Спутниковые методы определения координат кратко

Обновлено: 02.07.2024

Процесс наблюдения за первыми искусственными спутниками Земли выявил одну интересную закономерность — пространственное положение спутника можно рассчитать с хорошей точностью на любой момент времени. Этот научный факт подтолкнул ученых к поистине революционному открытию — использовать спутники, находящиеся за сотни километров от Земли, для определения пространственного положения земных объектов.

GPS (Global Positioning System — система глобального позиционирования) — это совокупность радиоэлектронных средств, позволяющих вычислить местоположение и скорость движения объекта на поверхности Земли или в атмосфере. Данные параметры определяются благодаря GPS-приемнику, который принимает и обрабатывает сигналы со спутников. Для повышения точности измерений система позиционирования включает в себя еще и наземные центры управления и обработки данных.

Методы космических измерений применяются для:

геодезии и картографии
строительства
навигации
мониторинга транспорта
мобильной связи
спасательных работ
мониторинга за тектоническим движением плит земной коры

и во многих других сферах деятельности человека. Рассмотрим некоторые основные сферы применения систем космических измерений более подробно.

Метод измерений расстояния от спутника к приемнику основан на определении скорости прохождения радиоволн. Для возможности измерений спутники передают сигналы точного времени, синхронизированные в свою очередь с высокоточными атомными часами. В начале работы системное время приемника синхронизируется со спутниковым, и дальнейшие измерения базируются на разнице между временем излучения сигнала и временем его приемки. На основании этих данных навигационное устройство вычисляет пространственное положение наземной антенны, ну а скорость объекта, курс и другие параметры — производные от первоначального положения приемника. Как вы наверняка помните из школьного курса физики, скорость прохождения радиоволн равна скорости света, так что можете представить, какая общая точность системы, определяющей расстояние по миллисекундам.

Почему же в некоторых случаях мы получаем достаточно точное значение местоположения, а в некоторых значение не совсем корректное? Не в каждом приемнике встроены атомные часы, поэтому для синхронизации и определения местоположения с приемлемой точностью необходимо получать сигнал одновременно минимум с трех спутников. На мощность принимаемого сигнала влияет гравитационное поле земли, преграды в виде деревьев, домов, отраженные (фантомные) сигналы, атмосферные помехи и ряд других причин. Так как на спутнике невозможно разместить передатчики высокой мощности, наиболее точное местоположение вы получите на открытых пространствах при чистом горизонте.

GPS для геодезических работ

Для использования систем космических наблюдений для проведения топографических работ используют несколько способов, которые отличаются точностью полученных значений и временем, потраченным для их получения.

Статика

Для определения координат неизвестной точки один приемник устанавливается на пункт триангуляции или полигонометрии (известная точка), а другой приемник — на точку, координаты которой необходимо определить. Далее проводится синхронная инициализация устройств, ведь измерения начинаются только тогда, когда два приемника включаются одновременно. Если одно из устройств проработало полчаса, а другое — 15 минут, для получения данных будет использовано только 15 минут совместной работы. После нахождения приемниками спутников начинается сбор данных, которые впоследствии обрабатываются на компьютере.

Как мы видим на скриншоте одной из программ уравнивания данных, зеленая полоска — это время работы базы, а короткие цветные полоски — время нахождения приемников на станции с неизвестными координатами. С помощью специализированного ПО можно отбраковать некорректные значения измерений и поднять общую точность полученных значений.

Плюс этого метода — высокая точность измерений, минус — затраченное время на инициализацию каждой точки.

Кинематика

Этот способ хорошо подходит для съемки линейно-протяженных объектов, таких как линии ЛЭП, каналы, дороги, нефтепроводы, и т.д. Достоинство такого способа — экономия времени, недостаток — измерения желательно проводить на небольшом удалении от базы, примерно 5–15 км. Если внезапно сигнал от спутника пропадет, процедуру инициализации придется проходить заново, поэтому такой способ не всегда возможно применить в крупных городах, где высокие здания и деревья закрывают горизонт.

RTK GPS

Если первые два способа дают нам положение точки в международной системе координат, которую потом необходимо перевести в региональную, то метод RTK (от англ. Real Time Kinematic — кинематика в реальном времени) позволяет нам получать значения пространственного положения точек в принятой для нашей местности системе координат, используя при этом всего один приемник. Нет, базовая точка, несомненно, существует, но в этом случае базовые точки неподвижно закреплены на высоких зданиях, и в совокупности образуют сеть, сродни мобильной. И приемник, и базовые станции, обмениваются информацией посредством интернета, что позволяет им синхронизироваться не только со спутниками, но и друг с другом, минуя цепочку пересчета и уравнивания координат в специализированном ПО.

