Спутниковые методы измерений. Система GPS.

GPS – это спутниковая система, которая использует созвездие из 24 спутников для обеспечения пользователя точными координатами. GPS – сокращение от NAVSTAR GPS, что является аббревиатурой от Глобальная Навигационная Система для Определения местоположения по Времени и Дальности.

Полная структура GPS состоит из трех различных сегментов:

• Космический Сегмент - Спутники, облетающие по орбите Землю.

• Сегмент Управления - Станции, расположенные вблизи от экватора, необходи­мые для управления спутниками.

• Сегмент Пользователя – Устройства, принимающие и использующие сигнал GPS.

Космический Сегмент состоит из 24 спутников, облетающих по орбите Землю на высоте приблизительно 20 200 км каждые 12 часов. В настоящее время на орбитах находятся 26 действующих спутников.

Космический сегмент спроектирован таким образом, что в любой момент в распоряжении пользователя находится как  минимум 4 спутника, видимых выше 15° над горизонтом в любой точке земной поверхности. Четыре спутника - минимум, который необходим для решения большинства прикладных задач.

Каждый спутник GPS имеет несколько очень точных бортовых атомных часов (эталонов частот). Часы работают на основной частоте 10.23 MГц. Она

используется для генерирования сигналов, которые передаются спутником.

Спутник постоянно передаёт две несущие волны. Эти несущие волны находятся в L- полосе (используемой для радиопередач), и перемещаются к земле со ско­ростью света. Эти несущие образуются из основной частоты, генерируемой очень точными атомными часами:

• несущая L1 передаётся в диапазоне 1575.42 МГц (10.23 X 154)

• несущая L2 передаётся в диапазоне 1227.60 МГц (10.23 X 120).

Несущая L1 модулируется двумя кодами: C/A кодом или кодом Грубого /

Захвата с частотой 1.023 MГц (10.23/10) и Р-кодом или Точным Кодом с частотой в 10.23 MГц. Несущая L2 модулируется только одним кодом – Р-кодом с часто­той 10.23 МГц.

Каждый спутник имеет свой индивидуальный код, по которому его идентифици­рует приёмник. Коды могут быть также использованы как основа для измерения псевдодальностей, а по ним и вычисляются координаты.

Сегмент Управления состоит из одной главной станции управления, 5 контрольных станций и 4 наземных антенн, равномерно распределенных вблизи экватора. Сегмент Управления отслеживает спутники GPS, обновляет их орбитальное положение и выполняет калибровку и синхронизацию их часов.

Следующая важная функция – это определение орбиты каждого спутника и предсказание траектории его движения на следующие 24 часа. Эта информация загружается в каждый спутник и входит в передаваемый сигнал. Это позволяет GPS приёмнику иметь информацию о том, где может находиться каждый спутник, что пригодится для его быстрого обнаружения на небесной сфере.

Существует несколько различных методов для получения координат с помощью GPS. Выбор зависит от точности, необходимой потребителю и типа имеющегося GPS приёмника. Вообще говоря, методы могут быть разделены на три основных класса:

Автономная навигация -  используется единственный (автономный) приёмник. Точность определения координат от 30 до 100 м для гражданских потребителей и приблизительно 5-20 м для военных потребителей.

Дифференциальные фазовые измерения. Позволяет получить точность 0.5 - 20 мм. Используется для геодезических измерений, управления строительной техникой и т. д.

Дифференциальное координирование. Более известное как DGPS, позво­ляет получать координаты с точностью 0.5 - 5 м. Используется для прибрежного кораблевождения, в сельском хозяйстве и т. д.

Определение координат с помощью GPS основано на измерении расстояния от спутников до GPS приёмника, находящегося на поверхности Земли. Это расстояние до каждого спутника может быть определено GPS приёмником. Основная идея – решение обратной засечки, которую множество геодезистов используют в своей ежедневной работе.

