Αποτύπωση δασικού δρόμου με χρήση των δορυφορικών GPS-GLONASS και μόνιμων σταθμών βάσης ΠΕΡΙΛΗΨΗ. 5 ABSTRACT 6. Ευχαριστίες.. 7. Κατάλογος Πινάκων.

Transcript

1 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ. 5 ABSTRACT 6 Ευχαριστίες.. 7 Κατάλογος Πινάκων. 8 Κατάλογος Σχημάτων...8 Κατάλογος Χαρτών. 12 Κατάλογος Συντομογραφιών και Ακρωνυμίων..13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Ι. ΕΙΣΑΓΩΓΗ- ΣΚΟΠΟΣ ΕΡΕΥΝΑΣ 1. Παγκόσμια δορυφορικά συστήματα πλοήγησης GNSS Δικτυακές τεχνικές RTK Εισαγωγή Ιδιαίτερα χαρακτηριστικά, ομοιότητες και διαφορές των παγκόσμιων δορυφορικών συστημάτων πλοήγησης Μέθοδοι δορυφορικού προσδιορισμού θέσης με τη χρήση των παγκόσμιων GNSS συστημάτων Δομή του δορυφορικού συστήματος G.P.S Δομή του σήματος του G.P.S Αρχή λειτουργίας του G.P.S Είδη μετρήσεων Είδη μετρήσεων G.P.S Μετρήσεις ψευδοαποστάσεων με το G.P.S Μετρήσεις φάσεων με το G.P.S Επίλυση αρχικής ασάφειας φάσης

2 2.6.5 Σφάλματα των μετρήσεων G.P.S Τα δορυφορικά σφάλματα Τα τροχιακά σφάλματα Σφάλματα των δορυφορικών χρονομέτρων Τα σφάλματα των δεκτών Η δομή της ατμόσφαιρας και τα ατμοσφαιρικά σφάλματα Προσδιορισμός θέσης G.P.S κάτω από δύσκολες συνθήκες. Παράγοντες υποβάθμισης του σήματος. Ακρίβειες που επιτυγχάνονται σε δασικό περιβάλλον Γεωμετρικά μέτρα ακριβείας (DOP) Το πρότυπο RINEX ή αρχεία RINEX Το πρότυπο ή σχήμα NGS-SP Το μήνυμα RTCM ή πρότυπο RTCM SC Το πρότυπο ή Πρωτόκολλο επικοινωνίας ΝΜΕΑ Το πρότυπο ή Πρωτόκολλο επικοινωνίας NTRIP Δίκτυα μονίμων σταθμών G.P.S και δικτυακές τεχνικές Δίκτυα μονίμων σταθμών G.P.S Δίκτυα μονίμων σταθμών G.P.S συνεχούς παρακολούθησης δορυφόρων ή συνεχούς λειτουργίας Δικτυακές τεχνικές Εικονικοί σταθμοί αναφοράς Σταθμοί μετάδοσης παραμέτρων επιφανειακών διορθώσεων FKP Τεχνική MAC. 59 2

3 4.3.4 Κριτήρια επιλογής δικτυακής τεχνικής Μόνιμοι σταθμοί αναφοράς στην Ελλάδα Γενικά Η εταιρεία METRICA Α.Ε Περιγραφή της αρχιτεκτονικής της Metrica 63 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΙΙ. ΠΕΡΙΟΧΗ ΜΕΛΕΤΗΣ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΣ ΕΡΕΥΝΑΣ 1. Επιλογή της περιοχής μελέτης Το Πανεπιστημιακό Δάσος Ταξιάρχη Βραστάνων Χαλκιδικής Γεωγραφική θέση του Πανεπιστημιακού Δάσους Ταξιάρχη Βραστάνων Χαλκιδικής Όρια του Πανεπιστημιακού Δάσους Ταξιάρχη Βραστάνων Χαλκιδικής Έκταση και διαίρεση του Πανεπιστημιακού Δάσους Ταξιάρχη Βραστάνων Χαλκιδικής Περιγραφή της περιοχής μελέτης στο Πανεπιστημιακό Δάσος Ταξιάρχη Βραστάνων Χαλκιδικής Γεωδαιτικός εξοπλισμός και συναφή προγράμματα Γενικά Γεωδαιτικός σταθμός ( Total Station ) Γεωδαιτικός σταθμός Leica TCR Leica Geo Office Tools Δέκτες G.P.S G.P.S Leica GS09 GNSS AutoCad Map Διαδικασία μετρήσεων Θεωρία σφαλμάτων. 87 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΕΡΕΥΝΑΣ 1. Αποτελέσματα πρώτης σειράς μετρήσεων Αποτύπωση σημείων σε άξονα δασικού δρόμου 89 3

4 2. Αποτελέσματα δεύτερης σειράς μετρήσεων Αποτύπωση σημείων κάτω από κομοστέγη συστάδας υψηλού δάσους πλατυφύλλου δρυός Αποτελέσματα τρίτης σειράς μετρήσεων Αποτύπωση σημείων σε δασική χορτολιβαδική έκταση Αποτελέσματα τέταρτης σειράς μετρήσεων Αποτύπωση σημείων σε περιβάλλον αστικού τύπου ( κοντά σε κτήρια εντός δάσους ) Αποτελέσματα πέμπτης σειράς μετρήσεων Αποτύπωση σε τριγωνομετρικό σημείο Συγκρίσεις Σύγκριση αποτελεσμάτων μεταξύ HEPOS και METRICA με την τεχνική Single Base Eποχική σύγκριση αποτελεσμάτων Μαρτίου-Ιουλίου ( με φύλλωμα και χωρίς), μεταξύ GPS και Total Station ΙV. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ 1. Προβλήματα που αντιμετωπίστηκαν Συμπεράσματα Προτάσεις. 106 V. Βιβλιογραφία Ελληνική βιβλιογραφία. 108 Ξενόγλωση βιβλιογραφία. 109 Δικτυακοί τόποι VI. ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Ι : ΠΙΝΑΚΕΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ VII. ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΙΙ : ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΚΟ ΥΛΙΚΟ 1. Φωτογραφίες πρώτου ρέματος 2. Πανοραμική εικόνα από GoogleEarth 4

5 Περίληψη Η συνεχής εξέλιξη των Παγκόσμιων Δορυφορικών Συστημάτων Πλοήγησης GNSS (GPS, GLONASS, GALILEO, κ.ά.), όσον αφορά τη χρήση τους σε γεωδαιτικές εφαρμογές για τον προσδιορισμό θέσεων στη φυσική γήινη επιφάνεια, οδήγησε στη δημιουργία δικτύων μόνιμων σταθμών αναφοράς σε παγκόσμια, διακρατική, εθνική, περιφερειακή, ή τοπική κλίμακα. Έτσι ενώ μέχρι σήμερα για μετρήσεις πραγματικού χρόνου αλλά και μετεπεξεργασίας, απαιτούνταν 2 δέκτες, τον 2ο δέκτη έχει αντικαταστήσει ο μόνιμος σταθμός αναφοράς, με αποτέλεσμα να είναι πλέον δυνατό να πραγματοποιούνται μετρήσεις με την ύπαρξη ενός και μόνο δέκτη. Η αποστολή διορθώσεων πραγματικού χρόνου δεν γίνεται μέσω ραδιοζεύξης αλλά μέσω διαδικτύου (Internet), ενώ τα δεδομένα των μετρήσεων του σταθμού αναφοράς αποθηκεύονται σε server όπου μέσω διαδικτύου (Internet) υπάρχει δυνατότητα ανάκτησής τους για μετεπεξεργασία. Οι διορθώσεις πραγματικού χρόνου λαμβάνονται είτε από ένα μόνο σταθμό αναφοράς, (τεχνική Single Base), είτε ταυτόχρονα από περισσότερους σταθμούς αναφοράς, (δικτυακή τεχνική). Οι ακρίβειες που επιτυγχάνονται για μετρήσεις σε πραγματικό χρόνο κυμαίνονται για την τεχνική RTK έως 2cm, για την τεχνική DGPS έως και 1μ, ενώ για εφαρμογές μετεπεξεργασίας λίγα χιλιοστά. Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η αξιολόγηση της ακρίβειας εντοπισμού της τεχνικής RTK με χρήση μόνιμων σταθμών αναφοράς σε σχέση με την ακρίβεια που έχει επιτευχθεί από τις μετρήσεις με ηλεκτροοπτικό θεοδόλιχο ή (total station), καθώς και στην εποχική σύγκριση των αποτελεσμάτων μεταξύ GPS και Total Station σε άξονα δασικού δρόμου με φύλλωμα και χωρίς φύλλωμα. Στον GNSS δέκτη, έγινε χρήση της τεχνικής Single Base RTΚ σε πέντε διαφορετικά δασικά περιβάλλοντα: α) σε άξονα δασικού δρόμου, β) κάτω από την κομοστέγη υψηλού δάσους πλατυφύλλου Δρυός, γ) σε δασική χορτολιβαδική έκταση, δ) σε περιβάλλον αστικού τύπου ( κτιριακές εγκαταστάσεις μέσα σε δάσος) και ε) σε τριγωνομετρικό σημείο μέσα σε δασική έκταση. Οι μετρήσεις εκτελέστηκαν στην περιοχή του Πανεπιστημιακού δάσους Ταξιάρχη Βραστάνων Χαλκιδικής και ως σταθμός αναφοράς χρησιμοποιήθηκε ο σταθμός της εταιρείας Metrica ο οποίος βρίσκεται στην περιοχή Στρατώνι Χαλκιδικής. Συγκεκριμένα η εργασία αφορά στον προσδιορισμό συντεταγμένων σημείων στις παραπάνω πέντε διαφορετικές περιβαλλοντικές και τοπογραφικές συνθήκες, χρησιμοποιώντας τον γεωδαιτικό σταθμό Leica TRC 407 του οποίου οι μετρήσεις θα λαμβάνονται ως <αληθείς τιμές> και τον GPS δέκτη Leica GS09_GNSS με χρήση GPS και GLONASS δορυφόρων, ο οποίος λειτουργεί άψογα με το δίκτυο Μόνιμων Σταθμών Αναφοράς της Metrica. Όσον αφορά τα δασικά περιβάλλοντα μέτρησης, τα καλύτερα αποτελέσματα κατά σειρά προτεραιότητας, παρουσιάστηκαν α) στο τριγωνομετρικό σημείο, β) στον άξονα δασικού δρόμου, γ) στη δασική χορτολιβαδική έκταση, δ) στο δασικό περιβάλλον αστικού τύπου και τέλος κάτω από την κομοστέγη υψηλού δάσους πλατυφύλλου Δρυός. Λέξεις κλειδιά: Μόνιμος σταθμός αναφοράς, RTK, GNSS, GPS, GLONASS, ακρίβεια σε δασικό περιβάλλον, Single Base τεχνική, δικτυακές τεχνικές, Ελλάδα, ΕΓΣΑ87. 5

6 Abstract The continuous development of Global Navigation Positioning System GNSS (GPS, GLONASS, GALILEO, etc.) with regard to their use in geodesic applications for the determination of places in the surface of the earth, lead to the creation of networks of permanent reference stations in universal, national, regional or local scale. That s why nowadays for real time measurements but also for afterwords elaboration was required to receivers, the second receiver has been replaced by permanent reference station, so that it is now possible to realize measurements with the existence of only one receiver. The real time sending of corrections does not become via radio connection, but via Internet, while the reference station s data are saved on server where via Internet there is possibility of regaining them for afterwords elaboration. The real time corrections are received from only one reference station ( Single Base technique), or from more reference station s at the same time ( Network technique). The precisions that are achieved for real time measurement s oscillate for the RTK technique up to 2cm, for the DGPS technique up to 1m, while for applications for post process are few mm. The aim of the present postgraduate thesis is to evaluate the precision of RTK technique using permanent reference station s in accordance with the precision that has been achieved from the measurements of total station well as at season comparison of results between GPS and Total Station in an axis of forest road with leafs or not. The Single Base RTK technique was used in five different forest environment s: a) in an axis of forest road, b) under the canopy of high forest of Quercus frainetto ( broadleaf oak), c) in forest grassland, d) in an urban type environment ( buildings in forest environment), e) a trigonometric pillar. The measurements were carried out at the University forest of Taxiarhi-Vrastanon Chalkidikis and as a reference station it was used the Metrica station which is in the area of Stratoni Chalkidikis. Specifically the study concerns the determination of coordinates of points according to the above five different environmental and topographical conditions, using the total station Leica TRC 407 whose measurements are taken as true values and the GPS Leica GS09 GNSS receiver, using GPS and GLONASS satellites, which functions perfectly with the Metrica s permanent reference station network. With regard to the measurement environments, the best results at a priority order occurred, a) to the trigonometric point, b) in an axis of forest road, c) in forest grassland, d) in an urban type environmental and finally under the canopy of high forest of Quercus frainetto ( broadleaf oak). Key words: Permanent reference station, RTK, GNSS, GPS, GLONASS, precision, Single Base technique, Network techniques, Greece, EGSA 87. 6

7 Eυχαριστίες Η παρούσα µεταπτυχιακή εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Μηχανικών Επιστηµών και Τοπογραφίας του Τοµέα ασοτεχνικών και Υδρονοµικών Έργων της Σχολής ασολογίας και Φυσικού Περιβάλλοντος του Α.Π.Θ., υπό την επίβλεψη του Καθηγητή κ. Κοσµά ούκα. Από τη θέση αυτή επιθυµώ να του εκφράσω τις ευχαριστίες µου για την ανάθεση, την επίβλεψη και το συντονισµό της µεταπτυχιακής εργασίας καθώς και για τη συνεχή στήριξη και καθοδήγηση κατά τη διάρκεια εκπόνησης και υλοποίησης των εργασιών που αυτή περιελάµβανε. Ευχαριστίες αρµόζουν επίσης: Στον Επίκουρο Καθηγητή του Εργαστηρίου Μηχανικών Επιστηµών και Τοπογραφίας του Τοµέα ασοτεχνικών και Υδρονοµικών Έργων της Σχολής ασολογίας και Φυσικού Περιβάλλοντος του Α.Π.Θ κ. Βασίλειο Γιαννούλα και στον επίκουρο καθηγητή κ. Βασίλειο ρόσο του Τµήµατος ασολογίας και ιαχείρισης περιβάλλοντος και Φυσικών Πόρων του.π.θ. για την καθοδήγησή τους και τη βοήθειά τους κατά τη διάρκεια των µετρήσεων. Στην Επίκουρη καθηγήτρια κα. Αναστασία Στεργιάδου για την αµέριστη συµπαράσταση και στήριξη καθ όλη τη διάρκεια των µεταπτυχιακών µου σπουδών. Σε όλο το προσωπικό του Εργαστηρίου Μηχανικών Επιστηµών και Τοπογραφίας του Τοµέα ασοτεχνικών και Υδρονοµικών Έργων της Σχολής ασολογίας και Φυσικού Περιβάλλοντος του Α.Π.Θ για την καλή διάθεση που έδειξαν απέναντί µου και ιδιαίτερα στους κ. Αχιλλέα Παπαδηµητρίου Ε.Ε. ι.π. του εργαστηρίου και στην υποψήφια διδάκτορα κα. Χρύσα Αργυροπούλου για την συµµετοχή τους στη λήψη στοιχείων υπαίθρου µε τη χρήση του γεωδαιτικού σταθµού. Στους τεχνικούς Κοσµά αµιανίδη, Αντώνη Αντωνακάκη και Παναγιώτη Γρηγορακάκη της εταιρείας Metrica για την διάθεση να επιλύσουν τις απορίες µου και κυρίως για την βοήθεια που µου παρείχαν στην εξοικείωση µε τον γεωδαιτικό δέκτη GPS που χρησιµοποιήθηκε στη λήψη στοιχείων υπαίθρου. Στο Εργαστήριο Μηχανικών Επιστηµών και Τοπογραφίας του Τοµέα ασοτεχνικών και Υδρονοµικών Έργων της Σχολής ασολογίας και Φυσικού Περιβάλλοντος του Α.Π.Θ., προσωρινού κωδικού για πρόσβαση στις υπηρεσίες πραγµατικού χρόνου της εταιρείας Metrica ώστε να πραγµατοποιηθεί η εργασία. Στην οικογένειά µου για την οικονομική και ηθική στήριξη τους, καθώς και σε όλους τους φίλους μου για την στήριξη σε αυτή μου την προσπάθεια. 7

8 Κατάλογος Πινάκων ΠΙΝΑΚΑΣ Ι-1.2-1: Χαρακτηριστικά των παγκόσµιων δορυφορικών συστηµάτων πλοήγησης. Πίνακας I : Γραμμικοί συνδυασμοί της L1 και L2 συχνότητας. Πίνακας I : Σχέση μεταξύ σφάλματος τροχιάς ανταποκρινομένου σε 1cm λάθους στο μήκος της βάσης. Πίνακας I : Σχέση μεταξύ σφάλματος τροχιάς ανταποκρινομένου σε ppm λάθους για μήκος βάσης 1km. ΠΙΝΑΚΑΣ ΙΙ-2.4-1: Έκταση Πανεπιστηµιακού άσους Ταξιάρχη. ΠΙΝΑΚΑΣ ΙΙΙ 1-1.: Αριθµός των δορυφόρων ανά σηµείο. ΠΙΝΑΚΑΣ ΙΙΙ 2-1: Αριθµός δορυφόρων ανά σηµείο. ΠΙΝΑΚΑΣ ΙΙΙ 3 1: Αριθµός δορυφόρων ανά σηµείο. Πίνακας III-6.1-1: Διαφορές HEPOS και METRICA με την τεχνική Single Base. Πίνακας III-6.1-2: Κατάταξη κατά δασοπεριβάλλον και ακρίβεια. Πίνακας III διαφορών κατά ΔΕ, ΔΝ και ΔΖ στον άξονα δασικού δρόμου κατά τις περιόδους Μαρτίου-Ιουλίου μεταξύ GPS και Total Station. Κατάλογος σχημάτων ΣΧΗΜΑ I-2.2-1: Παράδειγµα γρήγορου στατικού προσδιορισµού. ΣΧΗΜΑ I-2.2-2: Παράδειγµα ψευδοκινηµατικού προσδιορισµού. ΣΧΗΜΑ I-2.2-3: Παράδειγµα ηµικινηµατικού προσδιορισµού. ΣΧΗΜΑ I-2.2-4: Παράδειγµα σχετικού κινηµατικού προσδιορισµού. Σχήμα I Τα Τρία τμήματα του συστήματος GPS. Σχήμα I Οι γενίες των δορυφόρων GPS. Σχήμα I Δορυφορικός σχηματισμός του συστήματος GPS. 8

9 Σχήμα I Δορυφορικός σχηματισμός του συστήματος GPS με τα ονόματα των δορυφόρων. Σχήμα I GPS δορυφόροι και διαδρομές εδάφους. Σχήμα I Ονομαστική τροχιά επιπέδων GPS. Σχήμα I Το εκπεμπόμενο σήμα και αρχής διαμορφώσης φορέα από κώδικα. Σχήμα I Μορφή των κωδικών P και C/A. Σχήμα I Δομή του μηνύματος πλοήγησης. Σχήμα I Η διαδικασία συσχέτισης του κώδικα στο δέκτη. Σχήμα I Εύρος τιμών για τις δύο παραμέτρους ασάφειας (πάνω), εύρος τιμών παραμέτρων ασάφειας χρησιμοποιώντας τη διαθέσιμη συσχετισμένη πληροφορία για τη συχνότητα L1(κάτω). Σχήμα I Επίδραση του σφάλματος τροχιάς στον προσδιορισμό βάσης (baseline determination). Σχήμα I Η δομή της ατμόσφαιρας της Γης. Σχήμα I καλό και κακό DOP στη γεωμετρία των δορυφόρων. Σχήμα I Φτωχό GDOP. Σχήμα I Καλό GDOP. ΣΧΗΜΑ I-3.5-1: Απλοί και δικτυακοί broadcasters του πρωτοκόλλου επικοινωνίας NTRIP. ΣΧΗΜΑ Ι-4.2-1: Σταθµοί του δικτύου EPN. ΣΧΗΜΑ Ι : Το ίκτυο σταθµών αναφοράς. ΣΧΗΜΑ Ι : Το κέντρο ελέγχου στέλνει στο χρήστη τις RTCM διορθώσεις για τη θέση του VRS. ΣΧΗΜΑ ΙΙ-1-1: ασικός δρόµος Σωληνάρια. 9

10 ΣΧΗΜΑ ΙΙ-1-2:. αποτύπωση σηµείων κάτω από κοµοστέγη υψηλού δάσους πλατύφυλλου ρυός. ΣΧΗΜΑ ΙΙ-1-2: Υψηλό δάσος Πλατυφύλλου ρυός. Σχήµα ΙΙ-1-3: αποτύπωση σηµείων σε δασική χορτολιβαδική έκταση Σχήµα ΙΙ-1-4: αποτύπωση σηµείων κοντά σε κτιριακές εγκαταστάσεις που βρίσκονται εντός δάσους. ΣΧΗΜΑ ΙΙ-1-4: Κτιριακές εγκαταστάσεις σχολής ασολογίας & Φυσικού Περιβάλλοντος Α.Π.Θ. στο πανεπιστηµιακό δάσος Ταξιάρχη Χαλκιδικής. Σχήµα ΙΙ-1-5: αποτύπωση τριγωνοµετρικού σηµείου που βρίσκεται σε ράχη εντός δάσους. ΣΧΗΜΑ ΙΙ-1-5: Τριγωνοµετρικό σηµείο. ΣΧΗΜΑ ΙΙ : Ο γεωδαιτικός σταθµός Leica TCR 407. ΣΧΗΜΑ ΙΙ : Ο γεωδαιτικός σταθµός Leica TCR 407 σε εργασία αποτύπωσης στο ύπαιθρο. ΣΧΗΜΑ ΙΙ : Μεταφορά δεδοµένων από το γεωδαιτικό σταθµό Leica TCR 407 σε Ηλεκτρονικό Υπολογιστή. ΣΧΗΜΑ ΙΙ : Ο δέκτης GPS Leica GS09 GNSS. ΣΧΗΜΑ ΙΙ-5-1: Σήµανση σηµείου µε ειδικό καρφί και σπρέι. Σχήμα ΙΙΙ-1-1.: Απεικόνιση αριθμού δορυφόρων. Σχήμα ΙΙΙ-1-2.: ιακύµανση διαφορών συνιστώσας East µεταξύ λύσης και της "αληθούς τιµής στα σημεία 1 έως 28 στον άξονα δασικού δρόμου. Σχήμα ΙΙΙ-1-3.: ιακύµανση διαφορών συνιστώσας North µεταξύ λύσης και της "αληθούς τιµής στα σημεία 1 έως 28 στον άξονα δασικού δρόμου. Σχήμα ΙΙΙ-1-4.: ιακύµανση διαφορών συνιστώσας Z µεταξύ λύσης και της "αληθούς τιµής στα σημεία 1 έως 28 στον άξονα δασικού δρόμου. Σχήμα ΙΙΙ-2-1.: Απεικόνιση αριθμού δορυφόρων. 10

11 Σχήμα ΙΙΙ-2-2.: ιακύµανση διαφορών συνιστώσας East µεταξύ λύσης και της "αληθούς τιµής στα σημεία Στάσης 1 έως 10 στην κομοστέγη δασικού δρόμου. Σχήμα ΙΙΙ-2-3.: ιακύµανση διαφορών συνιστώσας North µεταξύ λύσης και της "αληθούς τιµής στα σημεία Στάσης 1 έως 10 στην κομοστέγη δασικού δρόμου. Σχήμα ΙΙΙ-2-4.: ιακύµανση διαφορών συνιστώσας Z µεταξύ λύσης και της "αληθούς τιµής στα σημεία Στάσης 1 έως 10 στην κομοστέγη δασικού δρόμου. Σχήμα ΙΙΙ-1-1.: Απεικόνιση αριθμού δορυφόρων. Σχήμα ΙΙΙ-1-2.: ιακύµανση διαφορών συνιστώσας East µεταξύ λύσης και της "αληθούς τιµής στα σημεία 1 έως 28 στον άξονα δασικού δρόμου. Σχήμα ΙΙΙ-1-3.: ιακύµανση διαφορών συνιστώσας North µεταξύ λύσης και της "αληθούς τιµής στα σημεία 1 έως 28 στον άξονα δασικού δρόμου. Σχήμα ΙΙΙ-1-4.: ιακύµανση διαφορών συνιστώσας Z µεταξύ λύσης και της "αληθούς τιµής στα σημεία 1 έως 28 στον άξονα δασικού δρόμου. Σχήμα ΙΙΙ-2-1.: Απεικόνιση αριθμού δορυφόρων. Σχήμα ΙΙΙ-2-2.: ιακύµανση διαφορών συνιστώσας East µεταξύ λύσης και της "αληθούς τιµής στα σημεία Στάσης 1 έως 10 στην κομοστέγη δασικού δρόμου. Σχήμα ΙΙΙ-2-3.: ιακύµανση διαφορών συνιστώσας North µεταξύ λύσης και της "αληθούς τιµής στα σημεία Στάσης 1 έως 10 στην κομοστέγη δασικού δρόμου. Σχήμα ΙΙΙ-2-4.: ιακύµανση διαφορών συνιστώσας Z µεταξύ λύσης και της "αληθούς τιµής στα σημεία Στάσης 1 έως 10 στην κομοστέγη δασικού δρόμου Σχήμα ΙΙΙ 3 1: Τοπογραφικό διάγραµµα περιοχής µελέτης Λιβάδια Σχήμα ΙΙΙ-3-3.: ιακύµανση διαφορών συνιστώσας East µεταξύ λύσης και της "αληθούς τιµής στα σημεία L1 έως L7 σε χορτολιβαδική έκταση Σχήμα ΙΙΙ-3-4.: ιακύµανση διαφορών συνιστώσας North µεταξύ λύσης και της "αληθούς τιµής στα σημεία L1 έως L7 σε χορτολιβαδική έκταση. 11

12 Σχήμα ΙΙΙ-3-5.: ιακύµανση διαφορών συνιστώσας Z µεταξύ λύσης και της "αληθούς τιµής στα σημεία L1 έως L7 σε χορτολιβαδική έκταση. Σχήμα ΙΙΙ 4 1: Τοπογραφικό διάγραµµα περιοχής µελέτης κτιριακές εγκαταστάσεις Ταξιάρχη. Κατάλογος χαρτών ΧΑΡΤΗΣ ΙΙ-1-1 : Χάρτης προσανατολισμού. ΧΑΡΤΗΣ ΙΙ-3-1: Χάρτης βλάστησης περιοχής µελέτης. 12

13 Κατάλογος Συντοµογραφιών και Ακρωνυµίων A-S Anti-Spoofing ASCII American Standard Code for Information Interchange CDMA Code Division Multiple Access CORS Continuously Operating Reference Stations CRINEX Compact RINEX DCB Differential Code Bias DD Double-Difference DGPS Differential GPS ECAC European Civil Aviation Conference EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution EGM08 Earth Gravitation Model 2008 EGNOS European Geostationary Navigation Overlay Service EPN EUREF Permanent GNSS Network ESA European Space Agency ETRF2005 European Terrestrial Reference Frame 2005 ETRS89 European Terrestrial Reference System 1989 EUREF EUropean REference Frame FAA Federal Aviation Administration FDMA Frequency Division Multiple Access FIR Flight Instrumental Region FKP Flachen Korrektur Parameter GAGAN GPS Aided Geo Augmented Navigation GBAS Ground Based Augmentation Systems GDOP Geometric Dilution of Precision GLONASS GLObal NAvigation Satellite System GNSS Global Navigation Satellite Systems GPRS General Packet Radio Service GPS Global Positioning System GRS80 Geodetic Reference System 1980 GSM Global System for Mobile communications HDOP Horizontal Dilution of Precision HEPOS Hellenic Positioning System HTRS07 Hellenic Terrestrial Reference System 2007 HTTP HyperText Transfer Protocol IALA International Association of Lighthouse Authorities ICAO International Civil Aviation Organization ICD Interface Control Document IERS International Earth Rotation Service IGS International GNSS Service IONEX IONosphere map Exchange IP Internet Protocol IRNSS Indian Regional Navigational Satellite System ITRF International Terrestrial Reference Frame ITRS International Terrestrial Reference Frame LAAS Local Area Augmentation System MAC Master-Auxiliary Concept MSAS Multi-Functional Satellite Augmentation System MTSAT Multi-function Transport Satellite 13

14 NAVSTAR NAVigation Satellite Timing And Ranging NGS SP3 National Geodetic Survey Standard Product # 3 NMEA National Maritime Electronics Association NTRIP Networked Transport of RTCM in Internet Protocol OTF On The Fly ambiguity resolution PDOP Position Dilution of Precision QZSS Japan s Quasi-Zenith Satellite System RINEX GPS Receiver INdependant EXchange format RTCM Radio Technical Commission for Maritime Services RTCM SC-104 Radio Technical Commission for Maritime Services Special Committee 104 RTK Real Time Kinematic SA Selective Availability SBAS Satelite Based Augmentation Systems SPS Standard Positioning Service TCP/IP Transmission Control Program/Internet Protocol TDOP Time Dilution of Precision UERE User Equivalent Range Error UMTS Universal Mobile Telecommunications System VDOP Vertical Dilution of Precision VRS Virtual Reference Stations WAAS Wide Area Augmentation System WADGPS Wide Area DGPS WGS84 World Geodetic System 1984 ΓΣΑ Γεωδαιτικό Σύστηµα Αναφοράς ΕΓΣΑ87 Ελληνικό Γεωδαιτικό Σύστηµα Αναφοράς 1987 ΕΕΠ Ελλειψοειδές εκ Περιστροφής ΙΤ Information Technology 14

