(00)geodezie satelitara

45
GEODEZIE SATELITARA 1. Subiectul Geodeziei Satelitare Geodezia (Helmert) – masurarea si cartarea Pamantului, stabilirea cat mai exacta a formei Pamantului. Geodezia Satelitara inglobeaza tehnici de observare si de calcul care permit rezolvarea problemelor geodezice prin utilizarea masuratorilor de la, la si dintre satelitii artificiali, in special cei din apropierea Pamantului. Principalele probleme ale geodeziei satelitare sunt: Determinarea pozitiilor tridimensionale globale, regionale si locale; Determinarea campului gravitational terestru si a functiilor liniare; Determinarea parametrilor orbitei satelitilor, a coordonatelor lor si studiul diferitelor perturbatii in miscarea satelitilor; Geodezia satelitara cuprinde intregul ansamblu al aspectelor tehnice cat si tehnologiile menite sa resolve problemele principale ale geodeziei folosind satelitii artificiali. 2. Clasificarea si conceptele fundamentale ale Geodeziei Satelitare Printre metodele de cercetare in geodezia satelitara se intalnesc metode geometrice si metode dinamice. Metoda geometrica: satelitii pot fi folositi ca tinte (observatii simultane, epoci diferite)orbitale inalte vizibile de la distante foarte mari. Metoda dinamica: satelitii pot fi considerati senzori la campul gravitational al Pamantului deoarece satelitii sunt in miscare pe orbite, observatiile trebuie sa fie dintr-o perioada limita de timp (observatii nesimultane). Tehnici de observare ale geodeziei satelitare: Metode Pamant spre spatiu - directii de la observatiile camerei - distante de la satelit - pozitionarea Doppler - utilizarea GPS Metode spatiu spre Pamant - altimetrie radar - spaceborne laser (aeropurtat) - radiometrie satelitara Metoda spatiu spre spatiu - STT 1

Upload: dan-sergiu

Post on 29-Jun-2015

568 views

Category:

Documents


5 download

TRANSCRIPT

Page 1: (00)GEODEZIE SATELITARA

GEODEZIE SATELITARA

1. Subiectul Geodeziei SatelitareGeodezia (Helmert) – masurarea si cartarea Pamantului, stabilirea cat mai exacta a formei

Pamantului.Geodezia Satelitara inglobeaza tehnici de observare si de calcul care permit rezolvarea

problemelor geodezice prin utilizarea masuratorilor de la, la si dintre satelitii artificiali, in special cei din apropierea Pamantului.Principalele probleme ale geodeziei satelitare sunt:

Determinarea pozitiilor tridimensionale globale, regionale si locale; Determinarea campului gravitational terestru si a functiilor liniare; Determinarea parametrilor orbitei satelitilor, a coordonatelor lor si studiul diferitelor

perturbatii in miscarea satelitilor;Geodezia satelitara cuprinde intregul ansamblu al aspectelor tehnice cat si tehnologiile menite sa

resolve problemele principale ale geodeziei folosind satelitii artificiali.

2. Clasificarea si conceptele fundamentale ale Geodeziei Satelitare Printre metodele de cercetare in geodezia satelitara se intalnesc metode geometrice si metode

dinamice. Metoda geometrica: satelitii pot fi folositi ca tinte (observatii simultane, epoci

diferite)orbitale inalte vizibile de la distante foarte mari. Metoda dinamica: satelitii pot fi considerati senzori la campul gravitational al Pamantului

deoarece satelitii sunt in miscare pe orbite, observatiile trebuie sa fie dintr-o perioada limita de timp (observatii nesimultane).

Tehnici de observare ale geodeziei satelitare: Metode Pamant spre spatiu- directii de la observatiile camerei- distante de la satelit - pozitionarea Doppler - utilizarea GPS Metode spatiu spre Pamant - altimetrie radar- spaceborne laser (aeropurtat)- radiometrie satelitara Metoda spatiu spre spatiu- STT

3. Dezvoltarea Geodeziei Satelitare La 4 octombrie 1957 s-a deschis “ era cosmica” prin lansarea primului satelit artificial al

Pamantului, SPUTNIK 1, de catre Uniunea Sovietica. Desi lansarea primilor sateliti artificiali a avut drept scop stiintific cunoasterea spatiului din apropierea Pamantului si nu unul geodesic, cu trecerea timpului, satelitii s-au folosit si in geodezie.

In anul imediat urmator Statele Unite ale Americii nu s-au lasat mai prejos lansand satelitul artificial EXPLORER 1 (1958) si proiectand sistemul de navigatie Navy Navigation Satelite System NWSS (Transit)

In anul 1959 s-au determinat valorile turtirii Pamantului din observatii satelitare si in acelasi an s-au pus bazele teoriei satelitilor atificiali.

Urmatorii sateliti importanti au fost TRANSIT 1B si ECHO 1 (1960)- 1958-1960 metode stiintifice, calcule orbitale

1

Page 2: (00)GEODEZIE SATELITARA

- 1970-1980 proiecte stiintifice, o mai buna axactitate a formei Pamantului- 1980-1990 - implementarea tehnica satelitarea

Sistemul NAVSTAR (SUA) Sistemul GLONASS (URSS)

4. Aplicatii ale Geodeziei SatelitareOrice aplicatie este influentata de precizia ceruta, pretul echipamentului, timpul de observare si

usurinta de manevrare.Principalele aplicatii:

Geodezia globala- forma principala generata a Pamantului sia campului gravitational - dimensiunile unui elipsoid mediu al Pamantului- instituirea unui cadru de referinta terestru global- definirea unui geoid detaliat ca suprafata de referinta pe uscat si oceane- stabilirea legaturii dintre diferite date geodezice - legatura dintre date geodezice nationale si o data geodezica globala Retele geodezice - stabilirea retelelor geodezice nationale - instalarea unor retele tridimensionale omogene- analiza si imbunatatirea retelelor terestre existente- stabilirea legaturilor geodezice intre insule si insule-continent Geodinamica- puncte de control pt stabilirea miscarii scoartei terestre- dispositive permanente pentru monitorizarea tridimensionala- rotatia Pamantului si miscarea polara- mareele solide ale Pamantului Geodezia marina si navigatia Domenii asociate- gravimetrie, masuratori seismice- miscari de ghetari- studiul fenomenelor atmosferice

5. Puncte, directii si plane utilizate in astronomia geodezicaIn orice punct de pe suprafata Pamantului se pot observa aceleasi stele, proiectate pe o cupolaProprietati

indepartarea: cea mai apropiata constelatie

e=4x1013 Km Δ”=ρ”x(2R/e)=0,0001”

directiile masurate sunt considerate paralele unghiul dintre stele ramane constant indiferent

de pozitie stelele cu lumina proprie (straluciri specifice proprii).

planetele nu au lumina proprie (sunt laminate de soare)

2

O

R

M

M’

R

Cerc vertical

Cerc orizontal

Cerc oraralmucataract

axa lumii

H’ H

z’

z

zO

PN

PS

h

meridianul locului

Page 3: (00)GEODEZIE SATELITARA

directia verticala este data de directia gravitatiei zenith - punctul unde verticala locului inteapa suprafata terestra nadir – punctul opus zenitului orizontul locului – planul perpendicular pe verticala locului almucataract – planul ce trece prin stea si este parallel cu orizontul h (inaltimea stelei) – unghiul format intre directia spre stea si orizontala locului z (directia zenitala) – unghiul complementar inaltimii stelei z=90°-h=100g-h

6. Sisteme de coordinate carteziene si transformari de coordonate Prelucrarea tridemensionala a retelelor geodezice presupune efectuarea calculelor de determinare a

coordonatelor punctelor retelei intr-un sistem de coordinate definit pentru fiecare punct geodezic stationat si apoi intr-un system local de coordonate.

