Спутниковые технологии в прикладной геодезии

Спутниковые геодезические измерения выполняют с помощью аппаратуры, работающей по сигналам спутников навигационных систем GPS (Global Positioning System, США) и ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система, Россия). В Европейском союзе ведутся работы по созданию еще одной системы – GNSS-2 «GALILEO».

Несмотря на то, что изначально спутниковые технологии были направлены исключительно на военные нужды, сегодня они широко используются в гражданских целях и в быту. Например, приемники GPS продаются во многих магазинах, торгующих электроникой (мобильные телефоны, смартфоны, наручные часы, онбордеры и т.д.). С помощью спутниковых технологий можно определять точные координаты точек и границы земельных участков; создавать электронные карты; осуществлять воздушную, морскую и наземную навигацию; осуществлять сотовую связь; производить наблюдения за тектоническими процессами и обеспечивать индустрию развлечений (игры).

Существенным недостатком использования любой радионавигационной системы является то, что при определённых условиях сигнал может не доходить до приёмника, или приходить со значительными искажениями или задержками. Например, практически невозможно определить своё точное местонахождение в глубине железобетонного здания, в подвале или в тоннеле. Уровень приёма сигнала от спутников может серьёзно ухудшиться под плотной листвой деревьев или из-за очень большой облачности. Нормальному приёму сигналов могут повредить помехи от многих наземных радиоисточников, например, при преднамеренно создаваемых помехах «глушилками».

GPS реализована и эксплуатируется министерством обороны США и поэтому есть полная зависимость от этого органа в получении другими пользователями точного сигнала.

Спутниковая навигационная система включает в себя:

• подсистему космических аппаратов;
• подсистему контроля и управления; подсистему аппаратуры потребителей.

Подсистема космических аппаратов состоит из 24 искусственных спутников Земли, обращающихся вокруг Земли по орбитам, близким к круговым, на высоте около 20000 км. В любом месте Земли на высоте более 15° над горизонтом одновременно видны от 4 до 8 спутников.

Спутники принимают и хранят информацию с наземных станций, а также непрерывно излучают для пользователей измерительные радиосигналы, данные о времени, свои координаты и другие данные. Для спутниковых определений установлены свои геодезические пространственные координаты с началом в центре масс Земли. Навигационное сообщение представляет собой файл, включающий следующие данные: коэффициенты полинома для вычисления ошибки часов спутника, элементы орбиты для вычисления пространственных прямоугольных координат спутника, параметры для вычисления ионосферной поправки, приближенные элементы орбит всех спутников и др.

Определение местоположения с помощью спутников основано на измерении расстояний от спутников до приемника, по скорости и времени распространения радиоволн.

Подсистема контроля и управления состоит из главной контрольной станции, станций слежения, управляющих станций. Подсистема предназначена для управления, информационного обеспечения спутников и контроля правильности их функционирования. Станции слежения, наблюдая за движением спутников, выполняют траекторные измерения, результаты которых сообщают на главную контрольную станцию. На главной контрольной станции по данным, полученным со станций слежения, вычисляют прогнозируемые параметры орбит спутников и другие элементы, входящие в текст навигационного сообщения.

Управляющие станции загружают подготовленную информацию на спутники.

Подсистема аппаратуры потребителей – это множество средств, выполняющих прием информации со спутников, измерение параметров, связывающих положение аппаратуры пользователя с расположением спутников, и их обработку.

В результате обработки получают координаты аппаратуры потребителя и, если требуется, и вектор скорости движения. Аппаратура, входящая в состав геодезического спутникового приемника, имеет общую массу от 4 до 8 кг, рабочий диапазон температур от -20° до +60°, продолжительность непрерывной работы аккумулятора 6 – 8 часов. Измерения в геодезии выполняют комплектом, состоящим из двух и более геодезических спутниковых приемников.

