Глобальные системы позиционирования.

Последним крупным достижением в области геодезии является автономное определение координат точек, расположенных на и вблизи земной поверхности. Спутниковые навигационные системы используются в ГИС для геодезического обеспечения картографирования территории страны и акваторий окружающих ее морей, геодезического обеспечения проведения земельной реформы, ведения кадастров, строительства, добычи и разведки природных ресурсов, определение местоположения транспортных средств на суше, на воде и в воздухе.

Автономное определение координат выполняется с помощью спутниковых навигационных систем – 1-го поколения ЦИКАДА (Россия) и TRANSIT (США) и 2-го поколения ГЛОНАСС (Россия) и NAVSTAR (США). (GPS).

Cпутники NAVSTAR вращаются вокруг Земли по круговым орбитам на высоте около 20000 км, наклон орбиты – 55 . Наземный командно-измерительный комплекс этой системы включает координационно-вычислительный центр, командно-измерительную станцию, станции слежения и станции закладки служебной информации При использовании российских навигационных систем координаты определяемых пунктов получаются в системе координат 1942 года (СНС ЦИКАДА) или в системе СГС-90 (СНС ГЛОНАСС), при использовании американских – в системе координат WGS-84.

 

Принципы работы GPS

В спутниковых навигационных системах 1-го поколения для определения местоположения использовался эффект сдвига частот радиоизлучения движущегося источника (эффект Доплера).

 

Определение местоположения по расстояниям до спутников

Работа GPS основана на простой геометрической идее – определении координат местоположения по расстояниям до спутников. Координаты приемника вычисляются на основе измеренных расстояний до группы спутников в космосе, спутники выполняют роль точно координированных точек отсчета. Например, расстояние от приемника до спутника А – 23000 км, то это значит, что приемник находится где-то на воображаемой сфере радиусом в 23000 км с центром, совпадающим со спутником А. Если расстояние от этого

приемника до спутника В – 25000 км, можно сказать, что приемник находится на линии пересечения двух сфер, т.е. на окружности. Если до известно расстояние третьего спутника С, то можно определить две точки пересечения сферы С с окружностью, получившейся от пересечения сфер A и B. При этом обычно одна из двух полученных точек представляет неправдоподобное решение (рисунок 7.3). Если точно известна высота (например, морские корабли находятся на уровне моря), можно исключить одно из спутниковых измерений. Одна из сфер на рисунке 7.3 может быть заменена на сферу с центром в центре Земли и радиусом, равным сумме радиуса Земли и известной высотой наблюдателя.

 

Рисунок 7.3 – Определение места точки по расстояниям до спутников

 

Измерение расстояния до спутника

Измерения расстояния до спутника сводится к определению времени прохождения радиосигнала от спутника до антенны приемника. Если точно определить момент времени, в который спутник начал посылать радиосигнал, а также момент, когда его принял приемник, и умножить скорость распространения сигнала на это время, получим расстояние до спутника. При этом часы приемника и передатчика должны быть очень точно синхронизованы, т.к. время прохождения сигнала от спутника к приемнику – всего несколько сотых секунды.

 

Обеспечение совершенной временной привязки.

В приемниках используются недорогие кварцевые часы умеренной точности, а необходимая точность измерений достигается при помощи дополнительного измерения дальности еще до одного спутника.

Если три точных измерения определяют положение точки в трехмерном пространстве, то четыре неточных позволят исключить относительное смещение шкалы времени приемника.

При определении местоположения в трехмерном пространстве необходимо выполнить четыре измерения.

 

 

Определение положения спутника в космосе

Как узнать координаты в космическом пространстве спутника, двигающегося с большой скоростью и удаленного на тысячи километров? Орбиты известны заранее, а приемники имеют "альманах", размещаемый в памяти их компьютеров, из которого известно,

где будет находиться каждый спутник в любой момент времени.

Обращаясь вокруг планеты один раз за 12 часов, спутники GPS проходят над контрольными станциями дважды в сутки. Это дает возможность точно измерять их высоту, положение и скорость. После того, как станции определили параметры движения спутника, они передают эту информацию обратно на спутник, заменяя ею в памяти бортового компьютера прежнюю.

Далее эти небольшие поправки вместе с дальномерными кодовыми сигналами будут непрерывно передаваться спутником на Землю. Спутники GPS передают не только псевдослучайный дальномерный код, но также и информационные сообщения о своем точном положении на орбите и о состоянии своих бортовых систем. Все виды приемников GPS используют эту информацию вместе с информацией, заключенной в альманахе, для того, чтобы установить точное положение каждого спутника в космическом пространстве.

 

 

Ионосферные и атмосферные задержки сигналов.

Существуют два источника погрешностей, которые очень трудно избежать. Наиболее существенные из погрешностей возникают при прохождении радиосигналом ионосферы Земли – слоя заряженных частиц на высоте от 120 до 200 км. Эти частицы влияют на скорость распространения света, а следовательно, и на скорость распространения радиосигналов GPS. Это вносит погрешности в вычисления расстояний до спутников.

Существуют два метода, которые можно использовать, чтобы сделать ошибку минимальной. Во-первых, можно предсказать, каково будет типичное изменение скорости в обычный день, при средних ионосферных условиях, а затем ввести поправку во все наши измерения.

Другой способ заключается в сравнении скоростей распространения двух сигналов, имеющих разные частоты несущих колебаний. Таким образом, если мы сравним время распространения двух разночастотных компонент сигнала GPS, то сможем выяснить, какое замедление имело место.

Водяные пары в атмосфере также могут влиять на радиосигналы. Ошибки по величине

схожи с ошибками, вызываемыми ионосферой, но их почти невозможно скорректировать. К счастью, их суммарный вклад в погрешность местоположения значительно меньше, чем ширина обычной улицы.

 

 

Вопрос № 10