Pentru definirea sistemului local de coordonate pot fi utilizate elemente astronomice (verticala si meridianul punctului de statie), fata de care sunt effectuate determinarile

In general elementele care se masoara sunt d - directii orizontale β - unghiuri zenitale α - azimute astronomice Ф – latitudinea astronomica Λ – longitudinea astronomica

Sistemul global de coordinate

Un sistem local astronomic are:- origine in punctual geodesic stationat- axa z pe directia zenitului- axa x pe directia nord (situate in planul meridianului ……..)- axa y pe directia est

Un sistem global cartezian ecuatorial are:- originea in centrul de masa al Pamantului- axa z in coincidenta cu axa medie de rotatie a Pamantului

3

Perimetrul(-3 ianuarie)

Afeliu(-3 iulie)

Echinoptiu de primavara (-21 martie)

Echinoptiu de toamna (-23 septembrie)

Pv V

z(zenit)

P

S

u

x

z

y

ΛsФs

S’ys

z0

xs

O

Page 4: (00)GEODEZIE SATELITARA

- axa x in planul meridianului astronomic Greenwich- axa y perpendicular ape planul xOz

4

Page 5: (00)GEODEZIE SATELITARA

7. Sisteme si cadre de referinta conventional inertiale CISAcest sistem se foloseste pentru descrierea miscarii satelitului.Satelitii artificiali se misca pe orbitele lor in campul gravitational al Pamantului, deci intr-un

system inertial.Un sistem inertial este caracterizat prin doua trasaturi fundamentale:

originea sistemului este fixa sau executa o miscare liniara orientarea axelor de coordinate in spatiu este fixa originea este centrul Pamantului axa z nu este o axa fixa in spatiu, trebuie acceptate anumite conventii pozitia axei Pamantului

la 1 ianuarie este axa z asistemului

axa x se afla intr-un planperpendicular pe axa z (planul ecuatorial) si este orientate spre punctual vernal conventional

23.5°

5

x18,6ani

En polul precesiei(instantaneu)

En

257000 aniSensul precesiei

precesie si nutatie

ε ε

ε ecuatorul ceresc(instantaneu)

punct vernal

EN

ecuator

ecliptic

PN

PS

Page 6: (00)GEODEZIE SATELITARA

8. Sisteme si cadre de referinta conventionaleDetermina pozitia punctelor de observatie si descrierea rezultatelor.

Sistemul de coordinate cartezian global terestru are: originea este pe centrul Pamantului axa z este pe axa momentana a Pamantului din sistemul inertial axa x pe directia unui punct de pe suprafata Pamantului axa Greenwich axa y perpendiculara p xOy

Sistemul de coordinate cartezian global terestru este dependent de timp si devine un sistem momentan axa oz este orientata dupa directia unui punct

terestru conventional (CTP) axa ox este intersectia ecuatorului CTS cu

planul meridian Greenwich SIN

9. Legatura intre CIS si CTSIn afara influentei precesiei, nutatie si miscarii

polilor mai avem nevoie de inca 3 parametrii derotatie ai Pamantalui (…)

Legatura intre sistemele de coordinate astrono-mice si terestre .

6

x

CIO(CTP)

O y

z

GAST

yT

yCTxCT

xT

zCT

zT

O

momentanastronomic

mijlociuastronomic

conventionalastronomic

nutatie precesie

momentanastronomic

momentanterestru

conventionalterestru

GAST CIO

Page 7: (00)GEODEZIE SATELITARA

Precesia – miscarea de perioada lunga a axei medii a Pamantului 257000 ani Nutatia – miscarea de perioada scurta a axei medii a Pamantului (de la 14 zile la 18.6 ani)GAST – unghiul de rotatie intre punctul vernal si meridianul Greenwich (Greenwich Aparent Sideral Time)CIO – pozitia media a polului perioada 1900-1905 (Conventional International Origin)

Pentru un vector oarecare x transformarea este data de relatiile:x[CTS]=RM •RS •RN •RP •x[CIS]

RM – matricea de rotatie pentru miscarea polilor RS – matricea de rotatie pentru timpul sideralRN – matricea de rotatie pentru nutatie RP – matricea de rotatie pentru precesie

CIS este definite la epoca standard I2000 este transformata in system momentan la epoca observatiei prin aplicarea de corectii datorita precesiei si nutatiei. Axa z a sistemului CIS reprezinta pozitia libera a axei momentane de rotatie.

Matricele de statie au forma:

Valabile pentru sisteme de coordonate orientat dreapta.Rotatia cu unghiul α are semn pozitiv pentru rotatie in sen invers acelor de ceasornic pentru un

observatory care priveste dinspre origine in lungul sensului pozitiv al axei date.

7

Page 8: (00)GEODEZIE SATELITARA

10. Sistemul natural global cartezianDefineste pozitia tridimensionala a unui punct P

- originea = centrul de masa al Pamantului- axa z = CID- axa x = Greenwich- axa y = perpendicular ape xOz- latitudinea astronomica Ф = verticala locului (planul format de x,y)- longitudinea astronomica Λ = planulce trece prin meridianul locului; meri-dianul Greenwich- cota ortometrica = segmental pe linia de forta intre punct si proiectia sa pegeoid (altitudinea) HOR

Sistemul particular topocentric

- axa z in continuarea liniei de forta- axa x spre nordul pe directia meridianului astronomic - axa y completeaza sistemul

- unghiul zenital

11. Sistemul de coordinate global ellipsoidal

B=φ L=λ

Latitudinea elipsoidala φ = normala la ellipsoid; planul ecuatorialLongitudinea elipsoidala λ = meridianul zore si meridianul ce trece prin PInaltimea elipsoidala h = distanta dintre P si proiectia la ellipsoid- axa ze = dupa normala la ellipsoid spre zenitul geodesic- axa xe = directia nordului geodesic in meridianul geodesic- axa ye = spre est

8

αβ D0

zp

xp

ypR’R

g

HOR

P

z(GAM)

y

ФΛ

z(CID)

O

x

y

z

O

PN

O

ye

zexe

P

P’

λ φ

h

- originea - centru sistemului artesian

- axa axa pe directia polului Nordic ellipsoidal

- axa la 90° in sensul acelor de ceasornic

Page 9: (00)GEODEZIE SATELITARA

12.Elipsoid. Geoid. Data geodezicaElipsoidul este suprafata matematica obtinuta prin rotirea unei elipse in jurul axei mici, suprafata

de referinta utilizata la reprezentarea suprafetei PamantuluiGeoidul este suprafata echipotentiala care aproximeaza cel mai bine forma si figura Pamantului,

suprafata neregulataParametrii geometrici ai elipsoidului- semiaxa mare a

- turtirea

- prima excentricitate ;

Relatii: b=a•(1-f) e2=2f-f2

1-e2=(1-f)2

H=N+H h - inaltimea din observatiile satelitareH=h-N N - normala la ellipsoid (adaptarea unui elipsoid de referinta)

H – cota ortometrica

Definitia: ondulatie de geoid

9

elipsoid

geoid

maree

maree

deviatie verticala

deviatie verticala

verticala la elipsoid

θ

θ

E

G

HpN

P

P

P’’

P’

Np ΣpE

G

HpOR

cvasigeoid

Page 10: (00)GEODEZIE SATELITARA

Cel mai nou model de geoid EGM 96, Europa EGM 97Data geodezica (datum geodezic) = zet de parametriii care descriu relatia dintre un anumit sistem

local si un sitem de referinta geodesic global.Cel putin 5 parametrii

- a axa principala a elipsoidului de referinta - f turtirea - Δx, Δy, Δz coordonate relative- εx, εy, εz unghiuri de rotatie a axelor- S factorul de scala

10

M

z2

x2

y2

z1

x1

y1r2

r0

r1

εz

εy

εx

Page 11: (00)GEODEZIE SATELITARA

13. Sistemul geodesic mondial 1984 (WGS 84)Pentru a descrie aceasta pozitionare este nevoie de o aproximare foarte buna a Pamantului. S-a

incercat sa se dezvolte un elipsoid cat mai aproape de forma reala a Pamantului.Sistemul WGS 84 este un sistem conventional terestru, sistem de coordonate geocentric caruia i se

ataseaza elipsoidul deschis de: a axa semimajora 6378137m

f turtirea

ω viteza unghiulara 7.292115x10-5rad 8-1

constanta gravitationala geocentrica GM=898600,4418cm3

14. Definirea unui sistem de coordonate de referinta. ParametriiUn sistem de coordonate de referinta reprezinta, din punct de vedere al geodeziei globale, un

ansamblu de clase de datum. Sistem de coordonate de referinta

Un punct are : - coodonate elipsoidale - system de coordonate cartographic - coordonate carteziene

Dup ace avem coordonate elipsoidale (coordonate specifice →coordonate plane) realizam o proiectie, procedeu mathematic adaptat

Liniari: - false easting – aplicata originii coordonatei x - false northing – aplicata originii coordonatei y - scale factor – parametru constant, transfoma o proiectie tangentra intr-una secanta, aplicata puntului central al proiectiei

Unghiulari: -azimuth - linia centrala a proiectie - central meridian – originea coordonatei x - latitude of origine – originea coordonatei x - longitude of origine – originea coordonatei y - standard parallel 1 si 2 – in proiectie conica linia latitudinilor si a lungimilor

11

datum

geodezic vertical ingineresc

sistem de coordonate

Page 12: (00)GEODEZIE SATELITARA

15. Definirea sistemului de coordonate de referinta EUREF. UTMEUREF=subcomisia de referinta (agentia pentru Europa, organism ce are ca scop realizarea unei

retele geodezice europene)