Проблема состоит в том, что по сигналу GPS можно определить лишь псевдодальности и время. Таким образом, для решения имеются четыре неизвестных величины: координаты (X, Y, Z) и время прохождения сигнала. Выполнив измерения сигналов от четырёх спутников, мы получим четыре уравнения, которые могут быть решены, что позволит определить эти неизвестные величины.

Существуют несколько источников ошибок, которые снижают точность координат полученных с помощью GPS: 1. Ионосферные и атмосферные задержки; 2. Ошибки часов спутника и приёмника; 3. Отраженные сигналы;

4. Плохая геометрия созвездия спутников (плохие углы засечки);

Многие из ошибок, воздействующие на измерение дальности до спутника могут быть полностью устранены или, по крайней мере, существенно уменьшены, с помощью дифференциальных измерений.

Суть дифференциальной методики  состоит в том, что всегда одновре­менно используются минимум два GPS приёмника.

Антенна референц приёмника устанавливается на точке с предварительно определёнными координатами. Приёмник, который установлен на подобной точке с известными координатами, называется референц - станцией или базовой станцией (базой). Другой приёмник (передвижная станция) свободно перемеща­ется вокруг базы и называется ровером (англ. rover – кочевник, бродяга).

На базовой станции по результатам измерений формируются дифферен­циальные поправки, которые передаются  по радиоканалу (радиомодем) на пе­редвижную станцию. Формирование дифференциальных поправок может осуще­ствляться двумя путями:

- как разность известных и измеренных координат базовой станции. Она прибавляется к координатам передвижной станции. В этом случае обе станции должны наблюдать одинаковое созвездие навигационных ИСЗ.

- как разность между измеренными псевдодальностями и расстояниями, вычисленными по координатам базовой станции и навигационных ИСЗ. Эти поправки передаются на передвижную стацию для коррекции измерений.

Основная идея дифференциального режима – исключение систематиче­ских ошибок, общих для базовой и передвижной станций. Здесь можно про­вести аналогию с барометрическим нивелирова­нием, при котором фактически для тех же целей используется временная баро­метриче­ская станция. В идеале необхо­димо, чтобы измерения на базовой и передвижной станциях производи­лись од­новре­менно и в одной и той же точке. Разнос измерений во времени и в про­странстве снижает потенциальную точность дифференциальных спутнико­вых определе­ний.

Между базовым приёмником и ровером вычисляются базовые линии (векторы GPS). Для контроля качества измерений наблюдения необходимо организовать таким образом, чтобы векторы GPS образовывали треугольники.

При использовании GPS, координаты вычисляются относительно эллипсоида WGS84. Существующие каталоги координат обычно составлены из координат в местной системе и поэтому GPS координаты должны быть преобразованы (трансформированы) в эту местную систему.

Математически строгое преобразование осуществляется по методу Гель­мерта. Однако, для небольших территорий, приблизительно 15 x 15 км, можно использовать приближенные методы, для которых не нужно иметь ни какой информации о референц-эллипсоиде или картографической проекции.

Для реализации методов трансформации перед началом измерений базовый приемник и ровер устанавливаются на пунктах с известными координатами.

Существует несколько методик измерений, которые могут использоваться с большинством геодезических GPS приёмников. Геодезист должен выбрать соответствующую методику измерений, для решения поставленной перед ним задачи.

Статика - Используется для измерения длинных линий, развития геодези­ческих сетей, изучения движений тектонических платформ и т. д. Предлагает высокую точность на длинных расстояниях, но сравнительно медленные измере­ния. За правило считается, что статика должна выполняться в течение мини­мум 1 часа на линиях 20 км с пятью спутниками. Длинные линии требуют более длительного периода наблюдений.

Быстрая статика - Используется для развития съёмочных сетей, сетей сгущения и т. д. Предлагает высокую точность на базовых линиях до 20 км - намного быстрее обычной статики.