GPS vs ГЛОНАСС

Для определения координат NAVSTAR GPS и ГЛОНАСС используют 21 действующий спутник и три запасных, вращающиеся на круговых орбитальных плоскостях, причем этих плоскостей в системе GPS в три раза больше, чем в ГЛОНАСС. Спутники оснащены солнечными батареями, и совершают свой полет на высте более 20 км от поверхности Земли. Такое удаление от планеты и количество спутников обечпечивают практически в любой точке земного шара одновременное наблюдение минимум 4-х спутников. Время полного витка вокруг Земли — 12 космических часов.

В системе GPS все спутники излучают сигнал на двух одинаковых частотах, и каждый аппарат посылает свой индивидуальный код, который позволяет распознавать спутники. У ГЛОНАСС код одинаков для всех спутников, вещание ведется так же в двух диапазонах. Как видим, параметры у систем примерно одинаковые, так кто же лучше?

Спутниковые определения местоположения это определения координат точек пространственных объектов или приращений (разностей) координат между точками, включающее процессы измерения (наблюдения) и обработки измерительной информации, поступающей со спутников ГНСС. Процесс спутниковых наблюдений (наблюдений навигационных спутников) включает в себя прием и первичную обработку измерительной информации от спутников ГНСС с помощью специальной спутниковой аппаратуры. Обработка данных спутниковых наблюдений (постобработка) заключается в математической обработке результатов спутниковых наблюдений по определенному алгоритму с целью вычисления координат или приращений (разностей) координат.

Существует несколько спутниковых методов определения местоположения с помощью ГНСС. Они делятся на методы определения абсолютных координат и методы определения относительных координат. Точность методов спутниковых определений местоположения приведена на диаграмме.

Методы определения абсолютных координат

Автономный метод определений — метод спутниковых определений с использованием бортовой эфемеридно-временной информации:

Метод пространственной линейной засечки. Реализуется по измерениям кода сигналов ГНСС и вычислениям псевдодальностей до спутников (навигационный режим — navigation mode ). Автономный метод позволяет получение координат в земной геоцентрической системе или отнесенных к земному эллипсоиду в режиме реального времени. Точность определения координат автономным методом составляет в среднем 5-10 метров.

Абсолютные методы определений — методы спутниковых определений с использованием поправок к эфемеридно-временной информации:

Метод с использованием поправок к эфемеридной и временной информации, поправок для исключения атмосферных искажений сигнала, поправок к навигационным параметрам, измеряемым потребителем (кодовые измерения). Реализуется с использованием широкозонных систем дифференциальной коррекции функциональных дополнений ГНСС (Wide area differential GNSS), таких как СДКМ, WAAS, EGNOS, MSAS, GAGAN. Точность определения координат с помощью широкозонных систем дифференциальной коррекции около 0,5 — 2 метров.
PPP (Precise Point Positioning) — метод с использованием поправок к эфемеридной и временной информации, поправок для исключения атмосферных искажений сигналов ГНСС, поправок к навигационным параметрам, измеряемым потребителем (фазовые измерения). Реализуется с использованием глобальных систем дифференциальной коррекции функциональных дополнений ГНСС. Точность определения координат методом PPP может варьироваться от нескольких дециметров до одного сантиметра в зависимости от способа обработки и объема выборки исходных данных.

Методы определения относительных координат

Дифференциальные методы — методы спутниковых определений с использованием корректирующей информации к навигационным параметрам, измеряемым потребителем) в режиме реального времени:

Метод с вычислением псевдодальностей по измерениям кода сигналов ГНСС (DGPS, DGNSS). Реализуется с использованием региональных дифференциальных систем функциональных дополнений ГНСС. Точность определения относительных координат около 0,5 метров.
Метод с вычислением псевдодальностей по измерениям фазы несущей сигналов ГНСС (Real Time Kinematic; RTK). Реализуется с использованием локальных дифференциальных систем функциональных дополнений ГНСС в режиме реального времени. Точность определения относительных координат составляет 1-5 сантиметров .

Относительные методы — методы определения разности координат при постобработке данных синхронных сеансов спутниковых наблюдений :

Метод определения разности координат при постобработке данных синхронных сеансов спутниковых измерений кода сигналов ГНСС. При этом точность определения относительных координат составляет несколько дециметров.
Метод определения разности координат при постобработке данных синхронных сеансов спутниковых измерений фазы несущей сигналов ГНСС. При этом можно достичь наивысшую точность спутниковых определений, вплоть до миллиметрового порядка.