Sistemul de coordonate de referinta adoptat de EUREF (cadreu de referinta a Asociatie Internationale a Geodeziei sub comisie europeana) este ETRS 89 (European Terrestrial Reference System), iar sistemul de cote EURS (European Vertical Reference System)

Sistemul ETRS 89 poate fi descries de un ECRS (European Coordinates Reference System)a=63778137

Elipsoidul de referinta G2S80 si EVRS= datum vertical W0 = U0 NAP nivelul zero in care vericala locului este egala cu normala le alipsoid= componentele verticale sunt diferentele dintre potentialul Wp al Pamantului in camp gravitational in punctul considerat P si potentialul nivelului zore al sistemului EVRS -ΔWp = W0 - Wp = Cp (numerele geopotentiale)UTM = sistemul de proiectie universal mercator, are ca ellipsoid de referinta WGS 84 Sistemul divide suprafata Pamantului 60 zone longitudinale (6°) si 20 latitudinale (8°); η=6° φ=8°

Tipul de proiectie – cilindrica transversala mercator secanta; liniile de contact se afla la aproximativ 180 km de fiecare parte a meridianului central

Meridianul central = 3°, 9°, 13°… E sau V fata de Greenwich Latitude of origin = 0 originea axei N respectiv S se afla la ecuator False northing = 0 pentru emisfera N 10 000 000 m pentru emisfera S False easting = 500.000 m pentru fiecare fus Scale factor of origin = 0.9996 descreste de la meridianul axial pana centrul va intersecta

sfera. Liniile de contact situate la 180 km de fiecare parte a meridianului central vor avea coeficientul 1

16. Transformari de coordonate Sistemul 1 Sistemul 2

Datum 1 Datum 2Elipsoid 1 Elipsoid 2Sistem cartografic 1 Sistem cartograpfic 2

x1, y1 → φ1,λ1 → x1, y1, z1

x2, y2 → φ2,λ2 → x2, y2, z2

17. Sistemul de proiectie Gauss-Kruger Tipul proiectei: cilindrica tengenta UTM Meridianul central: Greenwich E-V 3°-9°-15°-21°-27°-… Latitude of origin: 0° axa N si S la Ecuator

12

Sistemul de referintaspatial european EUREF

(European Reference Frame)ETRS(terestru)

sistem de referinta terestru european

datum geodesicETRS 89

sistem de coordonate elipsoidul de proiectie

UTM

EVRS (pentru cote)sistem de referinta vertical european

datum verticalNAP

Page 13: (00)GEODEZIE SATELITARA

False northing: 0 la N si 10 000 000 m la S False easting: 500 000 m RO 5 500 000 Scale factor of origin: 1 distantele masurate in lungul meridianului axaial N sufera

doformari Unitatea de masura: m

18. Sistemul de proiectie Stereo 70 Tipul proiectei: plana, stereografica, secanta

Linia de contact este in lungul unui cerc Longitude of origin: 25° E Greenwich Latitude of origin: 46° N spre axa x

Centrul de proiectie langa Fagaras False northing: 500 000 m False easting: 500 000 m Scale factor of origin: 0.99975Planul de proiectie este translatat astfel incat originea sistemului distantele vor fi reduse cu aceasta valoare, iar intersectia dintre sfera si planul de proiectie va genera un cerc cu R=201.72 km. Linia de contact obtinuta in lungul cercului va avea coeficientul 1. Unitatea de masura: m

13

Page 14: (00)GEODEZIE SATELITARA

19. Timpul. GeneralitatiTimpul = marime fundamentala pentru decrierea proceselor din natura vie si moarta. Importanta

timpului in geodezia satelitara devine fundamentala, avand in vedere ca:- pozitia unui satelit este o functie de timp- coordonatele punctelor de pe suprafata Pamantului sunt tot o functie de timp datorita rotatiei Pamantului.

O conditie fundamentala prentru masurarea timpului o reprezinta alegerea si stabilitatea unitatii de timp. In plus este nevoie de un instrument care sa ne permita stabilitatea unui raport intre intervalul de timp care dorim sa-l masuram si unitatea de timp, de regula durata unui process repetabil de la care pretinde ca este riguros periodic. O scara de timp este definita prin perioada sau inversul ei, frecventa care se masoara si originea scarii de timp care este definite si recunoscuta prin conventie internationala.

In prezent. in geodezia satelitara sunt importante 3 grupe de scari de timp: timp sideral timp atomic timp dynamic

20. Timpul sideral si timpul universalTimpul sideral = timpul in care Pamantul efectueaza o notatie completa in jurul axei sale

(revolutia Pamantului cu 360°). Este definit la modul general ca unghiul orar al punctului vernal.- apparent: definit cu ajutorul punctuluivernal γ adevarat- mijlociu: defnit cu ajutorul punctului vernal mijlociu corectat de nutatie- local: definit fata de meridianullocului si timpul sideral Greenwichγ = punct vernal adevarat (afectat de precizie si nutatie)γM = punct vernal mijlociu(afectat doar de precizie)zA = zenitul observatorului(locului)zG = zenitul la GreenwichGAST = timpul sideral aparent

unghiul orar local al echinop- tiului de primavera real

LAST = timp sideral local apparent unghiul orar local al echinoptiului de primavera real

GMST = unghiul orar Greenwich al echinoptiului de primavera realLMST = unghiul orar local al echinoptiului de primavera realEcuatia echinoctiilor GMST-GAST=ΔφcosεΔφ – nutatia de longitudineLMST-GMST=LAST-GAST=λ0 pentru longitudine E a meridianului centralo zi siderala medie = o zi solara medie – 3 m•555•9094 minute = diferenta de lungime a zilei dintre cele 2Timpul universal = timpul solar mediu pentru meridianul zeroUT = 12h + unghiul orar Greenwich al soarelui mediu

21. Timpul atomic (TAI)Unitatea de masura in acest sistem este SECUNDA (1967)

Secundat=durata de 9192631776 perioade de rotatie ale radiatiei corespunzatoare tranzitei intre cele doua nivele hyperfine ale starii fundamentale a atomului de Cesium 133. Timpul atomic international este tinut astazi prin asa numitele ceasuri atomice.UTC=TAI-n(IS)TAI=TU(1.01.1953) dar diferenta s-a modificat continuuUTC are scala modificata dupa UTI (se refera la rotatia Pamantului- 50 statii de observare astronomice) si unitatea de masura secunda.

14

Meridianul loculuiλ

GAST

GMSTLAST

LMST

mean

γ

γMzA

zG

S

Page 15: (00)GEODEZIE SATELITARA

22. Timpul efemer. Timpul dynamic. Timpul terestru.Timpul dinamic= o scara uniforma de timp care guverneaza miscarea corpurilor in camp

gravitational.Generarea efemeridelor in cazul satelitilor de tip GPS se face pe baza determinarilor de timp

dynamicTimpul dynamic descrie miscarea corpurilor intr-un sistem de referinta particular in acord cu

teoria gravitationala. TDB (timp dynamic baricentric) Timpul masurat intr-un sistem de referinta aproape inertial, care are ca origine centrul de

masa al sistemului solar. Un ceas fixat pe Pamant va avea variatii periodice cu ecartul sub 1.5 ms fata de TDS datorita miscarii Pamantului in campul gravitational al Soarelui.

TDT (timp dinamic terestru) Scara de timp pentru miscarea in campul gravitational terestru, are aceeasi semnificatie ca

si un ceas atomic de PamantTimpul efemeridelor (TE), premergator al TDT, dedus practice din miscarea Lunii in jurul Pamantului. TDB este practice continuatorul timpului TE.

23. Domeniile de frecventaSpectrul electromagnetic este in functie de lungimea de undaDomeniul vizibil 0.4-0.7 (lungime de unda) Centi e 10-2 Hector H 102

Mili m 10-3 Kilo K 103

Micro Μ 10-5 Mega M 106

Nano n 10-9 Giga G 109

Pico p 10-12 Tera T 1012

fento f 10-15 Penta P 1015

1. unde radio 1GHz=109Hz2. microude 1mm-30cm3. radiatia infrarosie 7.8•10-7m-10-3m4. radiatia vizibila 7.6•107-4.1014m5. radiatia ultravioleta 3.8•10-7-6•101-10 6. raadiatia x In GS se foloseste domeniul vizibil 0.4-0.8•1015 Hz si al microundelor (107-1010

Hz)7. radiatia

24. Structura si subdiviziunile atmosfereiTroposfera – 40 km de la scoarta terestraTemperatura descreste cu altitudinea cu aproximativ 6.5°C/Km90% din masa atmosferei este sub 16 Km altitudine99% este sub 30 Km

Indice : c=40.3

15

Page 16: (00)GEODEZIE SATELITARA

Ionosfera – 70 Km – 1000 KmPartea superioara toposferei, exista particule libere de ioni care efectueaza propagarea undelor

radio, strabate atmosfera care are un effect perturbator asupra propagarii, intrucat nu exista un indice de refractie constant pe toata grosimea.

