Zvláštnosti realizace metodiky metrologické kontroly družicového určování souřadnic

[Osobennosti realizacii metoda metrologičeskogo kontrolja sputnikovych koordinatnych opredělenij]

A.A. Genike, L.M. Blank. - In: Geod. i Kartogr. - ISSN 0016-7126. - Č.8 (2003), s.14-18 : 3 obr. - Lit.8.

Přeložil G. Karský (zkráceno a komentováno)
Zdiby : VÚGTK, 2004. - 3 s.

Klíčová slova: GPS, GLONASS, metrologie, testovací základny

Článek pojednává o metodice metrologické kontroly družicových určování polohy v návaznosti na státní etalony času, kmitočtu a délky. Diskutuje se schéma vytvoření lokálních metrologických "polygonů", tj. testovacích základen pro družicové přijímače. Je zdůrazněn zejména požadavek přímé návaznosti těchto základen na etalon délky, definovaný přes etalon kmitočtu rychlosti světla, nikoliv na tradiční délkové základny, pocházející z pozemních měření. Pokud jde o metodiku testování, doporučuje se, aby současně s běžnými přijímači byl na základně testován též přijímač s vyšší stabilitou parametrů, včetně fázových center.

Poznámka překladatele: Při velikosti Ruska není možné, aby existovala jen jedna, nebo několik málo, kalibračních (testovacích) laboratoří nebo srovnávacích základen pro přesné měřické práce, jako je tomu v Česku. Problém zajištění metrologické jednotnosti je tam proto obecně složitější. Článek se tedy zabývá problémem metrologické kontroly družicových přijímačů ze dvou hledisek:

1) jak kontrolovat (metodika) a 2) kde kontrolovat (lokální "polygony").

V tomto zkráceném překladu vybírám především pro nás zajímavější myšlenky k tématu 1) a omezuji téma 2). Terminologii se snažím přizpůsobit našim poměrům, vypouštím obecně známé skutečnosti a podle potřeby uvádím kurzívou své případné komentáře.

Péče o metrologickou kontrolu technických prostředků, užívaných v geodetické praxi, patřila vždy k samozřejmostem, což se projevuje jak v publikacích, tak v oficiálních předpisech. Je však třeba poznamenat, že zcela nedotčená zůstala oblast metrologické kontroly geodetických družicových přijímačů, přes jejich velké rozšíření a využívání i k budování geodetických základů pro celé území státu. Je proto třeba věnovat zvláštní pozornost následujícím problémům:

a) Zdůvodnění volby technických prostředků a metod, které lze pokládat za referenční pro pracovní komplexy geodetického využití GPS a GLONASS.

b) Rozpracování schématu metrologické kontroly družicových přijímačů, používaných při určování souřadnic bodů geodetických sítí a základen rozdílné délky (do 1000 km i více).

c) Stanovení zásad pro budování lokálních metrologických polygonů (v naší terminologii "testovacích základen") pro objektivní kontrolu přesnosti měření soudobými družicovými přijímači.

Srovnání přesnosti různých prostředků pro měření vzdáleností ukazuje, že jen pro základny do 5 km lze jejich délky z tradičních pozemních měření pokládat za ověřovací pro družicové přijímače, přičemž otázka přesnosti družicově určených souřadnic zůstává otevřená. Objektivnější posouzení přesnosti družicových technologií na dlouhých základnách je možné využitím výsledků z laserových družicových dálkoměrů (SLR) a z radiointerferometrie s dlouhými základnami (VLBI). To ovšem nejsou prostředky pro běžnou technickou praxi .

Ze zahraniční literatury převzatý obr. 1 ilustruje graficky uvedené tvrzení. Je z něho patrné, že chyba pozemních měření délek velmi rychle narůstá se vzdáleností.

Obr. 1 - Graf závislosti dosažitelné přesnosti měření různými prostředky na délce měřené základny

1 - družicový systém "Transit"
2 - inerciální systémy
3 - pozemní dálkoměry a polygonometrie
4 - družicový systém GPS (dvoufrekvenční měření)
5 - družicový systém GPS (jednofrekvenční měření)
6 - družicový laserový dálkoměr (SLR)
7 - dlouhozákladnová interferometrie (VLBI)