15 1. Εισαγωγή Σκοπός έρευνας Παγκόσμια δορυφορικά συστήματα πλοήγησης GNSS ( Global Navigation Satellite Systems) Τις τελευταίες δεκαετίες η χρήση των παγκόσμιων δορυφορικών συστημάτων πλοήγησης GNSS (GPS, GLONASS, GALILEO) παρουσιάζει μεγάλη ανάπτυξη. Η συνεχής ανάγκη για αποτελέσματα υψηλής ακρίβειας και αξιοπιστίας καθώς και η απαίτηση ελαχιστοποίησης του κόστους και του χρόνου παραμονής στο ύπαιθρο για τις εκάστοτε εφαρμογές, καθιστούν τα συστήματα GNSS ως το πλέον ραγδαία εξελισσόμενο κομμάτι της γεωδαισίας, και ιδιαίτερα της δορυφορικής γεωδαισίας. Οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται στον κλάδο της δορυφορικής γεωδαισίας από τις αρχές της δεκαετίας του 80 έχουν εξελιχθεί σε ακριβή μέσα προσδιορισμού θέσεων, και χρησιμοποιούνται σε πλήθος εφαρμογών, όπως για παράδειγμα στον προσδιορισμό συστημάτων αναφοράς και στον έλεγχο μετακινήσεων.τα τελευταία χρόνια παράλληλα με τις μεθόδους σχετικού προσδιορισμού θέσης, με εκ των υστέρων επεξεργασία των αποτελεσμάτων, έχουν εξελιχθεί δραματικά οι τεχνικές προσδιορισμού θέσης σε πραγματικό χρόνο DGPS και RTK, με περισσότερο διαδεδομένη την τεχνική RTK. Ωστόσο ο βασικός περιορισμός της τεχνικής RTK είναι η απόσταση ανάμεσα στον σταθερό και τον κινητό δέκτη. Αυτό συμβαίνει εξαιτίας της ύπαρξης συστηματικών και τυχαίων σφαλμάτων εξαρτημένων από την παραπάνω απόσταση, τα οποία μπορεί να οφείλονται για παράδειγμα στην ιονόσφαιρα, στην τροπόσφαιρα ή στις τροχιές των δορυφόρων. Η προσπάθεια αποφυγής και εξάλειψης των ενδεχομένων συστηματικών σφαλμάτων γίνεται με τον περιορισμό της απόστασης ανάμεσα σε σταθερό και κινητό δέκτη στα km. Στην περίπτωση της τεχνικής DGPS τα σφάλματα των μετρήσεων μοντελοποιούνται και διορθώνονται και οι ακρίβειες των μετρήσεων δεν επηρεάζονται σχεδόν καθόλου από τα μήκη των βάσεων. Ωστόσο τα συστήματα αυτά που βασίζονται σε μετρήσεις ψευδοαποστάσεων προσφέρουν ακρίβειες της τάξης του μέτρου. Την τελευταία σχεδόν δεκαετία έχουν δημιουργηθεί και εξελιχθεί παγκοσμίως οι Μόνιμοι Σταθμοί Αναφοράς για να υποστηρίξουν γεωδαιτικές εφαρμογές υψηλής ακριβείας. Η λειτουργία των Μόνιμων Σταθμών Αναφοράς βασίζεται στην απαίτηση των χρηστών του δικτύου GPS να έχουν πρόσβαση σε προϊόντα GPS σε 24ωρη βάση και σε πραγματικό χρόνο μέσω σταθερών σημείων αναφοράς, προσδιορισμένων με υψηλή ακρίβεια και εξοπλισμένων με δέκτες GPS τελευταίας τεχνολογίας για τη συγκέντρωση και την αποστολή δεδομένων από και προς τους χρήστες. Η δορυφορική γεωδαισία εκμεταλλεύτηκε όλες τις εξελίξεις στα παγκόσμια συστήματα εντοπισμού, τις εξελίξεις στη γεωδαισία και την ύπαρξη των Μόνιμων Σταθμών Αναφοράς και δημιουργήθηκαν τα Δίκτυα Μόνιμων Σταθμών Αναφοράς εφαρμόζοντας τεχνικές δικτυακού RTK. Οι τεχνικές αυτές του δικτυακού RTK προσφέρουν τη δυνατότητα επίτευξης ακρίβειας της τάξης του εκατοστού, με μετρήσεις σε πραγματικό χρόνο και παρατηρήσεις φάσης, και είναι ικανές να λειτουργούν σε αποστάσεις αρκετών δεκάδων χιλιομέτρων από τον πλησιέστερο Μόνιμο Σταθμό Αναφοράς, με απόδοση ισάξια της κλασσικής μεθόδου RTK, η οποία λειτουργεί σε συγκριτικά πολύ μικρότερες αποστάσεις. Παρατηρούνται τρεις διαφορετικές μέθοδοι δικτύωσης των σταθμών αναφοράς σε ένα δίκτυο RTK. Αυτές είναι οι «Εικονικοί Σταθμοί Αναφοράς - VRS» (Virtual Reference Stations), οι «Σταθμοί Μετάδοσης Παραμέτρων Επιφανειακών Διορθώσεων - FKP» (Flächen Korrektur Parameter) και η τεχνική «MAC (Master- Auxiliary Concept)». Από τις τρεις αυτές μεθόδους η πιο διαδεδομένη είναι η μέθοδος Εικονικών Σταθμών Αναφοράς - VRS. 15

16 2. Δικτυακές τεχνικές RTK 2.1 Εισαγωγή Γενικά για το G.P.S. Η εποχή που διανύουµε χαρακτηρίζεται από σηµαντικές εξελίξεις στον τοµέα των εφαρµογών του διαστήµατος. Ειδικά στην επιστήµη της Γεωδαισίας οι εφαρµογές του προσδιορισµού θέσης µε την χρήση δορυφόρων σε παγκόσµια κλίµακα (GPS, GLONASS) πρόσφεραν πολύτιµες λύσεις σε χρόνια προβλήµατα και παράλληλα δημιούργησαν καινούριες προοπτικές, αλλά και µμεγαλύτερες απαιτήσεις. Το NAVSTAR/G.P.S. (Navigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System) ή απλά GPS, είναι ένα δορυφορικό σύστηµα µε τη βοήθεια του οποίου µπορούµε να προσδιορίσουμε τη θέση ενός σηµείου παρατήρησης Χ, Υ, Ζ, ως προς ένα κατάλληλο σύστηµα αναφοράς. Το νέο αυτό σύστηµα άρχισε να αναπτύσσεται στις αρχές της δεκαετίας του 70 και να αξιοποιείται από τις αρχές της δεκαετίας του 80, υπό τον έλεγχο του υπουργείου άµυνας των ΗΠΑ. Αρχικά σχεδιάστηκε για την κάλυψη των αναγκών της ναυσιπλοΐας και για στρατιωτικούς σκοπούς, ο αρχικός στόχος ήταν να µπορούµε να έχουµε ακρίβεια ± m στο προσδιορισµό θέσης, σε πραγµατικό χρόνο. Γρήγορα όµως έγινε αντιληπτό ότι θα µπορούσε να χρησιµοποιηθεί σε ακριβέστερους υπολογισµούς και επεκτάθηκε η χρήση του και σε γεωδαιτικές εφαρµογές. Στην πραγµατικότητα το GPS κάλυψε ένα πραγµατικό κενό που υπήρχε στον τοµέα του προσδιορισµού θέσης. Η βασική αρχή στην οποία στηρίζεται είναι ο προσδιορισµός θέσης µε την µέτρηση τεσσάρων «ψευδοαποστάσεων» µεταξύ του παρατηρητή και του δορυφόρου. Για τον λόγο αυτό η σχεδίαση των τροχιών των δορυφόρων έγινε µε τέτοιο τρόπο ώστε να είναι δυνατή η παρατήρηση 4 τουλάχιστον δορυφόρων από οποιοδήποτε σηµείο της Γης για κάθε χρονική στιγµή. Για τον προσδιορισµό της θέσης ενός σηµείου άγνωστων συντεταγµένων στο χώρο αρκούν οι µετρήσεις των αποστάσεων από τρία σηµεία γνωστών συντεταγµένων (πλευρική οπισθοτοµία στον χώρο), συνεπώς θα αρκούσαν και τρεις δορυφόροι για τον προσδιορισµό της θέσης ενός σηµείου στο σύστηµα αναφοράς των δορυφόρων. Ο λόγος που απαιτούνται τουλάχιστον τέσσερις δορυφόροι (αποστάσεις) είναι για προσδιορίσουµε τη διαφορά ανάµεσα στη ένδειξη του χρονομέτρου του χρήστη και την ένδειξη του χρονομέτρου του δορυφόρου, ακριβώς για αυτό τον λόγο της ύπαρξης αυτού του σφάλµατος χρησιµοποιούµε και τον όρο «ψευδό απόσταση». Τα κυριότερα πλεονεκτήματα του GPS έναντι των άλλων παλαιότερων επίγειων και δορυφορικών µμεθόδων είναι : 1.Δίνει απευθείας την θέση ενός σηµείου στην επιφάνεια της Γης, συνεπώς γνωρίζουµε κάθε στιγµή την θέση µας σε καρτεσιανές συντεταγµένες Χ, Υ, Ζ. 2. Είναι ένα σύστηµα παντός καιρού, δηλαδή µπορεί να χρησιµοποιηθεί κάτω από όλες τις καιρικές συνθήκες. 3. Για τον προσδιορισµό θέσης δεν απαιτεί αµοιβαία ορατότητα µεταξύ των σηµείων παρατήρησης. Απαιτείται µόνο ορατότητα προς ικανοποιητικό αριθµό δορυφόρων (ανοιχτός ορίζοντας στα σηµεία στάσης). 4. Μπορεί να συνεργαστεί µε άλλα συστήµατα προσδιορισµού θέσης (LORAN-C, Αδρανειακά συστήµατα) καθώς και µε άλλες σύγχρονες εφαρµογές και συστήµατα (GIS, Φωτογραµµετρία). 5. Η διαδικασία των μετρήσεων είναι αρκετά απλή και απαιτείται µικρός χρόνος μέτρησης. H εκτέλεση των μετρήσεων είναι δυνατή όλο το 24ωρο µε µικρό αριθµό 16

17 προσωπικού (ένα άτοµο ανά σηµείο παρατήρησης ή και ένα άτοµο σε πολλά σηµεία παρατήρησης µιας και ο δέκτης αφού ξεκινήσει τις µετρήσεις δεν χρειάζεται επιπλέον επίβλεψη ή χειρισµό). 6. Δίνει καλή ακρίβεια προσδιορισµού θέσης µε πολύ μικρότερο χρόνο µέτρησης σε σχέση µε άλλες µεθόδους. Το μειονέκτημα του GPS έναντι των άλλων μεθόδων είναι ότι: 1. Απαιτεί ανοιχτό ορίζοντα για να έχει οπτική επαφή µε δορυφόρους, γεγονός που κάνει δύσκολη την χρήση του µέσα σε πόλεις και ειδικά σε πυκνοκατοικημένες περιοχές. Η Ευρωπαϊκή Ένωση αντιλαµβανόµενη την χρησιµότητα του συγκεκριµένου συστήµατος και λαµβάνοντας υπόψη τον κατά βάση στρατιωτικό χαρακτήρα του GPS - αν και τελευταία οι ΗΠΑ προχώρησαν στην δηµιουργία πολιτικού σκέλους του GPS - προχώρησε στο σχεδιασµό και την ανάπτυξη δικού της συστήµατος εντοπισµού θέσης µε την ονοµασία GALILEO µε αυξηµένες δυνατότητες και πολιτικό χαρακτήρα Ιδιαίτερα χαρακτηριστικά, ομοιότητες και διαφορές των παγκόσμιων δορυφορικών συστημάτων πλοήγησης. Τα παγκόσμια δορυφορικά συστήματα πλοήγησης παρουσιάζουν ορισμένες ομοιότητες και διαφορές μεταξύ τους. Καταρχήν όλα τα δορυφορικά συστήματα πλοήγησης και το Αμερικανικό GPS και το Ρωσσικό GLONASS που είναι ήδη σε λειτουργία αλλά και το Ευρωπαικό GALILEO, το Κινέζικο COMPASS, το Ινδικό IRNSS και το Ιαπωνικό QZSS που βρίσκονται υπό ανάπτυξη, αποτελούνται από τρία τμήματα: το δορυφορικό τμήμα (δορυφορικός σχηματισμός), το επίγειο τμήμα ελέγχου και το τμήμα χρηστών ( τον χρήστη με τον εξοπλισμό του). Το δορυφορικό σύστημα αποτελείται από το σύνολο των δορυφόρων που παρέχουν τα σήματα και τα δεδομένα στους χρήστες. Το επίγειο τμήμα ελέγχου ακολουθεί και υποστηρίζει τους δορυφόρους στο διάστημα, ελέγχει την ακεραιότητα των δορυφορικών σημάτων και συντηρεί τον τροχιακό σχηματισμό των δορυφόρων. Επιπλέον, ενημερώνει για τις διορθώσεις των δορυφορικών ρολογιών και τις εφημερίδες καθώς επίσης και πολλές άλλες παραμέτρους οι οποίες είναι καθοριστικές για τον προσδιορισμό της θέσης, της ταχύτητας και του χρόνου του χρήστη. Τέλος, το τμήμα χρηστών ( ο χρήστης με τον εξοπλισμό του), εκτελεί την πλοήγηση ή άλλες σχετικές λειτουργίες (π.χ τοπογραφία), (Kaplan et al, 2006 and El-Rabbanyl, 2002 and Inderface Control Document, 2008 and Polischuk et al, 2004 and Mendizabal et al, 2009 and Wilfried et al, 2009 and Dempster et al, em. Ημερομηνία επίσκεψης 08/09/2011. Κάθε δορυφόρος GLONASS µεταδίδει σήµατα πλοήγησης σε δύο συχνότητες της ραδιοσυχνότητας L (την L1 1,6 GHz και την L2 1,2 GHz). Το σύστηµα GLONASS χρησιµοποιεί την τεχνική Frequency Division Multiple Access (FDMA) στις συχνότητες L1 και L2. Αυτό σηµαίνει ότι κάθε δορυφόρος εκπέµπει σήµα πλοήγησης στη δική του φέρουσα συχνότητα στις συχνότητες L1 και L2. ύο δορυφόροι GLONASS µπορούν να διαβιβάσουν σήµατα πλοήγησης στην ίδια συχνότητα, εάν βρίσκονται σε διαµετρικά αντίθετες θέσεις ενός ενιαίου τροχιακού επιπέδου. Οι δορυφόροι GLONASS παρέχουν δύο τύπους σηµάτων πλοήγησης στις συχνότητες L1 και L2: το σήµα τυπικής ακρίβειας και το σήµα υψηλής ακρίβειας. Το σήµα τυπικής ακρίβειας µε συχνότητα στα 0,511 MHz έχει σχεδιαστεί για χρήση από πολιτικούς χρήστες σε όλο τον κόσµο. Ο κωδικός υψηλής ακρίβειας µε συχνότητα στα 5,11 MHz 17

18 διαµορφώνεται από ειδικό κωδικό, και δεν συνιστάται η παράνοµη χρήση του (δηλαδή η χρήση του χωρίς την άδεια του υπουργείου Άµυνας). Το σήµα τυπικής ακρίβειας είναι διαθέσιµο για οποιοδήποτε χρήστη εξοπλισµένο µε κατάλληλους δέκτες και ορατούς δορυφόρους του συστήµατος GLONASS στον ορίζοντα. Εσκεµµένη υποβάθµιση του σήµατος τυπικής ακρίβειας, όπως αυτή µε την επιλεκτική διαθεσιµότητα, δεν εφαρµόζεται και ούτε προβλέπεται να εφαρµοστεί στο σύστηµα GLONASS (Interface Control Document (ICD), Version 5.0, 2002). Τέλος πρέπει να τονιστεί ότι οι δύο κώδικες, C/A και P, που µεταδίδονται από τους δορυφόρους του συστήµατος GLONASS είναι διαµορφωµένοι και στις δύο συχνότητες, µε συνέπεια να προσφέρουν πολύ µεγαλύτερη ακρίβεια από το GPS που έχει τον κώδικα C/A διαµορφωµένο µόνο στην L1 και τον κώδικα P κρυφό. Οι συχνότητες των κωδικών είναι µισές αυτών του GPS δηλαδή στα 511 KHz για τον C/A και στα 5.11 MHz για τον P.Η κάλυψη που προσφέρει το GLONASS (τουλάχιστον όταν ο σχηµατισµός των δορυφόρων είναι πλήρης) είναι παγκόσµια και προσφέρει ακρίβεια στον απόλυτο προσδιορισµό θέσης µεταξύ m για τις οριζόντιες συντεταγµένες και 70 m για την κάθετη (Βέργος &Κατσουγιαννόπουλος, 2003). Μία επίσης σηµαντική διαφορά είναι ότι ενώ τα συστήµατα GPS, GLONASS, COMPASS και QZSS είναι διαθέσιµα για πολιτική και στρατιωτική χρήση το σύστηµα Galileo προορίζεται µόνο για πολιτική εφαρµογή (Mendizabal et all, 2009 & Samama, 2008 & Grubbs, 1999). Στον Πίνακα I που ακολουθεί φαίνονται τα κυριότερα χαρακτηριστικά των παγκόσµιων δορυφορικών συστηµάτων πλοήγησης. ΠΙΝΑΚΑΣ Ι-1.2-1: Χαρακτηριστικά των παγκόσµιων δορυφορικών συστηµάτων πλοήγησης Σύστηµα GPS GLONAS Galileo COMPASS (Beidou) IRNSS QZSS Ηνωµένες Ευρωπαϊκ Χώρα Πολιτείες Ρωσία ή Κίνα Ινδία Ιαπωνία Κωδικο- Ποίηση Ύψος &Τροχιακή περίοδος Αριθµός δορυφόρων /αριθµός κυκλικών τροχιών CDMA 20,200km 12.0h m FDMA /CDMA 19,100k 11.3h CDMA CDMA CDMA CDMA 23,600km, 14.1h 18 27,840km, 12.6h 36,000 km, 23.56h & Ελλειπτι κή τροχιά σχήµατος 8 µε µεταβλητό ύψος 24 / 6 26 / 3 30 / 3 35/2 7/1 3/3

19 Συχνότητα Κατάσταση Ακρίβεια συστήµατος 1,57542 GHz (L1 ) & 1,2276 GHz (L2) Σε λειτουργία Περίπου 1,602 GHz (L1) & περίπου 1,246 GHz (L2) Σε λειτουργία Τυπική ακρίβεια της τάξης των 3-5 µ (που βασίζονται σε πραγµατικές Τυπική παρατηρήσεις. ακρίβεια Επίσηµα της έγγραφα τουτων 20 µ Υπ. Άµυνας των ΗΠΑ, δίνουν 13 m οριζοντίως και 1,164-1,215 GHz (E5a & E5b), 1,215-1,300 GHz (E6), 1,559- Στο στάδιο της προετοι- µασίας 1, , GHz (B1), 1, GHz (B1-2), 1, GHz 1,17645 GHz (L5) & 2,49208 GHz (L1) 1,22760 GHz (L2) 1,17645 GHz (B2), GHz (S) (L5) Στο Στο Στο στάδιο στάδιο της στάδιο της της προετοι- µασίας προετοι- µασίας 20 µ στην Ινδία και σε Τυπική Τυπική απόσταση ακρίβεια της ακρίβεια της τάξης τάξης των 1- τάξης των µ µ Χλµ γύρω από αυτή. προετοι- µασίας Τυπική ακρίβεια της τάξης µικρότερ η του 1 µ Επίσης το σύστηµα Galileo παρότι είναι βασισµένο στην ίδια τεχνολογία µε το GPS παρέχει έναν παρόµοιο και ενδεχοµένως υψηλότερο βαθµό ακριβείας, χάρη στη δοµή του σχηµατισµού των δορυφόρων και των επίγειων συστηµάτων ελέγχου και διαχείρισης που προγραµµατίζονται. Το Galileo είναι πιο αξιόπιστο δεδοµένου ότι περιλαµβάνει ένα σήµα, το επονοµαζόµενο και «µήνυµα ακεραιότητας», που ενηµερώνει το χρήστη αµέσως για οποιαδήποτε λάθη. Επιπλέον, αντίθετα από το GPS, θα είναι δυνατό να παραληφθεί σήµα του Galileo στις πόλεις και τις περιοχές που βρίσκονται σε ακραία γεωγραφικά πλάτη επιπλέον του ότι αντιπροσωπεύει πραγµατικές δηµόσιες υπηρεσίες και, υπό αυτήν τη µορφή, εγγυάται τη συνέχεια της παροχής υπηρεσιών για συγκεκριµένες εφαρµογές. Τέλος τα σήµατα του GPS, τα τελευταία χρόνια σε διάφορες περιπτώσεις έχουν γίνει µη διαθέσιµα σε προγραµµατισµένη ή µη βάση, και µερικές φορές χωρίς προγενέστερη προειδοποίηση.( Ηµεροµηνία επίσκεψης 03/02/2011). 2.2 Μέθοδοι δορυφορικού προσδιορισµού θέσης µε τη χρήση των παγκόσµιων GNSS συστηµάτων. Τα είδη των βασικών παρατηρήσεων του GPS είναι δύο: α) οι παρατηρήσεις ψευδοαποστάσεων. Ως ψευδοαπόσταση (pseudorange) ορίζεται η απόσταση δορυφόρου δέκτη η οποία προκύπτει από το γινόµενο του χρόνου διάδοσης του σήµατος µε την ταχύτητα του φωτός (c= Km/sec στο κενό). Ο χρόνος διάδοσης µετράται στο δέκτη µε τη βοήθεια κάποιων κωδικών. Επειδή η µέτρηση αυτή είναι 19

20 επηρεασµένη από κάποια χρονοµετρικά σφάλµατα που κυρίως οφείλονται στο χρονόµετρο (ταλαντωτή) του δέκτη, γι αυτό ονοµάζεται ψευδοαπόσταση. β) οι παρατηρήσεις φάσεων (phase measurements), στο ένα ή και στα δύο φέροντα κύµατα. Ως παρατήρηση φάσης ορίζεται η διαφορά µεταξύ της φάσης του φέροντος κύµατος που εκπέµπεται από το δορυφόρο και λαµβάνεται από τον δέκτη κάποια χρονική στιγµή (εποχή) και της φάσης ενός φέροντος κύµατος που παράγεται εσωτερικά στο δέκτη. Από την επεξεργασία τέτοιων µετρήσεων φάσεων προκύπτουν στην ουσία µετρήσεις υψηλής ακρίβειας αποστάσεων µεταξύ δορυφόρων δέκτη και κατά συνέπεια υψηλής ακρίβειας προσδιορισµοί θέσεων. Η παρατήρηση φάσης (γωνιακό µέγεθος) εκφράζεται συνήθως σε κύκλους (Ρωσσικόπουλος, 2001). Ο προσδιορισµός θέσης µε GPS διακρίνεται γενικά στις παρακάτω κατηγορίες: α) στον απόλυτο προσδιορισµό θέσης (absolute positioning, point positioning, single point positioning) όταν χρησιµοποιείται ένας δέκτης και οι συντεταγµένες του σηµείου προσδιορίζονται ως προς ένα ορισµένο γεωκεντρικό σύστηµα αναφοράς, π.χ. ως προς το WGS84 (World Geodetic System 1984), από παρατηρήσεις µόνο του αντίστοιχου δέκτη. Στην περίπτωση αυτή δηλαδή υπολογίζουµε απευθείας τις συντεταγµένες (Χ,Y,Z) του σηµείου, ως προς το γεωδαιτικό σύστηµα WGS 84, χρησιµοποιώντας µετρήσεις ψευδοαποστάσεων (τουλάχιστον τέσσερις δορυφόρους) και έχοντας ακρίβεια µερικές δεκάδες µέτρα. β) στον σχετικό προσδιορισµό θέσης (relative positioning, differential positioning), όταν χρησιµοποιούνται δύο ή περισσότεροι δέκτες, και οι άγνωστες συντεταγµένες της θέσης υπολογίζονται ως σχετικές διαφορές συντεταγµένων ( Ε, Ν και Ζ) ως προς ένα άλλο σηµείο, του οποίου η θέση είναι γνωστή. Για την εφαρµογή αυτής της µεθόδου απαιτούνται ταυτόχρονες µετρήσεις µε δύο ή περισσότερους δέκτες σε δύο ή περισσότερα σηµεία αντίστοιχα. Στην περίπτωση αυτή χρησιµοποιούµε µετρήσεις φάσεων άλλα και όλους τους γραµµικούς συνδυασµούς αυτών. γ) στον στατικό προσδιορισµό θέσης (static positioning) όταν το αντικείµενο που υπόκειται σε προσδιορισµό θέσης είναι ακίνητο, όταν δηλαδή ο δέκτης ή οι δέκτες GPS παραµένουν ακίνητοι στα προσδιοριζόµενα σηµεία σε όλη την διάρκεια των µετρήσεων. Ο δέκτης δεν είναι απαραίτητο να έχει συνεχή επαφή µε τους δορυφόρους όταν µεταφέρεται από σηµείο σε σηµείο (Φωτίου και Πικριδάς 2006, Βέργος & Κατσουγιαννόπουλος, 2003). Πρόκειται για τεχνικές σχετικού προσδιορισµού θέσης υψηλής ακρίβειας που βασίζονται σε µετρήσεις φάσης CPH (σε µετρήσεις που χρησιµοποιούν τη φέρουσα συχνότητα και η απόσταση που υπολογίζεται σαν συνάρτηση των µετρούµενων κύκλων φάσης µήκους κύµατος του χρησιµοποιούµενου δορυφορικού σήµατος, συχνότητες L1 και L2, προς τους δορυφόρους, ονοµάζεται "carrier phase"-cph) από σταθερό χρηστή GNSS και δέκτες αναφοράς, συνήθως µε τη µέθοδο µετεπεξεργασίας (Gleason et al, 2009). Η στατική µέθοδος χρησιµοποιείται σε αποστάσεις πάνω από 20Km µε ακρίβεια 5mm + 1ppm, για παρακολούθηση µικροµετακινήσεων και παραµορφώσεων του στερεού φλοιού ( ούκας, 2001). Η κατηγορία αυτή (Τεχνικές Στατικού Προσδιορισµού θέσης GNSS ) µπορεί να αναλυθεί περαιτέρω σε τοπογραφικές τεχνικές, αφενός, και σε τεχνικές που χρησιµοποιούνται για εφαρµογές γεωδαισίας. Τα διακριτικά χαρακτηριστικά των δύο κατηγοριών της τεχνικής στατικού προσδιορισµού θέσης είναι: µέτριες έως ανεπαρκείς τοπογραφικές τεχνικές GNSS που απαιτούν σχετική ακρίβεια επιπέδου λίγων ppm για βάση συνήθως <50 χλµ σε µήκος, χρησιµοποιώντας σύντοµες περιόδους παρατήρησης, µε επεξεργασία δεδοµένων (σε πραγµατικό χρόνο real time, ή µε τη µέθοδο της µετεπεξεργασίας δεδοµένων postprocessed mode) µε τη χρήση λογισµικών. 20

21 Εξαιρετικά ακριβής τεχνικές GNSS µεγάλης βάσης που περιλαµβάνουν ακρίβειες από λίγα ppm έως αρκετά ppb (µέρη στο δισεκατοµµύριο), και χαρακτηρίζονται από κορυφαίους γεωδαιτικούς δέκτες GNSS και κεραίες, από πολλές ώρες (ή ακόµη και ηµέρες) παρατηρήσεων, καθώς και από επεξεργασία δεδοµένων µε εξελιγµένο επιστηµονικό λογισµικό (Gleason et al, 2009). δ) στον κινηµατικό προσδιορισµό θέσης (Kinematic positioning) όταν το αντικείµενο που υπόκειται σε προσδιορισµό θέσης κινείται, όταν δηλαδή ο δέκτης ή οι δέκτες GPS κινούνται κατά µήκος µιας διαδροµής και ο δέκτης υπολογίζει συντεταγµένες σε "τυχαία σηµεία" της διαδροµής ανά χρονικά διαστήµατα που έχουµε ορίσει εµείς. Στον κινηµατικό προσδιορισµό η επαφή του δέκτη µε τους δορυφόρους θα πρέπει να είναι συνεχής κατά τη διάρκεια της κίνησης (Φωτίου και Πικριδάς 2006, Βέργος & Κατσουγιαννόπουλος, 2003). Πρόκειται για ευέλικτες τεχνικές σχετικού προσδιορισµού θέσης που χρησιµοποιούν µετρήσεις φάσης CPH για τον καθορισµό συντεταγµένων ενός κινούµενου χρήστη GNSS δέκτη, συµπεριλαµβανοµένων της τεχνικής real time (µέτρηση σε πραγµατικό χρόνο) (Gleason et al, 2009). Ο ακίνητος δέκτης µένει συνεχώς στο γνωστό σηµείο και ο κινητός, στην αρχή, µένει ακίνητος για λίγα λεπτά µέχρι να συλλεχθούν ικανές µετρήσεις για την επίλυση των ασαφειών. Η αρχική θέση του κινούµενου δέκτη µπορεί να είναι ένα άλλο γνωστό σηµείο ή ένα τυχαίο σηµείο κοντά στο µόνιµο σταθµό, ώστε να εφαρµοστεί η λεγόµενη τεχνική της εναλλαγής των κεραιών (antenna swapping) ή και ένα τυχαίο σηµείο για να εφαρµοστεί η τεχνική του στατικού σχετικού προσδιορισµού. Στη συνέχεια ο κινούµενος δέκτης λαµβάνει µετρήσεις (καθώς κινείται) ανά κάποια χρονικά διαστήµατα, π.χ., ανά 5 sec, και έτσι µπορούν να προσδιοριστούν οι σχετικές θέσεις του, µε την προϋπόθεση ότι δεν υπάρχει απώλεια δορυφορικού σήµατος. Αν υπάρξει απώλεια σήµατος (που υπάρχει πάντα αν π.χ., ο κινούµενος δέκτης διέλθει κάτω από γέφυρα) ή οι δορυφόροι είναι λιγότεροι από 4, η επίλυση της ασάφειας πρέπει να επαναληφθεί, όπως και στην αρχή της διαδικασίας. Ο κινούµενος δέκτης δε χρειάζεται να επιστρέψει στο αρχικό σηµείο, αλλά να παραµείνει ακίνητος σε µια θέση µέχρι τη συλλογή ικανού αριθµού µετρήσεων. Οι ακρίβειες µε µετρήσεις φάσεων είναι και εδώ πολύ υψηλές, λίγο µικρότερες από αυτές του στατικού σχετικού προσδιορισµού, της τάξης του 1 έως 10 ppm και, ανάλογα µε τις δυνατότητες του δέκτη, της τάξης του 1 m από µετρήσεις ψευδοαποστάσεων. Στις Τεχνικές Κινηµατικού Προσδιορισµού θέσης GNSS διακρίνουµε και τις παρακάτω τεχνικές: Rapid-static positioning technique, τεχνική γρήγορου στατικού προσδιορισµού θέσης. Stop-and-go technique, τεχνική ηµικινηµατικού προσδιορισµού θέσης. Kinematic positioning technique, τεχνική κινηµατικού προσδιορισµού θέσης. Όλες απαιτούν τη χρήση εξειδικευµένου εξοπλισµού και λογισµικού, καθώς και εξειδικευµένες διαδικασίες πεδίου. Κάθε µία από τις παραπάνω τεχνικές είναι µια τεχνολογική λύση στην πρόκληση για διασφάλιση υψηλής παραγωγικότητας και λειτουργικής ευελιξίας χωρίς να θυσιάζονται πάρα πολλά όσον αφορά την ακρίβεια και την αξιοπιστία. Ωστόσο, καµία από αυτές τις τεχνικές δεν είναι τόσο ακριβής και αξιόπιστη όσο η τυπική στατική µέθοδος προσδιορισµού θέσης GNSS (Gleason et al, 2009). Παρακάτω ακολουθεί µια σύντοµη περιγραφή κάθε µιας από τις τεχνικές που αναφέρθηκαν. Τεχνική γρήγορου στατικού προσδιορισµού θέσης (Rapid-static positioning technique). Οι διαδικασίες στο πεδίο είναι ίδιες µε αυτές που ακολουθούνται στην τυπική στατική µέθοδο προσδιορισµού θέσης GNSS εκτός από το ότι: (1) οι χρόνοι εργασίας σε 21