Indicele de refractie n=c/VC – viteza undei in vidV – viteza undei in mediuTroposfera, in care vaporii de apa si temperature influenteaza propagarea undelor, aici au loc toate

fenomenele meteorologice. Este considerate un gaz neutru (moleculele si atomii neincarcati electric sunt foarte bine amestecati)

25. Propagarea semnalului prin troposfera si ionosferaIn biosfera semnalele satelitare sunt supuse unor influente destul de complicate, datorita

elctronilor liberi, a campului gravitational al Pamantului si a coliziunii electronilor liberi cu alte particule. Efectul poate fi atat de puternic incat receptoarele care receptioneaza aceste semnale nu sunt capabile sa proceseze aceste date.

Ionosfera este un mediu dispersive pentru undele radio emise de sateliti, (viteza de propagare a semnalului este dependenta de frecventa semnalului). Dependenta timpului de propagare fata de madiu,

pentru un semnal radio care strabate Ionosfera IS este data de relatia:

t – timp de propagareR – distanata satelit receptorc – viteza luminii f – frecventa semnaluluiA, B – constante

26. Refractia ionosfericaRefractia = frangere in miscarea undei unde in momentul trecerii dintr-un mediu in altul cu indice

de refractie diferit de primul.- cauza: schimbarea vitezei de propagare- influenteaza: viteza de propagare a semnalelor satelitare, masurarea timpului de propagare

a semnaluluiIn ionosfera semnalele satelitare sunt supuse unor influente destul de complicate, datorita

electronilor liberi, a campului gravitational al Pamantului si a coliziunii electronilor liberi cu alte particule. Efectul poate fi atat de puternic, incat receptoarele sa nu mai fie capabile sa proceseze datele receptionale.

Viteza de propagare este dependenta de frecventa semnalului

t – timp de propagareR – distanata satelit receptorc – viteza luminii f – frecventa semnaluluiA, B – constante

16

Page 17: (00)GEODEZIE SATELITARA

27. Refractia troposfereiTroposfera nu contine electroni sau ioni liberi. Este un mediu nedispersiv pentru undele radio si

independent de frecventa semnalelorParametrii care influenteaza refractia sunt: presiunea atmosferica, presiune relative a vaporilor de

apa si temperature.Influenta refractiei in troposfera asupra masuratorilor de distante poate fi descrisa prin relatia

h – inaltimea deasupra solului la determinarea conditiilor meteoN – indice de refractied – componenta uscataw – componenta umeda

SUBIECT 283.1 BAZELE MECANICII CEREŞTI (UNIVERSALE)

În mecanica universală ne ocupăm de mişcările corpurilor cereşti sub influenţa atracţiei reciproce a maselor. Forma cea mai simplă este mişcarea a două corpuri (problema celor două corpuri). Pentru sateliţii artificiali, masa corpului mai mic (satelitul) poate fi neglijată în comparaţie cu masa corpului central (Pământul).

Presupunând că toate corpurile sunt omogene şi astfel generează câmpul gravitaţional al unui punct material, mişcarea orbitelor în problema celor două corpuri poate fi descrisă empiric de legile lui Kepler sau poate fi derivată în mod analitic din mecanica newtoniană.

Problema celor două corpuri este una dintre puţinele probleme din mecanica universală care au o soluţie completă. Alte subiecte ale mecanicii cereşti sunt problema celor trei corpuri şi problema corpurilor multiple, adică mişcările a trei sau mai multe corpuri cereşti sub influenţa gravitaţiei lor reciproce. Aceste probleme nu au soluţie generală.

Perturbările orbitei, determinarea orbitei şi calcularea efemeridelor sunt şi ele tratate în mecanica cerească. Determinarea orbitei se referă la parametrii orbitali derivaţi din observaţii. Calculul efemeridelor se referă la poziţiile geocentrice ale corpurilor cereşti sau ale sateliţilor artificiali care sunt derivate din elemente orbitale.

Mecanica universală îşi are originile în anul 1687,odată cu publicarea lucrării lui Isaac Newton ‚Principia (Philosophiae naturalis principia matematica). Aici sunt descrise pentru prima oară legea gravitaţiei şi legile mişcării. În următorii 300 de ani n-au existat revoluţii majore în mecanica universală. Doar lansarea primului satelit artificial şi dezvoltarea calculatoarelor puternice au dat un impuls nou..

În afară de clasicele perturbaţii cauzate de Soare, Lună şi planete, trebuie modelate şi influenţele anomaliilor de câmp gravitaţional al Pământului şi forţele nongravitaţionale. Datorită dezvoltării calculatoarelor de mare viteză, pot fi procesate mari cantităţi de date şi pot fi utilizate metode numerice de integrare.

SUBIECT 29

17

Page 18: (00)GEODEZIE SATELITARA

3.1.1 MECANICA NEWTONIANĂ, PROBLEMA CELOR DOUĂ CORPURI

În prima sa carte din ‚Principia’, Newton a introdus cele trei legi ale mişcării:1.Un corp îşi păstrează starea proprie de repaus sau de mişcare uniformă în linie dreaptă dacă asupra sa nu acţionează corpuri care să-i modifice această stare.2.Acceleraţia imprimată unui corp este direct proporţională cu forţa aplicată şi este îndreptată în direcţia şi sensul după care acţionează forţa.3.Forţele cu care două corpuri acţionează unul asupra celuilalt sunt orientate în lungul aceleaşi drepte, sunt egale ca mărime şi au sens opus.În plus, în cea de-a treia carte, secţiunea I a ‚Principia’, găsim faimoasa lege a gravitaţiei

universale (1687) a lui Newton.Fiecare particulă de materie din Univers atrage orice altă particulă de materie cu o forţă direct

proporţională cu produsul maselor lor şi invers proporţională cu pătratul distanţei dintre ele.

M şi m sunt două particule de materie şi k este o constantă universală.SUBIECT 30

3.1.2 MIŞCAREA KEPLERIANĂ

Johannes Kepler (1571-1630) a formulat cele trei legi ale mişcării planetare asociate numelui său dintr-un studiu empiric de date de observaţie colectate de Tycho Brahe (1546-1601), un astronom care a lucrat mai mult în Danemarca. Cele trei legi oferă o descriere a mişcării planetare, dar nu şi o explicaţie. Ele dau o foarte bună aproximare mişcării reale din interiorul sistemului solar pentru că masele planetare pot fi neglijate în comparaţie cu masa Soarelui şi pentru că Soarele poate fi considerat un punct material datorită distanţelor mari implicate. De aceea, mişcarea gravitaţională neperturbată a punctelor materiale se mai numeşte şi mişcare kepleriană. Este interesant din punct de vedere istoric, faptul că Kepler, prin cele trei legi ale sale a deschis perspective majore pentru ipoteza heliocentrică a lui Copernicus. În cele ce urmează sunt prezentate şi explicate legile mişcării planetare ale lui Kepler.

Prima lege: Orbita fiecărei planete este o elipsă cu Soarele într-unul dintre focare.Orbita unui satelit este o elipsă, într-unul din focarele ei aflându-se geocentrul (centrul de masă al

Pământului).

Geometria orbitală este definită de această lege. Relaţiile uzuale şi simbolurile sunt arătate în fig. 3.1.

18

Page 19: (00)GEODEZIE SATELITARA

Figura 3.1. Geometria elipsei orbitale

Axa majoră a elipsei, se numeşte linia absidelor.Punctul orbital A, cel mai îndepărtat faţă de centrul de masă al sistemului orbital, 0, este numit

apocentru. Punctul π de pe orbită, cel mai apropiat faţă de centru este numit pericentru. Când 0 este centrul Soarelui, A şi π se numesc apheliu şi respectiv periheliu.Când 0 este identic cu centrul de masă al Pământului M, A si π se numesc apogeu şi perigeu.

Unghiul v este anomalia reală.

Mişcarea kepleriană se referă la un plan. Planul orbital poate fi folosit pentru definirea unui sistem de coordonate în care 0 este originea. Locaţia unui punct material m poate fi descrisă cu coordonate polare r, v, când este ales ca o axă a sistemului orbital de coordonate.

Cu r, distanţa punctului material m de la centrul masei primare,, anomalia realăa, axa semimajorăe, excentricitatea numerică, şip, parametrul elipsei,

găsim pentru ecuaţia curbei eliptice.

(3.1)

Ecuaţia (3.1) ne oferă şi forma matematică a primei legi a lui Kepler.