Если измерить дальности до трех спутников, то зная их координаты, методом линейной засечки можно определить координаты точки стояния приемника. Однако, в силу разного рода причин, определенное расстояние до спутника будет содержать погрешности (псевдодальность). Поэтому, чтобы правильно вычислить координаты по псевдодальностям, производят измерения расстояний как минимум до четырех спутников.

Методы определения местоположения с помощью спутниковых технологий можно разделить на абсолютные и относительные. К абсолютным методам относят кодовые измерения, применяющиеся при решении задач навигации, к относительным методам фазовые измерения, использующиеся в геодезии.

Кодовые измерения применяются при решении задач навигации. Координаты объекта, определяемые по результатам кодовых измерений, имеют точностью около 3 м. В геодезических работах кодовые измерения играют вспомогательную роль – служат для определения приближенных координат пунктов сети.

Фазовые измерения в геодезических работах являются основными, обеспечивая возможность построения геодезических сетей высокой точности.

Сущность метода заключается в измерении разности фаз между колебаниями, принятыми от спутника, и колебаниями такой же частоты, выработанными в приемнике.

Расстояние между спутником и приемником непрерывно изменяется, отчего изменяется и сдвиг по фазе N + Ф .В приемнике спутниковых сигналов предусмотрено измерение непрерывно изменяющейся разности фаз Ф и подсчет числа переходов ее через ноль, изменяющих целое число волн в расстоянии. Это число прибавляется к измеряемой величине Ф, отчего суммарный сдвиг но фазе оказывается неправильной дробью, а неизвестное число достается постоянным для всех расстояний от пункта р до спутника s . Определение целого числа N называется разрешением его неоднозначности.

Разности фаз измеряют с высокой точностью, соответствующей долям миллиметра. Однако вычислить координаты приемника с указанной точностью не удается из-за ошибок орбиты, влияния ионосферы и других причин. Точность фазовых измерений реализуют, применяя метод относительного определения положения пунктов. Результаты одновременных наблюдений одного и того же спутника в двух пунктах содержат значительные, но общие, близкие по величине погрешности. Поэтому разности результатов измерений от них практически свободны и позволяют с высокой точностью определять разности координат X, Y, Z двух пунктов, то есть трехмерный вектор ΔX, ΔY, ΔZ, их соединяющий. Следовательно, зная координаты X, Y, Z одного пункта, можно, определить разности координат ΔX, ΔY, ΔZ до другого и вычислить его координаты.

Практическая реализация данного метода осуществляется следующим образом. Необходимо иметь не менее двух спутниковых приемников. Один из них устанавливается на пункте с известными координатами (базовая станция), а другой – на точке, координаты которой необходимо определить. Наблюдая в течение некоторого времени одновременно с двух станций одни и те же спутники, получают приращение координат относительно базовой станции с погрешностью от 0,5 до 2,0 см.

Спутниковые технологии определения координат имеют ряд существенных преимуществ перед традиционными методами. Но, в то же время, на закрытой и полузакрытой местности (лес, городские кварталы) применять их довольно трудно. В таких случаях спутниковые методы сочетают с традиционными методами.

Точность относительных определений зависит от времени наблюдения, поэтому различают три основных методики: статическую, кинематическую и динамическую.

Спутниковая геодезическая аппаратура обеспечивает возможность работы в различных режимах.

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 “Стой-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:

т = а + b • D

где D – расстояние между базовым и подвижным приемниками, км. Значения параметров а и b приведены в таблице.

На российском рынке достаточно широко представлены спутниковые приемники различного класса и назначения производства ряда известных зарубежных фирм: Leica (Швейцария), Trimble (США), Spectra Precision, Sokkia, Nicon и Topcon (Япония), Carl Zeiss (Германия), Geotronics (Швеция), South (Корея), Sercel (Франция) и др. Одно из требований, предъявляемое временем к GPS оборудованию – это возможность использования различных навигационных систем, которые действуют сейчас: GPS, ГЛОНАСС и перспективные Galilleo.

GPS-приемники для режима RTK, – единственный способ в реальном времени получить координаты точек на местности с уровнем точности до сантиметра.