Кинематика - Используется для топографической съёмки и для быстрого определения координат большого количества точек. Очень эффективный способ измерения большого количества близко расположенных точек. Однако если сигналы спутников преграждают различные препятствия: деревья, мосты, высокие здания и т. д., и при этом отслеживаются менее 4-х спутников, то приёмник должен быть повторно инициализирован, на что уйдёт 5-10 минут.

Методика обработки, называемая On-the-Fly (непрерывно, «слёту»)) (OTF) призвана уменьшить это ограничение.

RTK – Для измерений кинематикой в реальном времени, используется радиомодем для передачи роверу спутниковых данных полученных базой. Этот способ позволяет вычислять координаты непосредственно в поле в реальном времени. Используется для того же, что и кинематика. Очень эффективный путь выполнения топографической съёмки, поскольку результаты будут получены сразу же после выполнения полевых работ. Эта методика, однако, полагается на радиосвязь, которая подвержена интерференции от других источников радиоизлучения, а также необходима прямая видимость между базой и ровером.

Для использования GPS необходимо чтобы в поле зрения GPS антенны находилось, по крайней мере, 4 спутника. Иногда, спутниковые сигналы могут блокироваться высокими зданиями, деревьями и т. д. Следовательно, GPS

нельзя использовать в закрытом помещении. Также трудно использовать GPS в центре города или лесистой местности. Из-за этих ограничений в некоторых случаях может быть экономически эффективней использовать тахеометр или комбинировать GPS и обычные измерения.

Примечание - Отечественная система ГЛОНАСС построена на принципах, сходных с GPS. Основные различия заключаются в следующем:

- использование системы координат ПЗ-90;

- шкала времени реализована на российской реализации шкалы UTC, отличающейся от шкалы времени GPS на целое количество секунд;

- используется частотное разделение сигналов;

- точные коды модуляции несущих частот L 1 и L 2 являются открытыми;

- искусственные режимы, снижающие точность координатных определений и защищающие от несанкционированного воздействия, не применяются.

В настоящее время, в дополнение к системам GPS и ГЛОНАСС в рамках Европейского союза создается система GNSS-2, получившая название GALILEO.

 

Лазерная локация

На физическом уровне основой лазерной локации является использование полупроводниковых лазеров в качестве источника зондирующего излучения.

Основная функция лазера – генерация импульсного или непрерывного излучения, которое отражаясь от поверхности земли или наземных объектов, может быть использовано для измерения дальности от источника излучения до объекта, вызвавшего отражение. Лазер, таким образом, является важнейшим функциональным компонентом оптико-электронного блока, в который, кроме самого лазера, могут входить устройство развертки, коллиматор, объектив, приемник, усилители, дискретизаторы, а также другие оптические и электронные компоненты.

Вторым важнейшим компонентом авиационного лазерного локатора наряду с оптико-электронным (дальномерным) выступает навигационный блок, работа которого основана на взаимодействии в реальном времени системы спутниковой навигации GPS / ГЛОНАСС и инерциальной системы.

Производительность метода ЛЛ чрезвычайно высока. На практике достигнута производительность съемки в 500-600 км за один аэросъемочный день для магистральных высоковольтных ЛЭП и газопроводов. Во всех случаях в маршрутном режиме обеспечивается съемка всей ширины полосы отчуждения. Здесь следует отметить, что камеральная обработка результатов съемки при реализации метода ЛЛ, как правило, по продолжительности сравнима со временем выполнения авиационных работ, что позволяет выполнять такую обработку оперативно на месте проведения работ. Это, в свою очередь, позволяет эффективно контролировать качество съемки и при необходимости выполнять повторную съемку. Понятно, что подобная производительность значительно превосходит возможности традиционных аэросъемочных технологий, которые требует сложной камеральной обработки, требующей значительного времени.

Метод ЛЛ не требует выполнения наземных геодезических работ по планово-высотному обоснованию съемки. Необходимость выполнения таких работ может составить серьезную проблему при реализации традиционных методов съемки, особенно для удаленных и труднодоступных районов.