A doua lege: Linia de la Soare la oricare planetă parcurge zone de egală suprafaţă în durate de timp egale, sau

Raza vectoare a unui satelit (linia care uneşte geocentrul cu satelitul) descrie în intervale de timp egale suprafeţe egale.

A doua lege a lui Kepler, numită şi Legea ariilor, descrie viteza unei planete pe orbita ei. Cu această lege este posibilă determinarea locaţiei unei planete ca o funcţie de timp cu coordonate polare r şi v. Conform figurii 3.2, formula

19

Page 20: (00)GEODEZIE SATELITARA

F r2v

Figura 3.2. Mişcarea satelitului guvernată de legea a doua a lui Kepler

este aproximativ validă pentru aria unui triunghi infinitezimal O, P, P. conform celei de-a doua legi , aria F parcursă de r este proporţională cu intervalul de timp corespondent t, astfel că

cu c fiind constant. În termeni de relaţii diferenţiale, aflăm

ecuaţia este expresia matematică a legii ariilor. De fapt, Kepler a descoperit-o pe aceasta înaintea primei legi.

Cea de-a doua lege a lui Kepler utilizând coordonate rectangulare poate fii scrisă:

c se numeşte constanta de arie.

A treia lege: Cuburile axelor semimajore ale orbitelor planetare sunt proporţionale cu pătratele perioadelor de revoluţie a planetei, sau

Timpul de revoluţie al unui satelit la pătrat este proporţional cu semiaxa mare a elipsei la puterea a treia.

Într-o formulare matematică, aceasta înseamnă că pentru planete P i diferite, cu perioade de revoluţie Ui, mişcările medii

Această lege a fost descoperită de Kepler în mod empiric pentru că aproximează foarte bine mişcarea planetelor mari. De obicei se foloseşte o relaţie mai generală:

(M+m)

sau

20

Page 21: (00)GEODEZIE SATELITARA

Unde k este o constantă universală şi M, m sunt masele respective. Folosind această relaţie este posibilă determinarea maselor corpurilor cereşti.

Legile lui Kepler descriu cea mai simplă mişcare a corpurilor cereşti, presupunând că nu sunt prezente forţe externe perturbatoare şi că masele respective pot fi considerate puncte materiale sau corpuri omogene cu distribuţie sferică a masei. Pentru mişcarea unui satelit artificial al Pământului, aceste presupuneri sunt valabile doar într-o primă aproximare. În consecinţă, orbitele kepleriene pot fi folosite doar ca o simplă orbită de referinţă şi ele oferă doar informaţii calitative asupra tipului de mişcare. Însuşi Kepler era convins că cele trei legi empiric descoperite vor fi urmate de o lege mai generală. Această lege mai generală a fost formulată de Isaac Newton (1643-1727) sub forma legii gravitaţiei.

SUBIECT 31

3.1.3 PARAMETRII ORBITEI KEPLERIENE

Mişcarea unui corp ceresc în jurul corpului său central, guvernată de gravitaţia reciprocă are 6 parametri independenţi. De obicei sunt folosiţi cei 6 parametri orbitali keplerieni (fig. 3.4).

Figura 3.4. Parametrii keplerieni orbitali

a semiaxa maree excentricitatea numericăi înclinarea orbitei ascensia dreaptă a nodului ascendent variabila perigeuluiv anomalia reală

În această situaţie, conform figurii 3.4, vom definii:- nodul ascendent: acel punct al elipsei orbitale în care satelitul traversează de la Sud la Nord

planul ecuatorial;

21

Page 22: (00)GEODEZIE SATELITARA

- ascensia dreaptă a nodului ascendent Ω: unghiul dintre axa X a sistemului de coordonate astronomic şi linia care uneşte geocentrul cu nodul ascendent;

- argumentul Perigeului ω: unghiul KOPe;- înclinarea orbitei i: este unghiul dintre planul ecuatorial şi planul elipsei orbitale;- argumentul latitudinii u: este argumentul Perigeului la care se adaugă anomalia adevărată:

u = ω + υDin forma geometrică a elipsei pot fi deduse următoarele relaţii:- suprafaţa elipsei:

S = π a b- suprafaţa în sectorul de elipsă OPeS:

- raza vectoare:

Coordonatele satelitului în plan orbital:a) în sistemul de coordonate al Perigeului, figura 3. 1:

- originea axelor de coordonate: geocentrul;- X – axa (XPe): dreapta „Geocentru – Perigeu”;- Y – axa (YPe): rotirea axei X cu 90o în sens antiorar

b) în sistemul de coordonate al nodului ascendent - originea axelor de coordonate: geocentru;- X – axa XNOD – dreapta „Geocentru – Nod ascendent”;- Y – axa YNOD – rotirea axei X cu 90o în sens antiorar;

Ecuaţiile prezentate aici se bazează exclusiv pe situaţia că planul orbital este o elipsă, adică respectă prima lege a lui Kepler.

Consideraţiile prezentate până aici pot fi rezumate astfel:Pentru stabilirea poziţiei unui plan orbital într-un sistem de coordonate spaţial fix sunt necesari

parametrii geometrici ai elipsei orbitale şi poziţia acesteia în spaţiu. De regulă sunt daţi următorii parametrii:

- pentru definirea geometriei elipsei:- semiaxa mare a;- excentricitatea numerică e;

- pentru definirea poziţiei elipsei în spaţiu:- Ω – ascensia dreaptă a nodului ascendent;- ω – argumentul Perigeului;- i – înclinarea planului orbital;

Pentru descrierea poziţiei satelitului în plan orbital la momentul „t” este necesar un parametru suplimentar: în general este dată anomalia medie a satelitului.

22

Page 23: (00)GEODEZIE SATELITARA

Ecuaţiile prezentate aici pentru calcularea poziţiei satelitului cu ajutorul acestor parametrii, sunt valabile pentru cazul unui corp central care este acceptat ca o sferă omogenă sau o sferă cu suprafeţe sferice concentrice cu densitate constantă. În această situaţie avem un câmp gravitaţional sferic şi simetric. Întrucât acest lucru nu se întâmplă în cazul Pământului, relaţiile de mai sus sunt îndeplinite numai aproximativ, respectiv orbitele sateliţilor aproximează doar o elipsă.

Parametrii orbitei Kepleriene:

Parametru Notaţia

ΩiωaeT0

Ascensia dreaptă a nodului ascendentÎnclinaţia planului orbitalArgumentul perigeuluiSemiaxa mare a elipsei orbitaleExcentricitatea numerică a elipseiTimpul trecerii la Perigeu

Ecuaţia de mişcare a satelitului a fost derivată presupunând că sunt prezente doar forţe gravitaţionale, că masa satelitului poate fi neglijată şi că masa centrală poate fi considerată ca un punct material. Această presupunere nu e corectă, structura neomogenă a Pământului influenţează mişcarea sateliţilor din apropierea Pământului. Ca o consecinţă, orbita kepleriană poate fi considerată doar o primă aproximare a orbitei reale de satelit.

SUBIECT 32

MIŞCAREA PERTURBATĂ A SATELITULUI

Până acum s-a considerat mişcarea unui satelit de masă neglijabilă sub influenţa principalei forţe gravitaţionale a unui punct material M.

În realitate, asupra sateliţilor acţionează un anumit număr de forţe suplimentare. Pentru a le distinge de forţa principală (acceleraţia corpului principal),pe acestea le numim forţe perturbatoare. Satelitul trece prin accelerări suplimentare din cauza acestor forţe ce pot fi combinate într-un vector rezultant de perturbare ks.

Forţele perturbatoare sunt responsabile în special pentru:

23

Page 24: (00)GEODEZIE SATELITARA

1. Acceleraţiile datorate distribuţiei masei nesferice şi neomogene din interiorul Pământului (corp principal), .

2. Acceleraţiile datorate altor corpuri cereşti (Soare, Lună şi planete), în special , .

3. Acceleraţiile datorate mareelor Pământului şi oceanelor, , .

4. Acceleraţiile datorate încetinirii atmosferice, .

5. Acceleraţiile datorate presiunii radiaţiei solare şi reflectate de Pământ, , .Forţele perturbatoare ce determină 1, 2 şi 3 sunt de natură gravitaţională; celelalte sunt

negravitaţionale. Totalul este:

ks= + + + + + + +

33. Concepte de baza in geodezia satelitara Aspectul geometric (imiplica pozitionarea si ) Aspectul dynamic (imiplica campul gravitational al Pamantului)

rj = ri + Δrij•r rj - vector de pozitie geocentrica a satelituluiri – vector de pozitie geocentrica a receptoruluiΔrij – distanta receptor-satelitr – vector unitate de legatura intre receptor-satelit

