Położenie obserwatora

Współrzędne geograficzne jak i wysokość (npm) stanowiska obserwacji zjawiska zakryciowego powinny być wyznaczone z jak największą dokładnością !

Zaleca się uzyskanie dokładności 0,1″ w pomiarze współrzędnych geograficznych poziomych oraz 5 m w pomiarze wysokości nad poziomem morza.

Obecny poziom technologiczny pozwala na łatwe określenie pozycji obserwatora z wymaganą precyzją. Można przyjąć, że na terenie Polski:

• 1″ szerokości geograficznej to ok. 30,9 m. Wtedy 0,1″ szerokości geograficznej to ok. 3 m w terenie
• 1″ długości geograficznej zawiera się w przedziale 17,8 – 20,3 m (w zależności od szerokości geograficznej). Wtedy 0,1″ długości geograficznej to ok. 2 m w terenie

Pojedynczy pomiar za pomocą dobrego odbiornika GPS w otwartym terenie może sięgnąć wymaganej dokładności 0,1″ w obu współrzędnych. Najlepsze rezultaty daje jednak uśrednianie serii pomiarów współrzędnych danego punktu. Niektóre odbiorniki GPS są wyposażone w funkcję uśredniania współrzędnych punktu pomiarowego.

Współrzędne punktu obserwacyjnego powinny być określone w obowiązującym układzie WGS’84 (World Geodetic System ’84) !
Odbiorniki GPS mają domyślnie ustawiony właśnie ten układ odniesienia.

Układ ten jest zbiorem parametrów określających wielkość i kształt Ziemi oraz właściwości jej potencjału grawitacyjnego. System ten definiuje elipsoidę, która jest generalizacją kształtu ziemskiej geoidy. Ciekawostką jest fakt, że słynny południk zerowy w Greenwich, fachowo zwany Międzynarodowym Południkiem Odniesienia, znajduje się 5,31″ (102,5 metra w terenie) na zachód od zerowego południka układu odniesienia  WGS’84.

1. METODA GPS:

Najpopularniejszą i najbardziej dostępną obecnie metodą pomiaru położenia jest wykorzystanie odbiorników ogólnoświatowego systemu nawigacji GPS-Navstar (Global Positioning System NAVigational Satellite Time And Ranging), w skrócie zwanym po prostu “GPS”. Pełną operatywność uzyskał w dniu 1 stycznia 1995 roku. Jednocześnie wprowadzono wtedy degradację dokładności sygnału dla użytkowników cywilnych, co skutkowało realną dokładnością pomiaru współrzędnych na poziomie 30-100 m. Jednak od dnia 2 maja 2000 roku zniesiono te celowe zaniżenie dokładności sygnału GPS. Kod SA (Selective Availability) polegał na zniekształceniu poprawki zegarów satelitów GPS i ograniczeniu dokładności elementów orbit zawartych w sygnale satelitarnym. Po wyłączeniu kodu SA odbiorniki cywilne zyskały możliwość pomiaru współrzędnych poziomych z dokładnością 5-10 m, dokładność pomiaru wysokości była jednak znacznie gorsza.

Aktualnie nawet proste odbiorniki GPS oferują dokładność jednorazowego pomiaru długości geograficznej, szerokości geograficznej oraz wysokości bezwzględnej na teoretycznym poziomie kilku metrów. Używając ręcznych odbiorników turystycznych, modułów “USB dongle”, dataloggerów lub odbiorników nawigacji samochodowej mamy dostęp do bezpośrednich danych GPS. Z tego powodu wymienione urządzenia są preferowane do naszych pomiarów.

INSERTERY CZASU:

Podstawowym zadaniem insertera jest zapewnienie precyzyjnej służby czasu niezbędnej do poprawnego przeprowadzania obserwacji zakryciowej i naniesienie tych informacji na nagrywany w czasie trwania zjawiska plik video. Insertery oparte na module GPS mogą wyświetlić na ekranie monitora nie tylko precyzyjny czas lecz także bardzo dokładne położenie odbiornika. Współrzędne geograficzne i wysokość npm odbiornika insertera może opcjonalnie zostać zarejestrowana na nagraniu zjawiska zakryciowego co jest dodatkową, cenną informacją. Jest to aktualnie najpopularniejsza wśród obserwatorów zakryć metoda wyznaczania współrzędnych geograficznych stanowiska obserwacyjnego.