22 κάθε στάση είναι µικρότεροι, (2) οι βάσεις πρέπει να είναι συγκριτικά µικρότερες, (3) η γεωµετρία των δορυφόρων να είναι ευνοϊκή, και (4) οι διαταραχές στο σήµα όπως οι ανακλάσεις (multipath) θα πρέπει να περιοριστούν στο ελάχιστο (Gleason et al, 2009). Ο γρήγορος στατικός προσδιορισµός αποτελεί παραλλαγή της στατικής µεθοδολογίας. Κατά την γρήγορη στατική διαδικασία ένας δέκτης είναι εγκατεστηµένος σε ένα σηµείο αναφοράς και ένας ή περισσότεροι δέκτες µετακινούνται από σηµείο σε σηµείο προσδιορίζοντας κάθε φορά την θέση τους, µε παρατηρήσεις χρονικής διάρκειας µερικών λεπτών σε σχέση µε το σηµείο αναφοράς. Ακρίβεια 5 έως 10 mm +1 ppm ( ούκας, 2001). Ο γρήγορος στατικός προσδιορισµός χρησιµοποιείται για µικρές βάσεις, της τάξης των µερικών χιλιοµέτρων, και µε ρυθµό καταγραφής συνήθως τα 10 sec. Έτσι ο χρόνος παραµονής των δεκτών στα σηµεία είναι γενικά µικρότερος, της τάξης των 10 έως 15 λεπτών. Ο µικρότερος χρόνος για την εκτέλεση των µετρήσεων δικαιολογείται από τη χρήση πιο απλών και γρήγορων τεχνικών επίλυσης των ασαφειών. Μερικοί δέκτες προειδοποιούν τον χρήστη ότι συµπληρώθηκε ο κατάλληλος χρόνος παραµονής, δηλαδή έχει συλλεγεί ικανοποιητικός αριθµός παρατηρήσεων για την επίλυση της βάσης σύµφωνα µε τον αριθµό των λαµβανοµένων δορυφόρων και του µέτρου GDOP (Φωτίου, Πικριδάς, 2006). ΣΧΗΜΑ I-2.2-1: Παράδειγµα γρήγορου στατικού προσδιορισµού Η ψευδοκινηµατική διαδικασία αποτελεί επίσης παραλλαγή της στατικής µεθοδολογίας. Κατά την ψευδοκινηµατική διαδικασία ένας δέκτης είναι εγκατεστηµένος σε ένα σταθµό αναφοράς και ένας ή περισσότεροι δέκτες µετακινούνται από σηµείο σε σηµείο παρατηρώντας για λίγα λεπτά µε την υποχρέωση να ξαναµετρήσουν στο ίδιο σηµείο για άλλα λίγα λεπτά, µετά από µία ώρα. Ακρίβεια 5 έως 10 mm +1 ppm ( ούκας, 2001). Επίσης, ένα άλλο χαρακτηριστικό της ψευδοκινηµατικής (pseudokinematic, pseudostatic, reoccupation, intermittend-static) τεχνικής είναι ότι το κάθε σηµείο προσδιορίζεται από το σύνολο των µετρήσεων των δύο επισκέψεων, ως εάν είχε γίνει µόνο µία και µε το σύνολο των δορυφόρων, που πιθανόν να είναι τελείως διαφορετικοί (Ανδριτσάνος κ.α., 1997). ΣΧΗΜΑ I-2.2-2: Παράδειγµα ψευδοκινηµατικού προσδιορισµού 22

23 Τεχνική ηµικινηµατικού προσδιορισµού θέσης (Stop-and-go technique). Αυτή είναι η πραγµατική κινηµατική τεχνική επειδή ο δέκτης του χρήστη εντοπίζει συνέχεια δορυφόρους, ενώ είναι σε κίνηση. Είναι γνωστή ως «stop-and-go» τεχνική διότι οι συντεταγµένες του δέκτη ενδιαφέρουν µόνο όταν αυτός παραµένει ακίνητος ( stop part), αλλά ο δέκτης συνεχίζει να λειτουργεί, και ενώ κινείται από τη µία θέση στην άλλη ( go part) (Gleason et al, 2009). Η ηµικινηµατική τεχνική απαιτεί τουλάχιστον δύο δέκτες, όπου ο ένας δέκτης παραµένει ακίνητος σε γνωστό σηµείο και ο δεύτερος δέκτης κινείται από σηµείο σε σηµείο. Ο χρόνος παραµονής σε κάθε σηµείο είναι της τάξης των µερικών δευτερολέπτων (10-30) έτσι ώστε να ληφθούν µετρήσεις µερικών εποχών. Οι παρατηρήσεις εδώ καταγράφονται συνήθως ανά 5 sec. Η ακρίβεια αυξάνεται όσο περισσότερες µετρήσεις ληφθούν σε κάθε σηµείο. Όταν έχουµε παρατηρήσεις από λίγους δορυφόρους (4-5), τότε είναι προτιµότερο να παραµείνουµε στο σηµείο για µερικά λεπτά. Η τεχνική αυτή καλείται Stop-and-Go για το λόγο ότι µας ενδιαφέρουν οι συντεταγµένες του δέκτη µόνο στα σηµεία στάσης, αλλά ο δέκτης συνεχίζει να λειτουργεί ενώ κινείται (Βέργος & Κατσουγιαννόπουλος, 2003). Υπάρχουν τρία στάδια που ακολουθούνται κατά την χρησιµοποίηση της µεθόδου στο πεδίο: 1. Η λύση της ασάφειας φάσης. Αυτό το στάδιο πρέπει να εκτελεστεί πριν να ξεκινήσει η διαδικασία αποτύπωσης µε τη µέθοδο Stop-and-go. Η επίλυση της ασάφειας φάσης (CPH ambiguities) µπορεί να γίνει χρησιµοποιώντας οποιαδήποτε µέθοδο, και γενικά µία από τις παρακάτω: α) χρησιµοποιώντας την τυπική στατική µέθοδο (ή τη µέθοδο Rapid-static) όπου προσδιορίζεται η βάση (βάση=baseline, που είναι το διάνυσµα µεταξύ δύο σηµείων Α και Β δηλ. προσδιορίζονται οι συνιστώσες ΧΑΒ, ΥΑΒ, ΖΑΒ) από τον δέκτη αναφοράς (τον ακίνητο δέκτη reference receiver) για το πρώτο σηµείο του εδάφους που λαµβάνεται από το δέκτη του χρήστη, β) τοποθετώντας και τους δύο δέκτες σε µία γνωστή βάση, βρίσκοντας µε αυτό τον τρόπο τις τιµές ασάφειας φάσης, γ) χρησιµοποιώντας µια διαδικασία γνωστή ως τεχνική εναλλαγής των κεραιών ''antenna swap '' που επιτρέπει στο λογισµικό να επιλύει τις ασάφειες φάσης για πολύ µικρή βάση (µήκους µερικών µέτρων), δ) επιλύοντας τις ασάφειες µε την τεχνική ''on-the-fly ambiguity resolution'' OTF-AR. 2. Ο δέκτης σε κίνηση. Μετά την επίλυση της ασάφειας, µπορεί να αρχίσει η αποτύπωση. Ο δέκτης του χρήστη µετακινείται από σηµείο σε σηµείο, συλλέγοντας δεδοµένα για ένα µόλις λεπτό ή για περίπου ένα λεπτό. Είναι σηµαντικό το ότι η κεραία συνεχίζει να εντοπίζει δορυφόρους: µε αυτόν τον τρόπο οι επιλύσεις της ασάφειας ισχύουν για όλες τις µελλοντικές παρατηρήσεις φάσης. Ωστόσο, εάν παρατηρηθεί το φαινόµενο της ολίσθησης κύκλων (εµπόδια στην πορεία του δορυφορικού σήµατος έχουν ως αποτέλεσµα την απώλεια σήµατος), τότε θα πρέπει να επανακαθοριστούν οι ασάφειες φάσης, φέρνοντας το δέκτη πίσω στο τελευταίο σηµείο αποτύπωσης, και ο επαναπροσδιορισµός της ασάφειας µπορεί να γίνει πιο εύκολα χρησιµοποιώντας τη µέθοδο της γνωστής βάσης όπως περιγράφηκε παραπάνω. 3. Ο ακίνητος δέκτης. Τα δεδοµένα παρατηρήσεων φάσεων στη συνέχεια υποβάλλονται σε επεξεργασία σε λειτουργία διπλής διαφοράς (double-difference, DD) για να καθοριστούν οι συντεταγµένες του δέκτη χρηστή σχετικά µε τον ακίνητο δέκτη αναφοράς. Οι διαφορές χρησιµοποιούνται για την απαλοιφή τωνσυστηµατικών σφαλµάτων που γίνονται κατά τις παρατηρήσεις. Για µικρές και µεσαίου µήκους βάσεις (έως ~ 20-50km) τα συστηµατικά σφάλµατα στις παρατηρήσεις GNSS εξαιτίας της τροπόσφαιρας, του ρολογιού του δορυφόρου και της µεταδιδόµενης εφηµερίδας (που περιέχονται στην γεωµετρική απόσταση) είναι παρόµοιου µεγέθους και συσχετίζονται χωρικά και χρονικά. Οι διαφορές µεταξύ των µετρήσεων φάσεων CPH επιτρέπουν την αποµάκρυνση-ή τουλάχιστον µια σηµαντική µείωση-από αυτές τις πηγές συστηµατικών σφαλµάτων. Η κύρια διάκριση των διαφορών είναι: (1) απλές διαφορές (single- differencing mode), (2) 23

24 διπλές διαφορές (mode double differencing), και (3) τριπλές διαφορές (tripledifferencing mode). Με παρατηρήσιµες διαφορές από δύο δέκτες i και j, που παρατηρούν δύο ιδίους δορυφόρους k και l, ή απλά µε τη διαφορά δύο απλών διαφορών µεταξύ δύο δεκτών ως προς τους δορυφόρους k και l, ορίζεται η διπλή διαφορά (betweenreceiver/between-satellite differencing). Η τεχνική Stop-and-go είναι κατάλληλη όταν πρέπει να αποτυπωθούν πολλά σηµεία που είναι κοντά µεταξύ τους, και το έδαφος δεν παρουσιάζει κανένα σηµαντικό πρόβληµα που να προκαλεί διακοπή του σήµατος. Η ακρίβεια που επιτυγχάνεται είναι σε επίπεδο εκατοστών. Η τεχνική µπορεί επίσης να εφαρµοστεί σε πραγµατικό χρόνο, ως παραλλαγή της διαδικασίας GNSS-RTK (Gleason et al, 2009). Η ηµι-κινηµατική διαδικασία αποτελεί µία µεθοδολογία υψηλής παραγωγικότητας, ειδική για πολυγωνοµετρία, ταχυµετρία και κτηµατολογικές αποτυπώσεις. Συνιστάται η χρήση της σε ηµιαστικές, περιαστικές και αγροτικές περιοχές αραιής κάλυψης. Ακρίβεια 1 έως 2 cm +1 ppm ( ούκας, 2001). ΣΧΗΜΑ I-2.2-3: Παράδειγµα ηµικινηµατικού προσδιορισµού Τεχνική κινηµατικού προσδιορισµού θέσης (Kinematic positioning technique). Πρόκειται για µια γενίκευση της τεχνικής ''stop-and-go''. Ο σκοπός της κινηµατικής αποτύπωσης είναι να καθορίσει τη θέση της κεραίας του δέκτη, ενώ είναι σε κίνηση. Κατά τα άλλα η τεχνική είναι παρόµοια µε την τεχνική ''stop-and-go''. ηλαδή, οι ασάφειες φάσης CPH πρέπει να επιλυθούν πριν από την έναρξη της εργασίας αποτύπωσης, και επίσης θα πρέπει να επανακαθοριστούν κατά τη διάρκεια της έρευνας, αν εµφανιστεί ολίσθηση κύκλου. Ωστόσο, για πολλές εφαρµογές, όπως ο προσδιορισµός θέσης ενός αεροσκάφους ή πλοίου, είναι πρακτικά αδύνατο να επανακαθοριστούν οι ασάφειες, αν η κινούµενη κεραία θα πρέπει να επιστρέψει σε ένα σταθερό σηµείο του εδάφους. Σήµερα η κινηµατική τεχνική αποτύπωσης GNSS συνήθως χρησιµοποιεί την τεχνική ''on-the-fly ambiguity resolution'' OTF-AR, καθιστώντας τις τεχνικές κινηµατικής αποτύπωσης ιδανικές για αποτυπώσεις κεντρικών οδών, τοπογραφικές αποτυπώσεις, υδρογραφικές αποτυπώσεις, εναέριες εφαρµογές, και πολλά άλλα (Gleason et al, 2009). ΣΧΗΜΑ I-2.2-4: Παράδειγµα σχετικού κινηµατικού προσδιορισµού 24

25 Ανάλογα µε τον αν ο προσδιορισµός του σηµείου γίνεται απευθείας στο σύστηµα αναφοράς του GPS ή αν προσδιορίζεται η σχετική του θέση ως προς ένα άλλο γνωστό σηµείο, διακρίνουµε δύο µεθόδους προσδιορισµού τον απόλυτο και τον σχετικό. ε) στον εκ των υστέρων προσδιορισµό θέσης (Post processing positioning) όταν ο υπολογισµός των συντεταγµένων των σηµείων πραγµατοποιείται εκ των υστέρων, µετά το πέρας των µετρήσεων, και µε περαιτέρω επεξεργασία των µετρήσεων µε ειδικά λογισµικά πακέτα (Φωτίου και Πικριδάς 2006, Βέργος & Κατσουγιαννόπουλος, 2003). Στη µέθοδο της µετεπεξεργασίας ο δέκτης βάσης και ο δέκτης χρήστη GPS δεν έχουν καµία σχέση ανταλλαγής δεδοµένων µεταξύ τους. Αντ' αυτού, κάθε δέκτης καταγράφει τις δορυφορικές παρατηρήσεις, που θα καταστήσουν δυνατή τη διαφορική διόρθωση (στην περίπτωση παρατήρησης της ψευδοαπόστασης) ή την επεξεργασία παρατήρησης διπλής διαφοράς (στην περίπτωση της παρατήρησης φάσης) σε µεταγενέστερο χρόνο. Το λογισµικό επεξεργασίας χρησιµοποιείται για να συνδυάσει και να επεξεργάζεται τα δεδοµένα που συλλέγονται από αυτούς τους δέκτες ώστε να υπολογιστούν οι ακριβείς συντεταγµένες εκ των υστέρων (Gleason et al, 2009), και στ) στον προσδιορισµό θέσης πραγµατικού χρόνου (Real-Time positioning) όταν ο υπολογισµός των συντεταγµένων γίνεται ταυτόχρονα µε το χρόνο εκτέλεσης των µετρήσεων (Φωτίου και Πικριδάς 2006, Βέργος & Κατσουγιαννόπουλος, 2003). Η χρήση ψευδοαποστάσεων για προσδιορισµό θέσης σε πραγµατικό χρόνο είναι περισσότερο γνωστή µε τον όρο DGPS (Differential GPS) ενώ η χρήση φάσεων µε τον όρο RTK (Real Time Kinematic) (Φωτίου, Πικριδάς, 2006). Η DGPS µεθοδολογία βασίζεται στις µετρήσεις των αποστάσεων προς τους δορυφόρους µε χρήση του κώδικα του φέροντος κύµατος. Οι µετρήσεις µε χρήση του κώδικα είναι σαν µια µετροταινία η οποία έχει διαβαθµίσεις µέτρου και µόνο. Οι διαβαθµίσεις εµφανίζονται αυτόµατα όταν εγκλωβίσουµε το σήµα των δορυφόρων µε τον δέκτη µας, εποµένως µπορούµε να υπολογίσουµε τις αποστάσεις ως προς τους δορυφόρους άµεσα αλλά όχι µε µεγάλη ακρίβεια ( /jgc/server/ more.asp?lng=gr&pmode=gpstheory&recid=28. Ηµεροµηνία επίσκεψης 16/01/2011). Στην περίπτωση του DGPS ο σταθερός δέκτης µε βάση τις γνωστές του συντεταγµένες υπολογίζει τις διορθώσεις των ψευδοαποστάσεων. Αφαιρεί τη γνωστή γεωµετρική απόσταση από την αντίστοιχη ψευδοαπόσταση. Επειδή ο υπολογισµός και η µετάδοση της διόρθωσης στον κινούµενο δέκτη απαιτεί κάποιο χρονικό διάστηµα, ο κινούµενος δέκτης θα λαµβάνει τις διορθώσεις αυτές σε διαφορετική εποχή από αυτή στην οποία αναφέρονται οι δικές του µετρήσεις. Για να ξεπεραστεί το πρόβληµα αυτό, ο σταθερός δέκτης µετρά σε µερικές εποχές ένα ικανό αριθµό ψευδοαποστάσεων και υπολογίζει ένα µοντέλο πρόγνωσης για τις διορθώσεις των ψευδοαποστάσεων, που ισχύει για ένα µικρό χρονικό διάστηµα, και το οποίο µοντέλο ενηµερώνει τακτικά. Τα αποτελέσµατα από αυτό το µοντέλο εκπέµπονται στον κινούµενο δέκτη µε την εκάστοτε εποχή αναφοράς και έτσι ο κινούµενος δέκτης µπορεί να υπολογίσει τις διορθώσεις των ψευδοαποστάσεων για την τρέχουσα εποχή που µετρά τις δικές του ψευδοαποστάσεις και να τις διορθώσει. Σε κάθε εποχή και µε λήψη τουλάχιστον τεσσάρων κοινών δορυφόρων υπολογίζο νται οι άγνωστες συντεταγµένες του δέκτη και το σχετικό σφάλµα των χρονοµέτρων (Hof mαnn Wellenhof et al, 2008). Το RTK όπως προαναφέρθηκε είναι ο διαφορικός εντοπισµός µε χρήση της φάσης του φέροντος κύµατος σε πραγµατικό χρόνο. Η διαδικασία που ακολουθείται είναι παρόµοια µε αυτή που περιγράφηκε προηγουµένως µε τη διαφορά ότι θα πρέπει να επιλυθούν οι ασάφειες φάσης τόσο για το σταθερό δέκτη (µε βάση τις γνωστές του συντεταγµένες) όσο και για τον κινούµενο µε βάση την τεχνική επίλυσης σε ένα αρχικό σηµείο (γνωστό ή άγνωστο) ή και µε την τεχνική ''on-the-fly ambiguity resolution'' OTF-AR (δηλαδή, όταν ο δέκτης εντοπίζει δορυφόρους ενώ ο δέκτης/κεραία βρίσκεται σε κίνηση) (Hofmann - Wellenhof et al, 2008). 25

26 Οι µετρήσεις µε χρήση της φάσης του φέροντος κύµατος είναι σαν µια µετροταινία µε διαβαθµίσεις χιλιοστού. Σε αυτή την µετροταινία οι διαβαθµίσεις των µέτρων δεν φαίνονται άµεσα όταν λαµβάνουµε το σήµα των δορυφόρων µε τον δέκτη µας. Πρέπει να περιµένουµε κάποιο χρονικό διάστηµα για να εµφανιστούν οι διαβαθµίσεις των µέτρων και να ολοκληρώσουµε τις µετρήσεις (όπως µια φωτογραφία στιγµής Polaroid). Αυτός είναι ο χρόνος που απαιτείται για να επιλυθεί η ασάφεια φάσης. Όσο περισσότερο χρόνο περιµένουµε τόσο και πιο καθαρές γίνονται οι διαβαθµίσεις των µέτρων (όπως στις φωτογραφίες Polaroid). Όταν οι διαβαθµίσεις των µέτρων εµφανιστούν, παραµένουν ξεκάθαρες και µπορούµε να κάνουµε άµεσες µετρήσεις ασταµάτητα όσο ο δέκτης µας λαµβάνει σήµατα από τους δορυφόρους. Όταν χαθεί η επαφή µε τους δορυφόρους οι \ διαβαθµίσεις των µέτρων εξαφανίζονται και χρειάζεται να περιµένουµε πάλι για να επιλυθεί η ασάφεια φάσης και να εµφανιστούν οι διαβαθµίσεις των µέτρων. Όταν ένας δέκτης έχει επιλύσει την ασάφεια φάσης, η ακρίβεια στον υπολογισµό της θέσης είναι µεταξύ 0.5cm και 2cm οριζοντιογραφικά και µεταξύ 1cm µε 3cm υψοµετρικά (εξαρτώµενη από την ικανότητα της κεραίας να εξαλείφει το "multipath" δηλαδή τις ανακλάσεις) συν 1 ppm (µέρη στο εκατοµµύριο) για δέκτες δύο συχνοτήτων και 2 ppm για δέκτες µίας συχνότητας. Το κλειδί στις µετρήσεις RTK είναι η επίλυση της ασάφειας φάσης. Η µεγάλη ερώτηση είναι πόσο χρόνο χρειάζεται για να επιλυθεί η ασάφεια φάσης αξιόπιστα από την στιγµή που ο δέκτης λαµβάνει σήµατα από τους δορυφόρους (min 5 δορυφόρους). Σε περίπτωση που δεν επιλυθεί σωστά η ασάφεια φάσης τότε είναι σαν να έχουµε διαβάσει λάθος της διαβαθµίσεις των µέτρων και να συγκεντρωνόµαστε στην ανάγνωση των χιλιοστών. Για µικρές βάσεις (<20Km) ο χρόνος ο οποίος απαιτείται για την επίλυση της ασάφειας φάσης εξαρτάται από τις επόµενες παραµέτρους: Το επίπεδο εµπιστοσύνης που έχει τεθεί για τον υπολογισµό του αριθµού των ακεραίων κύκλων Τον αριθµό των δορυφόρων Το είδος των δεκτών (δέκτες THALES ή όχι) Την επίδραση του σφάλµατος πολλαπλών διαδροµών "multipath" (συντελεστής ανακλασιµότητας του εδάφους) Την ικανότητα εξάλειψης του "multipath" από την κεραία. Ο αριθµός των χρησιµοποιούµενων δορυφόρων είναι η κυριότερη παράµετρος για την αξιόπιστη και γρήγορη επίλυση της ασάφειας φάσης. Σαν κανόνα µπορούµε να πούµε ότ χρειάζονται τουλάχιστον έξι (6) δορυφόροι για µικρές βάσεις ( Ηµεροµηνία επίσκεψης 16/01/2011). Οι µετρήσεις φάσης του φέροντος κύµατος είναι ακριβέστερες κατά δύο τουλάχιστον τάξεις µεγέθους από τις µετρήσεις ψευδοαπόστασης και αποτελούν τον µόνο τύπο µετρήσεων υψηλής ακρίβειας στους οποίους βασίζονται οι διάφορες γεωδαιτικές και τοπογραφικές εφαρµογές (Τσακίρη, 2004). 2.3 Δοµή του δορυφορικού συστήµατος G.P.S. Το δορυφορικό σύστηµα G.P.S. περιλαµβάνει µια ολοκληρωµένη δοµή συνεχούς λειτουργίας, παρακολούθησης, ελέγχου και συντήρησης των δορυφόρων µε την ευθύνη του υπουργείου άµυνας των Η.Π.Α. (U.S. Department of Defense -DOD). Συγκεκριµένα αποτελείται από τρία κύρια τµήµατα (σχ.1.1) : Το τµήµα ελέγχου. Το τµήµα χρηστών. Το δορυφορικό τµήµα. 26

27 Σήµερα περιστρέφονται γύρω από τη Γη περίπου 28 δορυφόροι των σειρών BLOCK II, IIΑ και ΙΙR µε τους τελευταίους να τείνουν να αντικαταστήσουν τους προηγούµενους (σχ. 1.2). Οι δορυφόροι του συστήµατος ταξινοµούνται µε διάφορους τρόπους: α) σύµφωνα µε τη σειρά εκτόξευσης, β) σύµφωνα µε τη θέση στην τροχιά, γ) σύµφωνα µε έναν κώδικα της NASA, δ) µε βάση ένα διεθνή κώδικα ε) µε βάση έναν αριθµό που δείχνει ποια εβδοµάδα του P-κώδικα εκπέµπει ο δορυφόρος (αριθµός PRN), που είναι και ο πιο συνηθισµένος τρόπος καταχώρησης. Οι δορυφόροι διαθέτουν ηλιακές µπαταρίες ως πηγή ηλεκτρικής ενέργειας για να τροφοδοτούν τα συστήµατα υψηλής τεχνολογίας µε τα οποία είναι εφοδιασµένοι. Επίσης διαθέτουν και καύσιµα που επιτρέπουν τη λειτουργία των συστηµάτων ελέγχου της τροχιάς και ακόµη την αλλαγή τροχιακού επιπέδου, εάν και όποτε αυτό κριθεί αναγκαίο. Σχήμα I Τα Τρία τμήματα του συστήματος GPS 27

28 Σχήμα I Οι σειρές των δορυφόρων GPS 28

29 Οι δορυφόροι είναι ισοκατανεµηµένοι σε 6 τροχιακά επίπεδα που σχηµατίζουν γωνία 60 ο µεταξύ τους και καθένα από αυτά σχηµατίζει γωνία κλίσης (inclination) 55 ο µοιρών µε το επίπεδο του ισηµερινού της Γης (σχ2.3.3,2.3.4). Από τους 28 αυτούς δορυφόρους οι 25 είναι οι άµεσα χρησιµοποιήσιµοι ενώ οι υπόλοιποι 3 βρίσκονται σε εφεδρεία ώστε να αντικαταστήσουν τους προηγούµενους σε περιπτώσεις δυσλειτουργίας ή/και βλάβης. Η περίοδος περιστροφής του κάθε δορυφόρου είναι 12 ώρες σε αστρικό χρόνο. Αυτό σηµαίνει ότι οι δορυφόροι εµφανίζονται επάνω από τον ορίζοντα ενός τόπου περίπου 4 min νωρίτερα κάθε ηµέρα. Σχήμα I Δορυφορικός σχηματισμός του συστήματος GPS 29

30 Σχήμα I Δορυφορικός σχηματισμός του συστήματος GPS με τα ονόματα των δορυφόρων. Οι δορυφόροι βρίσκονται σε σχεδόν κυκλική τροχιά (στην πραγµατικότητα ελλείψεις µε µέγιστη εκκεντρότητα e=0.015), περιστρέφονται σε ύψος ~20200 km και σε κάθε ένα από τα έξι τροχιακά επίπεδα βρίσκονται τέσσερεις δορυφόροι. Ο σχεδιασµός του δορυφορικού σχηµατισµού του συστήµατος GPS επιτρέπει στον χρήστη να «βλέπει» πάντα µεταξύ πέντε και οκτώ δορυφόρων από οποιοδήποτε σηµείο πάνω στη Γη. Η σχεδιασµένη διάρκεια ζωής κάθε δορυφόρου είναι 7,5 χρόνια. Σχήμα I Τροχιακά επίπεδα δορυφορικού σχηματισμού GPS 30

31 2.4 Δοµή του σήµατος G.P.S. Οι δορυφόροι του συστήµατος G.P.S. εκπέµπουν σε δύο φέρουσες συχνότητες (carrier frequencies), την L1 και L2, που παράγονται από την θεµελιώδη συχνότητα των 10,23 MHz (σχ. 1.8): L1 : 154 x 10,23 MHZ = 1575,42 MHz ( 19,05 cm) L2 : 120 x 10,23 MHZ = 1227,60 MHz ( 24,45 cm) Η διαµόρφωση των φερουσών συχνοτήτων L1 και L2 (εκπεµπόµενων σηµάτων) γίνεται µε τον λεγόµενο κώδικα PRN (Pseudo Random Noise Code), ο οποίος αποτελείται από µια σειρά από +1 και -1 που µοιάζει τυχαία. Συγκεκριµένα υπάρχουν διαθέσιµοι τρεις κώδικες, οι P, C/A και D. α) Ο πρώτος κώδικας ονοµάζεται Ρ ακριβής κώδικας (Precision code), έχει συχνότητα ίση µε την θεµελιώδη f=10.23 MHz, µήκος παλµού 30 m και επαναλαµβάνεται κάθε περίπου 267 ηµέρες. Ο κώδικας P µεταδίδεται τόσο µε την L1 όσο και µε την L2 (λαµβάνεται δηλαδή και στις δύο συχνότητες). Ένα τµήµα του κώδικα διάρκειας 7 ηµερών είναι αποθηκευµένο στην µνήµη του κάθε δορυφόρου. Το τµήµα αυτό ανανεώνεται τα µεσάνυχτα του Σαββάτου προς Κυριακή 0h UT. Στην περίπτωση που έχουµε εσκεµµένη παρέµβαση για µείωση της ακριβείας στην κατάσταση «µη-παρεµβολής» (Anti-Spoofing, AS βλέπε παρακάτω) ο κώδικας P πολλαπλασιάζεται µε έναν άγνωστο κώδικα W και µετατρέπεται σε ένα κρυπτογραφηµένο κώδικα Y, στον οποίο έχουν πρόσβαση µόνο εξουσιοδοτηµένοι χρήστες. β) Ο δεύτερος κώδικας ονοµάζεται κώδικας C/A (Coarse/acquisition code), είναι πολύ χαµηλότερης ακρίβειας από τον Ρ (10 φορές χαµηλότερη), έχει συχνότητα f=1,023 MHz και επαναλαµβάνεται κάθε 1 msec. Διαµορφώνεται και κατά συνέπεια µεταδίδεται µόνο στη συχνότητα L1. γ) Ο τρίτος κώδικας ονοµάζεται κώδικας D (Data code) ή και µήνυµα πλοήγησης (navigation message). Αποτελείται από µια σειρά από bits και έχει συχνότητα 50 Hz ενώ παρέχει πληροφορίες για το χρόνο εκποµπής του σήµατος από το δορυφόρο σε κάθε χρονική στιγµή, για τις διορθώσεις στις ατµοσφαιρικές καθυστερήσεις των δορυφορικών χρονοµέτρων, για τα στοιχεία τροχιάς των δορυφόρων κ.λπ. Το κάθε µήνυµα πλοήγησης περιέχει πληροφορία 1500 bits συνολικής διάρκειας 30 sec και ρυθµό µετάδοσης 50 bps. Το µήνυµα περιέχει πέντε τµήµατα 300 bits διάρκειας 5 sec το καθένα κατανεµηµένα σε 3 block. Το κάθε τµήµα έχει 10 λέξεις των 30 bits από τα οποία τα έξι είναι σήµατα ελέγχου. 31