Observabile si concepte de baza- statie-satelit- satelit-statie- satelit-satelit

Terminologie pozitionare: implica cunoasterea vectorilor rj

determinarea orbidei: implica cunoasterea vectorilor ri

Vectorul de pozitie al satelitului depinde de timp in contextul ca: satelitii orbiteaza in jurul Pamantului descriind orbite proprii

24

Si

rj

ri

Δrij

Bi

geocentru

Page 25: (00)GEODEZIE SATELITARA

sistemul spatial fie are o miscare de rotatie in raport cu sistemul terestruVectorul de pozitie al receptorului

poate fi constanta → static poate fi variabil → cinematic (functie de timp)

34. GPS. IntroducereGPS = sistem operational in orice context al conditiilor atmosferice bazat pe observatii spatiale

preluate de la sateliti artificiali care orbiteaza in jurul Pamantului- evolutia a fost dirijata de DOD (Deportment of Defence) SUA

Perspective de utilizare- taxa primara: scopuri militare- ulterior, scopuri civile

1973 – conceptia unui sistem de pozitionare bazat pe sateliti care sa permita navigatia unui obiect oarecare ce se afla in miscare sau repaus (cu rezultat in timp real)

1974-1978 - validarea concept1973-1992 – dezvoltare si testare1992 – capaciate operationala deplinaCaracteristici generale (pentru proiectare sitemului)

- orbite satelitare inalte 20-200 Km- orbite satelitare inclinate 55°- repartizarea uniforma a satelitilor pe orbite 6 pl x 4 sateliti- orbite satelitare simetrice

Avantaje- nu necesita vizibilitate intre receptoare- precizia nu este afectata de conditiile meteo- productivitate ridicata- date obtinute in format digital in timp real

35. GPS. Segmentul Spatial Satelitii NAVSTAR GPS transmit semnale sincronizate pe doua frecvente purtatoare, parametrii

de pozitie ai satelitilor si informatiile aditionale (starea satelitilor)Constelatia de sateliti (24) garanteaza vizibilitatea simultana spre cel putin 4 sateliti din orice

punct de pe glob, iar daca satelitul este in dreptul zenitului observatorului atunci el va fi vizibil 5hSateliti blocu I sateliti de dezvoltare II F (fallowar) noua generatieblocul II-II A sateliti de productieblocul II R – sateliti de completare

1 ianuarie 2003 → 20 sateliti operationali (20-200 Km durata rezolutiei 11h58min)Satelit → emitator

→ ceasuri atomice→ computere→ echipamenteauxiliare

- genereaza doua frecvente purtatoare de banda LL1 = 154 x 10.23 MHz = 1575.42 MHz λ=19 cmL2 = 120x10.23 MHz = 1227.60 MHz λ=24.4 cm

- sunt identificati dupa numere si cod propriuP pentru L1 si L2

C/A pentru L1

- capacitate: - corelatia de ceas (corectia de timp) - calculeaza efemeridele - capacitatea de a masura distanta dintre sateliti

36. GPS. Segmentul de controlAre urmatoarele functii

25

Page 26: (00)GEODEZIE SATELITARA

1. monitorizeaza si controleaza sistemul de satelit2. determina timpul sistemului de satelit3. anticipeaza efemeridele de satelit4. actualizeaza periodic mesajul de navigatie5. comanda mici manevre de mentinere a satelitului pe orbita sau inlocuirea satelituluiMCS (Master Control Station) Colorado Spring USAStatia principala de controlExista 6 statii de monitorizare amplasate in jurul lumiiAcestea au fost pozitionate in system de coordinate WGS 84 cu masuratori Doppler (TRANSIT),

acoperind omogen cele 2 emisfere

37. GPS. Principiul observarii si structura semnaluluiRecepetorul GPS masoara timpul necesar unui semnal pentru a se propaga de la satelit la receptor.

P=II C (distanta = intarzierea dintre codul general receptionat de viteza luminii)- observabila principala este timpul- masuratorile pe distante sunt denumite pseudodistante

In principiu masuratorile simultane de distante spre 3 sateliti asigura suficiente informatii pentru determinarea pozitiei fixe in 3D dar timpul apare in eroarea ceasului receptorului => (x, y, z, Δt) → cel putin 4 sateliti, 4 pseudodirectii.

Semnalul satelitar este controlat in permanenta in ceasurile atomice, genereaza o frecventa fundamentala in banda L

L1 = 1575.42 MHzL2 =1227.60 MHz

Codul P → disponibil pe L1 si L2

→ Frecventa de 10.23 MHz → lungime de unda 30 m → perioana: 266 zile

Codul C/A → disponibil pe L1 si L2

→ Frecventa de 1.023 MHz → lungime de unda 300 m → perioana: 1 ms

Frecventa mesajului de date: 50 bpsLungimea unui ciclu a unui mesaj de date: 305

38. GPS. Determinarea si reprezentarea orbiteiDeterminarea orbitei reprezinta operatia inversa navigatiei (pozitionarii). Vectorii de pozitie ai

statiilor terestre sunt dati de cuatia de baza a observatiei, deoarece vectorii de pozitie (si viteza) ai satelitilor se presupun a fi determinati la epoci diferite.

Exista retele de urmarire (segmental de control GPS), regionale active de control, care dau informatii referitoare la orbitele satelitilor (efemeride)

- paramatrii orbitei precalaculati- se bazeaza pe transmiterea semnalului prin satelit- efemeride transmise- efemeride precise

Reprezentarea orbiteiSe porneste de la ecuatia unei elipse in coordinate polare (r, υ)

vectori de pozitie

26

Page 27: (00)GEODEZIE SATELITARA

Se poate obtine reprezentarea in sistem ecuatorial spatial fixeR=Rr R=R3(-Ω) R1(-i)R3(-ω)e’R=Rr’-

== [e11•e21•e31]

Vectorii coloana R reprezinta axele sistemului orbital de coordinate in sistemul ecuatorial spatialRelatia diferentiala deR=Rdr are:

- o componenta longitudinala- o componenta radicala- o componenta transversala

40. GPS. Dezvoltarea sistemuluiSistemul GPS a inceput sa fie folosit in tehnici geodezice, aceasta cu finalizarea blocului I de

sateliti. Incepand cu ora 90° s-au inlocuit satelitii din blocul I cu blocul II, in 1995 existand 28 de sateliti pe orbita. Apoi s-a pus blocul II A avand capacitatea de comunicare satelit-satelit.

Din anul 2007 s-a introdus blocul II F. II, II A ceasuri oscilatoare cu celsiu, rubidium, cuartStabilitate a frecventeiSatelitii din noua generatie vor fi capabili sa transmita (in banda de frecvanta L1, L5) o noua

lungime de unda (L2C semnal civil) si un nou codL2C va fi exclusive pentru utilizatorii civili

41. GPS. Segmentul utilizatorilorSegmentul utilizatorilor include diferite tipuri de receptoare si echipament periferic, necesare

pentru operatia de teren ale receptoarelor GPS si pentru prelucrarea datelor cu programul de postprocesare.Un receptor GPS detecteaza semnalele emise de un satelit GPS si le transforma in masuratori utile.Receptoarele cuprind:

- receptorul GPS propriu zis - antenna (platforma antenei, preamplificata)- cablu conector- aparatori impotriva semnalelor detectate- cabluri, baterie- bastoane de masurare a inaltimii antenei

42. GPS. Segmentul utilizatorilor. Receptoarele geodeziceComponetele receptorului

1) antenna2) sectiunea de radio frecventa3) urmaritor de semnal

27

Page 28: (00)GEODEZIE SATELITARA

4) oscilator5) microprocesor pentru determinarea si prelungirea datelor6) memorie de date7) sursa de curent8) interfata

Antena = capteaza semnalul si il transmite receptorului Trebuie sa fie foarte sensibila sis a asigure o stabilitate a semnalelor reflectate. Exista mai multe

tipuri (cea mai noua Choke Rings)Fiecarui semnal i se aloca un canal, in receptor se identifica fiecare satelit care are alocat un canal.Microprocesorul = realizeaza o procesare a semnalului si il decodificaMemoria de date = poate fi internaAlimentarea cu energie = baterie, accumulatorInterfata (modul de comandare) = tastaturi, calculatoare moderne cu multe functiiClasificare

procesare de semnal- dependente de cod - fata de cod- semidependente de cod cod C/A L – faza purtatoare

cod C/A L1 C/A, P - coduricod C/A L1+L2

cod C/A - P L1+L2

civilemilitaregeodezicenavigatiespatialecornometrarede mana

ex: Trimble, Ashtec, Leica, Topcon 3213

lungime completa de unda L2

bruiaj scazut de cod si faza purtatoarerata inalta a datelordiminuare multipathhard modulatorafisaj bun

iesire de date pe joasa frecvanta cat mai putine cabluri/mufemarcator evenimentcapacitate DGPS, RTKtransfer rapid de dateoperare in conditii atmosferice deosebiteflexibilitatea utilizarii

