Geodezyjne pomiary GPS

Pomiary GPS – geodeta Rzeszów

Czy zastanawiałeś się kiedyś jak to się dzieje, że odbiornik geodezyjny, z którym przyjeżdża geodeta wyznacza punkty z dokładnością do ±1cm, zupełnie bez użycia klasycznych przyrządów mierniczych takich jak taśma stalowa, lub klasyczny instrument optyczny na statywie?
A skoro tak jest to czy Twój samochodowy odbiornik GPS, bądź nawet ten zainstalowany w telefonie nie mógłby pokazywać Twojej pozycji z taką właśnie precyzją?

Czym  jest system GPS?

Żeby odpowiedzieć sobie na te pytania wyjaśnijmy najpierw czym tak właściwie jest system GPS, co wpływa na dokładność wyznaczenia pozycji odbiornika w tym właśnie systemie i co można zrobić by ją poprawić?

Global Positioning System, w skrócie GPS – bo o nim mowa – nie tworzy już w dzisiejszych czasach samodzielnie kompletnego sytemu, a jest już tylko częścią GNSS czyli Global Navigation Satellite System – to system nawigacji satelitarnej o globalnym zasięgu. Skrót GPS potocznie stosowany jako nazwa całego systemu odnosi się tylko do części GNSS zarządzanej przez rząd Stanów Zjednoczonych Ameryki. To właśnie system GPS był protoplastą całego systemu GNSS, który jest hybrydą bliźniaczych systemów, kolejno uruchamianych przez rządy państw, które je utworzyły. W świadomości przeciętnego użytkownika skrót GPS zastępuje prawidłową nazwę dla systemu nawigacji satelitarnej, właśnie z tego względu , ze był on pierwszy i bardzo długo jedynym działającym systemem nawigacji satelitarnej.

System GNSS do wyznaczenia pozycji odbiornika wykorzystuje konstelację 129 satelitów krążących wokół naszej planety (z czego 41 tworzy chińskie Beidou, 26 europejskie Galileo, 31 rosyjskie GLONASS i 31 amerykańskie GPS) po ściśle określonych orbitach, oraz centra obliczeniowe położone na Ziemi. Wyznaczanie pozycji odbiornika odbywa się poprzez obliczenie odległości pomiędzy poruszającymi się satelitami a odbiornikiem użytkownika, a uściślając minimum trzech satelitów oraz czwartego umożliwiającego obliczenie poprawki zegara atomowego, w który wyposażony jest każdy satelita. Poprawka ta wyznaczana jest na podstawie znanej pozycji satelity na orbicie w danym momencie. I jest istotna z tego względu, że nie tylko użytkownik odbiornika GPS znajduje się w ruchu (bo przecież Ziemia nieustannie obraca się wokół własnej osi), ale także nadajniki na Satelitach krążą wokół Ziemi.

Znając pozycję satelitów w danym momencie, oraz czas przejścia fali od satelity do odbiornika, a także poprawki zegara satelitów, następuje obliczenie odległości pomiędzy satelitą a odbiornikiem. Odległość ta wyznaczana jest na podstawie czasu przejścia fali radiowej od nadajnika satelity do odbiornika. Znając jej długość oraz czas jej przejścia od satelity do odbiornika wraz z poprawkami wyznaczana jest odległość między nimi.  Tak obliczone odległości służą do wyznaczenia pozycji odbiornika, którą najprościej wyobrazić sobie można jako wierzchołek ostrosłupa, którego podstawę tworzy konstelacja satelitów (zdj).  Tak wykonane obliczenia pozwalają na uzyskanie dokładności pozycjonowania od kilku do kilkunastu metrów.

Resgeo pomiary GPS – geodezja Rzeszów

Zwiększenie dokładności pozycjonowania wymaga obliczenia czwartej odległości od satelity, ze względu na niedokładność wzorca czasu taniego mechanizmu kwarcowego w zegarze odbiornika, w stosunku do zegara atomowego zainstalowanego w satelicie. Na tej podstawie obliczana pozycja osiąga dokładność około jednego do kilku metrów w zależności od gęstości zabudowy i występowaniu innych przeszkód terenowych odbijających sygnał satelitarny.