Obecná analýza činnosti komplexů GPS/ /GLONASS, SLR i VLBI ukáže jejich společný znak: všechny pracují s měřením doby průchodu signálu určovanou vzdáleností, nebo rozdílem vzdáleností. Tím jsou bezprostředně vázány na primární etalon kmitočtu, času a ve smyslu platné definice i délky. Ten dnes umožňuje měření kmitočtu na úrovni přesnosti 1×10^-14. Přechod k délkám se děje pomocí definitoricky dané rychlosti (c) elektromagnetických vln ve vakuu. Vzhledem k přesnosti rychlosti c je možná metrologická kontrola dálkoměrných prostředků s přesností na úrovni 1×10^-9 ; to umožnilo vytvořit globální referenční souřadnicový rámec ITRF s přesností v úrovni 1×10^-8 . S touto přesností jsou souřadnice rámce ITRF každoročně obnovovány, takže mohou být východiskem pro metrologické zabezpečení lokálních (pracovních) metrologických polygonů na kontinentální i regionální úrovni. Tradiční dálkoměry (nebo jiné pozem- ní prostředky měření délek) jsou naproti tomu charakterizovány relativní chybou ne lepší než (1-2)×10^-6 .

Na obr. 2 je schematicky naznačena návaznost metrologické kontroly komplexů přijímačů a výpočetních prostředků na primární národní etalony; schéma zahrnuje i spojení s tradičními srovnávacími základnami, které však jsou vyřazeny ze základního řetězce kontroly.

Obr. 2 - Schéma metrologické návaznosti pro kontrolu družicových přijímačů, užívaných při určování souřadnic a měření délek různě dlouhých základen

V rámci metrologické kontroly družicových geodetických přijímačů je nutné řešit následující problémy:

1. posoudit typickou reálnou (nejen formální) přesnost určovaných základen různé délky a zejména přesnost určovaných souřadnic;
2. ověřit přesnost relativních určení, typickou nejen pro současně pracující přijímače stejného typu, ale i pro společné použití přijímačů různých výrobců;
3. v závislosti na plánovaných měřeních stanovit optimální délku měřických seancí, která zajistí dosažení požadované přesnosti;
4. podle potřeby vyšetřit vliv různých zdrojů chyb, jak nezávislých na délce měřené spojnice, tak i úměrných jejich délce.

Budované metrologické polygony mají umožňovat řešení těchto otázek. Jejich body mají být voleny v observačně příznivých lokalitách, stabilizace má být dlouhodobě stabilní v poloze i ve výšce, žádoucí je možnost nucené centrace. Netriviální metrologický polygon má kromě (alespoň tří) referenčních bodů globálního nebo kontinentálního referenčního rámce (míní se např. ITRF) zahrnovat několik pracovních (tj. kontrolních) bodů, jejichž souřadnice se v rámci budování polygonu určují intenzivním družicovým měřením, podobně jako se v současnosti určují souřadnice bodů (ruské) základní astronomicko-geodetické sítě. V sestavě pracovních bodů má být i bod vzdálený od ostatních několik desítek kilometrů, který umožní odhadnout (alespoň v prvním přiblížení) chyby závisející na vzdálenosti. K tomu lze využít i měření z permanentních stanic referenčního rámce, která jsou dostupná na internetu. Dva blízké body metrologického polygonu, vzdálené od sebe několik desítek metrů, slouží k umístění srovnávacího a kontrolovaného přijímače, což kromě posouzení přesnosti měření umožňuje provést zkoušky stability fázových center antén. (Zdá se, že autoři neuvažovali o možnosti většího počtu blízkých kontrolních bodů a smiřovali se s pracně zdlouhavým kontrolováním přijímačů po jednom.)

Na obr. 3 je naznačeno principiální schéma budování lokálního metrologického polygonu. Je znázorněna návaznost na tři referenční body, čímž je dáno jeho geometricky určité prostorové řešení. Při organizaci vlastní metrologické kontroly je vhodné spolu s každým přezkušovaným přijímačem využívat kontolní přijímač, který se vyznačuje zvýšenou stabilitou parametrů, včetně polohy fázového centra. Pro posouzení reálné přesnosti družicových měření kontrolovanými přijímači při budování vektorové sítě se předpokládá využití kritérií, která nejsou založena na opakovaných měřeních a na uzávěrech pořadů, ale na srovnání výsledků s hodnotami souřadnic a délek základen, známými v rámci metrologického polygonu s vysokou přesností.

Obr. 3 - Obecné schéma vybudování lokálního metrologického polygonu pro kontrolu přesnosti určování souřadnic a délek základen soudobými družicovými přijímači

1, 2, 3 - pracovní body
4, 5, 6 - refereční body