Czy wybór systemu GNSS w pozycjonowaniu ma znaczenie?

Globalne systemy nawigacji satelitarnej (GNSS) są powszechnie stosowane do monitorowania zjawisk zachodzących na naszej planecie. Do tego celu najczęściej wykorzystujemy obserwacje zmian pozycji odbiorników naziemnych, wyznaczanych na podstawie obserwacji satelitów nawigacyjnych. Amerykański system GNSS, nazwany Global Positioning System (GPS), odgrywa kluczową rolę i nieustannie jest najczęściej wykorzystywany przez użytkowników.

Błędy w pozycjonowaniu GNSS
Jednakże obserwowane czasowe zmiany współrzędnych stacji naziemnych uzyskane z wykorzystaniem obserwacji GPS są wypadkową realnych zjawisk i procesów naturalnych, np. geofizycznych, geomorfologicznych czy też antropogenicznych oraz błędów systematycznych systemu GPS. Pojawia się więc pytanie, w jaki sposób odseparować błędy techniki GPS od zmian, które faktycznie chcemy zaobserwować, np. przemieszczenia stacji wywołane pływami oceanicznymi?
W ostatniej dekadzie obserwujemy dynamiczne zmiany w sektorze nawigacji satelitarnej w związku z rozwojem europejskiego Galileo, rosyjskiego GLONASS oraz chińskiego BeiDou. Systemy te różnią się między sobą budową satelitów, częstotliwościami sygnałów oraz parametrami orbit. Mnogość systemów nawigacyjnych pozwoliła na ocenę niezgodności wynikających z zastosowania różnych konstelacji i uwypukliła konsekwencje zastosowania poszczególnych systemów GNSS, oraz łączenia obserwacji z różnych systemów, tworząc tzw. rozwiązania multi-GNSS.

Przyczyny różnic GPS, GLONASS i Galileo leżą po stronie orbit
W artykule niedawno opublikowanym na łamach czasopisma naukowego „Journal of Geophysical Research: Solid Earth” naukowcy z Instytutu Geodezji i Geoinformatyki Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu przedstawili różnice we współrzędnych stacji GNSS wyznaczonych z wykorzystaniem systemów GPS, GLONASS i Galileo. Pokazali, że każdy z systemów wprowadza istotne zmiany do mierzonych współrzędnych, sięgające poziomu kilku centymetrów. Naukowcy po raz pierwszy opisali i szczegółowo scharakteryzowali specjalną grupę sygnałów specyficznych dla każdego systemu GNSS oraz nazwali ją grupą artefaktów orbitalnych. Obecność tzw. artefaktów orbitalnych wykazano na podstawie analizy 2-letniej serii współrzędnych piętnastu globalnie rozmieszczonych stacji i parametrów opóźnienia troposferycznego, wykorzystując technikę absolutnego pozycjonowania Precise Point Positioning (PPP).

GPS generuje błędy powtarzające się regularnie co 12 h
Najbardziej dominujące artefakty orbitalne dla Galileo pojawiają się z okresami 14,08 h, 17,09 h, 34,20 h, 2,49 d, ∼3,4 d. Analogiczne sygnały dla GLONASS pojawiają się z okresami 5,63 h, 7,36 h, 10,64 h, 21,26 h, 3,99 d, ∼8 d. Sygnały orbitalne GPS pojawiają się we współrzędnych stacji z okresami odpowiadającymi okresowi obiegu satelitów, co pokrywa się z harmonikami pływu solarnego K1 (23,93 h), powodując niezgodność analiz opartych na GPS z modelami geofizycznymi pływów oceanicznych sięgającą średnio 12 mm dla pływu K2 (12,97 h) w składowej wysokościowej współrzędnych stacji.
Jak zauważono, wiele z przedstawionych sygnałów pojawia się z okresami kilku godzin. W efekcie generowanie rozwiązań dobowych na podstawie danych GNSS o wysokiej częstotliwości (5 minut) prowadzi do zniekształcenia sygnału wynikającego z niespełnienia założeń twierdzenia o próbkowaniu. Zniekształcenie objawia się nieprawidłową interpretacją sygnałów długookresowych (tzw. aliasing) np. sygnału półrocznego i rocznego.

Galileo zawiera mniej błędów niż GPS i GLONASS
Galileo jest mniej podatny na występowanie sygnałów orbitalnych niż GPS czy GLONASS. Różnica ta jest widoczna głównie dla współrzędnej wschodniej. Wyznaczanie dobowych zmian współrzędnych oparte wyłącznie na systemie Galileo jest nawet o 55% i 36% lepsze niż z systemów GLONASS i GPS.
Dodatkowo amplituda sygnałów orbitalnych jest różna dla różnych lokalizacji stacji i zależy od geometrii obserwacji GNSS oraz dominującego kierunku przelotów satelitów. Na przykład ze względu na duże nachylenie płaszczyzn orbitalnych satelitów GLONASS (~65°) stacje zlokalizowane w niskich szerokościach geograficznych obserwują głównie przeloty satelitów w kierunku północ-południe, przez co estymowana wschodnia składowa współrzędnych z GLONASS jest w większym stopniu podatna na artefakty orbitalne niż w przypadku systemów GPS i Galileo.

Najlepsza kombinacja: Galileo + GPS
Zastosowanie kombinacji GPS i Galileo zwiększa precyzję wyznaczenia współrzędnych stacji o 10% w porównaniu z najlepszym rozwiązaniem opartym wyłącznie na Galileo. Rozwiązanie GPS + GLONASS + Galileo daje podobną skalę poprawy jak kombinacja GPS + Galileo, dlatego też dodanie samego systemu Galileo ma większy wpływ niż ewentualny wpływ systemu GLONASS. Jednak istotną zaletą GLONASS, w porównaniu do GPS i Galileo, jest nachylenie orbity będące o około dziesięć stopni większe niż w przypadku dwóch pozostałych systemów. Cecha ta jest niezbędna w rejonach o dużej wysokości geograficznej, gdzie sygnały GLONASS mogą być śledzone przez znacznie dłuższy czas i przy wyższych kątach nad horyzontem. Użytkownik powinien dobrać zestaw konstelacji GNSS do swoich potrzeb.
W celu zrozumienia subtelnych procesów geofizycznych zachodzących w systemie ziemskim należy oddzielić sygnały błędne od tych, które wynikają ze zjawisk geofizycznych i opracować mechanizmy łagodzące je podczas tworzenia szeregów czasowych opartych na GNSS.

Więcej można przeczytać w artykule: Zajdel, R., Kaźmierski, K., & Sośnica, K. (2022); „Orbital artifacts in multi-GNSS Precise Point Positioning time series”; „Journal of Geophysical Research: Solid Earth".
Badania zostały wykonane w ramach projektu Narodowego Centrum Nauki „Zintegrowane ziemskie układy odniesień przestrzennych oparte o laserowe pomiary odległości do satelitów geodezyjnych, teledetekcyjnych oraz GNSS”.

Źródło: IGiG UPWr