32 Σχήμα I Το εκπεμπόμενο σήμα και αρχής διαμορφώσης φορέα από κώδικα. Οι δύο πρώτες λέξεις κάθε τµήµατος είναι οι: α) TLM (Telemetry) που περιέχει ένα δείγµα συγχρονισµού µε το οποίο διευκολύνεται η πρόσβαση στα στοιχεία της πλοήγησης και β) HOW (Hand Over Word) που περιέχει στοιχεία για την µετάβαση στον κώδικα P και είναι απαραίτητο για τον άµεσο εντοπισµό του µέρους του P κώδικα που λαµβάνει ο δέκτης. Η δοµή των τριών block που περιλαµβάνονται στο σήµα ναυτιλίας φαίνονται στο σχήµα 1.14 και αναλυτικά περιλαµβάνουν: Σχήμα I Δυαδική μορφή των κωδικών P και C/A. 32

33 1. Το block I περιλαµβάνει το πρώτο τµήµα και περιέχει πληροφορίες για την συµπεριφορά του χρονοµέτρου του δορυφόρου. 2. Το block IΙ περιλαµβάνει τα τµήµατα 2 και 3 και περιέχει τις παραµέτρους που χρησιµεύουν για τον υπολογισµό των τροχιών των δορυφόρων. 3. Το block IΙΙ περιλαµβάνει τα τµήµατα 4 και 5 και περιέχει στοιχεία για την συµπεριφορά του χρονοµέτρου, τις εφηµερίδες όλων των δορυφόρων του συστήµατος GPS και στοιχεία για την ιονοσφαιρική διόρθωση. Το µεγαλύτερο τµήµα του αφορά πληροφορίες για εξουσιοδοτηµένους χρήστες. Σχήμα I Δομή του μηνύματος πλοήγησης Κάθε Σάββατο τα µεσάνυχτα όλοι οι κώδικες επαναλαµβάνονται από την αρχή. Για κάθε δορυφόρο αντιστοιχεί επίσης µία µοναδική δοµή του κώδικα Ρ. Πρέπει να σηµειώσουµε εδώ ότι ο ακριβής κώδικας P δεν µπορεί να χρησιµοποιηθεί για πολιτικούς σκοπούς σε συνεχή βάση. Από την αρχή λειτουργίας του το G.P.S. χρησιµοποιήθηκε για στρατιωτικούς σκοπούς, µε αποτέλεσµα, ελάχιστες να είναι οι φορές που ο ακριβής κώδικας P να αφήνεται σε ελεύθερη πολιτική χρήση. 2.5 Αρχή λειτουργίας του G.P.S. Η αρχή λειτουργίας του G.P.S. είναι η ακόλουθη: Στο δέκτη G.P.S. γίνεται η λήψη και η ανάλυση του λαµβανοµένου σήµατος και µέσω µετρήσεων αποστάσεων µεταξύ δορυφόρων δέκτη, προσδιορίζεται η θέση του δέκτη. Επειδή οι δέκτες G.P.S. διαθέτουν κατά κανόνα χρονόµετρα χαµηλής ή µέσης ακρίβειας και όχι ατοµικά χρονόµετρα (ρουβιδίου ή καισίου) όπως οι δορυφόροι του συστήµατος, εκτός των ατµοσφαιρικών χρονικών καθυστερήσεων έχουµε και τις χρονικές καθυστερήσεις που οφείλονται κυρίως στο χρονόµετρο του δέκτη, αλλά και δευτερευόντως, του δορυφόρου. Έτσι, κατά τον προσδιορισµό θέσης ενός δέκτη, στις άγνωστες ποσότητες εκτός από τις τρεις συντεταγµένες του δέκτη (Χ, Y, Ζ ή φ, λ, h) προστίθεται και ένας επιπλέον άγνωστος dt, που αντιπροσωπεύει τη χρονική καθυστέρηση του χρονοµέτρου του δέκτη σε σχέση µε το χρόνο αναφοράς του G.P.S. Ο χρόνος αναφοράς του G.P.S. έχει έναρξη την 0h U.T.C. της 5ης Ιανουαρίου του Η προσδιοριζόµενη θέση (Χ, Υ, Ζ) αναφέρεται στο Παγκόσµιο Γεωκεντρικό Σύστηµα Αναφοράς 1984, γνωστό ως WGS84. 33

34 Οι µετρήσεις του G.P.S. διακρίνονται σε δύο βασικές κατηγορίες: σε µετρήσεις ψευδοαποστάσεων (pseudoranges) και σε µετρήσεις φάσεων (phase measurements). Ακριβέστερες από αυτές είναι οι µετρήσεις φάσεων. Υπάρχουν γενικά δύο µέθοδοι προσδιορισµού θέσης η στατική και η κινηµατική. Στο στατικό προσδιορισµό ο δέκτης είναι στάσιµος και οι παρατηρήσεις διαρκούν από λίγα λεπτά µέχρι µερικές ώρες, ενώ στον κινηµατικό ο δέκτης βρίσκεται σε κίνηση λαµβάνοντας συνεχώς το δορυφορικό σήµα. Λεπτοµερέστερα για τις µετρήσεις και τις µεθόδους προσδιορισµού θέσης µε το GPS θα αναφερθούµε πιο κάτω. Ο τρόπος προσδιορισµού θέσης µε G.P.S. µπορεί να είναι απόλυτος (absolute positioning), ή σχετικός (relative positioning). Στον απόλυτο εντοπισµό η θέση του δέκτη (X, Y, Z) υπολογίζεται ως προς το γεωκεντρικό σύστηµα αναφοράς ενώ στο σχετικό η θέση του δέκτη καθορίζεται σε σχέση µε κάποιο άλλο δέκτη (ΔΧ, ΔΥ, ΔΖ). Στο σχετικό εντοπισµό αντί των πρωτογενών παρατηρήσεων είναι δυνατό να χρησιµοποιηθούν οι λεγόµενες διαφορές (ψευδοαποστάσεων, φάσεων), συνήθως απλές, διπλές ή και τριπλές διαφορές. Στις εφαρµογές µε απαιτήσεις µεγάλης ακριβείας, π.χ. αποτυπώσεις σε µεγάλες κλίµακες, γεωδαιτικά δίκτυα κάθε είδους, χρησιµοποιούνται οι τεχνικές του σχετικού προσδιορισµού (διαφορικός εντοπισµός - differential positioning). Ένα από τα σηµαντικότερα προβλήµατα για το οποίο θα αναφερθούµε εκτενέστερα στη σύνεχεια είναι η λεγόµενη αρχική ασάφεια του αριθµού των ακεραίων κύκλων φάσης (αρχική ασάφεια φάσης phase ambiguity) καθώς και η ολίσθηση αυτών (cycle slip). Υπάρχουν διάφορες τεχνικές που εφαρµόζονται για τον εντοπισµό και τη διόρθωση των παραπάνω σφαλµάτων. Τα αντίστοιχα προγράµµατα (software) που διατίθενται από τις διάφορες εταιρείες δεκτών G.P.S. (π.χ. Leica Geosystems, Aztech, Trimple, κ.λπ.) έχουν καταφέρει να απαλείψουν σε ένα µεγάλο βαθµό όλα τα εµφανιζόµενα προβλήµατα. 2.6 Είδη Μετρήσεων Είδη µετρήσεων G.P.S Τα είδη των µετρήσεων GPS είναι δύο. Οι µετρήσεις κώδικα (code ή pseudorange measurements) και οι µετρήσεις φάσης (phase measurements). Οι µετρήσεις κώδικα αφορούν ουσιαστικά στη συσχέτιση (correlation) του µέρους του κώδικα, κατά τη χρονική στιγµή της εκποµπής του από τον δορυφόρο, µε το µέρος του κώδικα, το οποίο αναπαράγεται τη στιγµή της λήψης από το δέκτη. Η τεχνική αυτή ονοµάζεται τεχνική της συσχέτισης κωδικών. Μετά την αποµάκρυνση του κώδικα από το εισερχόµενο σήµα και µετά από κάποιο φιλτράρισµα, λαµβάνεται το σήµα πριν από την παραµόρφωσή του εξαιτίας του κώδικα (demodulation). Το αποτέλεσµα της σύγκρισης ανάµεσα στο σήµα που λαµβάνεται από το δορυφόρο και στο αντίγραφο του σήµατος που έχει ο δέκτης είναι ένα κλασµατικό µέρος της φάσης του σήµατος. Η διαδικασία προσδιορισµού αυτού κλασµατικού µέρους της φάσης του σήµατος ονοµάζεται τεχνική των µετρήσεων φάσης. Η τεχνική της συσχέτισης των κωδικών εξασφαλίζει όλες τις συνιστώσες του δορυφορικού σήµατος, δηλαδή την ανάγνωση του ρολογιού του δορυφόρου, το ναυτιλιακό σήμα και τη φέρουσα συχνότητα του σήµατος. Το µειονέκτηµα βρίσκεται στο ότι η διαδικασία χρειάζεται τη γνώση ενός εκ των κωδικών τουλάχιστον. Η τεχνική της συσχέτισης εφαρµόζεται σε διαδοχικά βήµατα. Καταρχήν, ένα σήµα εκπέµπεται από το δέκτη, οποίο στη συνέχεια µορφοποιείται από ένα αντίγραφο του γνωστού κώδικα. Σε δεύτερο βήµα, το σήµα που προκύπτει συσχετίζεται µε το δορυφορικό σήµα, το οποίο λαµβάνεται από το δέκτη. Τα δύο σήµατα µετακινούνται κατάλληλα στην κλίµακα χρόνου, έτσι ώστε να ταυτιστούν βέλτιστα. Μετά την αποµάκρυνση κώδικα, το σήµα που λαµβάνεται περιέχει ακόµα το µήνυµα της πλοήγησης, το οποίο αποκωδικοποιείται και 34

35 αποµακρύνεται µε τη βοήθεια ενός φίλτρου που επιτρέπει τη δίοδο υψηλών συχνοτήτων (high-pass filter). Εφόσον η χρήση του κώδικα είναι απαραίτητη, τεχνική της συσχέτισης των κωδικών είναι σε γενικότερη κλίµακα εφαρµόσιµη µόνο στον C/A κώδικα και, έτσι, µόνον η φέρουσα συχνότητα L1 µπορεί να ανακατασκευαστεί. Είναι διαθέσιµος και ο κώδικας P (για την ακρίβεια ο κώδικας Y), τότε µέσω της τεχνικής αυτής µπορούν να ανακατασκευαστούν και οι δύο φέρουσες συχνότητες L1 και L2. Σχήμα I Η διαδικασία συσχέτισης του κώδικα στο δέκτη Ένα από τα αποτελέσµατα της τεχνικής συσχέτισης του κώδικα C/A είναι η αποκωδικοποίηση του ναυτιλιακού σήµατος που περιλαµβάνει το HOW, το οποίο είναι και το κλειδί για τη συσχέτιση µε τη χρήση του πιο ακριβούς κώδικα P. Από την αρχή λειτουργίας του δορυφορικού συστήµατος GPS µέχρι και σήµερα ήταν ελάχιστες οι φορές που το Υπουργείο Εθνικής Αµύνης των Η.Π.Α. επέτρεψε την ελεύθερη πολιτική χρήση του κώδικα P. Για το λόγο αυτό, οι κατασκευάστριες εταιρίες των δεκτών προχώρησαν στην εφαρµογή νέων αλγορίθµων µετρήσεων, οι οποίες στηρίζονται σε τεχνικές ανεξάρτητες του κώδικα (codeless) ή σχεδόν ανεξάρτητες του κώδικα (quasicodeless). Για την ανακατασκευή της φέρουσας συχνότητας του δορυφορικού σήµατος, από την οποία µπορεί να µετρηθεί η φάση. Οι περισσότεροι από τους δέκτες υποστηρίζουν µία υβριδική τεχνική κατά την οποία η φέρουσα συχνότητα L1 ανακατασκευάζεται µε την τεχνική της συσχέτισης των κωδικών (όπως αναφέρθηκε παραπάνω) χρησιµοποιώντας το γνωστό κώδικα C/A ενώ εφαρµόζεται µια τεχνική ανεξάρτητη του κώδικα για την ανακατασκευή της φέρουσας συχνότητας L2. Οι τεχνικές αυτές, που αναλύονται στη συνέχεια, έχουν µεγάλη σηµασία στην εποχή µας, κατά την οποία είναι απαγορευµένη η χρήση του κώδικα P για πολιτικές εφαρµογές (GPS under Anti-Spoofing) Μετρήσεις ψευδοαποστάσεων µε το G.P.S. Οι διαφορετικές µετρήσεις και τεχνικές παρατήρησης εξαρτώνται από τον τύπο του δέκτη που χρησιµοποιείται. Ως προς τις βασικές αρχές λειτουργίας των δεκτών G.P.S. διακρίνουµε τους δέκτες συσχετισµού και τους δέκτες τετραγωνισµού. Οι δέκτες συσχετισµού παράγουν ένα ακριβές αντίγραφο του κώδικα που εκπέµπεται από το δορυφόρο το οποίο δεν ταυτίζεται µε το σήµα λήψης, λόγω των καθυστερήσεων που υφίσταται µέχρι να φτάσει στο δέκτη. Ο δέκτης προσπαθεί να ταυτίσει τα δύο σήµατα 35

36 δηλαδή το αντίγραφο του κώδικα που έχει παράγει ο ίδιος και τον κώδικα αυτό καθ αυτό όπως τον λαµβάνει από το δορυφόρο. Συνεπώς, οι δύο κώδικες συσχετίζονται (code correlation) µέχρι να ταυτιστούν. Στην ουσία γίνεται µια χρονική µετατόπιση του ενός σήµατος ως προς το άλλο µέχρι να ταυτιστούν µέσω κάποιας αλγοριθµικής διαδικασίας και υπολογίζεται ο χρόνος διάδοσης του σήµατος από το δορυφόρο µέχρι το δέκτη. Ο χρόνος αυτός µετατρέπεται σε ψευδοαπόσταση αφού πολλαπλασιαστεί µε την ταχύτητα του φωτός. Η χρονική αβεβαιότητα της ταύτισης ισοδυναµεί για µεν τον κώδικα Ρ µε 0.3 m, για δε τον C/A µε 3 m. Βέβαια εκτός από την παραπάνω χρονική καθυστέρηση λόγω διαδροµής (δηλαδή τον χρόνο που χρειάζεται το σήµα για να φτάσει από το δορυφόρο στο δέκτη σε περίπτωση που δεν υπάρχουν άλλες καθυστερήσεις), έχουµε και τις χρονικές καθυστερήσεις που οφείλονται στα χρονόµετρα του δέκτη και του δορυφόρου και τις καθυστερήσεις λόγω διέλευσης του σήµατος µέσα από την ατµόσφαιρα και συγκεκριµένα δύο στρώµατα αυτής που είναι γνωστά ως τροπόσφαιρα και ιονόσφαιρα. Οι χρονικές καθυστερήσεις µπορούν να εκφραστούν από κατάλληλα µοντέλα κατά τη διαδικασία συνόρθωσης των παρατηρήσεων. Η πληροφορία για τον υπολογισµό αυτών των διορθώσεων από τον δέκτη δίνεται από τον κώδικα D. Οι διορθώσεις λόγω ιονόσφαιρας (το στρώµα της ατµόσφαιρας µεταξύ 80 Η 1000 km) εξαρτώνται από τη συχνότητα του σήµατος, ενώ λόγω της τροπόσφαιρας (το στρώµα της ατµόσφαιρας µεταξύ 0 Η 50 km) είναι ανεξάρτητες από τη συχνότητα και εξαρτώνται από το λεγόµενο ξηρό και υγρό παράγοντα. Γι αυτό είναι προτιµότερο να χρησιµοποιούνται δέκτες δύο συχνοτήτων ώστε να µπορεί να υπολογιστεί το µεγαλύτερο µέρος της ιονοσφαιρικής διόρθωσης (µερικές δεκάδες m). Αν καλέσουµε p την πραγµατική απόσταση µεταξύ δορυφόρου και δέκτη και ρ την µετρούµενη ψευδοαπόσταση (µέτρηση στο δέκτη) µεταξύ δορυφόρου και δέκτη τότε η πιο αναπτυγµένη εξίσωση παρατήρησης θα είναι όπου p είναι η αληθής απόσταση µεταξύ δορυφόρου και δέκτη, ρ είναι η παρατηρηθείσα απόσταση, dt το σφάλµα συγχρονισµού του ρολογιού του δορυφόρου µε το χρόνο του G.P.S, dτ το σφάλµα συγχρονισµού των δύο ρολογιών δορυφόρου δέκτη, c η ταχύτητα του φωτός, dtrop η τροποσφαιρική καθυστέρηση, dion η ιονοσφαιρική καθυστέρηση, εp ο θόρυβος παρατήρησης (τυχαίο σφάλµα). Επειδή το σφάλµα dt του χρονοµέτρου του δορυφόρου είναι πολύ µικρότερο σε σχέση µε το σφάλµα dt του δέκτη, µπορεί να αγνοηθεί. Η γεωµετρική απόσταση p µπορεί να εκφραστεί συναρτήσει των συντεταγµένων του δορυφόρου, τη χρονική στιγµή της εκποµπής του σήµατος, και των συντεταγµένων του δέκτη. Έτσι, θα έχουµε τελικά, τη µη γραµµική εξίσωση παρατήρησης της ψευδοαπόστασης. Ας υποθέσουµε ότι ο δέκτης ονοµάζεται r (receiver) και ο δορυφόρος προς τον οποίο γίνεται η παρατήρηση s (satellite): Επειδή στην παραπάνω σχέση υπάρχουν 4 συνολικά άγνωστες παράµετροι (τρεις οι συντεταγµένες του δέκτη και µία η χρονική παράµετρος dτ δηλαδή το σφάλµα του χρονοµέτρου του δέκτη), απαιτούνται τέσσερεις τουλάχιστον ταυτόχρονες µετρήσεις από τον δέκτη προς τέσσερεις αντίστοιχους διαφορετικούς δορυφόρους Μετρήσεις φάσεων µε το G.P.S. Οι µετρήσεις των ψευδοαποστάσεων µε τις οποίες ασχοληθήκαµε προηγουµένως γίνονται µε µετρήσεις κώδικα. Ένα δεύτερο είδος παρατηρήσεων που είναι σηµαντικά πιο ακριβές 36

37 από τις ψευδοαποστάσεις, είναι οι µετρήσεις φάσης των φερόντων κυµάτων. Οι µετρήσεις φάσης µπορούν να γίνουν µε υψηλή ακρίβεια της τάξης των 2 mm. Οι µετρήσεις φάσης αναφέρονται στο φέρον κύµα συχνότητας L1 ή στο φέρον κύµα L2 ή ταυτόχρονα και στα δύο ανάλογα µε τις δυνατότητες του δέκτη. Οι περισσότεροι σηµερινοί δέκτες διαθέτουν τη δυνατότητα µέτρησης όλων των ειδών των µετρήσεων, άσχετα αν ο κώδικας Ρ είναι σε ελεύθερη χρήση. Η ποσότητα που µετράται στο δέκτη είναι η διαφορά φάσης µεταξύ της φάσης του εκπεµπόµενου σήµατος από τον δορυφόρο τη στιγµή της λήψης από το δέκτη και της φάσης ενός σήµατος γνωστής συχνότητας που παράγεται εσωτερικά στο δέκτη τη χρονική στιγµή της λήψης. Τη στιγµή της λήψης ο δέκτης µετράει µόνο το κλασµατικό µέρος της φάσης µιας και δεν µπορεί να µετρήσει και τον ακέραιο αριθµό κύκλων που αντιστοιχεί στην απόσταση δορυφόρου - δέκτη. Εποµένως οι µετρήσεις φάσης παρουσιάζουν το πρόβληµα της αβεβαιότητας (ambiguity) στον προσδιορισµό του ακεραίου αυτού αριθµού (Ν). Συνεπώς όλες οι επόµενες µετρήσεις φάσης περιέχουν την αβεβαιότητα αυτή και αυτό γιατί συνήθως ο δέκτης προσθέτει κάθε φορά στις επόµενες µετρήσεις τη µεταβολή της φάσης, µετά την αρχική µέτρηση, σε σχέση µε την προηγούµενη. Για παράδειγµα η δεύτερη µέτρηση φάσης θα περιέχει τον κλασµατικό αριθµό της πρώτης µέτρησης, το κλασµατικό αριθµό της δεύτερης µέτρησης και ένα αριθµό ακεραίων κύκλων µεταξύ της πρώτης και δεύτερης µέτρησης λόγω µεταβολής της απόστασης δορυφόρου - δέκτη. Στην περίπτωση αδυναµίας λήψης του σήµατος (loss of lock) χάνεται ένας αριθµός ακεραίων κύκλων µε συνέπεια όλες οι επόµενες µετρήσεις να είναι µετατοπισµένες κατά τον ίδιο αριθµό κύκλων. Η αδυναµία λήψης µπορεί να κυµαίνεται από µερικά δευτερόλεπτα µέχρι και µερικά λεπτά. Αυτό το πρόβληµα της ολίσθησης των κύκλων (cycle slips) όπως ονοµάζεται δεν παρουσιάζεται στις µετρήσεις των ψευδοαποστάσεων και αντιµετωπίζεται όπως και η ασάφεια των ακεραίων κύκλων (integer phase - ambiguity) µε διάφορες τεχνικές κατά την προεπεξεργασία ή και κατά τη διαδικασία της συνόρθωσης. Η εξίσωση παρατήρησης φάσης του φέροντος κύµατος είναι η ακόλουθη (Λιβεριάτος, Φωτίου 1993): όπου Φ είναι η παρατηρηθείσα διαφορά φάσης µεταξύ δορυφόρου και δέκτη, ρ παρατηρηθείσα απόσταση σε µονάδες µήκους, dt το σφάλµα συγχρονισµού του ρολογιού του δορυφόρου µε το χρόνο του G.P.S., dτ το σφάλµα συγχρονισµού των δύο ρολογιών δορυφόρου δέκτη, c η ταχύτητα του φωτός, dtrop η τροποσφαιρική καθυστέρηση, dion η ιονοσφαιρική καθυστέρηση, εφ ο θόρυβος παρατήρησης (τυχαίο σφάλµα), Φ είναι η αληθής δεκαδική διαφορά φάσης, Ν είναι ο ακέραιος αριθµός κύκλων για κάθε ζεύγος δέκτηδορυφόρου (αθροίζοντας το Ν µε το δεκαδικό µέρος λαµβάνουµε τον συνολικό αριθµό κύκλων µεταξύ δορυφόρου-δέκτη), fi είναι η συχνότητα του σήµατος (L1 ή L2). Παρατηρώντας την εξίσωση διαπιστώνουµε ότι είναι εκφρασµένη σε µονάδες µήκους. Αυτό µπορεί να γίνει χρησιµοποιώντας την πολύ απλή εξίσωση που συνδέει τους κύκλους µε τη συχνότητα και το µήκος κύµατος. ηλαδή, αν έχουµε µετρήσει έναν αριθµό Φ κύκλων και γνωρίσουµε ότι το µήκος κύµατος της συχνότητας που χρησιµοποιούµε είναι ίσο µε λ τότε οι κύκλοι αυτοί σε µονάδες µήκους θα είναι Φ=λΦ. Προσοχή: όταν γίνονται παρατηρήσεις φάσης η ιονοσφαιρική διόρθωση υπεισέρχεται µε (-) µιας και το σήµα υστερεί, ενώ στην περίπτωση των ψευδοαποστάσεων προηγείται. 37

38 2.6.4 Επίλυση αρχικής ασάφειας φάσης (ambiguity resolution) Παρατηρώντας την εξίσωση παρατήρησης φάσης του φέροντος κύµατος βλέπουµε ότι η κύρια δυσκολία είναι ο προσδιορισµός του αριθµού των ακεραίων κύκλων Ν που είναι γνωστή και σαν αρχική ασάφεια φάσης (ambiguity resolution). Σαν συνέπεια αυτού έχουν αναπτυχθεί τεχνικές που σκοπό έχουν να προσδιορίσουν αυτόν τον αριθµό (Ν) αλλά και τεχνικές µε σκοπό να αντιµετωπίσουν και τα υπόλοιπα σφάλµατα που υπεισέρχονται στην εξίσωση. Μία από αυτές τις τεχνικές είναι οι διαφορές των αρχικών παρατηρήσεων µεταξύ δεκτών (απλές διαφορές) ή µεταξύ δορυφόρων κατά την ίδια χρονική στιγµή (διπλές διαφορές) ή και µεταξύ διαφορετικών εποχών (τριπλές διαφορές). Άλλες µέθοδοι που εφαρµόζονται για την επίλυση των ασαφειών είναι οι ακόλουθες (Kahmen, Feig 1988): 1) Η γεωµετρική µέθοδος 2) Συνδυασµοί κωδικών και φάσεων 3) Μέθοδοι ανίχνευσης ασαφειών 4) Συνδυασµένες µέθοδοι που περιλαµβάνουν όλες αυτές που αναφέρθηκαν παραπάνω. Η χρησιµοποίηση διαφορετικών γραµµικών συνδυασµών της L1 και L2 συχνότητας µειώνει την επίδραση της ιονοσφαιρικής διάθλασης (L3), παρέχει λύσεις που είναι ανεξάρτητες από τα ρολόγια και από τη γεωµετρία των δεκτών (L4) και µειώνει κάθε συστηµατικό σφάλµα µη µοντελοποιηµένο (L5), (Rothacher 1990) (βλ. Πίνακα I ). Πίνακας I Γραμμικοί συνδυασμοί της L1 και L2 συχνότητας Η ανάγκη χρησιµοποίησης του συνδυασµού των L1 και L2 συχνοτήτων σε µετρήσεις ακριβείας τεκµηριώνεται από τους Frei και Schuberning (1992) ως εξής. Το εύρος τιµών που καθορίζεται για κάθε ξεχωριστή ασάφεια που προκύπτει από µετρήσεις διπλής διαφοράς για συχνότητα f, µε r και k τους δορυφόρους αναφοράς είναι ±(kmnf rk) όπου k είναι ένας πολλαπλασιαστικός συντελεστής εξαγόµενος από τη στατιστική θεωρία και mnf rk είναι η τυπική απόκλιση µιας συγκεκριµένης παραµέτρου ασάφειας. Αυτά τα δύο εύρη τιµών καθορίζουν ένα πεδίο έρευνας που περιέχει µέρος του συνδυασµού των ακεραίων τιµών ασάφειας. Έχοντας µετρήσεις από δέκτες µιας συχνότητας L1 το εύρος τιµών µειώνεται όπως φαίνεται στο σχήμα Έτσι µειώνονται κατά ένα ποσοστό οι συνδυασµοί των παραπάνω ασαφειών οπότε γίνεται πιο εύκολη η εκτίµησή τους. 38

39 Σχήμα I Εύρος τιμών για τις δύο παραμέτρους ασάφειας (πάνω), εύρος τιμών παραμέτρων ασάφειας χρησιμοποιώντας τη διαθέσιμη συσχετισμένη πληροφορία για τη συχνότητα L1(κάτω) Σφάλµατα των µετρήσεων G.P.S. Τα σφάλµατα των µετρήσεων G.P.S. διακρίνονται σε τέσσερεις βασικές κατηγορίες α) στα δορυφορικά σφάλµατα, β) στα σφάλµατα των δεκτών, γ) στα σφάλµατα των παρατηρήσεων και δ) στα σφάλµατα σταθµού. 39