Режимы спутниковых определений

При спутниковых определениях также используют несколько режимов:

Static (статический режим) — режим спутниковых определений с использованием неподвижной спутниковой геодезической аппаратуры.

Kinematic mode (кинематический режим) — режим спутниковых определений с использованием подвижной спутниковой геодезической аппаратуры.

Navigation mode (навигационный режим) — автономный режим спутниковых определений.

DGNSS (Differential mode) — дифференциальный режим спутниковых определений c использованием кодовой спутниковой корректирующей информации от дифференциальной станции в реальном времени .

RTK (Real Time Kinematic) — режим спутниковых определений c использованием фазовой спутниковой корректирующей информации от дифференциальной станции в реальном времени .

Network RTK — режим спутниковых определений c использованием интегрированной спутниковой корректирующей информации сети дифференциальных станций в реальном времени .

Postprocessing mode (режим с постобработкой) — режим спутниковых определений с вычислением координат в процессе последующей обработки.

FastStatic (Быстрый статический режим) — режим спутниковых определений аналогичный статическому с использованием только двухчастотной спутниковой геодезической аппаратуры на ограниченном расстоянии между точками спутниковых наблюдений и с постобработкой.

Reoccupation (Реоккупация) — режим спутниковых определений с повторными статическими спутниковыми наблюдениями на точках в течении одного сеанса с помощью подвижной спутниковой геодезической аппаратуры и с постобработкой.

Информационный ресурс по технологиям высокоточного позиционирования с использованием Глобальных Спутниковых Навигационных Систем (ГНСС)

Спутниковые технологии появились в России в начале 1990-х гг; почти на 10 лет позднее, чем в США. Их преимущества перед обычными методами геодезии было настолько впечатляющими, что, они быстро стали находить в топографо-геодезическом производстве в России все более широкое применение.

Термин "GPS технологии" (или ГЛОНАСС/GPS технологии) применяется для способов определения координат с применением спутниковых радионавигационных систем (СРНС) – американской системы GPS и российской ГЛОНАСС. Каждая из этих СРНС при полном развертывании состоит из 24 спутников, вращающихся на орбитах с высотой около 20000 км. Спутники непрерывно передают сигналы, содержащие информацию об их положении и точном времени, а также дальномерные коды, позволяющие измерить расстояния.

Определение координат пользователя СРНС производится с помощью специальных спутниковых приемников, измеряющих либо время прохождения сигнала от нескольких спутников до приемника, либо фазу сигнала на несущей частоте. В первом случае расстояния измеряются с метровым уровнем точности, во втором случае – с миллиметровым уровнем точности. При этом реализован однонаправленный метод измерения расстояний, поскольку и GPS, и ГЛОНАСС являются беззапросными спутниковыми системами, допускающими одновременное использование их многими пользователями.

Каждый приемник может производить измерения либо независимо от других приемников, либо синхронно с другими приемниками. В первом случае, называемом абсолютным методом, достигает точность однократного определения координат по кодам порядка 1-15 м. Такой метод идеально подходит для навигации любых перемещающихся объектов, от пешеходов до ракет. Однако более высокую точность можно получать при одновременных наблюдениях спутников несколькими приемниками по фазовым измерениям. При такой методике наблюдений один из приемников обычно располагается в пункте с известными координатами. Тогда положение остальных приемников можно определить относительно первого приемника с точностью нескольких миллиметров. Этот метод GPS получил название относительного метода. При этом возможны измерения на расстояниях от нескольких метров до тысяч километров.

При обработке данных в реальном времени, то есть в процессе наблюдений на точке, спутниковая аппаратура дополняется радиомодемами и другими средствами беспроводной связи для взаимообмена данными между приемниками. Пост-обработка обычно выполняется более строго.

Методы GPS измерений можно разделить на статические и кинематические. При статических измерениях участвующие в сеансе приемники находятся на пунктах в неподвижном состоянии. Продолжительность наблюдений составляет от 5 минут (быстрая статика) до нескольких часов и даже суток, в зависимости от требуемой точности и расстояний между приемниками. При кинематических измерениях один из приемников находится постоянно на опорном пункте, а второй приемник (мобильный) находится в движении. Точность кинематических наблюдений немного ниже, чем в статике (обычно 2-3 см на линию до 10 км).