GLONASS, GALILEO, BEIDOU:

Odbiorniki coraz częściej zaczynają korzystać z innych niż amerykański GPS-Navstar systemów nawigacyjnych. Rosyjski system GLONASS oraz europejski system GALILEO (w budowie, pełna operacyjność 2020 r.) mogą być odbierane równolegle przez nowoczesny odbiornik – np Garmin GPSMap 64, Garmin eTrex 20/30, etc... Zwiększa to precyzję pomiarową urządzenia. Dla odbiorców cywilnych dokładność współrzędnych poziomych zmierzonych przez satelity systemu GALILEO ma wynieść 1 m!

Jeśli mamy dostęp do odbiornika obsługującego systemy GPS i GLONASS równocześnie to korzystajmy właśnie z niego, a nie ze starszych odbiorników odbierających wyłącznie oryginalny, amerykański sygnał GPS. Obejmujący swoim zasięgiem obszar Azji i Pacyfiku chiński system nawigacji satelitarnej BEIDOU, powinien do końca 2020 roku objąć już obszar całego globu, jednak jego wykorzystanie na terenie Europy będzie stało pod znakiem zapytania…

GPS W TELEFONIE:

Smarfony wyposażone w odbiorniki GPS korzystają najczęściej jednak z innego rozwiązania – AGPS (assisted GPS). To rodzaj systemu GPS wykorzystywany w nowoczesnych telefonach komórkowych, w którym używa się serwerów operatora sieci do skrócenia czasu potrzebnego na pierwsze znalezienie położenia. Dokładność GPS i AGPS jest bezpośrednio związania ze sposobem, w jaki urządzenie oblicza swoje położenie. GPS, korzystający z sygnału satelitów, ma w tym punkcie przewagę nad AGPS, bazującym na naziemnych i nierównomiernie rozlokowanych stacjach bazowych GSM.

Dokładność AGPS zależna jest od tego, w jakich odległościach i jak dużo stacji znajduje się na danym obszarze. Oznacza to, że np. w miastach z dużą liczbą BTS, sygnał AGPS jest silniejszy i bardziej dokładny niż poza miastem i na terenach zalesionych, gdzie odległość między stacjami nadawczymi jest dosyć duża. W rezultacie AGPS jest nieco mniej precyzyjny niż GPS. Dokładność AGPS w mieście wynosi do ok. 20-30 m, poza miastem może być jednak znacznie gorzej. W celach pomiarowych należałoby wyłączyć w smartfonie funkcje AGPS ( o ile telefon ma taką funkcję) i bazować na czystym sygnale GPS z zainstalowanego w nim odbiornika.

UŚREDNIANIE POMIARÓW GPS:

Rzecz jasna dokonując większej ilości pomiarów danego punktu możemy uzyskać jeszcze większą precyzję wyznaczenia jego współrzędnych geograficznych i wysokości. W celu uzyskania wymaganej dokładności położenia 0,1″ (lub lepszej), należy dokonać kilku serii pomiarów przy jak największej liczbie dostępnych satelitów a następnie je uśrednić. Seria powinna składać się z kilkudziesięciu pojedynczych pomiarów wykonanych z zadanym odstępem czasowym rzędu 5-10 sekund. Pożądane jest przeprowadzenie pomiarów przy różnych konfiguracjach satelitów względem siebie, a co za tym idzie również względem obserwatora. Dobrze jest zatem zachować większy odstęp czasowy pomiędzy poszczególnymi seriami – mogą to być godziny a nawet dni.

Istnieją wyspecjalizowane programy, które wykonają takie pomiary i automatycznie obrabiają je graficznie, bez potrzeby ręcznego spisywania wartości z wyświetlacza odbiornika. Niektóre turystyczne odbiorniki GPS posiadają funkcję uśredniania pomiaru punktu (“waypoint’u”).

Nie bez znaczenia jest czynnik dostępności nieba w danym miejscu – im mniej naturalnych i sztucznych przeszkód terenowych (budynki, drzewa, góry,…) tym więcej “widocznych” dla odbiornika GPS satelitów możliwych do odbioru sygnału i tym większa precyzja wyznaczenia pozycji punktu. Warunki atmosferyczne odgrywają znacznie mniejszą rolę, ale najlepiej dokonywać pomiarów przy w miarę pogodnym niebie.