Kolejnym poziomem zwiększenia dokładności wyznaczania pozycji jest możliwość odczytu drugiej częstotliwości sygnałów nadawanych przez satelity  – L2. Porównanie czasu przejścia fali na dwóch częstotliwościach L1 I L2 pozwalana uzyskanie poprawki jonosferycznej czyli obliczenie wartości opóźnienia fali przechodzącej przez kolejne warstwy atmosfery. Taka metoda pomiaru zwiększa dokładność pozycjonowania do kilkudziesięciu centymetrów i wiąże się z droższymi specjalistycznymi odbiornikami o dużym stopniu zaawansowania wychodzącymi ponad potrzeby użytkownika poruszającego się w ruchu ulicznym.

Ostatnim poziomem dokładności pozycjonowania koniecznym do zastosowań w geodezji jest dokładność na poziomie ±1cm. Aby uzyskać wymagany poziom niezbędne jest korzystanie ze specjalistycznych odbiorników kosztujących niekiedy kilkadziesiąt razy więcej od odbiorników samochodowych wyposażonych w dedykowane anteny, a także połączenie online z naziemnymi stacjami obliczeniowymi w czasie rzeczywistym.

To kolejny element systemu GNSS, który jest niezbędny do zwiększenia dokładności pozycjonowania odbiornika. Na terenie Polski rozmieszczonych jest obecnie 102 stacje referencyjne – odbiorniki sygnału satelitarnego połączonego z centrum obliczeniowym i wysyłającymi poprawki w czasie rzeczywistym w informacji zwrotnej do odbiornika – prowadzące obserwacje sygnału i obliczenia w trybie ciągłym w każdej sekundzie 24h na dobę.  Odbiornik GNSS geodety wysyła na bieżąco informację o swoim położeniu do stacji referencyjnej np. za pomocą wbudowanego modemu GSM lub połączenia Wi-Fi z telefonem komórkowym, a w informacji zwrotnej otrzymuje kolejne poprawki m. in. bardziej precyzyjne dedykowane poprawki ze względu na opóźnienie jonosferyczne w bezpośrednim sąsiedztwie odbiornika, warunków atmosferycznych, oraz innych negatywnych czynników mających wpływ na zakłócenie sygnału satelitarnego.

System stacji referencyjnych tworzy w momencie pomiaru w pobliżu odbiornika wirtualny, stały punkt, nie przemieszczający się w czasie dla którego wyznacza precyzyjnie wartość poprawek z najbliższych trzech stacji, a następnie przekazuje je do odbiornika ruchomego geodety pozwalając mu na precyzyjny pomiar z dokładnością od 1 do 3 cm. Dopiero tak zbudowany i poprawnie skonfigurowany system daje możliwość precyzyjnego pozycjonowania do zastosowań geodezyjnych takich jak tyczenie (hiperłącze do działu z tyczeniem) punktów lub inwentaryzacja (hiperłącze do inwentaryzacji).

Współcześnie pomiary GNSS odbiornikami geodezyjnymi są niemal podstawowym narzędziem wykonywania pomiarów przez geodetę. Pomiary te mają zastosowanie w pracach związanych z tyczeniem obiektów, ich inwentaryzacją, wykonywaniem map do celów projektowych (hiperłącze), w pracach związanych z wznowieniem i ustalaniem przebiegu granic nieruchomości, a także ich podziałem (hiperłącze)

Podsumowując zatem ze względu na sposób działania i różnice w zaawansowaniu technologicznym wyróżniamy kilka rodzajów odbiorników GPS, a o ich zastosowaniu decyduje zazwyczaj cel wykorzystania determinujący niezbędną dokładność pozycjonowania w odniesieniu do kryteriów ekonomicznych.

Na zakończenie poddajemy pod rozwagę do przemyślenia istotny problem:
Skoro geodeta dysponuje narzędziami pozwalającymi na wytyczenie punktu z dokładnością do ±1cm to dlaczego często granice nieruchomości nie zgadzają się nawet o kilka metrów, bądź wręcz informuje nas, że nie może dokonać tyczenia granic? Na to pytanie postaramy się odpowiedzieć już niedługo..