40 Στα δορυφορικά σφάλµατα διακρίνονται τα τροχιακά σφάλµατα λόγω της λανθασµένης και µη ακριβούς γνώσης της πραγµατικής τροχιάς των δορυφόρων καθώς και τα σφάλµατα των χρονοµέτρων των δορυφόρων. Στα σφάλµατα των δεκτών ανήκουν τα σφάλµατα των χρονοµέτρων των δεκτών και τα σφάλµατα θορύβου στους δέκτες. Στα σφάλµατα παρατηρήσεων εντάσσονται τα ατµοσφαιρικά σφάλµατα, δηλαδή οι επιδράσεις των στρωµάτων της ατµόσφαιρας µέσα από τα οποία διέρχεται το δορυφορικό σήµα. Πιο συγκεκριµένα, διακρίνουµε δύο ειδών ατµοσφαιρικά σφάλµατα, το ιονοσφαιρικό και το τροποσφαιρικό. Τέλος, στα σφάλµατα σταθµού διακρίνουµε το σφάλµα λόγω µη ακριβούς γνώσης των πραγµατικών συντεταγµένων του σταθµού και τα σφάλµατα λόγω των πολλαπλών ανακλάσεων του σήµατος µέχρι να φτάσει από το δορυφόρο στο δέκτη. Τα τελευταία οφείλονται στο φαινόµενο της πολυδιαδροµής (multipath). Παρακάτω θα αναλύσουµε πιο διεξοδικά τα σφάλµατα αυτά Τα δορυφορικά σφάλµατα Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω τα δορυφορικά σφάλµατα διακρίνονται στο σφάλµα της δορυφορικής τροχιάς και στο σφάλµα του χρονοµέτρου του δορυφόρου Τα τροχιακά σφάλµατα Για τον ακριβή προσδιορισµό της δορυφορικής τροχιάς, υπάρχουν διασκορπισµένοι στη Γη διάφοροι σταθµοί. που είναι επιφορτισµένοι, µεταξύ των άλλων, µε το να προσδιορίζουν µε πολύ µεγάλη ακρίβεια τα διάφορα στοιχεία της τροχιάς των δορυφόρων του συστήµατος G.P.S. Αφού επιτευχθεί ο υπολογισµός της τροχιάς, αυτή η λύση µεταδίδεται από τους σταθµούς στους δορυφόρους και στη συνέχεια από τους δορυφόρους στους δέκτες G.P.S. µέσω του µηνύµατος πλοήγησης. Όπως είναι φυσικό, µιας και δεν υπάρχει µέτρηση που να µην περιέχει σφάλµατα, οι µεταδιδόµενες εφηµερίδες των δορυφόρων για την τροχιά τους δεν παρέχουν την πραγµατική θέση του δορυφόρου αλλά κάποια διαφορετική που προσεγγίζει την αληθή µε κάποιο σφάλµα. Διαφορές µεταξύ των προβλεπόµενων εφηµερίδων που είναι διαθέσιµες στο χρήστη και της πραγµατικής τροχιάς, µεταβιβάζονται στη θέση του δέκτη. Είναι προφανές ότι η ακτινική συνιστώσα του σφάλµατος τροχιάς αλλοιώνει τον προσδιορισµό της απόστασης και ως εκ τούτου τη θέση του χρήστη σε µεγαλύτερο βαθµό κατά τον προσδιορισµό της θέσης µονού σταθµού (single station) παρά σε σχετικό προσδιορισµό (differential G.P.S.). Για γειτονικούς σταθµούς, τα περισσότερα από τα λάθη της τροχιάς απαλείφονται κατά τον διαφορικό προσδιορισµό. Ένας εµπειρικός κανόνας για την επίδραση db (σφάλµα στον προσδιορισµό της βάσης), του σφάλµατος τροχιάς dr, στον προσδιορισµό µιας βάσης b δίνεται από τη σχέση db=dr b/ρ, όπου ρ είναι η απόσταση δορυφόρου-δέκτη και είναι περίπου ίση µε km. Έτσι το σφάλµα βάσης db εξαρτάται κυρίως από το λόγο του µήκους της βάσης προς την απόσταση του δορυφόρου από το δέκτη. Η µέγιστη απόσταση ενός δορυφόρου G.P.S. είναι περίπου km. Για παράδειγµα, άν µετράµε µία βάση 20 km τότε ένα σφάλµα της τάξης των 20 m στην τροχιά ενός δορυφόρου (σύνηθες όταν η επιλεκτική διαθεσιµότητα δεν είναι ενεργοποιηµένη) που βρίσκεται σε απόσταση km µεταφράζεται σε ένα σφάλµα 2 cm στη θέση του δέκτη. Αυτό σηµαίνει ότι έχουµε ένα σφάλµα 1ppm για κάθε 20 m σφάλµατος στην τροχιά. 40

41 Σχήμα I Επίδραση του σφάλματος τροχιάς στον προσδιορισμό βάσης (baseline determination). Ο παρακάτω πίνακας (Πίνακας I ) δείχνει ότι για σχετικό προσδιορισµό θέσης και για µικρές αποστάσεις η απαιτούµενη ακρίβεια τροχιάς δεν αποτελεί κρίσιµο παράγοντα. Αντιθέτως, η απαίτηση για ακρίβεια 1 cm για πολύ µεγάλες αποστάσεις, για παράδειγµα στη γεωδυναµική, προϋποθέτει µια ακρίβεια τροχιάς καλύτερη του 1 m που είναι πολύ δύσκολο να επιτευχθεί. Πίνακας I : Σχέση μεταξύ σφάλματος τροχιάς ανταποκρινομένου σε 1cm λάθους στο μήκος της βάσης. Στη συνέχεια ο επόµενος πίνακας (Πίνακας I ) δίνει µερικά µεγέθη εκφρασµένα σε µέρη στο εκατοµµύριο (ppm). Τα στοιχεία των εκπεµπόµενων τροχιών υποδεικνύουν ένα επίπεδο ακρίβειας της τάξης 15 ως 25 m. Σύµφωνα µε τον Πίνακα 3 αυτή η ακρίβεια είναι ικανοποιητική για εργασίες µε αποστάσεις σηµείων ως 10 km. Η ακρίβεια της τροχιάς µπορεί ωστόσο να µειωθεί κάτω από συνθήκες επιλεκτικής διαθεσιµότητας (Selective Availiability condition). Επίσης όταν οι αποστάσεις των σηµείων αυξάνονται και απαιτείται µεγαλύτερη ακρίβεια, η ακρίβεια των εκπεµπόµενων εφηµερίδων δεν είναι συνήθως επαρκής. Γι αυτό το λόγο είναι προτιµότερο να χρησιµοποιούνται ακριβείς εφηµερίδες που παρέχονται από διεθνής οργανισµούς και υπηρεσίες. 41

42 Πίνακας I : Σχέση μεταξύ σφάλματος τροχιάς ανταποκρινομένου σε ppm λάθους για μήκος βάσης 1km Σφάλµατα των δορυφορικών χρονοµέτρων Οι δορυφόροι του συστήµατος G.P.S. φέρουν ρολόγια, δηλαδή χρονόµετρα, που χρησιµοποιούνται στην καταγραφή του χρόνου εκποµπής του σήµατος από τον δορυφόρο προς το δέκτη. Λαµβάνοντας υπόψη ότι τα ηλεκτροµαγνητικά κύµατα µεταδίδονται µε την ταχύτητα του φωτός, δηλαδή c km/s, διαπιστώνουµε ότι ένα σφάλµα της τάξης του 1 ms (1 ms = s) µεταφράζεται σε σφάλµα m στον προσδιορισµό θέσης. Αντίστοιχα, ένα σφάλµα της τάξης του 1 ns (1 ns = 10-9 s) µεταφράζεται σε σφάλµα 30 cm στον προσδιορισµό θέσης. Γίνεται εποµένως εύκολα αντιληπτό, ότι η ακρίβεια των δορυφορικών χρονοµέτρων πρέπει να είναι πολύ µεγάλη, µιας και ένα µικρό σφάλµα στο χρονόµετρο του δορυφόρου, µεταφράζεται σε ένα πολύ µεγάλο σφάλµα στον προσδιορισµό θέσης. Προκειµένου να αντιµετωπιστεί το πρόβληµα αυτό, οι δορυφόροι είναι εξοπλισµένοι µε ατοµικά ρολόγια καισίου-ρουβιδίου πολύ µεγάλης ακρίβειας (Lachapelle 2001). Ακόµα και αυτά τα ρολόγια όµως, συσσωρεύουν λάθη λόγω του φαινοµένου της ολίσθησης των χρονοµέτρων, οπότε γενικά θεωρείται ότι η ακρίβειά τους είναι της τάξης του 1 ms. Προσοχή πρέπει να δοθεί στο ότι η πληροφορία για το χρονόµετρο του δορυφόρου έρχεται µέσα από το λαµβανόµενο σήµα. Γίνεται κατανοητό ότι µε την προαναφερθείσα ακρίβεια των m δεν µπορεί να γίνει προσδιορισµός θέσης. Έτσι µέσα στο µήνυµα πλοήγησης περιέχονται τρεις συντελεστές ενός πολυωνύµου το οποίο εφαρµοζόµενο µας δίνει µία διόρθωση στον χρόνο του δέκτη, σύµφωνα µε τη σχέση όπου afo, af1 και af2 είναι οι τρείς συντελεστές του πολυωνύµου που εφαρµόζεται προκειµένου να πάρουµε τη τη διόρθωση του χρονοµέτρου του δορυφόρου. Πώς όµως προσδιορίζονται οι συντελεστές αυτοί; Όπως αναφέρθηκε, υπάρχουν πολλοί σταθµοί παρακολούθησης στη Γη οι οποίοι µεταξύ των άλλων παρέχουν και πληροφορία για τις τροχιές των δορυφόρων. Κατ αντιστοιχία, παρακολουθούν και τα δορυφορικά χρονόµετρα και συγκρίνοντας τον χρόνο GPS που αυτά εκπέµπουν µε το κύριο χρονόµετρο ελέγχου (master control clock), που είναι ένας συνδυασµός περισσοτέρων των δέκα µεγάλης ακριβείας ατοµικά χρονόµετρα, προσδιορίζουν τα σφάλµατα των δορυφορικών ρολογιών. Τα λάθη και οι ολισθήσεις των χρονοµέτρων των δορυφόρων υπολογίζονται και περιλαµβάνονται στα µεταδιδόµενα από τους δορυφόρους σήµατα (Δερµάνης 1999). Στον υπολογισµό των αποστάσεων προς τους δορυφόρους, οι δέκτες GPS αφαιρούν τα σφάλµατα των χρονοµέτρων των δορυφόρων από τον αναφερόµενο χρόνο µετάδοσης, για να προκύψει η «αληθής» διάρκεια µετάδοσης του σήµατος. Βέβαια, ακόµη και µε την παραδοχή ότι το εφαρµοζόµενο µοντέλο καταφέρνει να περιγράψει ικανοποιητικά το σφάλµα του 42

43 χρονοµέτρου του δορυφόρου, παραµένει ένα σφάλµα της τάξης των ~10 ns που µεταφράζεται σε σφάλµα των ~3 m σε απόσταση. Ο µόνος τρόπος για να απαλειφθεί εντελώς το σφάλµα του χρονοµέτρου του δορυφόρου είναι η χρήση διαφορικού GPS και η εφαρµογή απλών διαφορών µεταξύ δεκτών Τα σφάλµατα των δεκτών Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω στα σφάλµατα των δεκτών περιλαµβάνονται το σφάλµα του χρονοµέτρου του δέκτη και ο θόρυβος στο δέκτη. Το σφάλµα του χρονοµέτρου του δέκτη είναι ίδιο στη φύση µε αυτό του δορυφορικού ρολογιού και οφείλεται σε ατέλειες και σφάλµατα των χρονοµέτρων που χρησιµοποιούνται. Θα πρέπει και πάλι να τονιστεί ότι οποιαδήποτε µέτρηση και οποιοδήποτε όργανο µέτρησης κάποιας ποσότητας περιέχει σφάλµατα. Τα ρολόγια των δεκτών δεν είναι φυσικά τόσο µεγάλης ακρίβειας σαν αυτά των δορυφόρων µιας και αυτό θα σήµαινε κατακόρυφη αύξηση του κόστους τους. Αρκεί να αναφερθεί ότι τα ατοµικά χρονόµετρα ακριβείας µε τα οποία εξοπλίζονται οι δορυφόροι ζυγίζουν περισσότερο από 20 κιλά, κοστίζουν περίπου $50000 και απαιτούν εκτεταµένη φροντίδα (Lachapelle 2001). Γενικά, τα σφάλµα στο ρολόγια των δεκτών είναι της τάξης των 200 ns µέχρι µερικά ms που σηµαίνει ότι το σφάλµα που εισαγάγουµε ποικίλει από m ή και παραπάνω. Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, προκειµένου να υπολογίσουµε τις συντεταγµένες ενός δέκτη, δηλαδή το διάνυσµα θέσης του (x, y, z), πραγµατοποιούµε πολλές µετρήσεις προς πολλούς, τουλάχιστον τέσσερεις, δορυφόρους. Έτσι η λύση προκύπτει από µια µέθοδο ελαχίστων τετραγώνων κατά την οποία εκτιµούµε τις άγνωστες παραµέτρους ελαχιστοποιώντας το τετράγωνο του διανύσµατος των σφαλµάτων τους (Δερµάνης 1986). Σε πλήρη αναλογία, έχουµε τη δυνατότητα να εισαγάγουµε το σφάλµα του χρονοµέτρου του δέκτη σαν µία τέταρτη άγνωστη παράµετρο σε αυτή τη διαδικασία συνόρθωσης των παρατηρήσεων και να υπολογίσουµε µία βέλτιστη εκτίµησή της. Βέβαια, προκειµένου να εισαχθεί το χρονόµετρο του δέκτη σαν άγνωστη ποσότητα πρέπει οι παρατηρήσεις προς τους (τέσσερεις) δορυφόρους να είναι ταυτόχρονες µιας και αν πραγµατοποιούνται διαφορετικές χρονικές στιγµές θα έχουν διαφορετικά σφάλµατα χρονοµέτρου του δέκτη. Μία άλλη δυνατότητα απαλοιφής του σφάλµατος του χρονοµέτρου του δέκτη είναι το διαφορικό GPS δηλαδή ο σχηµατισµός απλών διαφορών µεταξύ δορυφόρων Η δοµή της ατµόσφαιρας και τα ατµοσφαιρικά σφάλµατα Η περιοχή των αερίων που περιβάλλει τον πλανήτη Γη είναι γνωστή σαν ατµόσφαιρα. Εξαιτίας της ύπαρξης της ατµόσφαιρας είναι δυνατή και η ύπαρξη ζωής στη Γη καθώς και η δηµιουργία των γνωστών µετεωρολογικών φαινοµένων όπως η βροχή, το χιόνι το χαλάζι και φυσικά η νέφωση. Η γήινη ατµόσφαιρα διακρίνεται σε οµόκεντρα, σχεδόν σφαιρικά στρώµατα τα οποία χωρίζονται από στενές ζώνες µεταβίβασης από το ένα στο άλλο. Το τελευταίο όριο της ατµόσφαιρας, πέρα από το οποίο τα ατµοσφαιρικά αέρια διαφεύγουν στην ατµόσφαιρα, βρίσκεται σε ένα υψόµετρα περίπου 1000 km πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας, ενώ περισσότερο από 99% των ατµοσφαιρικών αερίων εντοπίζεται στα πρώτα 40 Km από την επιφάνεια της Γης. Η διακριτοποίηση των προαναφερθέντων στρωµάτων γίνεται βάσει των διαφορών στη χηµική σύσταση που έχουν σαν συνέπεια, µεταξύ των άλλων, και µεταβολές στη θερµοκρασία. Έτσι, η ατµόσφαιρα της Γης διακρίνεται στις: α) τροπόσφαιρα που εκτείνεται από την επιφάνεια της θάλασσας µέχρι και ύψος 14 km πάνω από αυτή, β) στρατόσφαιρα που εκτείνεται από km πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας, γ) µεσόσφαιρα που εκτείνεται από km πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας, δ) ιονόσφαιρα που εκτείνεται από km πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας και ε) εξώσφαιρα που 43

44 εκτείνεται από km πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας. Μετά την εξώσφαιρα βρίσκεται ο διαπλανητικός χώρος. Σχήμα I Η δομή της ατμόσφαιρας της Γης Προσδιορισμός θέσης GPS κάτω από δύσκολες συνθήκες. Παράγοντες υποβάθμισης του σήματος. Ακρίβειες που επιτυγχάνονται σε δασικό περιβάλλον. Ο Burlet (2001) διακρίνει δύο δύσκολες περιπτώσεις: 1.Κάτω από δύσκολες τοπογραφικές συνθήκες. Οι επιπτώσεις της τοπογραφίας έγκεινται στα παρακάτω: Η οπτική σύνδεση με τέσσερις τουλάχιστον δορυφόρους δεν είναι πάντα εξασφαλισμένη, με αποτέλεσμα ο διαθέσιμος χρόνος μέτρησης να μειώνεται Οι ελάχιστες απαιτήσεις για την γεωμετρία των δορυφόρων δεν πληρούνται με αποτέλεσμα και πάλι την μείωση του διαθέσιμου χρόνου μέτρησης ή την μείωση της ακρίβειας. 2.Κάτω από δύσκολες συνθήκες που δημιουργούνται στο δάσος. Διακρίνονται δύο κατηγορίες: α. Η σκίαση και β. η πολύ-ανάκλαση του σήματος Γεωµετρικά µέτρα ακρίβειας (DOP). Τα γεωµετρικά µέτρα ακρίβειας (DOP Dilution of Precesion) είναι βαθµωτά µεγέθη της επίδρασης της Γεωµετρίας των δορυφόρων στις τελικές ακρίβειες προσδιορισµού. Μας δίνουν µια εικόνα για την συνεισφορά της γεωµετρίας των πρωτογενών παρατηρήσεων (ανάλυση της εσωτερικής ακρίβειας), υπολογιζόµενα από τον πίνακα µεταβλητοτήτων συµµεταβλητοτήτων ως εξής όπου tr είναι το ίχνος του πίνακα µεταβλητοτήτων-συµµεταβλητοτήτων x Cˆ δηλαδή το άθροισµα των διαγωνίων στοιχείων του. Όσο µικρότερη είναι η τιµή του DOP τόσο 44

45 καλύτερη είναι η γεωµετρία των δορυφόρων και κατά συνέπεια τόσο ακριβέστερες θα είναι και οι παρατηρήσεις. Στο σχήµα 1.52 δίνεται ένα παράδειγµα καλής και κακής γεωµετρίας του δορυφορικού σχηµατισµού που συνεπάγεται αντίστοιχη καλή ή κακή γεωµετρία παρατηρήσεων. Υπάρχουν διάφορα είδη DOP χρήσιµα στον προσδιορισµό θέσης µε GPS που εξαρτώνται από τις παραµέτρους της λύσης. Σχήμα I καλό και κακό DOP στη γεωμετρία των δορυφόρων Όταν το GDOP λάβει τιµές µεγαλύτερες από 6 η γεωµετρίας του συστήµατος δεν θεωρείται ικανοποιητική για τον ασφαλή προσδιορισµό θέσης. Η κατάσταση αυτή δεν είναι σπάνια και εµφανίζεται όταν οι παρατηρούµενοι δορυφόροι τείνουν να γίνουν συνεπίπεδοι στο χώρο ή ακόµη όταν ο αριθµός τους είναι µικρός. Στην περίπτωση αυτή έχουµε τη γνωστή αναξιοπιστία του GPS (outage). Φτωχό GDOP, μια μεγάλη αξία που αντιπροσωπεύει έναν μικρό διανυσματικό-όγκο μονάδων, οδηγεί όταν οι γωνίες από το δέκτη στο σύνολο του SVs που χρησιμοποιείται είναι παρόμοιες. Καλό GDOP, μια μικρή αξία που αντιπροσωπεύει μια μεγάλη μονάδα-διανυσματικούόγκου, οδηγεί όταν οι γωνίες από το δέκτη σε SVs είναι διαφορετικές. Σχήμα I Φτωχό GDOP 45

46 Σχήμα I Καλό GDOP Ο GDOP υπολογίζεται από τις γεωμετρικές σχέσεις μεταξύ της θέσης δεκτών και των θέσεων των δορυφόρων που ο δέκτης χρησιμοποιεί για τη πλοήγηση. Για λόγους προγραμματισμού GDOP υπολογίζεται συχνά από τα ημερολόγια και μια κατ' εκτίμηση θέση. Κατ' εκτίμηση GDOP δεν λαμβάνει υπόψη τα εμπόδια που εμποδίζουν την οπτική επαφή από τη θέση στους δορυφόρους. Κατ' εκτίμηση GDOP μπορεί να μην είναι εφικτή στον τομέα. Οι όροι GDOP υπολογίζονται συνήθως χρησιμοποιώντας τις παραμέτρους από τη διαδικασία λύσης της πλοήγησης. Συστατικά GDOP PDOP = διάλυση θέσης της ακρίβειας (τρισδιάστατης), μερικές φορές το σφαιρικό DOP. HDOP = οριζόντια διάλυση της ακρίβειας (γεωγραφικό πλάτος, γεωγραφικό μήκος). VDOP = κάθετη διάλυση της ακρίβειας (ύψος). TDOP = χρονική διάλυση της ακρίβειας (χρόνος). ιακρίνουµε διάφορα είδη DOP ανάλογα µε τις παραµέτρους της λύσης που θέλουµε να ελέγξουµε. Έτσι έχουµε : το γεωµετρικό DOP (geometrical dilution of precesion GDOP) που υπολογίζεται ως το ίχνος των αβεβαιοτήτων στις συντεταγµένες της θέσης και τη διόρθωση του χρονοµέτρου του δέκτη Περιλαµβάνει γεωγραφικό µήκος, γεωγραφικό πλάτος, ελλειψοειδές υψόµετρο και χρόνο ή τις αντίστοιχες καρτεσιανές συντεταγµένες (Χ,Υ,Ζ) και χρόνο. το DOP θέσης (postion dilution of precesion PDOP) που υπολογίζεται ως το ίχνος των αβεβαιοτήτων στις συντεταγµένες της θέσης του δέκτη Περιλαµβάνει γεωγραφικό µήκος, γεωγραφικό πλάτος, ελλειψοειδές υψόµετρο ή τις αντίστοιχες καρτεσιανές συντεταγµένες (Χ,Υ,Ζ). το DOP χρόνου (time dilution of precesion TDOP) που υπολογίζεται ως το ίχνος της αβεβαιότητας στη διόρθωση του χρονοµέτρου του δέκτη Περιλαµβάνει µόνο χρόνο. 46

47 Παρατήρηση : πρέπει να σηµειωθεί ότι οι υπολογισµοί των GDOP, PDOP και TDOP αναφέρονται στο παγκόσµιο γεωκεντρικό σύστηµα αναφοράς που χρησιµοποιείται από το GPS δηλαδή στο WGS84. Προκειµένου να υπολογίσουµε δύο ακόµη DOP, της οριζόντιας και της κατακόρυφης θέσης, που είναι επίσης χρήσιµα µέτρα ακρίβειας πρέπει να πραγµατοποιήσουµε ένα µετασχηµατισµό συντεταγµένων από το παγκόσµιο σύστηµα αναφοράς σε ένα τοποκεντρικό σύστηµα που θα έχει ως κέντρο το σηµείο µέτρησης, Προκειµένου να γίνει αυτό, πολλαπλασιάζουµε τον πίνακα x Cˆ µε ένα πίνακα στροφής ώστε να µεταφερθούµε σε ένα επίπεδο εφαπτόµενο του σηµείου παρατήρησης. Ο πίνακας στροφής R είναι όπου φ,λ είναι το γεωγραφικό πλάτος και µήκος του σηµείου παρατήρησης. Ο νέος, µετασχηµατισµένος στο τοποκεντρικό σύστηµα αναφοράς, πίνακας µεταβλητοτήτωνσυµµεταβλητοτήτων των εκτιµήσεων των αγνώστων παραµέτρων είναι όπου L x C ˆ είναι ο µετασχηµατισµένος στο τοποκεντρικό σύστηµα αναφοράς πίνακας µεταβλητοτήτων-συµµεταβλητοτήτων των εκτιµήσεων των αγνώστων παραµέτρων. Παρατηρήστε ότι στο µετασχηµατισµό από τον x Cˆ στον L x C ˆ χρησιµοποιήσαµε µόνο τα στοιχεία που αναφέρονται στα Χ, Υ, Ζ και όχι αυτό που αναφέρεται στο χρόνο dt. Μπορούµε στο σηµείο αυτό να ορίσουµε και τα άλλα δύο είδη DOP που είναι Το DOP οριζόντιας θέσης (horizontal dilution of precession HDOP) που υπολογίζεται ως το ίχνος των αβεβαιοτήτων στις οριζόντιες συντεταγµένες της θέσης του δέκτη Περιλαµβάνει γεωγραφικό µήκος και γεωγραφικό πλάτος ή τις αντίστοιχες καρτεσιανές συντεταγµένες (Χ,Υ). Το DOP κατακόρυφης θέσης (vertical dilution of precession PDOP) που υπολογίζεται ως το ίχνος της αβεβαιότητας στην κατακόρυφη θέση του δέκτη Περιλαµβάνει µόνο ελλειψοειδές υψόµετρο ή την αντίστοιχη καρτεσιανή συντεταγµένη (Ζ). Πρέπει να τονιστεί ότι οι τιµές του DOP που επιθυµούµε είναι όσο το δυνατόν µικρότερες γίνεται. Όταν το DOP λάβει τιµές µεγαλύτερες του 8 τότε θεωρούµε ότι η γεωµετρία του συστήµατος δεν είναι καλή για τον ασφαλή προσδιορισµό θέσης. Στην πράξη, θεωρούµε ότι οι τιµές του DOP είναι αποδεκτές όταν δεν ξεπερνούν το 6. Προσοχή πρέπει να δοθεί στο ότι όλα τα DOP αποτελούν µέτρα ακρίβειας των παρατηρήσεων οπότε πρέπει πάντα να εκφράζονται σαν ένα εύρος τιµών, δηλαδή ±. Τέλος πρέπει πάντα να συνοδεύονται από τη µονάδα στην οποία εκφράζονται, π.χ. m, cm. Έχουν πραγµατοποιηθεί αρκετές µελέτες µε θέµα την ακρίβεια του συστήµατος GPS µέσα σε διάφορα δασικά περιβάλλοντα. 47

48 Μία από αυτές ήταν και των Wing et al (2005) οι οποίοι εξέτασαν την ακρίβεια και την αξιοπιστία έξι διαφορετικών δεκτών GPS (1.SporTrak Map, 2.GPSmap 76S, 3.GPS V,4.Etrex Vista, 5.Geko 301 και 6.Meridian Platinum) σε τρία διαφορετικά περιβάλλοντα: σε ανοιχτό ουρανό, σε µέτριας πυκνότητας νεαρό δάσος Ψευδοτσούγκας (Pseudotsuga menziesii) µε κλάση ηλικίας δένδρων µεταξύ 5 και 15 ετών και κοµοστέγη της τάξης του 40-50% και σε δάσος Ψευδοτσούγκας (Pseudotsuga menziesii) µε κοµοστέγη 100% και κλάση ηλικίας ετών. Τα αποτελέσµατα της έρευνάς τους έδειξαν ότι οι ακρίβειες των δεκτών κυµαίνονται περίπου στα 5µ σε ανοιχτό ουρανό, στα 7µ. στο νεαρό δάσος και στα 10µ στην κλειστή κόµη. Επίσης από τους έξι δέκτες τα καλύτερα αποτελέσµατα έδωσε ο δέκτης SporTrak Map µε συνολικό µέσο λάθος στις µετρήσεις του τα 1,70µ. και σταθερή απόκλιση τα 0,90µ και µε δεύτερο καλύτερο δέκτη τον GPSmap 76S µε συνολικό µέσο λάθος τα 2,60µ. και σταθερή απόκλιση τα 1,0µ. Τέλος καταλήγουν στην έρευνά τους ότι η χρήση µιας εξωτερικής κεραίας σε δέκτη GPS µπορεί να αυξήσει σηµαντικά τα αποτελέσµατα (Wing et al, 2005). Οι P. Sigrist et al (1999) διερεύνησαν την επίδραση των διαφόρων ειδών και βαθµών της δασικής κάλυψης στη συλλογή δεδοµένων GPS, την ακρίβεια και την ευκρίνεια και κατέληξαν ότι αν και η εµφάνιση της κοµοστέγης ενδέχεται να υποβαθµίζει την ακρίβεια θέσης κατά µία τάξη µεγέθους, η ίδια η παρουσία του φυλλώµατος είναι αυτή που παίζει σηµαντικό ρόλο στη λήψη του σήµατος και στην ακρίβεια της θέσης καθώς αποδείχτηκε ότι ιδιαίτερα σε συνθήκες ισχυρών ανέµων, το κινούµενο φύλλωµα µπορεί να προκαλέσει ιδιαίτερα προβλήµατα πολύ-ανακλάσεων (multipath effects) και έτσι ο δέκτης να λαµβάνει πολλαπλά αντίγραφα του ιδίου σήµατος µε αποτέλεσµα τη µείωση της ακρίβειας των παρατηρήσεων. Η σχέση είναι αντίστροφη, η αύξηση της σχετικής κοµοστέγης συνεπάγεται τη µείωση της ακρίβειας. Κατέληξαν επίσης στο ότι η κατά θέση συνεισφορά DOP (PDOP) δεν είναι τόσο καλός δείκτης για την ακρίβεια προσδιορισµού θέσης κάτω από την κοµοστέγη των δασών. Oι Piedallu και Gégout (2005) αναφέρουν ότι για να επιτευχθεί µεγάλη ακρίβεια σε υψηλά δάση είναι σηµαντικό να έχουµε ένα µεγάλο αριθµό εγγραφών, χαµηλό όριο PDOP και ένα µεγάλο χρονικό διάστηµα για την απόκτηση των στοιχείων. Συγκεκριµένα απέδειξαν ότι σε κλειστούς χώρους (πρεµνοφυή και υψηλά δάση) τα σφάλµατα στον προσδιορισµό θέσης αυξάνονται γραµµικά ή µε εκθετική συνάρτηση µε το PDOP. Τέλος οι Holden et al (2001) εξέτασαν την ακρίβεια του διαφορικού GPS (DGPS) σε κοµοστέγη δάσους Picea sitkensis και Picea contorta και κατέληξαν ότι η ακρίβεια σχετίζεται µε το σύνολο των εµπόδιων, το µέγεθος του ανοίγµατος της κοµοστέγης και την κατάτµηση της θέας προς τον ουρανό. Όταν υπήρχαν λίγα εµπόδια (<20%) ή µικρές κατατµήσεις, η απόδοση του DGPS ήταν ουσιαστικά ίδια µε αυτή που παρατηρείται εκτός του δάσους, η ανοικτή κοµοστέγη προκάλεσε 2-3 φορές υποβάθµιση ως προς την ακρίβεια, και η κλειστή κοµοστέγη 5-7 φορές υποβάθµιση ακρίβειας. Οι Καραγιάννης κ.α (2005) ερεύνησαν την ακρίβεια υψοµέτρησης µε δέκτη χειρός σε δασικό δρόµο και το µέσο αριθµητικό σφάλµα (µα) του απόλυτου υψοµέτρου που υπολογίστηκε ήταν ± 11,3318 µέτρα, το µέσο τετραγωνικό σφάλµα (µτ) του απόλυτου υψοµέτρου που υπολογίσθηκε ήταν ± 12,4237 µέτρα και τελικά το µέσο τετραγωνικό σφάλµα του µέσου όρου ήταν ± 1,7397 µέτρα. Κατέληξαν έτσι στο συµπέρασµα ότι η χρήση των δεκτών αυτών σε µελέτες χάραξης δρόµου για τη διάνοιξη των δασών είναι απαγορευτική. Επίσης στην ίδια έρευνα τα αποτελέσµατα έδειξαν ότι η λήψη σήµατος των δορυφόρων στο δάσος παρουσίαζε προβλήµατα µε το 19% των µετρήσεων να απορρίπτονται καθώς παρουσίασαν ιδιαίτερα µεγάλα σφάλµατα. Οι Stergiadou et al (2003) εξέτασαν την συνεισφορά διαφόρων τύπων δεκτών GPS στην αειφόρο ανάπτυξη σε ορεινές περιοχές. Στη δασική έκταση Κισσός του όρους Χορτιάτη κάνοντας χρήση των δεικτών GPS System 500 της Leica και emap της Garmin και 48