Обработка материалов измерений может выполнятся с помощью таких программ как Credo DAT, AutoCAD, GeoniCS, Панорама Карта 2008. Окончательным результатом обработки измерений является межевой план.

Кроме определения местоположения границ земельного участка также необходимы кадастровый учет и государственная регистрация.

Принципиальным достоинством спутниковых методов позиционирования является возможность определения координат в любое время суток и в любой точке. Отпадает необходимость наличия прямой видимости между исходными и определяемыми пунктами. Это позволяет экономить время и снижает стоимость определения координат.

Определение координат с использованием спутниковых технологий

Одним из самых ярких примеров использования спутниковых технологий является глобальная система определения координат. Система позволяет с высокой степенью точности (до нескольких сантиметров) определять местоположение объекта (широту, долготу и высоту над уровнем моря), направление и скорость его движения. Достаточно интересным является использование системы многими учеными и исследователями в качестве источника точного времени. Система GPS (Global Positioning System) состоит из 24 искусственных спутников Земли, сети наземных станций слежения за ними и неограниченного количества пользовательских терминалов. Для определения местоположения GPS-приемник принимает сигналы со спутников, сравнивает время отправки сигнала со спутника со временем его получения на Земле и вычисляет точные координаты.

Система GPS работает непрерывно. Для пользования системой GPS достаточно приобрести GPS-приемник. В зависимости от назначения, можно выбрать носимые, автомобильные, морские, авиационные модели приемников. GPS позволяет существенно сократить затраты, связанные с поисковыми работами и значительно сократить время проведения спасательных операций. Плата за подключение и абонентская плата за пользование системой GPS не взимается.

ГЛОНАСС – российская система определения координат, полностью аналогична американской системе GPS. Орбитальная группировка также состоит из 24 спутников, размещенных в трех орбитальных плоскостях, развернутых друг относительно друга на 120 градусов. Система ГЛОНАСС сопоставима по точности с системой GPS. Принцип работы идентичен.

Применение спутниковых методов определения координат

Спутниковые радионавигационные системы позволяют определять координаты путём приёма сигналов по измеренному доплеровскому сдвигу частоты сигнала, измеряемого с искусственного спутника земли, параметры которого известны. В настоящее время для этих целей используют системы GPS и ГЛОНАСС.

При работе с GРS-системой координаты определяются в геоцентрической системе, начало её совпадает с центром масс земли. В процессе определений получают значение трёх координат Х, Y, Z. Для их определения должны быть известны координаты спутников и расстояние от точки стояния до спутника. Минимальное необходимое количество спутников для определения координат точки-4. Определяемым параметром при расчёте координат точки является время распространения магнитной волны от спутника до точки. Его измеряют фазовым методом, основанном на доплеровском эффекте.

Эффект Доплера - изменение длины волны, наблюдаемое при движении источника волн, относительно их приёмника. При приближении источника к приёмнику длина волны уменьшается, при удалении - возрастает.

В результате получают разности длин волн и фаз, что даёт возможность измерить расстояние между спутником и точкой и затем вычислить координаты точки.

Методы определения координат с испытанием ИС3 (искусственные спутники земли) называется Спутниковым позиционированием.

Работу можно выполнять в любую погоду днем и ночью. Современные аппаратуры позволяют определить координаты объектов на земле с сантиметровой и даже миллиметровой точностью.

В спутниковых технологиях применяют односторонние методы дальномерных измерений: передающие устройство находится на спутнике, а приемное на земле.

Принцип работы состоит в том что приемники GPS сигналов находятся на земле, а сами спутники используются в качестве исходных пунктов. Для определения координат пункта на земле решается пространственная обратная линейная засечка.

По трем измеренным дальностям получают координаты X, Y, Z.

В связи с расхождением шкал времени спутника и приемника необходимо одновременно наблюдать 4 ИСЗ. В системе GPS спутники размещены на шести орбитах по 4 спутника на каждой. Высоты орбит порядка 20000км. Такое количество и расположение спутников обеспечивают видимость в любой точке земли одновременно не имеет 4х спутников. В системе ГЛОНАСС планируется использование 3 орбит.

Спутниковые системы состоят из 3-х секторов:

Космический включает спутники.

Контроля и управления – этот комплекс наземных средств, обеспечивает непрерывное наблюдение спутников в целях уточнения их орбит, прогноза движения на определенном интервале времени в виде эфемерид, заложенных в память спутника. Составная часть этого сектора – космическая геодезическая сеть равномерно расположенных на земле пунктов.