GEODEZYJNE ODBIORNIKI GPS, POPRAWKI RÓŻNICOWE:

W tym miejscu należy jeszcze wspomnieć, że oprócz wojskowych, do dokładnych danych z systemu GPS mają dostęp geodeci. Wyposażeni w dość drogie odbiorniki odbierające tzw. poprawki różnicowe DGPS (Differential GPS), są w stanie wyznaczać położenie punktów geodezyjnych z dokładnością sięgającą nawet 1 cm we współrzędnych poziomych i 2 cm we współrzędnej pionowej. Warto się więc pokusić o możliwość wyznaczenia współrzędnych swojego stałego miejsca obserwacji przy pomocy takiego właśnie urządzenia.

2. MAPY TOPOGRAFICZNE, ORTOFOTOMAPY:

Przed erą nawigacji satelitarnej mapy dokładne topograficzne były najlepszym źródłem pozyskania współrzędnych geograficznych miejsca obserwacji. Mapy rastrowe w skali 1:10000 (1 mm = 10 m w terenie) oraz 1:25000 i 1:50000 nadal stanowią cenne uzupełnienie danych satelitarnych. Zawierają one bowiem warstwice i punkty wysokościowe z naniesionymi bardzo dokładnymi wartościami wysokości nad poziomem morza.
Na mapach w skali 1:10000 i 1:25000 możliwy jest odczyt wysokości punktu obserwacyjnego w dokładnością sięgającą 1 metra.

W zbiorach Centralnego Ośrodka Dokumentacji Geodezyjnej i Kartograficznej (CODGiK) dostępne są mapy topograficzne w skalach:

• 1:10000 (układ 1942) – aktualność topograficzna 1988-1995, pokrycie 9 % powierzchni kraju
• 1:10000 (układ 1965) – aktualność topograficzna 1956-1990, pokrycie 100 % powierzchni kraju
• 1:10000 (układ 1992) – aktualność topograficzna 1993-2007, pokrycie 25 % powierzchni kraju

• 1:25000 (układ 1965) – aktualność topograficzna 1962-1989, pokrycie 100 % powierzchni kraju

• 1:50000 (układ 1965) – aktualność topograficzna 1956-1979, pokrycie 100 % powierzchni kraju
• 1:50000 (układ 1992) – aktualność topograficzna 1988-2004, pokrycie 51 % powierzchni kraju
• 1:50000 (układ WGS’84) – aktualność topograficzna 2002-2006, pokrycie 31 % powierzchni kraju

Mapy topograficzne są doskonałe do wstępnego wyznaczania stanowisk obserwacyjnych dla zjawisk brzegowych zakryć gwiazd przez Księżyc. Zdjęcie satelitarne bądź lotnicze nie pokaże tak jak papierowa (lub zdigitalizowana) mapa rastrowa ukształtowania terenu i innych bardzo przydatnych szczegółów – obecności terenów podmokłych, typu drzewostanu, kategorii dróg, obecności przeszkód terenowych, etc… Wszystkie te informacje są niezwykle istotne przy doborze optymalnego miejsca obserwacji podczas zakryciowej wyprawy.

Wybrane lokalne mapy topograficzne są jeszcze dostępne w nielicznych księgarniach, zaś wszystkie opublikowane arkusze w formie papierowej bądź cyfrowej, można zakupić w Wojewódzkim Ośrodku Dokumentacji Geodezyjnej i Kartograficznej (WODGiK), który podlega odpowiedniemu Urzędowi Marszałkowskiemu.

Wyznaczanie współrzędnych geograficznych oraz pomiary odległości wykonywane ręcznie na mapach papierowych w chwili obecnej straciły sens. Istnieją bowiem dedykowane programy (np Global Mapper) do obróbki plików map topograficznych w formie cyfrowej, które wykonają to z odpowiednią precyzją.

