarea altimetrică de 140 m dacă S-A este activat. Această precizie poate fi îmbunătăţită numai prin măsurători îndelungate (SPP single point positioning -ca fază de teren, SPS single point solution ca fază de cabinet ), sau prin alte tehnici. Poziţionarea unui punct izolat poate avea loc cu receptorul fix - măsurare statică, sau cu receptorul mobil - măsurare cinematică. Rezultatul poziţionării unui singur punct mai este cunoscut şi sub denumirea de soluţie de navigaţie, indiferent dacă receptorul este în mişcare sau fix. Pentru a obţine o soluţie în timp real, trebuie să se dispună de minimum 4 pseudodistanţe măsurate concomitent spre patru sateliţi, necesare la determinarea celor 4 necunoscute (3 coordonate carteziene X, Y, Z, şi eroarea de timp Δt) Poziţionarea relativă Prin poziţionare relativă se înţelege determinarea poziţiilor obiectelor mobile sau statice în raport cu un alt punct ce reprezintă originea unui sistem de coordonate locale, diferit de centrul de masă al Pământului şi stabilit în funcţie de scopul urmărit. In altă ordine de idei, poziţionarea relativă înseamnă măsurarea simultană a pseudodistanţei sau a fazei purtătoare din două sau mai multe puncte către aceiaşi sateliţi. Metoda necesită cel puţin două receptoare. Prin măsurători simultane în două puncte staţionate cu echipamente GPS spre aceiaşi sateliţi, se poate determina vectorul bazei între cele două staţii, acesta fiind definit prin coordonatele relative ΔX, ΔY şi ΔZ în sistemul WGS 84. Practic, poziţionarea relativă are drept scop determinarea poziţiei unui punct necunoscut în raport de un punct de coordonate cunoscute. In urma efectuării unor astfel de observaţii se determină vectorul dintre cele două puncte denumit şi vectorul bazei sau pe scurt, bază (b). Fig.7.2 Metoda poziţionării relative

25 Fie A un punct geodezic cu coordonate geodezice spatiale cunoscute si un punct geodezic B, considerat punct nou. Coordonatele punctului B, se vor putea determina cu relatiile: X = X + b B b AB A X = Y Z B B B AB X Y A Z A A ΔX = ΔY Metoda de prelucrare se bazează pe calculul diferenţelor formate în cadrul măsurătorilor, iar în cursul acestei prelucrări unele erori dispar sau efectul lor scade simţitor. Precizia metodei relative de pozitionare este mult mai ridicata fata de pozitionarea unui punct singular. La determinarea relativa a pozitiei punctelor, componentele vectorului baza sunt determinate dupa finalizarea masuratorilor, în cadrul procesarii la birou a datelor. Pentru o pozitionare relativa în timp real, este nevoie de un sistem de transmisie a datelor spre una dintre statii, unde are loc procesarea datelor concomitent cu desfasurarea masuratorilor. Preciziile care sunt cerute în aplicatiile geodezice, sunt atinse astazi numai prin metodele relative de pozitionare, efectuându-se masuratori de faza asupra undelor purtatoare. Rationamentele prezentate pentru doua receptoare, pot fi extrapolate fara restrictie la folosirea mai multori receptoare, cu mentiunea, ca una dintre statii va prelua functia de statie de referinta, fata de care se determina apoi pozitiile relative ale celorlalte statii. ΔZ AB AB AB 7.3. Poziţionarea diferenţială - DGPS Pozitionarea diferentiala cu GNSS, abreviata DGPS, este o tehnica de pozitionare în timp real, în care sunt folosite doua sau mai multe receptoare. Unul dintre receptoare este instalat într-o statie de coordonate cunoscute, unde pe baza masuratorilor efectuate cu o anumita rata de înregistrare sunt calculate corectii pentru masuratorile de pseuodistante si corectii pentru rata masuratorilor, care sunt apoi transmise spre unul sau mai multe receptoare mobile. Receptorul mobil aplica corectiile transmise si îsi calculeaza pozitiile cu pseudodistante corectate. Mare parte a erorilor ce afectează măsurătorile efectuate de sateliţi pot fi eliminate complet sau cel puţin semnificativ reduse utilizând tehnicile de măsurare diferenţiată. Fig.7.3 Metoda poziţionării diferenţiale - DGPS

26 Rolul receptorului de referinţă în cadrul tehnologiei DGPS Antena receptorului de referinţă este montată într-un punct măsurat anterior şi ale cărui coordonate sunt cunoscute. Receptorul care este plasat în acest punct este cunoscut sub numele de receptor de referinţă sau staţie de bază. Receptorul se porneşte şi începe să depisteze sateliţii. Poate calcula o poziţie autonomă folosind poziţionarea absolută. Din cauză că este într-un punct cunoscut receptorul de referinţă poate să estimeze foarte precis care ar trebui să fie distantele fata de sateliti. Astfel, receptorul de referinţă poate să rezolve problema diferenţei dintre valorile calculate şi măsurate ale distantelor fata de sateliti, aceste diferenţe fiind denumite corecţii. Receptorul de referinţă este de obicei ataşat unui şir de legături radio care sunt folosite pentru a răspândi aceste corectii Rolul receptorului Rover în cadrul tehnologiei DGPS Acest receptor se află la celălat capăt al corectiilor. El conţine o legătură de date radio care-i permite să perceapă corecturile difuzate de către receptorul de referinţă. Receptorul Rover mai calculează şi distantele la sateliţi, apoi aplică corectura pe care o primeşte de la receptorul de referinţă. Acesta îi permite să calculeze o poziţie cu mult mai exactă decât cea determinată din măsurătorile care nu au fost corectate. Folosind această tehnică, toate sursele de erori sunt minimalizate, obţinând astfel cea mai exactă poziţie. Se ştie că mai mulţi receptori Rover pot primi corecturi de la un singur receptor de referinţă. In prezent s-au realizat sisteme de poziţionare de tip D-GNSS, care au o acoperire globală, corecţiile diferenţiale determinându-se pe baza unor reţele de staţii GNSS permanente dispuse pe suprafaţa întregului Glob. Corecţiile sunt difuzate utilizând sisteme complementare alcătuite din sateliţi de comunicaţie geostaţionari. Cele mai cunoscute sisteme D-GPS actuale sunt WAAS, EGNOS (3 sateliţi operaţionali din aprilie 2004) şi MSAS. Aria de acoperire cu corecţii diferenţiale este prezentată în fig.3. Există în unele ţări şi sisteme D-GNSS realizate la nivel naţional (SUA, Germania, Austria, Franţa, Japonia ş.a.) sau local. Fig.7.4 Sisteme GNSS complementare

27 GPS diferenţial în timp real Metoda RTDGPS (Real Time Differential GPS) sau cinematică în timp real, RTK (Real Time Kinematic) elimină inconvenientele metodelor prezentate anterior, unul dintre cele mai importante fiind poziţionarea doar prin postprocesare. Astfel, RTK permite determinarea şi cunoaşterea rapidă a coordonatelor antenei receptorului, inclusiv verificarea calităţii măsurătorilor, corelarea şi corectarea erorilor de distanţă cu transmiterea datelor prin unde radio.