Состоит из приемника и вычислительного блока. Измерение в геодезических целях выполняется фазовым методом, позволяющим получать не координаты, а их приращения в точках, где установлены приемники. Эти измерения называются относительными. Существуют два способа измерения:

Кодовый – когда измеряют время распространения сигнала. Его используют только в приемниках, размещенных на определяемом пункте. Этот способ называется автономным. Если измерения одновременно выполняются двумя приемниками то способ называется дифференциальным. При этом способе один приемник ставят на пункте с известными координатами, другой на определяемом, для повышения точности.

Фазовый – его применяют при определении координат геодезических пунктов. В этом случае измеряют не время распространения сигнала, а сдвиг фаз колебаний несущей частоты излучаемой спутником за этот промежуток времени.

Так как спутник движется, то изменяется длина волны, наблюдаемая при его движении.

Этот метод основан на эффекте Доплера.

Существует несколько геодезических режимов, делящихся на 2 группы:

статический (не подвижный)

В обоих случаях один приемник находится на исходном пункте, а второй на определяемом. В статике оба приемника в момент измерений не подвижны. В кинематике один приемник перемещается непрерывно или с остановкой. Наблюдение на обоих пунктах проводится одноименно с целью приема сигнала на них с одноименных спутников. Приемник автоматически тестируется, отыскивает и захватывает все доступные спутники, производит измерения, открывает файл и заносит в него всю информацию, затем второй приемник переносится на другую определяемую точку.

Кинематический метод имеет несколько способов. В отличие от статики второй приемник после 10 – 15 минут измерений последовательно перемещается по определяемым точкам. Не позднее, чем через 1 час второй приемник должен быть размещен в начальной точке. Этот способ называется "стой – иди".

Пространственное положение НИСЗ характеризует его "бортовые эфемериды", включающие в себя пространственные прямоугольные координаты НИСЗ (в системе координат WGS-84 для GPS и в системе ПЗ-90 для ГЛОНАСС) на определённый момент времени. Бортовые эфемериды вырабатываются в результате обработки измерений, выполняемых сегментом контроля и управления.

Системы координат в спутниковой геодезии. В Российской Федерации при выполнении геодезических работ используется проекция Гаусса-Крюгера на эллипсоид Ф.Н. Крсовского, форма и размеры которого были вычислены советским геодезистом А.А. Изотовым в 1940 году. До недавнего времени использовались системы координат СК-42 и СК-95.

В настоящее время, в соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации от 28 июля 2000 г. № 568 используются системы координат:

СК-95 — при геодезических и картографических работах;
ПЗ-90 — в целях геодезического обеспечения орбитальных полетов, в навигации морских и воздушных судов.

То есть, при спутниковых измерениях используются две системы координат, одна из которых жестко связана с Землей (геодезическая система координат), а другая — с космической (звездной) системой координат.

Геодезические (эллипсоидальные) координаты. Положение объекта (точки) в околоземном пространстве, находящемся вне эллипсоида, определяется двумя углами. Один из углов — геодезическая широта, а другой геодезическая долгота. В качестве начального меридиана для счета долгот принят меридиан, проходящий через Гринвичскую лабораторию (вблизи Лондона). Долготы отсчитываются от 0 до 360°. В восточном полушарии от 0 до 180°, в западном полушарии от 180 до 360°. Оцифровка широт принята от — 90° на Южном полюсе до + 90° на Северном полюсе, экватор проходит через 0. При таком исчислении координат отпадает необходимость уточнения, в каком полушарии находится искомая точка (объект).

Астрономические координаты положения точки определяются астрономической долготой и широтой относительно уровенной поверхности. Астрономическая широта — угол между отвесной линией в исследуемой точке и плоскостью экватора. Астрономическая долгота — двугранный угол, образованный плоскостью начального меридиана и плоскостью астрономического меридиана исследуемой точки. При пропроведении геодезических работ обязательно учитывают различия между геодезическими и астрономическими координатами.

Прямоугольные пространственные координаты X, У, Z (земная система координат). За начало координат в прямоугольной системе координат принят центр эллипсоида 0. За основную плоскость ХОУ принята плоскость земного экватора. Координатная ось ОХ направлена в точку пересечения нулевого меридиана и плоскости экватора, а ось ОУ пересекает экватор в точке, с долготой 90°. Ось OZ совпадает с осью вращения эллипсоида (но может и не совпадать), при этом различают инерциальную и гринвечскую (вращающуюся) системы прямоугольных координат.