GEOPORTAL i MAPOTERO:

W latach 2005- 2015, Główny Urząd Geodezji i Kartografii (GUGiK) zrealizował projektu GEOPORTAL oraz GEOPORTAL 2. Projekty te zawierają interaktywną mapę dla obszaru Polski, której skalę można zmieniać w zakresie 1:500 – 1:8000000. Mapa zawiera warstwy ortofotograficzne z lat 2009-2016, topograficzne a nawet katastralne (granice działek).
Ortofotomapy geoportalu są NAJDOKŁADNIEJSZE spośród przedstawianych na wszystkich dostepnych w Polsce serwisach mapowych  – ich rozdzielczość dochodzi do 10 cm/pixel.

Niektóre miasta (np Warszawa, Wrocław, Białystok, …) posiadają własne geoportale, gdzie dokładność ortofotomap, otrzymanych z nalotów lotniczych z ostatnich kilku lat, osiąga 5 cm/pixel. Analogicznie jak w ogónopolskim GEOPORTALU 2 , istnieje możliwość odczytania współrzędnych geograficznych z map lokalnych geoportali .

GEOPORTAL 2 jest wspaniałym zbiorem zdigitalizowanych map topograficznych we wszystkich dostępnych w kraju skalach (1:10k, 1:25k, 1:50k, 1:100k) i znakomicie się nadaje do planowania stanowisk obserwacyjnych wszelkich zjawisk zakryciowych a w szczególności brzegowych zakryć gwiazd przez Księżyc. Na mapach on-line można bezpośrednio odczytać współrzędne kursora oraz zmierzyć odległość pomiędzy wybranymi elementami.

Współrzędne punktu wyświetlane są w dwóch układach odniesienia. Koordynaty płaskie prostokątne X,Y są pokazywane w układzie PUWG 1992 (Państwowy Układ Współrzędnych Geodezyjnych 1992), zaś współrzędne geograficzne map GEOPORTALU 2 są określone w układzie odniesienia WGS’84.

Map on-line GEOPORTALU 2 nie da się w prosty sposób zapisać na dysku komputera. W związku z tym utrudnieniem powstał amatorski projekt wraz z dedykowanym programem komputerowym MAPOTERO, który umożliwia ściągnięcie na dysk komputera dowolnej warstwy map z wybranego obszaru. Pobierane mapy są w postaci kwadratowych “kafli” – plików graficznych o zadanych rozmiarach boku (max. 2048 pix). Na każdy kafel przypada jeden plik referencyjny. W następnym kroku takie kafle można złożyć w bardzo duży obszar (np wielkości województwa) używając programów OziExplorer i Map Merge. Otrzymujemy w ten sposób mapę dowolnie określonego obszaru, skalibrowaną wg. układu WGS’84, a po podłączeniu odbiornika GPS USB możemy obserwować swoje położenie na ekranie laptopa, mając za tło bardzo dokładna mapę topograficzną, nawet w skali 1:10000! Do tego celu znakomicie nadaje się wspomniany już Global Mapper.

3. MAPOWE SERWISY INTERNETOWE:

Najbardziej popularnym internetowym serwisem mapowym, w którym można odczytać współrzędne geograficzne jest GOOGLE MAP. Serwis ten stara się na bieżąco uaktualniać 2 główne funkcje – mapę drogową oraz opcje wyświetlania zdjęć satelitarnych terenu. Klikając na mapę prawym przyciskiem myszy wchodzimy w zakładkę “Co tu jest?” Po wykonaniu tej czynności pojawi się małe okienko ze współrzędnymi poziomymi punktu w który kliknęliśmy. Wartość współrzędnych wyświetlana jest jako ułamek stopnia z dokładnością aż 6 miejsc po przecinku – to dość przesadzona liczba, gdyż 0,000001 stopnia w terenie to około 11 cm. Klikając teraz w otrzymane wartości współrzędnych, które pojawiły się w małym okienku w postaci linku, otrzymamy automatyczną zamianę na wartości współrzędnych wyrażone w stopniach, minutach i sekundach łuku (przykład: 53,137002 ,  22,964796  => 53 08′ 13,2″ , 22 57′ 53,3″).

UWAGA !!! Dokładność prezentowania współrzędnych geograficznych na mapach Google Map wynosi około 8 m, chociaż istnieje informacja, że członkowie IOTA określili te różnice na terenie Kalifornii jako 2m. Dokładność tych map w Polsce powinna być jednak zbadana w celu oceny ich dalszej przydatności do precyzyjnego wyznaczania współrzędnych miejsc obserwacji zakryciowych.