49 συγκρίνοντας της µετρήσεις αυτές µε αληθείς τιµές που προέκυψαν από τη χρήση του γεωδαιτικού σταθµού TC 805 της Leica, υπολόγισαν τα παρακάτω: σφάλµα ίσο µε 3,1695 µέτρα κατά Ε, 1,5044 µέτρα κατά Ν και 0,7478 µέτρα κατά Ν µε τον δέκτη GPS System 500 της Leica και σφάλµα ίσο µε 3,5840 κατά Ε, 3,3730 κατά Ν και 75,1660 κατά Ζ µε τον δέκτη emap της Garmin, και υπογράµµισαν ότι οι µεγάλες τιµές σφαλµάτων οφείλονται στην επιλεκτική διαθεσιµότητα (Selective Availability) που εφαρµόστηκε τις ηµέρες των µετρήσεων καθώς οι µετρήσεις πεδίου συνέπεσαν µε τον πόλεµο στο Ιρακ. Οι ρόσος κ.α. (2004) συνέκριναν τις συντεταγµένες που προέκυψαν από αποτύπωση 30 σηµείων σε δασική περιοχή, µε ηλεκτροπτικό θεοδόλιχο και µε το δέκτη GPS etrex Legend της GARMIN. Το µέσο αριθµητικό σφάλµα (µα) του απόλυτου υψοµέτρου που υπολογίστηκε ήταν ± 5,0634 µέτρα, το µέσο τετραγωνικό σφάλµα (µτ) του απόλυτου υψοµέτρου που υπολογίσθηκε ήταν ± 8,3735 µέτρα και τελικά το µέσο τετραγωνικό σφάλµα του µέσου όρου ήταν ± 1,595 µέτρα. Με απόρριψη όµως 8 σηµείων, καθώς οι µετρήσεις τους θεωρήθηκαν ανακριβής γιατί επηρεάστηκαν από το γεγονός ότι βρίσκονταν κάτω από πυκνή κόµη, το µέσο αριθµητικό σφάλµα (µα) του απόλυτου υψοµέτρου που υπολογίστηκε ήταν ± 0,9174 µέτρα, το µέσο τετραγωνικό σφάλµα (µτ) του απόλυτου υψοµέτρου που υπολογίσθηκε ήταν ± 1,5399 µέτρα και τελικά το µέσο τετραγωνικό σφάλµα του µέσου όρου ήταν ± 0,3283 µέτρα. Η αξιοποίηση των GPS σε δασικές εφαρµογές µέσα στο δάσος, παρουσιάζει προβλήµατα στη λήψη του σήµατος. Έτσι σε µια λωρίδα δρόµου πλάτους 5 µέτρων, µπορεί να προσδιοριστεί η θέση µόνο του 44% των σηµείων, ενώ σε ελεύθερο πεδίο το 89%. Η ακρίβεια εξαρτάται από τη διαχειριστική µορφή της συστάδας, το φύλλωµα και τον αριθµό και τη θέση των δορυφόρων που είναι στη διάθεσή µας ( ούκας, 2001). 3. Το πρότυπο RINEX 3.1 Το πρότυπο RINEX ή αρχεία RINEX (Receiver IndepeNdent Exchange RINEX) Το RINEX (Receiver IndepeNdent Exchange RINEX) είναι το διεθνές τυποποιηµένο πρότυπο, που αναπτύχθηκε από µια οµάδα ερευνητών του Πανεπιστηµίου της Βέρνης της Ελβετίας, για ανταλλαγή µεταξύ διαφορετικών δεκτών GPS. Το RINEX είναι ένα αρχείο ASCII (American Standard Code for Information Interchange Αµερικανικός Πρότυπος Κώδικας για Ανταλλαγή Πληροφοριών) και το χαρακτηριστικό αυτό αυξάνει την ευελιξία της κατανοµής, δεδοµένου ότι τα ASCII αρχεία είναι απλά αρχεία κειµένου που είναι ευανάγνωστα από κάθε εµπορικό δέκτη. Ένα αρχείο RINEX συγκεκριµένα, αντιστοιχεί σε µια µετάφραση των συµπιεσµένων δυαδικών αρχείων που είναι αποθηκευµένα στη µνήµη του δέκτη. Έχουν αναπτυχθεί διαφορετικές εκδόσεις της µορφής RINEX. Η πιο κοινή έκδοση αυτή τη στιγµή είναι η έκδοση 2.10, ενώ έχει υποβληθεί πρόσφατα και η έκδοση (Version) RINEX 3.0 η οποία βασίζεται στην προηγούµενη (RINEX Version 2.0) και µε κατάλληλες τροποποιήσεις στοχεύει να καλύψει τις ανάγκες του συστήµατος Galileo αλλά και τις νέες και µελλοντικές αναβαθµίσεις των GPS και GLONASS. Η έκδοση 2.10 δηµιουργεί τα έξι ακόλουθα αρχεία RINEX: εδοµένων παρατήρησης. Μηνύµατος πλοήγησης Μετεωρολογικά αρχεία Μηνύµατος Πλοήγησης GLONASS εδοµένων γεωστατικών δορυφόρων εδοµένων ρολογιού δορυφόρων και ρολογιού του δέκτη. 49

50 Λαµβάνοντας υπόψη αυτούς τους τύπους αρχείων RINEX, τα πιο σηµαντικά για την πλειοψηφία των χρηστών GPS είναι τα δεδοµένα παρατήρησης, το µήνυµα πλοήγησης, καθώς και τα µετεωρολογικά αρχεία. Κάθε ένα από αυτά περιλαµβάνει δύο τµήµατα: µια επικεφαλίδα και δεδοµένα. Ειδικότερα, το αρχείο δεδοµένων παρατήρησης περιέχει πληροφορίες σχετικά µε τη µέτρηση (παρατήρηση), µε την θέση δέκτη/κεραίας, την ώρα GPS, τις µετρήσεις (δεδοµένα κώδικα και φάσης), τον αριθµό και κατάλογο των δορυφόρων που φαίνονται κατά τη διάρκεια της εργασίας. Το αρχείο µηνύµατος πλοήγησης περιλαµβάνει τις δορυφορικές πληροφορίες που περιέχονται στα δεδοµένα πλοήγησης, όπως παράµετροι του ρολογιού του δορυφόρου, την υγεία του δορυφόρου, και τις παραµέτρους αλµανάκ. Το µετεωρολογικό αρχείο περιέχει χρονικές πληροφορίες σχετικά µε την ατµοσφαιρική κατάσταση, όπως η θερµοκρασία, η πίεση, η υγρασία, και άλλες σχετικές πληροφορίες (Prasad & Ruggieri Marina,2005) Το πρότυπο ή σχήµα NGS-SP3 (National Geodetic Survey Standard Product #3) Βασική πτυχή για την εκτίµηση της θέσης των χρηστών είναι η ακριβής γνώση της εφηµερίδας των δορυφόρων (satellite ephemeris). Για να διευκολυνθεί η ανταλλαγή εφηµερίδας, η Εθνική Γεωδαιτική έρευνα (National Geodetic Survey NGS) ανέπτυξε το πρότυπο NGS SP3 (National Geodetic Survey Standard Product # 3). Το SP3, στην πραγµατικότητα, είναι το διεθνές πρότυπο το οποίο ρυθµίζει τη µορφή των πληροφοριών µέσω δορυφόρου, όπως ακριβή δεδοµένα τροχιάς και των σχετικών διορθώσεων του ρολογιού του δορυφόρου, λαµβάνοντας υπόψη ότι όλοι οι χρόνοι αναφέρονται στο σύστηµα χρόνου του GPS. Το NGS SP3 είναι ένα µεγάλο αρχείο 60-χαρακτήρων ASCII που οργανώνεται σε δύο ενότητες: επικεφαλίδα και δεδοµένα. Η επικεφαλίδα περιλαµβάνει πληροφορίες σχετικά µε την περίοδο παρατήρησης, όπως η ηµεροµηνία και ο αριθµός των δορυφόρων. Τα δεδοµένα οργανώνονται σε εποχές (records). Κάθε εποχή περιέχει διορθώσεις εφηµερίδας και ρολογιού για κάθε δορυφόρο του δορυφορικού σχηµατισµού GPS, που ορίζονται από µια ειδική γραµµή στο αρχείο δεδοµένων ASCII για κάθε δορυφόρο (Prasad & Ruggieri Marina,2005). 3.3 Το µήνυµα RTCM (Radio Technical Commission for Maritime Services) ή πρότυπο RTCM SC-104 (Radio Technical Commission for Maritime Services Special Committee 104) Τα διαφορικά δεδοµένα διορθώσεων σε εφαρµογές Real-time (Real-time differential correction data) µπορούν να διαβιβαστούν από αρκετά µέσα. Εντούτοις, είναι απαραίτητο ο ίδιος ο δέκτης GPS να είναι έτσι σχεδιασµένος ώστε να µπορεί δεχτεί αλλά και να εφαρµόσει το σήµα διορθώσεων. Οι περισσότεροι καλοί δέκτες σχεδιάζονται για να επιτρέπουν την εισαγωγή των δεδοµένων διορθώσεων σε πραγµατικό χρόνο. Αλλά, όπως συµβαίνει και στην περίπτωση της µετεπεξεργασίας δεδοµένων, ήταν απαραίτητο αρχικά να αναπτυχθεί µια κοινή γλώσσα για το σήµα σε πραγµατικό χρόνο. Αυτή η κοινή γλώσσα, το κοινό σχήµα αναπτύχθηκε από την ειδική επιτροπή 104 της Radio Technical Commission for Maritime Services (Radio Technical Commission for Maritime Services Special Committee 104), και φέρει την ονοµασία RTCM SC-104, ή απλά RTCM. Το RTCM SC-104 δεν είναι το µόνο σχήµα µετάδοσης διορθώσεων που υπάρχει, παρότι είναι το πιο διαδεδοµένο και ο πιο εφαρµοστέο παγκοσµίως (French, 1996). Το σχήµα αυτό, στην πραγµατικότητα, καθορίζει τη µορφή των διαφορικών διορθώσεων pseudorange που εκπέµπονται από τους σταθµούς αναφοράς στους δέκτες rover. Ως εκ τούτου, χρησιµοποιείται για τη µετάδοση πληροφοριών σε πραγµατικό χρόνο DGPS (real-time DGPS). Το RTCM SC-104 περιλαµβάνει 64 τύπους µηνυµάτων, µε κάθε ένα να περιέχει διαφορικές πληροφορίες. Τα µηνύµατα αποτελούνται από πλήθος δυαδικών ψηφίων 50

51 των οποίων το µήκος αλλάζει ανάλογα µε το περιεχόµενο του µηνύµατος και τον τύπο του µηνύµατος (Prasad & Ruggieri Marina,2005) Το πρότυπο ή Πρωτόκολλο επικοινωνίας NMEA 0183 (National Marine Electronics Association 0183) Το NMEA 0183 (National Marine Electronics Association 0183) είναι το πρωτόκολλο επικοινωνίας που χρησιµοποιείται σε εφαρµογή πραγµατικού χρόνου (realtime) στη θαλάσσια πλοήγηση για την διασύνδεση των θαλάσσιων ηλεκτρονικών συσκευών. Ιδιαίτερα, το πρότυπο αυτό χρησιµοποιείται για τη µετάδοση πληροφοριών GPS από το δέκτη GPS στο hardware (ηλεκτρονικό σύστηµα οργάνων) που χρησιµοποιεί τον προσδιορισµό θέσης ως εισροή. Τα NMEA 0183 πρότυπα είναι ροές δεδοµένων σε µορφή ASCII και τα στοιχεία διαβιβάζονται υπό τη µορφή πρότασης (sentence), µε το καθένα να µην υπερβαίνει τους 82 χαρακτήρες (Prasad & Ruggieri Marina,2005). Η επικοινωνία των περισσότερων λογισµικών που παρέχουν σε πραγµατικό χρόνο πληροφορίες θέσης, ταχύτητας και χρόνου, υπολογισµένες από δέκτες GPS, γίνεται µε τη χρήση του µηνύµατος NMEA. Υπάρχουν αρκετές προτάσεις που χρησιµοποιούνται ως πρότυπα αλλά επίσης παρέχεται και η δυνατότητα στους κατασκευαστές να χρησιµοποιούν και δικές τους, σύµφωνα µε τον τύπο της συσκευής. Οι αποκαλούµενες ως πρότυπες προτάσεις ξεκινούν µε δύο γράµµατα τα οποία καθορίζουν και το περιεχόµενό της. Για τους δέκτες GPS τα δύο αρχικά γράµµατα είναι τα G, P. Αντιθέτως οι ακολουθίες που χρησιµοποιούνται από διάφορους κατασκευαστές ξεκινούν µε το γράµµα P και στη συνέχεια ακολουθούν τρία γράµµατα που δηλώνουν την ταυτότητα του κατασκευαστή. της µετεπεξεργασίας δεδοµένων, ήταν απαραίτητο αρχικά να αναπτυχθεί µια κοινή γλώσσα για το σήµα σε πραγµατικό χρόνο. Αυτή η κοινή γλώσσα, το κοινό σχήµα αναπτύχθηκε από την ειδική επιτροπή 104 της Radio Technical Commission for Maritime Services (Radio Technical Commission for Maritime Services Special Committee 104), και φέρει την ονοµασία RTCM SC-104, ή απλά RTCM. Το RTCM SC-104 δεν είναι το µόνο σχήµα µετάδοσης διορθώσεων που υπάρχει, παρότι είναι το πιο διαδεδοµένο και ο πιο εφαρµοστέο παγκοσµίως (French, 1996). Το σχήµα αυτό, στην πραγµατικότητα, καθορίζει τη µορφή των διαφορικών διορθώσεων pseudorange που εκπέµπονται από τους σταθµούς αναφοράς στους δέκτες rover. Ως εκ τούτου, χρησιµοποιείται για τη µετάδοση πληροφοριών σε πραγµατικό χρόνο DGPS (realtime DGPS). Το RTCM SC-104 περιλαµβάνει 64 τύπους µηνυµάτων, µε κάθε ένα να περιέχει διαφορικές πληροφορίες. Τα µηνύµατα αποτελούνται από πλήθος δυαδικών ψηφίων των οποίων το µήκος αλλάζει ανάλογα µε το περιεχόµενο του µηνύµατος και τον τύπο του µηνύµατος (Prasad & Ruggieri Marina,2005). Η επικοινωνία των περισσότερων λογισµικών που παρέχουν σε πραγµατικό χρόνο πληροφορίες θέσης, ταχύτητας και χρόνου, υπολογισµένες από δέκτες GPS, γίνεται µε τη χρήση του µηνύµατος NMEA. Υπάρχουν αρκετές προτάσεις που χρησιµοποιούνται ως πρότυπα αλλά επίσης παρέχεται και η δυνατότητα στους κατασκευαστές να χρησιµοποιούν και δικές τους, σύµφωνα µε τον τύπο της συσκευής. Οι αποκαλούµενες ως πρότυπες προτάσεις ξεκινούν µε δύο γράµµατα τα οποία καθορίζουν και το περιεχόµενό της. Για τους δέκτες GPS τα δύο αρχικά γράµµατα είναι τα G, P. Αντιθέτως οι ακολουθίες που χρησιµοποιούνται από διάφορους κατασκευαστές ξεκινούν µε το γράµµα P και στη συνέχεια ακολουθούν τρία γράµµατα που δηλώνουν την ταυτότητα του κατασκευαστή. Κάθε πρόταση αρχίζει µε τον χαρακτήρα $ και δεν µπορεί να περιέχει περισσότερους από 80 χαρακτήρες. Τα δεδοµένα χωρίζονται µεταξύ τους µε κόµµα και είναι τύπου απλού αναγνώσιµου αρχείου (Φωτίου & Πικριδάς, 2006). 51

52 3.5. Το πρότυπο ή πρωτόκολλο επικοινωνίας NTRIP (Networked Transport of RTCM in Internet Protocol) Το NTRIP (Networked Transport of RTCM in Internet Protocol) αντιπροσωπεύει ένα πρωτόκολλο σε επίπεδο εφαρµογής ροής δεδοµένων του Παγκόσµιου ορυφορικού Συστήµατος Πλοήγησης (GNSS) µέσω του ιαδικτύου. Το Ntrip είναι ένα γενικό, µηιδιοκτησιακό πρωτόκολλο που βασίζεται στο πρωτόκολλο HyperΤext Transfer Protocol HTTP/1.1 (που αποτελεί το βασικό πρωτόκολλο για την ανταλλαγή πληροφορίας στο πλαίσιο του WWW). Τα αντικείµενα HTTP είναι εµπλουτισµένα µε ροές δεδοµένων GNSS. Το NTRIP είναι ένα πρότυπο RTCM που σχεδιάστηκε για τη διάδοση διαφορικών διορθωτικών δεδοµένων (π.χ. στην RTCM-104 format) ή άλλα είδη ροής δεδοµένων GNSS σε σταθερούς ή κινητούς χρήστες µέσω του ιαδικτύου, επιτρέποντας ταυτόχρονα PC, Laptop ή συνδέσεις δέκτη σε απλό δέκτη εκποµπής. Το Ntrip υποστηρίζει την ασύρµατη πρόσβαση στο Internet µέσω των δικτύων Mobile IP Mobile Internet Protocol, το οποίο είναι πρωτόκολλο κινητών δικτύων. Κύριο χαρακτηριστικό του Mobile IP είναι ότι η ΙΡ διεύθυνση (η οποία αποτελείται από δύο µέρη: την ταυτότητα-δικτύου (network- id) και την ταυτότητα-τερµατικού (host-id)), παραµένει σταθερή καθώς ένας κινούµενος χρήστης περνά από διαδοχικά υποδίκτυα. Αυτό που επιτυγχάνεται στο Mobile IP είναι η δυνατότητα της επικοινωνίας µε τον κινούµενο χρήστη µέσω µιας αµετάβλητης ΙΡ διεύθυνσης και συγκεκριµένα µε τη διεύθυνση που του έχει ανατεθεί από το οικείο του δίκτυο, όπως το GSM (Global System for Mobile communications Παγκόσµ ιο Σύστηµ α Κινητών Επικοινωνιών, ένα κοινό Ευρωπαϊκό ψηφιακό σύστηµα κινητής τηλεφωνίας), το GPRS (General Packet Radio Service, µια υπηρεσία που διατίθεται στους χρήστες κινητών τηλεφώνων GSM που σχεδιάστηκε ώστε να παρέχει τη δυνατότητα ταχύτερης µεταφοράς δεδοµένων), το EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution που είναι η τεχνολογία που επιτρέπει τον «εκσυγχρονισµό» των δικτύων δεύτερης γενιάς ώστε να αυξηθεί η χωρητικότητά τους, αλλά και ο ρυθµός µεταφοράς δεδοµένων), ή UMTS (Universal Mobile Telecommunications System" που είναι Παγκόσµιο ΣύστηµαΚινητών Τηλεπικοινωνιών. Πρόκειται για την εξέλιξη σε σχέση µε την χωρητικότητα, την ταχύτητα µετάδοσης των δεδοµένων και την ύπαρξη νέων υπηρεσιών, των κινητών δικτύων δεύτερης γενιάς). Το Ntrip υλοποιείται σε τρία συστατικά στοιχεία του λογισµικού συστήµατος: το NtripClients, το NtripServers και το NtripCasters. Το NtripCaster είναι το πραγµατικό HTTP πρόγραµµα server ενώ το NtripClient και το NtripServer ενεργούν ως HTTP πελάτες. Το Ntrip προορίζεται να είναι ένα ανοιχτό, µη-ιδιοκτησιακό πρωτόκολλο. ( Ηµεροµηνία επίσκεψης 24/01/2011) Η µετάδοσή του γίνεται είτε από απλούς δέκτες εκποµπής (Broadcasters) (EUREF- IP NTRIP Broadcaster) ή από δικτυακούς δέκτες εκποµπής (IGS-IP NTRIP Broadcaster), όπως φαίνεται και στο Σχήµα I

53 ΣΧΗΜΑ I-3.5-1: Απλοί και δικτυακοί broadcasters του πρωτοκόλλου επικοινωνίας NTRIP (Πηγή: εληκαράογλου, 2007) Τα πλεονεκτήµατα του πρωτοκόλλου NTRIP είναι τα εξής: Είναι ανεξάρτητο του τύπου δικτύωσης. Μεταδίδεται δια µέσου οποιουδήποτε κινητού δικτύου IP που χρησιµοποιεί TCP/IP (Transmission Control Program/Internet Protocol), µε ενσύρµατες συνδέσεις (DialUp, ADSL, κλπ) ή µε ασύρµατες συνδέσεις (Wireless Web, µέσω GSM, GPRS, Wi-Fi, κλπ). Υπάρχει πληθώρα κινητών χώρο-ενήµερων συσκευών που χρησιµοποιούν το NTRIP για τη λειτουργία τους. Υπάρχει πληθώρα ανοιχτών εύχρηστων λογισµικών για λειτουργικό περιβάλλον εφαρµογών σε Windows, Linux, Pocket PC και ειδικά πληθώρα NTRIP-Client λογισµικών για mobile GIS εφαρµογές (ArcNTRIP, Mobile-NTRIP, GNSS Internet Radio, κλπ) ( εληκαράογλου, 2007). 4. ίκτυα µονίµων σταθµών GPS και δικτυακές τεχνικές ίκτυα µονίµων σταθµών GPS Από τη δεκαετία του 1990 οι µόνιµοι σταθµοί αναφοράς άρχισαν να χρησιµοποιούνται από κρατικούς φορείς για την υλοποίηση εθνικών γεωδαιτικών συστηµάτων αναφοράς εξυπηρετώντας επαγγελµατίες µηχανικούς. Ο χρήστης δεν ήταν πλέον αναγκασµένος να τοποθετεί το δικό του σταθµό αναφοράς (base) σε κάποιο τριγωνοµετρικό σηµείο, αλλά µπορούσε µε ένα µόνο δέκτη να διεξάγει σχετικό εντοπισµό µε γεωδαιτική ακρίβεια. Η τακτική αυτή, αν και αποτελούσε µία σηµαντική πρόοδο, είχε κάποιους περιορισµούς. Η ακρίβεια εντοπισµού µειωνόταν όσο αύξανε η απόσταση µεταξύ του σταθµού αναφοράς και του κινητού δέκτη (rover) και αυτό οδηγούσε στην ανάγκη ίδρυσης ενός πυκνού δικτύου µόνιµων σταθµών αναφοράς. Μετά το 2000 άρχισε να εφαρµόζεται η τεχνική της δικτύωσης των µόνιµων σταθµών αναφοράς. Τα δεδοµένα των σταθµών συλλέγονται σε ένα κέντρο όπου γίνεται η από κοινού επεξεργασία τους µε σκοπό τη µοντελοποίηση των σφαλµάτων (τροχιές, ιονόσφαιρα, τροπόσφαιρα κ.λ.π.) και τον υπολογισµό στοιχείων, µε τα οποία ο χρήστης θα µπορεί να έχει πρακτικά την ίδια ακρίβεια ανεξάρτητα από την απόστασή του από τον πλησιέστερο σταθµό. Ένα επιπλέον πλεονέκτηµα της δικτύωσης των µόνιµων σταθµών αναφοράς είναι ότι επιτρέπει την κάλυψη µίας περιοχής µε λιγότερους σταθµούς, καθώς αυτοί µπορούν να τοποθετούνται σε µεγαλύτερες αποστάσεις µεταξύ τους, σε σχέση µε αυτόνοµους, µη-δικτυωµένους σταθµούς αναφοράς (Γιαννίου & Μάστορης, 2006). 53

54 Για να δηµιουργηθεί µία υπηρεσία διαφορικών διορθώσεων για µία µεγαλύτερη περιοχή, είναι απαραίτητο να υπάρχουν περισσότεροι σταθµοί αναφοράς, οι οποίοι όµως, σε αντίθεση µε τους συµβατικούς σταθµούς DGPS, δεν θεωρούνται ανεξάρτητοι, δεδοµένου ότι κάθε σταθµός καλύπτει ένα συγκεκριµένο µέρος της περιοχής ενδιαφέροντος. Οι παρατηρήσεις ενός δικτύου τέτοιων σταθµών αναλύονται συνολικά προκειµένου να παραχθούν καταλληλότερα µοντέλα των σφαλµάτων των µετρήσεων που εξαρτώνται από την απόσταση µεταξύ των σταθµών. Η συγκεκριµένη επέκταση στην περίπτωση του DGPS είναι γνωστή ως DGPS ευρείας περιοχής (WADGPS: Wide Area DGPS), που εφαρµόζεται σε διάφορα συστήµατα ανάλογων υπηρεσιών. Η τεχνική του δικτυακού RTK ή δικτύων RTK (Network RTK) επιτρέπει οι απαραίτητες µετρήσεις να µπορούν να γίνουν µε βελτιωµένη ακεραιότητα, συνοχή και ακρίβεια µε τη χρήση ενός αραιότερου δικτύου µόνιµων σταθµών αναφοράς. Η συγκεκριµένη τεχνική βελτιώνει την παραγωγικότητα, δεδοµένου ότι µόνο ένας δέκτης είναι απαραίτητος στο πεδίο και δεν χρειάζεται να δηµιουργούνται προσωρινοί σταθµοί αναφοράς κάθε φορά που επιχειρούνται µετρήσεις RTK σε µία περιοχή ενδιαφέροντος, και µειώνει σηµαντικά το κόστος της καθιέρωσης και της συντήρησης τέτοιων σταθµών. Η βασική ιδέα είναι να χρησιµοποιούνται οι πληροφορίες από όλους τους σταθµούς αναφοράς στο δίκτυο και όχι µόνο από τον πλησιέστερο σταθµό (όπως συµβαίνει µε τις συµβατικές τεχνικές του DGPS και RTK). Ένας σταθµός αναφοράς λειτουργεί ως κεντρική µονάδα (Κέντρο Ελέγχου), που συλλέγει τα στοιχεία από όλους τους σταθµούς του δικτύου. Με τη χρησιµοποίηση των πληροφοριών από ολόκληρη την περιοχή που καλύπτεται από το δίκτυο RTK είναι δυνατό να χρησιµοποιηθούν πιο πλήρη µοντέλα που επιτρέπουν καλύτερες εκτιµήσεις των σφαλµάτων. Στη συνέχεια οι διορθώσεις στέλνονται από το Κέντρο Ελέγχου στους κινούµενους δέκτες των χρηστών στην περιοχή του δικτύου ( εληκαράογλου, 2006). Τα κυριότερα πλεονεκτήµατα των δικτυακών τεχνικών είναι ότι επιτρέπουν την κάλυψη µιας περιοχής µε λιγότερους µόνιµους σταθµούς αναφοράς (αποστάσεις km) προσφέροντας µεγαλύτερη εµβέλεια, ελαττώνουν τους περιορισµούς που προκύπτουν καθώς αυξάνει το µήκος της βάσης (απόσταση Base-Rover), οι οποίοι είναι η µείωση της ακρίβειας, η ανάγκη αύξησης του χρόνου µέτρησης και η αδυναµία χρήσης δεκτών µίας συχνότητας, και τέλος αυξάνουν την ακρίβεια, την αξιοπιστία και την αποδοτικότητα του RTK (Γιαννίου, 2008β). ιακρίνουµε τρείς κατηγορίες δικτύων µόνιµων σταθµών GPS: Τα δίκτυα συνεχής παρακολούθησης δορυφόρων (CORS Continuously Operating Reference Stations) τα οποία παρέχουν ακριβή δορυφορικά δεδοµένα, Τα κλασσικά δίκτυα µόνιµων σταθµών GPS τα οποία παρέχουν υπηρεσίες εντοπισµού θέσης ύστερα από µετεπεξεργασία και Τα δίκτυα RTK τα οποία παρέχουν υπηρεσίες εντοπισµού θέσης σε πραγµατικό χρόνο. Τα δίκτυα µόνιµων σταθµών GPS δίνουν την δυνατότητα εφαρµογής τεχνικών εντοπισµού θέσης οι οποίες επιτυγχάνουν υψηλές ακρίβειες όπως είναι οι δικτυακές τεχνικές RTK. Με την δηµιουργία δικτύων µόνιµων σταθµών GPS ο προσδιορισµός θέσης γίνεται βάσει των δεδοµένων όλων των σταθµών του δικτύου και όχι µόνο του σταθµού της «βάσης», γεγονός που επιτρέπει την αύξηση της ακρίβειας και αξιοπιστίας. Κατά συνέπεια, οι συµβατικές τεχνικές δορυφορικού εντοπισµού θέσης όπως είναι το RTK και το DGPS µπορούν να «εκτελεστούν» και σε ένα δίκτυο. Τέλος υπάρχουν τρεις διαφορετικές δικτυακές τεχνικές RTK: οι Εικονικοί Σταθµοί Αναφοράς VRS (Virtual Reference Stations), οι Σταθµοί Μετάδοσης Παραµέτρων 54