Переход от инерциальной системы координат к гринвичской производится за счет поворота инерциальной системы вокруг оси Z на угол, численно равный истинному гринвичскому звездному времени. Положение точки в пространстве определяется координатами X, У, Z.

Положение точек в пространстве в системе ПЗ могут быть получено в виде пространственных прямоугольных или геодезических координат. Геодезические координаты относятся к общеземному эллипсоиду с центром, совпадающим с системой ПЗ.

Общепризнанными системами отсчета являются IERS (International Earth Rotation Servise), ее европейская подсистема ETRS (European Terrestrial Reference Sustcm), система GRS-80 (Geodetic Reference Sustem, 1980), параметры которой служат основой для ряда систем Европы, Австралии и Америки. В России без интеграции с западными странами создана система Параметры Земли 1990 г. — ПЗ-90.

Система ПЗ-90 закреплена координатами пунктов космической геодезической сети, из них 7 пунктов размещены в Антарктиде. Начало координат совмещено с центром Земли с точностью около одного метра, погрешность взаимного положения пунктов при расстояниях между ними до 10 тыс. км составляет не более 30 см.

Помимо международных систем отсчета существуют также и национальные, в нашей стране они называются референцными. Центры их эллипсоидов часто не совпадают с центром масс Земли, поэтому положение точек в пространстве, определенные по их координатам, могут различаться на десятки, а иногда сотни метров.

Референтная система координат Российской Федерации представлена в виде государственной геодезической сети (ГГС) на всей территории страны и государственной нивелирной сети (Балтийская система высот).

В результате совместного уравнивания координат пунктов космической геодезической сети, доплеровской геодезической и астрономо-геодезичсских сетей, полученная в 1995 году система координат, принята к использованию Постановлением Правительства Российской Федерации от 28 июля 2000 года № 568, получившая наименование — система координат СК-95.

СК-95 согласована с единой государственной геоцентрической системой координат ПЗ-90 (Параметры Земли 1990 года) и предназначена для повышения точности и эффективности решения задач по геодезическому обеспечению экономики, науки и обороны страны. Положение пунктов в данной системе координат определяются следующими параметрами:

пространственными прямоугольными координатами X, У, Z;
геодезическими координатами: широтой, долготой и высотой;
плоскими прямоугольными координатами х, у, вычисляемые в проекции Гаусса-Крюгера.

За отчетную поверхность в СК-95, как и в СК-42 принят эллипсоид Ф.Н. Красовсого. Различия заключаются в расположении эллипсоидов в теле Земли, следовательно, геодезические данные на одном и том же эллипсоиде, полученные в разных системах, будут существенно отличаться.

Преобразование координат из системы СК-42 в систему СК-95 производится следующим образом. На геодезических пунктах, для которых известны координаты в СК-42 и СК-95 получают их разности. Далее необходимо полученную разность распространить на окружающую территорию. Когда поле разностей построено, по известным координатам в одной системе, легко получить координаты в другой системе.

Рассмотрение математической модели такой трансформации выходит за пределы изучения нашего курса, поэтому ограничимся лишь общими сведениями.

Местная система координат — система плоских прямоугольных координат в проекции Гаусса-Крюгера с местной координатной сеткой. Обязательным условием функционирования местной системы координат является наличие возможности перехода к государственной системе координат с помощью параметров перехода (ключей). Использование местных систем координат было обусловлено необходимостью создания крупномасштабных карт и планов городов па основе системы 1963 года. Такие местные системы координат (несколько тысяч) созданы во всех субъектах Российской Федерации. К местным системам плоских прямоугольных координат относят также трехградусные проекции Гаусса-Крюгера.

Общие сведения о функционировании спутниковых систем. Некоторые сведения о спутниковых технологиях в геодезии уже были нами рассмотрены. В настоящем разделе рассмотрим использование спутниковых технологий применительно к прикладной геодезии.

Общеизвестно, что в настоящее время используются две спутниковые системы определения координат: это российская система ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система) и американская NAVSTAR GPS. В ближайшее время должны быть задействованы еще две новые спутниковые навигационные системы: европейская Gallileo и китайская Compass.

В основу определения координат точек местности по навигационным спутникам, выполняющих роль опорных точек, положен принцип пространственной линейной засечки. Независимо от того, какая навигационная система используется, каждая из них состоит из трех сегментов: космического, наземного управления и потребителей. Спутники системы GPS расположены на шести круговых орбитах, плоскости которых повернуты относительно друг друга на 60°.

Период обращения спутников по орбитам составляет около 12 часов. Общая группировка спутников составляет 24 единицы, срок службы на орбите — 7-10 лет.