43. Tendinte in dezvoltarea receptoarelorNoile receptoare trebuie sa fie capabile sad ea L1, L2, L5 si L2C. Sa receptioneze si prelucreze de la

sateliti GLONASS in system European Galileo.Trebuie sa se faca o legatura mai directa intre receptoare si celelalte aparate topografice (statii

totale →Leica 1200)

28

Page 29: (00)GEODEZIE SATELITARA

44. Formatul RinexTeoretic se poate lucra in cadrul aceleasi sesiuni cu receptoare diferite, practic este mai greu, de

aceea s-a incercat o standardizare.RINEX = Receiver Independent Exchange Format

- format capabil sa preia o lucrare efectuata cu mai multe tipuri de receptoare- formatul RINEX are 3 tipuri de a) de date de observatiib) de navigatiec) de date meteo

46. Metode de pozitionare cu ajutorul tehnologiei GPSPozitionarea relativeDeterminarea pozitiilor obiectelor mobile sau statice in raport cu un alt punct ce reprezinta

originea unui system de coordonate locale diferit de geocentru si stabilit in functie de scopul urmarit.Este mai simpla ca pozitionare absoluta, mai ales daca intre cele doua puncte exista vizibilitate.Presupunem pozitia R1 a punctului P1 cunoscuta

Vectorul ΔR12 (Δx, Δy, Δz) determinata- R2 = R1 + ΔR12

- R2 trebuie transformat in acelasi system de coordonate ca R1

- ΔR12 = R(ωx, ωy, ωz)ΔR12

- R (matricea de rotatie)- ωx, ωy, ωz (unghiuri formate de axele celor 2 sisteme)- ΔR12 , R2 functii ale timpului

Pozitionarea absolutaDeterminarea pozitiilor obiectelor mobile sau staticea in

raport cu un sistem tridimensional de coordinate geocentric.

Ri – vector de pozitie al anteneiρi

v – vector de pozitie al satelituluiei

v x ρiv –vectorul distantei satelit – antenna

In functie de starea obiectului cetrebuie pozitionat avem:

- pozitionare statica- pozitionare cinematica

29

R

P2

P1

y

z

x

ΔxΔz

Δy

r1

Eiv x ρi

v

masurat

Ri

cunoscutantena

necunoscut

Satelit

Page 30: (00)GEODEZIE SATELITARA

47. Marimi observabile. Faza de cod si faza purtatoare

PR = C•(tr-Tt) – pseudodistanteTt - epoca transmisieitr – receptorΦcd(Tt) – faze de coddts = eroarea cronometrului de satelit fata de timpul sistemului GPSdtu = eroarea de sincronizare a cronometruluidta = intarzierea atmosferica a propagarii atmosfericeεR = bruiajul observatieiR = distanta geometrica

Ecuatia observatiei pentru masuratori de cod:PRco = C•(tr-Tt) = R+cdtu+cdta+cdts+ εRDistanta geometrica R dintre receptorul B si satelitul SR2=(xs(Tt)-xB(tt))2+(ys(Tt)-yB(tr))2+(zs(Tt)-zB(tr)2

- diferenta dintre faza transmisia a undei purtatoare sub effect DopplerφΩ(Tt)- faza semnalului de referinta Φ0(tr)- ecuatia fazei observate: φm(tr)= φΩ(Tt)- Φ0(tr)PRco=R+cdtu+cdta+cdts+c(N/φΩ)+ εRdtu, dts – paraetrii de cronometruN – termenul ambiguitatii

48. Estimarea parametrilor. Combinatiile liniare si observabile derivate

Combinatii- intre observatii la staii diferite

la sateliti diferiti la epoci diferite

- intre observatii de acelasi tip- intre observatii de tip diferit

Avantaje: eliminarea erorii de timpSD (single diference) – intre doua receptoare se elimina erorile de ceas

30

← Φcd(Tt) →

← Φcd(Tt) →

tRCV

masuratori ale fazei de cod

← Φcd(Tt) →

Φcd(Tt)

N•360°

tRCV

masuratori ale fazei de purtatoare

Page 31: (00)GEODEZIE SATELITARA

DD (double diference) – masuratori a doua receptoare la doi sateliti

TD (triple diference) – receptor, satelit, timp, diferentierea a doua distante duble la doua epoci diferite.Intre cele doua faze pot fi effectuate combinatii care ne ajuta la construirea modelelor de ionosfera

wide lane: L0=L1-L2

narrow lane: Lε=L1+L2

Care mai departe po fi combinate

ionospheric free signal lungimea semnaluluiionosferic

31

Page 32: (00)GEODEZIE SATELITARA

49. Strtegii de compensare si concepte de programToate observatiile facute simultan si continuu in cursul unui proiect GPS se numeste sesiune.Strategii:

calculul pe statie unica procesarea vectorilor singulari (baselines) si combinarea vectorilor in retele procesarea tuturor datelor unei singure sesiuni care au fost observate simultan intr-o

compensare de ansamblu combinarea mai multor sesiuni intr-o solutie riguroasa de retea (multisesiune)

Compensarea cu statie unica furnizeaza coordinate WGS 84 (precizie mai scazuta); baselines individuali (pozitionare relative Δx, Δy, Δz). In cazul mai multor receptoare nu toti vectorii sunt folositi ca independenti.

r = numarul de receptoare operate simultanr(r-1)/2 = numarul de vectori posibilir-1 = numarul de vectori independenti

compensarea multistation, multisessionse face in cazul retelelor de mari dimensiuni. Se iau doua puncte fixe pentru inchiderea sesiunilor conectate intre ele.

Propagarea de prelucrare GPS comerciale: Sky-Pro (Leica Geosystems)

TGO (Trimble Geometrics Office) Pinnacte-Javad (Topcon Pozitioning Systems)

cu roluri stiintifice in cercetare Bernese (University of Berne, Elvetia) Geonap (University of Harooven, Germania)

50. Concepte de metode rapide GPS. GeneralitatiMetode:

- metode statice rapide- metode semi kinematice (stop & go)- metode pur kinematiceKinematic = receptorul inregistreaza masuratori in timp ce este in miscare, iar coordonatele traiectoriei pot fi determinate.Static = receptorul este inchis in timpul transportului, iar coordonatele pot fi determinate doar cand antenna stationeaza.Stop&go = receptorul ramane inchis pe parcursul transportului, dar coordonatele nu sunt derivate din traiectorie

Metoda statica are rezultate mai precise

51. Metode statice rapideMetoda statica este cea mai frecventa metoda de masurare GPS. In cadrul acesteia receptoarele

supa punctele de statie pentru intervale de timp (sesiuni) cu durata de 45 minute → zile in functie de lungimea bazei.

a) metoda static rapida cu ocuparea unei singure statii;b) metoda static rapida cu reocuparea statiei dupa un timp;

Stabilirea ambiguitatii: combinatii cod-unda purtatoare cu dubla frecventa si receptoare; observatii cu mai mult de 6 sateliti.

52. Metode kinematice (stop&go sau dinamic)Vectorii dintre doua receptoare (care se pot afla in miscare relative) pot fi determinati précis si

rapid daca fiecare receptor receptioneaza continuu faza purtatoare de la cel putin aceiasi 4 sateliti.Se poate face un transfer al ambiguitatii de la o statie la cealalta de la cea principala la cea mobile.

32

r1

r3

r2d

li

Page 33: (00)GEODEZIE SATELITARA

- determinarea unei linii de baza de pornire cu o masuratoare anterioara- determinarea unui vector de lungime cunoscuta- schimbarea antenei

53. Metoda pur kinematicaIndependenta de tehnici de initializare

54. Erori si corectii in Geodezia Satelitara. Consideratii de bazaErorile apar datorita ca:

- sistemul de referinta geocentric nu este un system inertial- mecanica lui Newton nu este strict aplicata- semnalele nu se propaga in vid

De aceea trebuie sa modelam, corectam coordonatele, cronometrul de satelit si observatiile prentru:

- rotatia Pamantului- efectele relativiste- efecte de propagare ionosferica si troposferica

Corectiile pot fi necesare pentru:- modelarea unei orbite imperfecte- intarzieri de propagare a semnalului in interiorul satelitului si in hardul acestuia- efectele traiectoriale multiple

- nr de sateliti: almanac - inclinare semnal: >15°

- multipath - PDOP

55. Geometria de satelitAcuratetea pozitionarii GIS depinde de:

Acuratetea unei singure determinari de seudodistante Configuratia geometriei de satelit

Difusion of precision DCP este relatia intre orientari si este descrisa de o cantitate scalara DOPPDOP=1/V PDOP = abaterea standard ……. a pozitieiV = volumul prismului format de statie si satelitiPDOP bun 1-5 cu cat V →max precizia este mai marePDOP rau peste 7 → indicator de calitate al geometriei satelitilor