55 Επιφανειακών διορθώσεων - FKP (Flachen Korrektur Parameter) και η τεχνική MAC Κύριοι και Βοηθητικοί σταθµοί (Master-Auxiliary Concept) ίκτυα Μόνιµων Σταθµών GPS συνεχούς παρακολούθησης δορυφόρων ή συνεχούς λειτουργίας (CORS/VRS) Η εγκατάσταση και λειτουργία µόνιµων σταθµών καταγραφής δεδοµένων GPS (CORS: Continuously Operating Reference Stations) είναι µία ερευνητική δραστηριότητα που τα τελευταία χρόνια αναπτύσσεται µε γοργούς ρυθµούς σε όλες τις προηγµένες τεχνολογικά χώρες (Φωτίου & Πικριδάς, 2006). Σήµερα λειτουργούν, σε παγκόσµιο επίπεδο, µερικές χιλιάδες µόνιµοι σταθµοί GPS/GNSS συνεχούς λειτουργίας σε πάνω από 50 δίκτυα, για την εξυπηρέτηση εφαρµογών εντοπισµού και πλοήγησης και σε παγκόσµια, ηπειρωτική, περιφερειακή, εθνική ή τοπική κλίµακα. Επιπλέον, σε περισσότερες από 30 χώρες, λειτουργούν περισσότεροι από 2500 µόνιµοι σταθµοί VRS-RTK για την εξυπηρέτηση εφαρµογών εντοπισµού και πλοήγησης και σε περιφερειακή, εθνική ή τοπική κλίµακα. Τυπικές περιπτώσεις δικτύων σταθµών συνεχούς λειτουργίας που προέκυψαν ως προϊόν συνεργασίας εθνικών χαρτογραφικών φορέων και διεθνών επιστηµονικών και ερευνητικών οργανισµών είναι : το δίκτυο IGS (International GNSS Service) και το δίκτυο EPN (EUREF Permanent GNSS Network), ( εληκαράογλου, 2008). Η διεθνής υπηρεσία IGS (International GNSS Service) έχει αναλάβει από το 1994 το σηµαντικό ρόλο της διαχείρισης και διάθεσης δεδοµένων και προϊόντων GPS και GLONASS τα οποία καταγράφονται από τα διάφορα δίκτυα σταθµών συνεχούς παρακολούθησης των δορυφόρων του συστήµατος GNSS (CORS), (Φωτίου & Πικριδάς, 2006). Το IGS είναι ένα παγκόσµιο δίκτυο που αποτελείται πάνω από 350 σταθµούς GPS διπλής συχνότητας συνεχούς λειτουργίας, από περισσότερα από 12 περιφερειακά και λειτουργικά κέντρα δεδοµένων, από 3 παγκόσµια κέντρα δεδοµένων, από 7 κέντρα ανάλυσης δεδοµένων και από ένα πλήθος τοπικών κέντρων ανάλυσης δεδοµένων. Το IGS συγκεντρώνει, ταξινοµεί και διανέµει δεδοµένα παρατηρήσεων GPS ικανοποιητικής ακρίβειας µέσω του διαδικτύου στους ενδιαφερόµενους, έτσι ώστε να ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις επιστηµονικών και τεχνικών εφαρµογών και ερευνών (Πηγή: Ηµεροµηνία επίσκεψης 26/01/2011) Η Ευρώπη δηµιούργησε επίσης ένα αντίστοιχο δίκτυο µόνιµων σταθµών. Το δίκτυο αυτό ονοµάζεται EPN (EUREF Permanent Network, όπου EUREF EUropean REference Frame), και αποτελείται από 250 περίπου µόνιµους σταθµούς GPS, αν και ο αριθµός τους δεν είναι σταθερός αλλά αυξάνεται συνέχεια. Το µόνιµο αυτό δίκτυο αποτελείται από µόνιµους σταθµούς παρακολούθησης GNSS διανεµηµένους σε όλες σχεδόν τις ευρωπαϊκές χώρες. Το EPN αποτελείται από τα ακόλουθα τµήµατα: σταθµούς παρακολούθησης (Tracking Stations), κέντρα λειτουργικού ελέγχου ή επιχειρησιακά κέντρα (Operational Centres), τοπικά κέντρα δεδοµένων (Local Data Centres), τοπικά κέντρα ανάλυσης (Local Analysis Centres), συνδυαστικό κέντρο (Combination Centre) και κεντρικό γραφείο ελέγχου του δικτύου (Central Bureau) (Πηγή: (Ηµεροµηνία επίσκεψης 30/01/2011). Στην Ελλάδα, µε βάση τα στοιχεία από την επίσηµη ιστοσελίδα της EUREF, µε ονοµασία EUREF Permanent Network, από την οποία µπορεί κανείς να αντλήσει πληροφορίες για όλους τους σταθµούς του δικτύου, λειτουργούν οι παρακάτω µόνιµοι σταθµοί του δικτύου EUREF: 55

56 1. Ο σταθµός AUT1 του Τοµέα Γεωδαισίας και Τοπογραφίας του Τµήµατος Αγρονόµωνκαι Τοπογράφων Μηχανικών του Αριστοτέλειου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης στη Θέρµη Θεσσαλονίκης. 2. Ο σταθµός NOA1, του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών στην Πεντέλη. 3. Ο σταθµός TUC2 του Εργαστηρίου Γεωδαισίας και Πληροφορικής των Γεωεπιστηµών του Τµήµατος Μηχανικών Ορυκτών Πόρων του Πολυτεχνείου Κρήτης στα Χανιά. 4. Ο σταθµός DUTH του Τοµέα Γεωδαισίας και Τοπογραφίας του Τµήµατος Αγρονόµων και Τοπογράφων Μηχανικών του ΑΠΘ, τοποθετηµένος στο κτίριο του Τµήµατος Αρχιτεκτόνων Μηχανικών στην Ξάνθη του ηµοκρίτειου Πανεπιστηµίου Θράκης. 5. Ο PAT0 του Εργαστηρίου Σεισµολογίας του Τµήµατος Γεωλογίας του Πανεπιστημίου Πατρών στην Πάτρα. (Πηγή: Ηµεροµηνία επίσκεψης 30/01/2011) Τα δεδοµένα από τους σταθµούς του δικτύου EPN είναι διαθέσιµα δωρεάν µέσω διαδικτύου. Ανάλογα µε την πολιτική που ακολουθείται από κάθε σταθµό σχετικά µε τα δεδοµένα, διακρίνονται σε σταθµούς µε ηµερήσια διάθεση δεδοµένων (µε κόκκινο χρώµα στο Σχήµα V-5.2-1), µε ωριαία (µε πορτοκαλί χρώµα στο Σχήµα V-5.2-1) και σε πραγµατικό χρόνο (µε πράσινο χρώµα στο Σχήµα V-5.2-1) διάθεση δεδοµένων, πάντα σε µορφή RINΕΧ. Από το παρακάτω σχήµα λοιπόν, προκύπτει ότι µόνο ο σταθµός AUT1 προσφέρεται για εφαρµογές σε πραγµατικό χρόνο (Real time), ενώ οι υπόλοιποι σταθµοί προσφέρουν δεδοµένα για εφαρµογή µε τη µέθοδο της µετεπεξεργασίας. ΣΧΗΜΑ Ι-4.2-1: Σταθµοί του δικτύου EPN (Πηγή: (Ηµεροµηνία επίσκεψης 25/01/2011) Παράλληλα µε το δίκτυο EPN λειτουργούν σε αρκετές Ευρωπαϊκές χώρες και επιµέρους δίκτυα µόνιµων σταθµών GPS. Tα δίκτυα αυτά αποτελούνται από ένα σύνολο σταθµών καταγραφής και εκποµπής δεδοµένων GPS όπου ο χρήστης διαθέτοντας ένα radio modem ή κινητό τηλέφωνο µπορεί να συνδεθεί µε το υπολογιστικό κέντρο ελέγχου του δικτύου και να υπολογίσει τη θέση του σε πραγµατικό χρόνο. Τέτοιου τύπου δίκτυα είναι πχ., το SWIPOS στην Ελβετία, το SWEPOS στη Σουηδία, το SATREF στη Νορβηγία, το SAPOS στη Γερµανία και το HEPOS (HEllenic POsitioning System) στην Ελλάδα (Φωτίου & Πικριδάς, 2009). Σκοπός των δικτύων τέτοιας κλίµακας είναι: Η συλλογή και διάθεση δεδοµένων Ο υπολογισµός αξιόπιστων προϊόντων όπως: Ακριβείς εφηµερίδες GPS (Precise GPS Orbits). 56

57 Παράµετροι περιστροφής της γης (EOP). Συντεταγµένες και διανύσµατα ταχύτητας των σταθµών παρακολούθησης. Καθορισµός πλαισίων αναφοράς ΙΤRFyy, ΕTRFyy Χρονικές παράµετροι των δεκτών στους σταθµούς παρακολούθησης και των δορυφόρων GPS. Εκτίµηση της ζενίθιας τροποσφαιρικής καθυστέρησης στους σταθµούς παρακολούθησης. Εκτίµηση της ποσότητας TEC και παραγωγή ιονοσφαιρικών χαρτών για κάθε ηµέρα του έτους. Η υποστήριξη δορυφορικών αποστολών (Φωτίου κ.α., 2010). 4.3 ικτυακές Τεχνικές Όπως προαναφέρθηκε υπάρχουν τρεις διαφορετικές δικτυακές τεχνικές RTK: οι Εικονικοί Σταθµοί Αναφοράς - VRS (Virtual Reference Stations), οι Σταθµοί Μετάδοσης Παραµέτρων Επιφανειακών διορθώσεων - FKP (Flachen Korrektur Parameter) και η τεχνική MAC Κύριοι και Βοηθητικοί σταθµοί (Master-Auxiliary Concept). Παρακάτω αναλύεται εκτενώς κάθε µία από αυτές τις τεχνικές Εικονικοί Σταθµοί Αναφοράς VRS Ο εντοπισµός θέσης σε πραγµατικό χρόνο ή αλλιώς η µέθοδος εντοπισµού Real Time Kinematic επηρεάζεται σηµαντικά από τις διάφορες επιδράσεις τόσο της ιονόσφαιρας όσο και της τροπόσφαιρας µε αποτέλεσµα να υπάρχουν συνέπειες στην ακρίβεια εντοπισµού θέσης. Ένας τρόπος ελάττωσης των επιδράσεων αυτών είναι η µείωση της απόστασης µεταξύ του σταθερού και του κινητού δέκτη. Αυτή η λύση µπορεί να επιτευχθεί µε τη χρήση Εικονικών Σταθµών Αναφοράς (Virtual Reference Stations). Η ιδέα των εικονικών σταθµών αναφοράς VRS Virtual Reference Station βασίζεται σε ένα δίκτυο σταθµών αναφοράς GPS οι οποίοι είναι συνεχώς συνδεδεµένοι µε κάποιο κέντρο ελέγχου (Σχήµα V ). Ένας υπολογιστής στο κέντρο ελέγχου συγκεντρώνει συνεχώς πληροφορίες από όλους τους δέκτες, και δηµιουργεί µία βάση δεδοµένων για τις ιορθώσεις της Περιοχής Κάλυψης (Regional Area Corrections). Αυτές οι διορθώσεις χρησιµοποιούνται για τη δηµιουργία ενός Εικονικού Σταθµού Αναφοράς, που βρίσκεται µόλις λίγα µέτρα από τον κάθε χρήστη (Rover), µαζί µε τα «εικονικά» δεδοµένα παρατηρήσεων του σταθµού αυτού (Σχήµα V ). Ο χρήστης (rover) ερµηνεύει και χρησιµοποιεί τα δεδοµένα ακριβώς σαν να προέρχονταν από πραγµατικό σταθµό αναφοράς. Το αποτέλεσµα είναι η συγκλονιστική βελτίωση της απόδοσης του RTK. Η υλοποίηση της ιδέας δηµιουργίας εικονικών σταθµών αναφοράς VRS ακολουθεί τις ακόλουθες αρχές: Αρχικά χρειαζόµαστε έναν αριθµό σταθµών αναφοράς (τουλάχιστον τρεις), οι οποίοι είναι συνδεδεµένοι µε τον κεντρικό υπολογιστή του δικτύου µέσω κάποιων Συνδέσεων επικοινωνίας. Ο χρήστης GPS (rover) στέλνει κατά προσέγγιση τη θέση του στο κέντρο ελέγχου. Αυτό επιτυγχάνεται µε τη χρήση κάποιας σύνδεσης κινητού τηλέφωνου, όπως για παράδειγµα το GSM, και µέσω αυτής της σύνδεσης αποστέλλονται οι πληροφορίες σε ΝΜΕΑ πρωτόκολλο. Η µορφή αυτή επιλέχθηκε επειδή είναι διαθέσιµη σε περισσότερους δέκτες. Το κέντρο ελέγχου δέχεται την θέση του χρήστη (rover), και στέλνει τις RTCM διορθώσεις σε αυτόν. Στη συνέχεια ο χρήστης θα επαναϋπολογίσει τη θέση του µε µεγαλύτερη ακρίβεια και θα στείλει τη νέα του θέση στο κέντρο ελέγχου. 57

58 ΣΧΗΜΑ Ι : Το κέντρο ελέγχου στέλνει στο χρήστη τις RTCM διορθώσεις για τη θέση του VRS Ο υπολογιστής του κέντρου ελέγχου υπολογίζει µετά τις νέες διορθώσεις RTCM έτσι ώστε να φαίνεται σαν αυτές να προέρχονταν από έναν σταθµό αναφοράς πολύ κοντά στον δέκτη του χρήστη και τις στέλνει πίσω σε αυτό µέσω του κινητού τηλέφωνου (Landau et al, 2002). Κατά τους Φωτίου & Πικριδά (2006) η τεχνική στηρίζεται στην ύπαρξη δικτύου µόνιµων σταθµών GPS σε αποστάσεις µεταξύ τους που δεν ξεπερνούν τα km. Οι εξ υπολογισµού παρατηρήσεις ενός εικονικού σταθµού αναφοράς VRS µπορούν να χρησιµοποιηθούν είτε σε εφαρµογές πραγµατικού χρόνου (RTK ή DGPS) µε τη µορφή διορθώσεων RTCM, όπου το δίκτυο επιλέγει αυτόµατα τη θέση του VRS, ώστε να είναι κοντά στο χρήστη, είτε για εφαρµογές µετεπεξεργασίας (postprocessing) µε τη µορφή αρχείων RINEX (GPS Receiver INdependant Exchange format), όπου ο χρήστης ορίζει ένα σηµείο στη βέλτιστη θέση που εξυπηρετεί τις µετρήσεις του και ζητά τη δηµιουργία αρχείων VRS παρατηρήσεων που αναφέρονται στο συγκεκριµένο αυτό σηµείο. Οι παρατηρήσεις αυτές είναι ίδιες µε αυτές που θα κατέγραφε ένας δέκτης εάν βρισκόταν σε λειτουργία στο σηµείο αυτό κατά το συγκεκριµένο χρονικό διάστηµα. Το σηµείο για το οποίο µπορεί να ζητηθεί δηµιουργία VRS, µπορεί στη φυσική πραγµατικότητα να είναι εντελώς ακατάλληλο για µετρήσεις: µέσα σε δάσος, σε κτίσµα, ή ακόµα και κάτω από το έδαφος! Οι µετρήσεις θα αντιστοιχούν στις µετρήσεις που θα είχε καταγράψει ένας δέκτη τοποθετηµένος στο σηµείο αυτό, εάν δεν υπήρχε κανένα εµπόδιο (Γιαννίου, 2008β). Η φιλοσοφία των εικονικών σταθµών αναφοράς προσφέρει νέες δυνατότητες. Η βασική αρχή είναι η παρεµβολή των δεδοµένων ενός πλήθους σταθµών αναφοράς για να προκύψουν τα δεδοµένα διορθώσεων για τους δέκτες (rovers), γεγονός που µειώνει σηµαντικά τα συστηµατικά σφάλµατα των RTK µετρήσεων. Έτσι όχι µόνο αυξάνεται η επιτρεπτή απόσταση ανάµεσα στο σταθερό (reference station) και τον κινητό δέκτη (rover) αλλά και µεγαλώνει η αξιοπιστία του συστήµατος. Σε περίπτωση για παράδειγµα που ένας σταθµός σταµατήσει να συµµετέχει στο δίκτυο, τα δεδοµένα διορθώσεων υπολογίζονται από τους υπόλοιπους γειτονικούς σταθµούς. Επιπλέον, η παραγωγικότητα αυξάνεται µειώνοντας σηµαντικά το χρόνο έναρξης των εργασιών (initialization times),( /gis- geo/vrs.html. Ηµεροµηνία επίσκεψης 19/01/2011). 58

59 Σταθµοί Μετάδοσης Παραµέτρων Επιφανειακών ιορθώσεων Η µέθοδος FKP δηµιουργεί παραµέτρους επιφανειακών διορθώσεων που ισχύουν για µια περιορισµένη περιοχή γύρω από ένα µόνο σταθµό αναφοράς single reference station. Είναι µια µέθοδος µετάδοσης σήµατος και δεν απαιτεί από το χρήστη (rover) RTK να στείλει την τρέχουσα θέση του στον κεντρικό υπολογιστή του δικτύου, τον server. ηλαδή το δίκτυο δε χρειάζεται να γνωρίζει τη θέση του χρήστη. Αντ αυτού, ο κεντρικός υπολογιστής διαµορφώνει τα εξαρτώµενα λάθη απόστασης και στέλνει τα δεδοµένα RTK από έναν σταθµό αναφοράς εντός του δικτύου στον rover, µαζί µε το µοντέλο. ( Ηµεροµηνία επίσκεψης 20/01/2011). Οι επιφάνειες διορθώσεων που στέλνει ο κεντρικός υπολογιστής είναι κοινές για όλους της χρήστες που βρίσκονται σε µία ευρύτερη περιοχή και ο κάθε χρήστης υπολογίζει της διορθώσεις που αντιστοιχούν στη θέση του. Το δίκτυο δε χρειάζεται να γνωρίζει τη θέση του χρήστη (Γιαννίου, 2008β). Στη µέθοδο αυτή ο κεντρικός υπολογιστής υπολογίζει τη λύση δικτύου (παράµετροι επιφανειακών διορθώσεων) για να µειώσει τα εξαρτώµενα λάθη απόστασης ( Ηµεροµηνία επίσκεψης 20/01/2011). Η υλοποίηση της διαδικασίας συνίσταται ουσιαστικά από µια µονόδροµη επικοινωνία µε το κέντρο ελέγχου ως αποστολέα των FKP διορθώσεων και τον εκάστοτε κινούµενο χρήστη ως αποδέκτη αυτών. Ο κινούµενος χρήστης µε τη σειρά του χρησιµοποιεί της παραµέτρους που αντιστοιχούν στο άµεσο περιβάλλον του δέκτη του ή µέσω παρεµβολής στο εκάστοτε σηµείο ενδιαφέροντός του. Οι διάφοροι χρήστες σε µια περιοχή τυπικά εφαρµόζουν διαφορετικά µοντέλα, π.χ. για την ιονόσφαιρα, αφού το διορθωτικό µήνυµα περιλαµβάνει µεταβλητές παραµέτρους για κάτι τέτοιο. Σε σύγκριση µε την τεχνική VRS, η σηµαντική διαφορά της τεχνικής FKP είναι ότι µπορεί να χρησιµοποιηθεί µόνο σε εφαρµογές πραγµατικού χρόνου, ενώ η τεχνική VRS είναι κατάλληλη και για εφαρµογές µετεπεξεργασίας των µετρήσεων (postprocessing) µε αρχεία RTCM RTK διορθώσεων ή αρχεία RINEX ( εληκαράογλου, 2006) Τεχνική MAC: Master-Auxiliary Concept Η βασική αρχή της τεχνικής Master-Auxiliary Concept είναι να παρέχει, σε συµπιεσµένη µορφή, όσο το δυνατόν περισσότερες πληροφορίες από το δίκτυο και τα λάθη που παρατηρούνται, στο χρήστη (rover). Με περισσότερες πληροφορίες για την κατάσταση και την κατανοµή των λαθών σε όλο το δίκτυο, ο χρήστης (rover) είναι σε θέση να χρησιµοποιεί περισσότερους αλγορίθµους για τον προσδιορισµό της θέσης του (Brown et al, 2006) Ο χρήστης δηλαδή, λαµβάνει όλη την πρωτογενή πληροφορία σχετικά µε τα σφάλµατα χωρίς να υπεισέρχεται κάποια µοντελοποίηση από το δίκτυο. Μπορεί έτσι να εφαρµόσει προηγµένους αλγόριθµους για να ελαχιστοποιήσει την επίδραση των σφαλµάτων και να πετύχει τη βέλτιστη ακρίβεια. Επίσης το δίκτυο δε χρειάζεται να γνωρίζει τη θέση του χρήστη. Η τεχνική χρησιµοποιείται µόνο για εφαρµογές πραγµατικού χρόνου (Γιαννίου, 2008β). Η µέθοδος που ακολουθείται είναι η παρακάτω: Α). ιαβίβαση δεδοµένων στο κέντρο επεξεργασίας του δικτυού. Τα δεδοµένα κώδικα και φάσης από κάθε σταθµό αναφοράς συλλέγονται σε ένα κτίριο υπηρεσιών επεξεργασίας, µαζί µε άλλα στοιχεία, όπως η εφηµερίδα (ephemeris), τα δεδοµένα IONEX (IONosphere map Exchange) και DCB (differential code bias). 59

60 Β). ίκτυο επίλυσης ασάφειας. Τα φάσµατα φάσης από όλους τους σταθµούς αναφοράς, µειώνονται σε ένα κοινό επίπεδο ασάφειας. Θεωρείται ότι δύο σταθµοί αναφοράς είναι σε ένα κοινό επίπεδο ασάφειας, εάν οι ακέραιες ασάφειες για κάθε φάσµα φάσης έχουν αφαιρεθεί (ή προσαρµοστεί) έτσι ώστε όταν σχηµατίζονται οι διπλές διαφορές οι ακέραιες ασάφειες να ακυρώνονται. Για να µπορέσουµε να επιλύσουµε αυτές τις ασάφειες του δικτύου, το λογισµικό του σταθµού αναφοράς πρέπει να µοντελοποιεί ή να εκτιµά όλες τις σχετικές πηγές σφαλµάτων, όπως τα σφάλµατα από το ρολόι του δορυφόρου και το ρολόι του δέκτη, από την ιονόσφαιρα, από την τροπόσφαιρα και από τα λάθη τροχιάς. Γ). Επιλογή τοποθεσίας. Ένα υποσύνολο σταθµών του δικτυού χρησιµοποιείται για τη δηµιουργία των διορθώσεων του χρήστη (rover). Με την αµφίδροµη επικοινωνία, αυτό µπορεί να γίνει από το λογισµικό του σταθµού αναφοράς, το οποίο µπορεί να επιλέξει το βέλτιστο σύνολο των τόπων που δίνουν την καλύτερη λύση για το χρήστη (rover), ενώ ελαχιστοποιεί την ποσότητα των δεδοµένων που διαβιβάζονται. Μέσω αυτών των επικοινωνιών ένα σετ περιοχών µπορεί να είναι προκαθορισµένο από το χειριστή του δικτύου. Δ). Σχηµατισµός των µηνυµάτων δικτύου. Οι διαφορικές master-auxiliary διορθώσεις διαµορφώνονται χρησιµοποιώντας τις παρατηρήσεις φάσης των επιλεγµένων σταθµών αναφοράς, και διορθώνονται µόνο µε τις εκτιµώµενες ασάφειες δικτύου, το κοινό τµήµα του ρολογιού του δέκτη και γνωστών τιµών (γεωµετρική σειρά και ρολόι δορυφόρου). Έτσι, τα µηνύµατα δεν επηρεάζονται από την προσοµοίωση ή την εκτίµηση αλγόριθµων που χρησιµοποιούνται από το λογισµικό επεξεργασίας του δικτύου προκειµένου να επιλυθούν οι ασάφειες του δικτύου. Μία εξαιρετικά συµπιεσµένη µορφή µηνύµατος χρησιµοποιείται για να ελαχιστοποιήσει το εύρος ζώνης που απαιτείται για τη διαβίβαση των διορθώσεων. Για να µειωθεί ο όγκος των δεδοµένων µετάδοσης, ένας από τους σταθµούς αναφοράς αναλαµβάνει το ρόλο του κεντρικού σταθµού από τον οποίο µεταδίδονται όλες οι παρατηρήσεις. Στο µεταξύ οι απλές διαφορές του σταθµού στη συνέχεια χρησιµοποιούνται για να δηµιουργήσουν τις διαφορικές διορθώσεις, που µεταβιβάζονται για άλλους (βοηθητικούς, auxiliary) σταθµούς. Για λόγους ευκολίας, ο κύριος σταθµός (master station) επιλέγεται συνήθως ως ο σταθµός που βρίσκεται πλησιέστερα προς τον χρήστη. Ε). ιαβίβαση των διορθώσεων. Τα µηνύµατα του δικτύου διαβιβάζονται από το λογισµικό του σταθµού αναφοράς στο χρήστη (rover) χρησιµοποιώντας οποιοδήποτε µέσο αµφίδροµης επικοινωνίας ή εκποµπής µηνυµάτων. Στ). Εντοπισµός των σφαλµάτων στη θέση του χρήστη (rover). Ο χρήστης (rover) χρησιµοποιεί τις πληροφορίες που παρέχονται από το δίκτυο για να καθορίσει τα σφάλµατα στη θέση του. Μια τυπική προσέγγιση είναι να χρησιµοποιήσει έναν αλγόριθµο παρεµβολής, όπως η µέθοδος της γραµµικής παρεµβολής (Distance-Based Linear Interpolation Method), τα µοντέλα επιφάνειας (Low-Order Surface Model ) ή η µέθοδος των ελαχίστων τετραγώνων (Least-Squares Collocation Method). Από τη στιγµή που ο εντοπισµός γίνεται από τον χρήστη (rover) οι διορθώσεις µεταδίδονται, σε αντίθεση µε ότι ισχύει µε την τεχνική VRS. Ζ). Καθορισµός της θέσης του χρήστη (rover). Ο χρήστης (rover) επιλύει ασάφειες και καθορίζει τη θέση του χρησιµοποιώντας όλες τις πληροφορίες του δικτύου αναφοράς. Εννοιολογικά, η κύρια διαφορά µεταξύ της µεθόδου MAC και των άλλων είναι ότι µεταφέρει µέρος των πληροφοριών από το λογισµικό του σταθµού αναφοράς στο χρήστη (rover). 60

61 Ένα δίκτυο σταθµών αναφοράς µπορεί να αποτελείται από τρείς έως και χίλιους ή περισσότερους σταθµούς αναφοράς. Ανάλογα µε το µέγεθος του δικτύου και την ικανότητα υποδοµής των υποστηρικτικών ΙΤ (Information Technology) µπορεί να καταστεί αναγκαίο να διανεµηθεί η επεξεργασία σε δύο ή περισσότερους servers. Στην περίπτωση αυτή, το δίκτυο µπορεί να χωριστεί σε οµάδες (clusters). Όπως φαίνεται και στο Σχήµα V , κάθε cluster περιέχει ένα υποσύνολο του συνολικού δικτύου, συνήθως µε κάποιους σταθµούς επικαλυπτόµενους µε παρακείµενες οµάδες (clusters). Λόγω της ευρείας γεωγραφικής περιοχής που καλύπτεται συνήθως από ένα cluster, δεν είναι σε θέση όλοι οι σταθµοί να παρέχουν τις σχετικές πληροφορίες διόρθωσης σε ένα χρήστη (rover) σε οποιαδήποτε δεδοµένη θέση µέσα ή κοντά στο cluster. Αυτό συµβαίνει γιατί τα ιονοσφαιρικά και τροποσφαιρικά λάθη που το δίκτυο RTK προσπαθεί να µοντελοποιήσει είναι χωρικά συσχετισµένα και έτσι οι σταθµοί που βρίσκονται πολύ µακριά από το Rover (π.χ. πάνω από χιλιόµετρα ανάλογα µε τη θέση και τα χαρακτηριστικά του δικτύου) θα επηρεάζονται από διαφορετικές ατµοσφαιρικές συνθήκες. Ως εκ τούτου, δεν έχει νόηµα να χρησιµοποιηθούν όλοι οι σταθµοί σε ένα δίκτυο ή ένα cluster για να δηµιουργηθούν διορθώσεις για τον χρήστη. Για το λόγο αυτό εισήχθηκε η έννοια των cells (Σχήµα V ). Ένα cell είναι ένα υποσύνολο των σταθµών που έχει επιλεγεί βάσει συγκεκριµένων κριτηρίων ώστε να αποτελεί το καλύτερο σετ σταθµών για να παρέχει MAC διορθώσεις στον χρήστη (rover). Η µέθοδος που χρησιµοποιείται για την επιλογή θέσης για ένα cell εξαρτάται από την τεχνολογία της επικοινωνίας που χρησιµοποιείται. Έτσι διακρίνονται δύο περιπτώσεις: Στην πρώτη ο χρήστης µπορεί να επιλέξει αυτόµατα το καλύτερο σετ τόπων για το cell που χρησιµοποιείται για την παραγωγή διορθώσεων master-auxiliary για κάθε χρήστη (rover). Ο κύριος σταθµός (master station) πάντα επιλέγεται ως ο σταθµός που βρίσκεται πλησιέστερα στον χρήστη (rover). Οι βοηθητικοί σταθµοί (auxiliaries) επιλέγονται από τους γύρω σταθµούς για να παρέχουν το καλύτερο δυνατό σετ διορθώσεων για τη θέση του χρήστη. Στην δεύτερη περίπτωση ο χρήστης, µπορεί να χρησιµοποιεί προκαθορισµένα cells, τα οποία µπορεί να δηµιουργηθούν χειροκίνητα από τον χειριστή του δικτύου. Ο χρήστης (rover) µπορεί να συνδεθεί µε την υπηρεσία διόρθωσης που είναι πιο σχετική µε τη γεωγραφική του θέση. Ανάλογα µε το µέγεθος του δικτύου, µπορούν να καθορίζονται πολλαπλά cells για να βελτιστοποιήσουν τη µετάδοση των δεδοµένων µειώνοντας τον αριθµό των σταθµών που περιέχονται στα µηνύµατα διόρθωσης. Ο χρήστης είναι σε θέση να υπολογίσει άµεσα την επίδραση της ιονόσφαιρας, της τροπόσφαιρας και την τροχιά των δορυφόρων. Ως εκ τούτου, δεν χρειάζεται χρόνο για να µοντελοποιήσει ή να εκτιµήσει τα σφάλµατα, σε αντίθεση µε το λογισµικό επεξεργασίας του δικτύου (το οποίο πρέπει να επιλύσει τις ασάφειες του δικτύου). Η συνδυασµένη επίδραση της τροπόσφαιρας και της τροχιάς µπορεί να υπολογιστεί για κάθε δορυφόρο και κάθε σταθµό αναφοράς χρησιµοποιώντας τον ιονοσφαιρικό γραµµικό συνδυασµό (ionosphere-free linear combination) και στη συνέχεια µε παρεµβολή για τη θέση του χρήστη. Οµοίως, η επίδραση της ιονόσφαιρας µπορεί να υπολογιστεί για κάθε δορυφόρο και κάθε σταθµό αναφοράς χρησιµοποιώντας τον γεωµετρικό γραµµικό συνδυασµός (geometry-free linear combination) και στη συνέχεια, µε παρεµβολή για τη θέση του χρήστη. Έτσι, η υψηλή ακρίβεια εντοπισµού θέσης είναι εφικτή από τη στιγµή που θα παραληφθεί το πρώτο σετ διορθώσεων (Brown et al, 2006) Κριτήρια επιλογής δικτυακής τεχνικής Σχετικά µε τα κριτήρια επιλογής της δικτυακής τεχνικής αναφέρονται τα εξής: Η τεχνική VRS είναι η µόνη που µπορεί να χρησιµοποιηθεί τόσο για εφαρµογές πραγµατικού χρόνου (RTK, DGPS) όσο και για εφαρµογές µετεπεξεργασίας. Οι τεχνικές FKP και MAC χρησιµοποιούνται µόνο για εφαρµογές πραγµατικού χρόνου. 61