Группировка спутников системы ГЛОНАСС также насчитывает 24 единицы, расположенных в трех орбитальных плоскостях с периодом обращения около 12 часов.

Сегмент потребителей включает совокупность средств, принимающих радионавигационные сигналы, характеризующихся определяемыми величинами, их точностью и назначением. По назначению всю аппаратуру условно можно разделить на геодезическую, навигационную и бытовую.

Геодезические приемники могут работать в одной или в двух системах (ГЛОНАСС + GPS), они могут выполнять измерения на одной или двух частотах, получать информацию по кодовым или фазовым сигналам. Наибольшую точность обеспечивают двухчастотные геодезические приемники, работающие одновременно по фазовым и кодовым сигналам.

Фазовый режим — это режим высокоточных геодезических измерений, в котором участвуют, как правило, два приемника. В этом режиме получают разность координат пунктов, на которых установлены антенны спутниковых приемников. Определение координат точек земной поверхности с помощью спутников основано на измерении расстояний до спутников и времени распространения электромагнитных сигналов. В процессе измерений участвуют как минимум 4 спутника.

При построении инженерно-геодезических опорных сетей используется так называемый дифференциальный метод измерений. Данный метод позволяет определять не абсолютные значения координат, а их разности. Суть метода состоит в том, что для его реализации необходимы два приемника, один из них устанавливается над пунктом с известными координатами (базовая станция), а другой — в искомой точке. Зная координаты одного пункта, и разности координат (вектор базы), вычисляют координаты любого интересующего пункта (точки). Данный метод позволяет определять координаты искомой точки относительно базовой станции с погрешностью 0,5-2,0 см.

Спутниковые способы определения координат пунктов подразделяются па абсолютные и относительные.

Под абсолютным понимают такой способ, при котором по измеренным величинам вычисляют полные значения координат. Под относительным такой способ, когда по измерениям можно вычислить приращения координат — пространственные базовые векторы, соединяющие пункты наблюдений.

При абсолютных способах определения координат различают кроме того автономный и дифференциальный методы. Дифференциальные методы определения координат могут быть основаны на кодовых или фазовых определениях. Относительные способы подразделяются на статические и кинематические методы.

Точность способов существенно различается, от нескольких миллиметров до нескольких десятков метров. Наиболее точными являются дифференциальные и относительные способы. Координаты точек, в кодовом режиме при абсолютных измерениях могут быть определены с ошибкой в несколько метров.

Автономное определение координат производится линейной засечкой по кодовым псевдодальностям, измеренным не менее, чем до четырех спутников. Автономным способ называется потому, что определяются координаты одной точки, независимо от измерений на других станциях. Точность определения координат сравнительно невысока, погрешность в среднем составляет 5-10 м., поэтому такая точность является существенным недостатком данного способа.

При дифференциальном способе определения координат измерения выполняют одновременно двумя приемниками. Один приемник устанавливается над точкой с известными координатами, а другой (подвижный) — в искомой точке.

По результатам наблюдений на опорном пункте формируются дифференциальные поправки к соответствующим параметрам наблюдений для определяемого пункта. Этот метод обеспечивает оперативное определение координат в пункте наблюдения (в реальном масштабе времени). В качестве опорного пункта используются пункт локальной, региональной или широкозонной дифференциальной подсистем глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС). Выбор подсистемы зависит от удаленности пункта наблюдения от опорного пункта.

Точность дифференциального позиционирования зависит от приемников, программного обеспечения и других факторов и может колебаться в значительном диапазоне. При кодовых измерениях поправки могут вводиться как к псевдодальностям, так и к координатам. При фазовых измерениях также могут вводиться поправки и автоматически вводиться в рассчитываемые параметры.

Относительные методы определения координат на местности являются в настоящее время наиболее распространенными.

Как и при дифференциальном способе, аппаратуру (приемники) устанавливают как минимум на двух станциях, одна из которых является базовой (референц-станция). Никаких коррекций не производится, а определяют разности наблюдений на станциях. По разностям наблюдений, свободных от многих погрешностей, вычисляют соединяющий эти станции пространственный вектор.

Таким образом, при относительных измерениях определяют приращения координат между опорными и определяемыми пунктами через трехмерный вектор. Базовая станция должна иметь точные координаты, чтобы по измеренным приращениям можно было вычислить координаты остальных пунктов (точек).