56. MultipathEste fenomenul in care antenna capteaza si un semnal reflectat care provine de la obstacole.Se poate corecta prin:

amplasarea in locatii corespunzatoare proiectarea receptoarelor si programarea soft calibrarea statiei

Planificarea observatiilor: selectarea pozitiilor punctelor, evitarea suprafetelor reflectorizante utilizarea planului antenei pe teren desfasurarea materialului absorbant pe teren

57. Alunecarile de cicluMotive:

- bariere in calea semnalului- oscilatia ionosferica - elevatia mica a satelitului

33

sursa de eroare erori de distanta

propagarea semnalului in ionosfera

orbitacronometru

satelit 1-2 m1-2 m

5-10 m

dependente de observatii

Page 34: (00)GEODEZIE SATELITARA

- inclinatia antenei- interferenta semnalului

Are o influenta majora in masuratorile kinematice cere reinitializare:- statie in punctual anterior- punct initial

58. Variatia centrului de faza al anteneiCentrul de faza al antenei nu coincide cu punctul mecanic. Diferentele dintre punctual mecanic si

cel de referinta calculate prin softuri poate fi o sursa de erori, de aceea se recomanda in masuratorile de precizie sa se opereze cu acelasi tip de antenna.

59. Alte surse de eroari associate sistemului de receptie variatia centrului de faza al antenei bruiajul receptorului nesincronizarea canalelor instabilitatea receptorului

Precizia realizabila depinde de:- operarea cu mai multe tipuri de receptoare- date de frecventa (dubla/unica)- bruiajul receptorului- pozitionarea statica/kinematica- rezultate in timp real sau postprocesare- acuratetea orbitelor utilizate - dimensiunile modelarii datelor- integritatea sistemului

60. GPS diferentialPozitionarea absoluta nu ofera o precizie foarte mare in timp ce pozitionarea relative este mai

exacta.Def:Datele inregistrate la una sau mai multe statii de referinta sunt transmise in tijmp real la utilizatori

care au posibilitatea de a le prelucra in timp real.2 conceptii:

DGPS – Corectiile de la o statie de referinta (de pseudodistante, de coordonate) sunt transmise in timp real utilizatorilor capabili sa se prelucreze

ΔA → rover

Real time kinematic RTK

61. Stabilitatea unui plan de observarePreplanificare

are drept scop: definirea cerintelor proiectului estimarea preciziei selectarea pozitiilor amplasamentelor, a tehnicilor de observare, a tipului de receptor folositI - bolta cereasca neobstructionata - inexistenta suprafetelor reflectorizante in apropierea antenei

34

dependente de receptor

Page 35: (00)GEODEZIE SATELITARA

- inexistenta in apropiere a instalatiilor electrice - accesibilitatea usoara la puncteII - marcaje nedistruse - furnizare de energie posibila - puncte inafara proprietatii private

Datele almanac (satelitii disponibili)1. numarul de identificare2. stare de sanatate3. excentricitatea orbitei4. radacina patrata a sintaxei5. saptamana GPS6. corectii de timpDiagrame - predirectie valabila aproximativ 30 zile

- unele softuri au diagrame cu obstacoleLungimea ecesara (durata) observatiei depinde de

- scopul masurarii- tipul instrumentului- capacitatea softului

62. Aspecte practice si observatii de terenObservatiile trebuie facute pe baza unei fise, in cadrul unui proiect de observatie. Amplasarea

punctelor se face tinand cont de sursele de erori ce pot intervene, in special multipath.Fisa de observatie contine

numele statiei si cadrul de identificare descrierea amplsamentului coordonatele aproximative si inaltimea accesibilitatea inaltimea antenei semne/repere de orientare diagrama obstructiilor

Miscarea punctelor GPS trebuie facuta cu atentie. Alimentarea cu energie nu mai constituie o problema in munca practica pe teren.

Operatorul trebuie sa fie capabil sa:- menteze cu grija trepiedul pe reperul de statie - masoare cu atentie inaltimea aparatului- sa controleze cu atentie inaltimea antenei- sa controleze cu atentie functionalitatea receptorului- sa lucreze conform graficului de timp dat- sa completeze fisa punctului- sa masoare date suplimentare daca se cere (meteo, elemente excentrice)

Datele GPS sunt stocate pe carduri/memoria internaTrebuie avut in vedere ca datele GIS au dimensiuni mari.

63. Strategii de observare conceptul pozitionarii punctiforme (receptor mic) ceonceptul baseline (linia de baza) (observatiile relative la doua statii) conceptual multistation (3 sau mai multe receptoare operand simultan)

35

Page 36: (00)GEODEZIE SATELITARA

Totalitatea observatiilor efectuate simultan intr-o perioda de timp data in cadrul unui proiect = sesiune

Retea multisession:r = numarul de receptoare ce opereaza simultann = numarul de statiim = numarul de statii cu mai mult de o observatie in 2 sesiuni diferiteS = numarul de sesiuni r(r-1)/2 = numarul de linii de baza posibile/sesiuner-1 = numarul de linii de baza independente/sesiune

= numarul de sesiuni necesare intr-o retea

Reguli practice: fiecare statie trebuie sa fie ocupata cel putin de doua ori in diferite conditii pentru a

identifica greselile statiile invecinate trebuie sa fie ocupate simultan utilizarea a mai mult de 4 receptoare este dificila pentru proiecte medii, 4-10 receptoare bun compromise anumiti vectori se fie observati de doua sau mai multe ori

64. Aplicatii posibile GPS- topografie- geodinamica- determinarea de altitudini- fotogrametrie- navigatie marina si terestra- geodezie marina si glaciala

In navigatie GPS impreuna cu harta faciliteaza navigatia. Aplicatie majora: determinarea unor puncte cu precizie, camera fotogrametrica de la bordul avioanelor are antenna GPS ce receptioneaza corectii in timp real.

GPS-ul utilizat in reperajul fotogrametrie

65. Determinarea coteiCoordonatele sunt obtinute initial intr-un system geocentric. Cotele sunt raportate la geoid = cote

ortometrice H cota naturalaN = raportata la cvasigeoidH = cota elipsoidalaN ondulatia geoidului

Este nevoie de un model de geoid construit prin masuratori gravimetrice astfel incat in orice punct sa se poata determina diferenta dintre geoid si ellipsoid.

h = N+HDaca sunt cunoscute doua tipuri de informatii, cel de-al treilea poate fi determinat:

36

hH

NG

E

P

Page 37: (00)GEODEZIE SATELITARA

- cu inaltimile geoidale precise, inaltimile ortometrice/normale pot fi derivate de la GPS pentru a controla sau inlocui nivela

- cu informatii precise de nivel si inaltimi elipsoidale, de la GPS, poate fi determinat geoidul.

66. GlonassDezvoltarea sistemului GLONASS a inceput aproximativ in aceeasi perioda cu sistemul satelitar

NAVSTAR. Primul satelit GLONASS a lansat in 1972. Dupa 1982 conceptia sistemului a fost de mai multe ori relevata si imbunatatita, avand ca rezultat o precizie sporita a pozitionarii pentru navigatie si o incredere ridicata in aparatura de la bordul satelitilor (cu o perioada de 7 ani de functionare). In 1993 sistemul GLONASS (URSS) asemanator GPS este dat liber pentru utilizatorii civili (rezolvarea problemelor de navigare activitatea parametrilor de rotatie a Pamantului)

Orbite inclinate 45 rezolutia 11h 15min 44s h = 19100 Km- semnal pe doua benzi in banda b- data geodezica PZ 90- semnal neconditionat, negradat- inaltimea mai joasa a satelitilor decat NAVSTAR rezultan erori semnificative la intrarea

semnalului in atmosfera

67. Sporirea eficacitatii sistemului GPSSisteme aflate sub control militar si nu indeplinesc cerinte pentru navigatie. Pentru sporirea

eficacitatii au fost implementate sisteme complementare de sateliti.WASS (USA) EGNOS (EU)Exista statii permanente de coordinate cunoscute pe teritoriul europei, coordinate transmise la

sateliti geostationari care la randul lor vor trimite corectii ale efemeridelor utilizatorilor. Satelitii geostationary INMARSAT.

68. Galileo- sistem european de navigatie prin satelit- 2013 lansarea primilor sateliti- preconizat sa aiba 30 sateliti pe 3 orbite circulare- 2 centre de control 30 statii de monitorizare

Servicii speciale ale sistemului GalileoStructura semnalului: se preconizeaza E1, L2, E2, E5

- sistem civilO evaluare combinata a datelor GPS/GLONASS are o serie de avantaje.

37