62 Αν και οι περισσότεροι σύγχρονοι δέκτες GNSS υποστηρίζουν όλες τις τεχνικές, παλαιότεροι δέκτες χρειάζονται συνήθως αναβάθµιση. Η τεχνική VRS είναι αυτή µε τις µικρότερες απαιτήσεις αναβάθµισης, καθώς ένα από τα κριτήρια ανάπτυξης αυτής της τεχνικής ήταν η µέγιστη δυνατή διατήρηση συµβατότητας µε τον υφιστάµενο εξοπλισµό. Για τη συντριπτική πλειοψηφία των εφαρµογών RTK οι τεχνικές είναι σε γενικές γραµµές ισοδύναµες από πλευράς ακρίβειας, αξιοπιστίας και αποδοτικότητας. Οι χρήστες εφαρµογών πραγµατικού χρόνου που συνδέονται µέσω GPRS, µπορούν να επιλέγουν τεχνική µε βάση το απαιτούµενο εύρος φάσµατος (bandwidth) κάθε τεχνικής. Η χρήση συγκεκριµένων τεχνικών ή/και format µετάδοσης δεδοµένων συνεπάγεται µικρότερο όγκο δεδοµένων που µεταφέρονται, γεγονός που στην περίπτωση του GPRS σηµαίνει µειωµένο τηλεπικοινωνιακό κόστος (Γιαννίου, 2008α). Με την τεχνική VRS υπολογίζονται δεδοµένα (διορθώσεις RTCM για RTK ή αρχεία RINEX για post-processing) για ένα τυχαίο σηµείο εντός της περιοχής του δικτύου. Τα δεδοµένα που υπολογίζονται, είναι πρακτικά τα ίδια µε αυτά που θα είχαν παραχθεί από ένα σταθµό αναφοράς, εάν αυτός είχε λειτουργήσει στη θέση του τυχαίου αυτού σηµείου (εικονικός σταθµός αναφοράς). Με την τεχνική FKP υπολογίζεται µία επιφάνεια διορθώσεων, οι παράµετροι της οποίας αποστέλλονται στον δέκτη RTK. Το λογισµικό του δέκτη RTK υπολογίζει µε παρεµβολή τις τιµές των διορθώσεων για τη θέση που βρίσκεται (Γιαννίου & Μάστορης, 2006). 5. Μόνιµοι Σταθµοί Αναφοράς στην Ελλάδα Γενικά Εκτός από τους µόνιµους σταθµούς EPN για τους οποίους έγινε λόγος στο κεφάλαιο 4.2, λειτουργούν επίσης σήµερα στην Ελλάδα και αρκετοί µόνιµοι σταθµοί αναφοράς οι οποίοι δηµιουργήθηκαν τόσο από την Κτηµατολόγιο Α.Ε. όσο και από πολλές ιδιωτικές εταιρείες που ασχολούνται µε τον τοµέα της γεωδαισίας και τοπογραφίας αλλά και των παγκόσµιων συστηµάτων πλοήγησης. 5.2 Η εταιρεία METRICA Α.Ε Η Metrica Α.Ε ιδρύθηκε το 2005 με κύρια δραστηριότητα την αντιπροσώπευση μετρητικών συστημάτων υψηλής ακρίβειας στην Ελλάδα. Η εταιρεία βασίζεται στην τεχνογνωσία του έμπειρου προσωπικού της, το οποίο έχει παρουσία στον χώρο των μετρητικών εφαρμογών πάνω από 20 χρόνια και αποτελείται από: Αγρονόμους Τοπογράφους Μηχανικούς, Μηχανολόγους Μηχανικούς, Ηλεκτρολόγους Μηχανικούς, Χημικούς Μηχανικούς, Δασολόγους και Γεωλόγους. Διαθέτει επαγγελματικού επιπέδου τεχνογνωσία με σκοπό να παρέχονται υπηρεσίες συμβουλευτικού χαρακτήρα για την επιλογή του κατάλληλου εξοπλισμού. Προτείνονται λύσεις για απλές και σύνθετες εφαρμογές στους τομείς της Τοπογραφίας, Βιομηχανίας, Ναυτιλίας καθώς και του Περιβάλλοντος. Αποστολή της εταιρείας είναι να εστιάζει στις ανάγκες του επαγγελματία, παρέχοντας ποιοτικές, σύγχρονες και αποδοτικές λύσεις στις μετρητικές ανάγκες ακριβείας των πελατών της, προσθέτοντας αξία στο έργο τους. Από τον Μάιο του 2007 η εταιρεία λειτουργεί με βάση το Πιστοποιητικό Διαχείρησης Ποιότητας ISO 9001: 2008 από τον φορέα ABS Quality Evaluations. Διαθέτει επίσης πιστοποιητικό λειτουργίας και εξοπλισμού του εργαστηρίου service κατά τα ευρωπαικά πρότυπα που ακολουθεί η Leica Geosystems AG. Η εταιρεία διαθέτει πέντε τομείς εξειδίκευσης: Τομέας Τοπογραφικού Εξοπλισμού: Η Metrica Α.Ε είναι ο επίσημος αποκλειστικός αντιπρόσωπος του ελβετικού οίκου Leica Geosystems AG στην Ελλάδα και διαθέτει ολόκληρη την σειρά τοπογραφικού εξοπλισμού της Total Stations, GPS Συστήματα, Digital 62

63 Levels on board software και post processing software. Η Metrica Α.Ε διαθέτει ιδιόκτητο δίκτυο Σταθμών Αναφοράς GPS (GNSS) και παρέχει δικτυακές διορθώσεις σε πελάτες της μέσω διαδικτύου, GPRS, κινητής τηλεφωνίας (GSM) και ραδιοεπικοινωνίας. Τα δεδομένα που διατίθενται είναι: α) πραγματικού χρόνου και β) Post-Processing μέσω FTP-download. Το δίκτυο καλύπτει το μεγαλύτερο μέρος του Ελλαδικού χώρου. Τομέας Περιβάλλοντος : Αφορά εξοπλισμό για μετρήσεις πεδίου και μακροχρόνια παρατήρηση υδρολογικών και μετεωρολογικών παραμέτρων καθώς και φορητό εξοπλισμό ελέγχου και μετρήσεων. Από μεμονωμένους αισθητήρες μέτρησης ποιοτικών ή ποσοτικών παραμέτρων μέχρι πλήρεις αυτόνομους τηλεμετρικούς σταθμούς και θερμογραφικές κάμερες. Παρέχονται επίσης υπηρεσίες συμβουλευτικού χαρακτήρα για την επιλογή του κατάλληλου εξοπλισμού, τον τρόπο εγκατάστασης και συντήρησης τους. Οι οίκοι που η εταιρεία αντιπροσωπεύει έχουν ιστορία που ξεπερνά τα 135 χρόνια. Ενδεικτικοί είναι η OTT Messtechnic, Thies Clima, Lambrecht, Rainwise, Fluke. Τομέας Βιομηχανικής Γεωδαισίας: Στον τομέα εφαρμόζεται η τελευταία τεχνολογία μέτρησης. H εταιρεία διαθέτει την τεχνογνωσία και τον εξοπλισμό για επίλυση γεωμετρικών εφαρμογών ακρίβειας τάξης από 1micron έως και 1mm. Oι οίκοι που αντιπροσωπεύονται από τη Metrica A.E. είναι: H ελβετική Leica Geosystems IMS Department με εξειδικευμένα 3D μετρητικά συστήματα, όπως το Laser Tracker, το Laser Scanner και η σειρά βιομηχανικού θεοδόλιχου TPS Η ελβετική Amberg Technologies με συστήματα μέτρησης σηράγγων και ελέγχου της γεωμετρίας της σιδηροδρομικής γραμμής. Η σουηδική Damalini με συστήματα ευθυγράμμισης αξόνων, επίλυσης γεωμετρικών προβλημάτων, έλεγχο δονήσεων μέσω ανάλυσης συχνοτήτων. Tέλος, η γερμανική DMT με το σύστημα γυροσκοπικού προσανατολισμού Gyromat Τομέας Βιομηχανικών Μετρήσεων και Υπηρεσιών: Η εξειδικευμένη ομάδα των μηχανικών της εταιρίας χρησιμοποιεί high-end τεχνολογία για την εκπόνηση βιομηχανικών μετρήσεων σε υποβρύχια, πλοία, βιομηχανικές εγκαταστάσεις, οπλικά συστήματα καθώς και αποτύπωση μνημείων και νεοκλασσικών κτιρίων. Τομέας Τεχνικής Υποστήριξης και Service: Στη Metrica λειτουργεί το μοναδικό εξουσιοδοτημένο και πιστοποιημένο από τη Leica Geosystems AG, service στην Ελλάδα. Είναι πλήρως εξοπλισμένο (με όλα τα απαραίτητα εργαλεία και με ειδικό εξοπλισμό) καθώς και επανδρωμένο με εκπαιδευμένο - καταρτισμένο προσωπικό, το οποίο είναι ικανό να αντιμετωπίσει κάθε πιθανή ανάγκη επισκευής του εξοπλισμού και να παρέχει υποστήριξη στη χρήση τόσο των οργάνων όσο και των εφαρμογών που τα συνοδεύουν. Συμπληρωματικά, λειτουργεί ειδική εγκατάσταση διακρίβωσης γεωδαιτικών σταθμών σε γωνίες και αποστάσεις, εγκεκριμένη από τη Leica Geosystems AG,για την πιστοποίηση των οργάνων που είναι απαραίτητη για τους ελέγχους ISO. [Πηγή:( ) Ημερομηνία επίσκεψης 7/06/2011] 5.3 Περιγραφή της αρχιτεκτονικής της Metrica Η METRICA A.E. είναι ιδιωτική εταιρεία στην Ελλάδα που έχει εγκατεστημένο και ήδη σε λειτουργία, μόνιμο δίκτυο σταθμών αναφοράς GNSS (GPS GLONASS). Tο δίκτυο καλύπτει το σύνολο του Ελλαδικού χώρου με ακρίβεια DGPS (50cm), ενώ όλες οι περιοχές στις οποίες έχουν εγκατασταθεί σταθμοί (56 σήμερα) καλύπτονται με ακρίβεια RTK (1-3cm 3D). Επιπροσθέτως, υπάρχει η δυνατότητα για λήψη στατικών παρατηρήσεων για μετεπεξεργασία από τον FTP Server της. Συνεργασίες: Η πρόσφατη συμφωνία με τη Leica Geosystems και το Smartnet Europe καθιστά το MetricaNet μέλος του δικτύου της πρώτης με αποτέλεσμα τον διαρκή έλεγχο, υποστήριξη, την πλήρη πρόσβαση σε νέες εκδόσεις SW και στη νέα τεχνολογία. Επίσης η συνεργασία με το δίκτυο σταθμών αναφοράς της Βουλγαρίας SmartNet BG 63

64 για ανταλλαγή δεδομένων καθώς και με το Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών για την ανταλλαγή δεδομένων και τον έλεγχο του δικτύου.η συνεργασία με το Α.Π.Θ. στην συνεχή παρακολούθηση των σταθμών αναφοράς, για την δημιουργία ενιαίου μετασχηματισμού και πιστοποίηση του δικτύου. Τέλος, δεδομένα του δικτύου MetricaNet θα λαμβάνουν επισήμως 2 πανεπιστήμια του εξωτερικού (University of Nevada, University of Arizona) προκειμένου να διεξάγουν έρευνες για την ανάπτυξη των σεισμικών μοντέλων παγκοσμίως, καθώς και το «Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia» με έδρα τη Bologna της Ιταλίας. 64

65 Το τηλεπικοινωνιακό δίκτυο Η τεχνική της δικτύωσης των σταθμών αναφοράς προϋποθέτει ότι οι µετρήσεις των δεκτών GPS των σταθμών αναφοράς θα µεταφέρονται σε πραγµατικό χρόνο σε ένα Κέντρο Ελέγχου όπου θα γίνεται η από κοινού επεξεργασία τους για τον υπολογισµό των παραµέτρων δικτυακής λύσης. Για το λόγο αυτό, κάθε σταθμός αναφοράς θα είναι µόνιµα συνδεδεµένος µε το Κέντρο Ελέγχου µέσω τηλεπικοινωνιακής ζεύξης. Επίσης για κάθε σταθµό αναφοράς προβλέπεται και εφεδρική σύνδεση µε το Κέντρο Ελέγχου, η οποία θα ενεργοποιείται αυτόµατα σε περίπτωση αστοχίας της κύριας γραµµής επικοινωνίας. Η εφεδρική σύνδεση θα υλοποιείται µε διαφορετικό τρόπο απ ότι η κύρια γραµµή, προκειµένου να αποκλείεται η περίπτωση ταυτόχρονης αστοχίας της κύριας και της εφεδρικής γραµµής. Αν και η µεταφορά των δεδοµένων θα γίνεται ως επί το πλείστον από τους σταθμούς αναφοράς προς το Κέντρο Ελέγχου, πρέπει να είναι εφικτή και η µεταφορά δεδοµένων από το Κέντρο Ελέγχου προς κάθε σταθμό αναφοράς προκειµένου να υπάρχει δυνατότητα ελέγχου και ρύθµισης του δέκτη GPS καθώς και αναβάθµισης του λογισµικού λειτουργίας του δέκτη (firmware). Για τους λόγους αυτούς τόσο οι κύριες όσο και οι εφεδρικές τηλεπικοινωνιακές γραµµές θα υλοποιούν αµφίδροµη επικοινωνία µεταξύ σταθμού αναφοράς και Κέντρου Ελέγχου (Γιαννίου & Μάστορης, 2006). Ειδικότερα, η επικοινωνία µε τους χρήστες έχει τα εξής χαρακτηριστικά: υνατότητα µεταφοράς δεδοµένων των σταθµών αναφοράς στο Κέντρο Ελέγχου, µέσω κατάλληλης τηλεπικοινωνιακής υποδοµής (κύριες και δευτερεύουσες γραµµές επικοινωνίας) που παρέχουν εγγυηµένο εύρος ζώνης σύµφωνα µε τις προδιαγραφές, καθώς και της αποστολής διορθώσεων προς τους χρήστες σε µορφότυπο RTCM, τόσο για δεδοµένα VRS και FKP, όσο και για συµβατικά δεδοµένα των µεµονωµένων νησιωτικών σταθµών. υνατότητα αποστολής των διορθωτικών µηνυµάτων στους χρήστες µέσω GSM σύνδεσης, µε συνολική καθυστέρηση διανοµής προς του χρήστες που δεν ξεπερνά τα 3 sec. Η επικοινωνία αυτή είναι αµφίδροµη µέσω πρωτοκόλλου TCP/IP. Ανάλογη δυνατότητα σύνδεσης µέσω σύνδεσης GPRS χρησιµοποιώντας το πρωτόκολλο NTRIP που έχει σχεδιαστεί ειδικά για τη συνεχή ροή / µετάδοση διορθώσεων ή πληροφοριών στους χρήστες των συστηµάτων GNSS µέσω του ιαδικτύου. υνατότητα λήψης από τους χρήστες, µέσω διαδικτυακού εξυπηρετητή (Webserver), δεδοµένων RINEX των µετρήσεων των σταθµών αναφοράς και εικονικών σταθµών VRS, καθώς και συνοδευτικών τροχιακών εφηµερίδων, προκειµένου να µπορούν να τα αξιοποιήσουν µέσω επεξεργασίας µετά το πέρας των µετρήσεων (post-processing) ( εληκαράογλου, 2006). Το Κέντρο Ελέγχου (ΚΕ) Στο Κέντρο Ελέγχου εκτελούνται κατά κύριο λόγο οι εξής λειτουργίες: Η συγκέντρωση των δεδοµένων των ΣΑ και η προώθησή τους στο λογισµικό δικτύωσης, Η λειτουργία του λογισµικού δικτύωση, Η εξυπηρέτηση των χρηστών εφαρµογών τόσο πραγµατικού χρόνου (RTK) όσο και επεξεργασίας στο γραφείο (post-processing), Η παρακολούθηση της λειτουργίας του συστήµατος και η λειτουργία της ανοιχτής γραµµής επικοινωνίας µε τους χρήστες, Η αρχειοθέτηση των δεδοµένων. 65

66 Με βάση τα τεχνικά χαρακτηριστικά του το ΚΕ, µπορεί να εξυπηρετήσει ταυτόχρονα έως 150 παράλληλους χρήστες εφαρµογών πραγµατικού χρόνου και 60 παράλληλες συνδέσεις GSM, µε δυνατότητα µελλοντικής επέκτασης. Περιγραφή του τρόπου λειτουργίας της Metrica Οι ΣΑ αναφοράς βρίσκονται σε συνεχή λειτουργία και αποστέλλουν ανά δευτερόλεπτο τις µετρήσεις τους προς το Κέντρο Ελέγχου. Η αποστολή των µετρήσεων στο ΚΕ γίνεται σε 24ωρη βάση και σε πραγµατικό χρόνο. Το λογισµικό δικτύωσης του ΚΕ συγχρονίζει τις µετρήσεις που αναφέρονται στην ίδια εποχή (epoch), στο ίδιο δηλαδή δευτερόλεπτο του χρόνου GPS, και τις επεξεργάζεται για τη µοντελοποίηση των σφαλµάτων και τον υπολογισµό των δεδοµένων σταθµού αναφοράς, τα οποία απαιτούνται για το σχετικό προσδιορισµό θέσης µε GPS. Οι χρήστες θα µπορούν να παίρνουν τα δεδοµένα είτε σε πραγµατικό χρόνο µέσω GSMmodem ή GPRS για εφαρµογές RTΚ, είτε µέσω διαδικτυακού εξυπηρετητή (web server) για εφαρµογές επεξεργασίας στο γραφείο. Οι υπηρεσίες που παρέχει η Metrica διακρίνονται σε δύο βασικές κατηγορίες: -Υπηρεσίες «πραγµατικού χρόνου», στις οποίες η θέση σηµείου προσδιορίζεται κατά τη στιγµή της µέτρησης και µπορούν να παρέχουν ακρίβεια λίγων εκατοστών (τεχνικές RTK) είτε ακρίβεια της τάξης του µισού µέτρου (τεχνικές DGPS). -Υπηρεσίες «µετεπεξεργασίας», όπου η θέση ενός σηµείου προσδιορίζεται εκ των υστέρων µετά από επεξεργασία µετρήσεων στο γραφείο. Οι υπηρεσίες αυτές υλοποιούνται µέσω της τεχνικής στατικών εντοπισµών (χρήση αρχείων Rinex) και παρέχουν τη µέγιστη ακρίβεια που µπορεί να φτάσει έως το επίπεδο λίγων χιλιοστών. Για εφαρµογές RTK οι χρήστες θα συνδέουν το δέκτη µε ένα GSM ή GPRS modem, µέσω του οποίου θα καλούν το Κέντρο Ελέγχου της Metrica, το οποίο αυτόµατα θα αποστέλλει τα απαιτούµενα δεδοµένα διορθώσεων. Για εφαρµογές επεξεργασίας στο γραφείο ο χρήστης θα συνδέεται µε το διαδικτυακό εξυπηρετητή στο ΚΕ και θα λαµβάνει δεδοµένα RINEX µε ρυθµό καταγραφής και διάρκεια που θα ορίζει αυτός. Τα δεδοµένα αυτά µπορεί να είναι είτε αυτά που κατέγραψε ένας (πραγµατικός) ΣΑ είτε αυτά που υπολογίστηκαν από το ΚΕ για έναν εικονικό ΣΑ, τις συντεταγµένες του οποίου προσδιόρισε ο χρήστης. Oι δέκτες που κατασκευάζονται τα τελευταία χρόνια είναι πλήρως συµβατοί µε τον τρόπο λειτουργίας της Metrica και το µόνο που θα χρειάζεται είναι η προµήθεια ενός GSM ή GPRS modem. Μάλιστα, σε πολλά σύγχρονα µοντέλα δεκτών το modem αυτό είναι ενσωµατωµένο στο δέκτη, αυξάνοντας έτσι την ευχρηστία του. Οι δέκτες της αµέσως προηγούµενης γενιάς δεκτών είναι συνήθως αναβαθµίσιµοι µέσω ανανέωσης του firmware, του λογισµικού τους. ιευκρινίζεται πάντως ότι η δυνατότητα αναβάθµισης ενός παλαιότερου δέκτη περιορίζεται συνήθως σε συγκεκριµένες τεχνικές πραγµατικού χρόνου, ανάλογα µε τις απαιτήσεις της κάθε τεχνικής. Οι τεχνικές µε τις µικρότερες απαιτήσεις αναβάθµισης των δεκτών είναι η τεχνική Single-Base και η δικτυακή τεχνική VRS. Ουσιαστικά, οι τεχνικές αυτές το µόνο που απαιτούν επιπλέον είναι η αποστολή από το δέκτη προς το Κέντρο Ελέγχου της προσεγγιστικής του θέσης (µέσω ενός µηνύµατος ΝΜΕΑ). Η προσεγγιστική αυτή θέση είναι απαραίτητη προκειµένου το σύστηµα να του στείλει διορθώσεις από τον πλησιέστερο σταθµό αναφοράς (Single-Base) ή από έναν εικονικό σταθµό αναφοράς (VRS) τον οποίο θα δηµιουργήσει στη θέση αυτή. Οι διορθώσεις που στέλνει στη συνέχεια το Κέντρο Ελέγχου µπορούν να είναι στην ίδια µορφή (π.χ. RTCM 2.3) µε αυτές που χρησιµοποιούσαν οι δέκτες RTK όλα τα προηγούµενα χρόνια κατά την εκτέλεση του «συµβατικού» RTK, δηλαδή µε χρήση σταθµού αναφοράς που εγκαθιστούσε ο χρήστης. Αντίθετα οι τεχνικές FKP και MAC στηρίζονται σε νεότερους αλγόριθµους και για το λόγο αυτό απαιτούν ριζικότερη αναβάθµιση του εξοπλισµού. Σε παλαιότερα συστήµατα αυτή 66

67 η αναβάθµιση συχνά δεν µπορεί να γίνει µόνο µε αναβάθµιση του firmware (λογισµικό) του δέκτη/χειριστηρίου, αλλά απαιτείται και νέο hardware (ηλεκτρονικό σύστηµα οργάνων) για να υποστηρίξει τις αυξηµένες απαιτήσεις επεξεργαστικής ισχύος. Προϋποθέσεις για τη χρήση των υπηρεσιών της Metrica Για την χρήση των υπηρεσιών της Metrica είναι απαραίτητα τα παρακάτω: Η Ύπαρξη απαιτούµενου εξοπλισµού. Η Γνώση τεχνικών γεωδαιτικού εντοπισµού µε GPS. Η Αίτηση Εγγραφής στο σύστηµα. Η Υπογραφή σύµβασης χρήσης του συστήµατος Η διαδικασία ξεκινά με την καταβολή του προσωπικού Α.Φ.Μ στην εταιρεία εφόσον πρόκειται για νέο χρήστη και στην συνέχεια ορίζεται το ποσό πληρωμής, αναλόγως με την διάρκεια της σύμβασης που θα συμφωνηθεί. Ο νέος χρήστης λαμβάνει από την εταιρεία ένα προσωπικό όνομα χρήστη (user name) και μία λέξη κλειδί (password) τα οποίο αποθηκεύει στο γεωδαιτικό σταθμό του, έτσι ώστε με την εκκίνηση του GPS να γίνεται και ταυτόχρονη σύνδεση με την εταιρεία. Η σύνδεση µε το Κέντρο Ελέγχου πραγµατοποιείται µε δύο τρόπους : 1.Μέσω GPRS: Αναγνώριση χρήστη µέσω: Username & Password. Χρήση πρωτοκόλλου NTRIP. Επιλογή µεθόδου µέσω Source-Table και Mountpoint. 2. Μέσω GSM modem: Αναγνώριση χρήστη µέσω αριθµού κλήσης (αριθµός κάρτας SIM). Επιλογή µεθόδου µέσω καλούµενου αριθµού. Ο χρήστης δεν είναι απαραίτητο να προµηθευτεί νέα σύνδεση κινητής τηλεφωνίας για χρήση αποκλειστικά µε την Metrica. Μπορεί απλά να ενεργοποιήσει τις αντίστοιχες υπηρεσίες σε µία σύνδεση που ήδη χρησιµοποιεί για τηλεφωνικές συνδιαλέξεις. Μοναδική προϋπόθεση λοιπόν είναι να έχει ενεργοποιηµένες τις υπηρεσίες που επιτρέπουν τη χρήση GSM modem, ή/και GRPS. Στην περίπτωση του GSM modem η αναγνώριση του χρήστη γίνεται µέσω του αριθµού κλήσης της σύνδεσης κινητής τηλεφωνίας (κάρτα SIM). Γι αυτό και δεν πρέπει να είναι ενεργοποιηµένη η απόκρυψη του αριθµού κλήσης γιατί µέσω αυτού γίνεται η αναγνώριση του χρήστη για να του επιτραπεί η πρόσβαση στο σύστηµα. Παγκοσµίως, η σύγχρονη τάση για τη σύνδεση χρηστών στα δίκτυα RTK είναι η χρήση GPRS καθώς είναι και πιο οικονοµικό και πιο γρήγορο. Στην Ελλάδα όµως προκειµένου να διευκολυνθούν οι χρήστες σε περιοχές όπου δεν υπάρχει κάλυψη GPRS, υπάρχει και η δυνατότητα σύνδεσης µέσω GSM (Μάστορης, 2008α). Υπηρεσίες µετεπεξεργασίας και απαραίτητος εξοπλισµός Οι υπηρεσίες µετεπεξεργασίας (post-processing) της Metrica επιτρέπουν τον προσδιορισµό θέσης µε υψηλή ακρίβεια. Για τη χρήση των υπηρεσιών αυτών ο χρήστης µετράει µε ένα γεωδαιτικό δέκτη GPS στα σηµεία που θέλει να προσδιορίσει και στη συνέχεια η ίδια η εταιρεία επεξεργάζεται τα δεδοµένα αυτών των µετρήσεων σε συνδυασµό µε δεδοµένα σταθµού αναφοράς για τον καλύτερο δυνατό υπολογισµό των συντεταγµένων των σηµείων. 67

68 Αποτύπωση δασικού δρόμου με χρήση των δορυφορικών GPS-GLONASS και μόνιμων σταθμών βάσης II. ΠΕΡΙΟΧΗ ΜΕΛΕΤΗΣ ΚΑΙ ΜΕΘΟ ΟΣ ΕΡΕΥΝΑΣ 1. Επιλογή της περιοχής µελέτης Προκειµένου να ελεγχθεί η ακρίβεια στον προσδιορισµό θέσης που προσφέρει η Metrica σε δασοπονικές εφαρµογές, έγινε εφαρµογή του συστήµατος αυτού και της τεχνικής Single-Base RTK που υποστηρίζει η Metrica, στο Πανεπιστηµιακό άσος Ταξιάρχη Βραστάνων Χαλκιδικής. Προκειµένου επίσης να υπάρχει µέτρο σύγκρισης όσο αφορά τη φύση του περιβάλλοντος εφαρµογής των παραπάνω τεχνικών εξετάστηκαν οι παρακάτω πέντε περιπτώσεις: α. αποτύπωση σηµείων άξονα δασικού δρόµου που διέρχεται από υψηλή συστάδα πλατύφυλλου δρυός (Σχήµα ΙΙ-1-1), ΣΧΗΜΑ ΙΙ-1-1: ασικός δρόµος Σωληνάρια β. αποτύπωση σηµείων κάτω από κοµοστέγη υψηλού δάσους πλατύφυλλου ρυός (Σχήµα ΙΙ-1-2), 68

69 ΣΧΗΜΑ ΙΙ-1-2: Υψηλό δάσος Πλατυφύλλου ρυός γ. αποτύπωση σηµείων σε δασική χορτολιβαδική έκταση (Σχήµα ΙΙ-1-3), ΣΧΗΜΑ ΙΙ-1-3: Αποτύπωση σηµείων σε δασική χορτολιβαδική έκταση. 69

70 δ. αποτύπωση σηµείων κοντά σε κτιριακές εγκαταστάσεις που βρίσκονται εντός δάσους (Σχήµα ΙΙ-1-4) και ΣΧΗΜΑ ΙΙ-1-4: Κτιριακές εγκαταστάσεις σχολής ασολογίας & Φυσικού Περιβάλλοντος Α.Π.Θ. στο πανεπιστηµιακό δάσος Ταξιάρχη Χαλκιδικής ε. αποτύπωση τριγωνοµετρικού σηµείου που βρίσκεται σε ράχη εντός δάσους (Σχήµα ΙΙ-1-5). ΣΧΗΜΑ ΙΙ-1-5: Τριγωνοµετρικό σηµείο 70