При относительном методе наблюдения, выполненные замеры одновременно на опорном и определяемом пункте, обрабатываются совместно. При этом определяются приращения координат. Определение координат может проводиться в статическом режиме, позволяющем выполнять продолжительные сеансы наблюдений.

Схема относительных измерений

Роль оператора в спутниковых определениях сводится к организации измерений и обеспечения одновременной работы всех приемников, участвующих в сеансе. Полученные результаты обрабатываются на компьютере.

Где НКА — навигационный космический аппарат, ОП — опорный пункт, ПН — пункт наблюдения.

Продолжительность наблюдений на станции зависит от требований точности, длины базовой линии и применяемого приемника. Для двухчастотных приемников разрешение осуществляется в течение 10-15 минут. Для одночастотных приемников такого времени может быть оказаться достаточным лишь при коротких базах (до 1 км). На длинных базовых линиях разрешение требует длительных наблюдений в течение одного и более часа.

Увеличение продолжительности и повторные наблюдения позволяют повысить точность определения координат пунктов.

Одновременное наблюдение спутников GPS и ГЛОНАСС позволяет существенно сократить время наблюдений и повысить точность определения координат до 1 см.

При кинематическом способе наблюдений различают два режима: с остановками и непрерывный. Суть способа состоит в том, что один из приемников постоянно перемещается по определяемым точкам. Точность определения координат в значительной степени зависит от статического отрезка времени и непрерывности потока поступающей информации. В случае срывов производимых измерений необходимо возвращаться на один из ранее определенных пунктов. Непрерывная кинематика предполагает измерения без остановок и используется для высокоточного координирования траектории движущегося объекта.

Обработка спутниковых измерений производится в два этапа: предварительная обработка и уравнивание геодезических сетей. Предварительный этап заключается в обработке файлов спутниковых наблюдений и в оценке их качества. Процесс уравнивания результатов измерений заключается в вычислении координат пунктов, оценке точности и в преобразовании координат в требуемую систему с использованием программных комплексов. Обработка спутниковых измерений может производиться с использованием различных программных продуктов, например, таких как: Geo Offise (Leica), Spektrum Survey (Sokkia), Trimble Geomatics Offise и др.

Использование спутникового оборудования при решении задач инженерно-геодезического обеспечения строительства обусловлено в первую очередь повышением производительности труда геодезистов и сокращении сроков выполнения работ. Сантиметровый уровень точности определения координат может быть достигнут значительно быстрее, чем при использовании традиционных геодезических инструментов. Спутниковые методы позволяют выполнять работы в круглосуточном режиме, в любую погоду и при отсутствии прямой видимости между точками.

Закрепление пунктов спутниковой геодезической сети на застроенной части производится группами из двух-трех стенных знаков в соответствии с установленными правилами. На незастроенной территории закрепление точек СГС производится с помощью опознавательных железобетонных столбов с охранными табличками установленного образца.

В режиме "Статика" одновременные измерения на двух или нескольких пунктах выполняются неподвижными приемниками. Один из приемников принимают за базовый. Положение остальных приемников определяется относительно базового. Измерения в режиме "Статика" выполняют, как правило, на больших расстояниях между пунктами (свыше 15 км). Время наблюдений зависит от расстояния между пунктами, числа спутников, состояния ионо- и тропосферы, требуемой точности и составляет обычно не менее 1 ч.

Режим "Быстрая статика" позволяет сократить продолжительность измерений, благодаря возможности применения на линиях до 15 км активных алгоритмов разрешения неоднозначности. Продолжительность наблюдения в этом режиме составляет 5-20 мин.

Режим "Реоккупация" используется, когда нет одновременной видимости на необходимое число спутников. Тогда измерения выполняют за несколько сеансов, накапливая нужный объем данных. На этапе компьютерной обработки все данные объединяют для выработки одного решения.

Режим "Кинематика" служит для определения координат передвижной станции в ходе ее перемещения. При работе в этом режиме необходимо, чтобы приемники на базовой и передвижной станциях поддерживали непрерывный контакт со спутниками в течение всего времени измерений. До начала движения выполняют инициализацию – разрешение неоднозначности фазовых измерений.

Режим "Cтой–иди" - такая разновидность кинематического режима, когда передвижную станцию перемещают с точки на точку, делая на каждой точке остановку и выполняя для повышения точности несколько эпох измерений в течение 5-30 с.

Значения средних квадратических погрешностей определения положения, мм, принято характеризовать формулой

где D - расстояние между базовым и подвижным приемниками, км.

Значения параметров a и b приведены в табл. 10.2.

Параметры, характеризующие точность определения положения

Читайте также: