Раздел 6. Спутниковое позиционирование

Общие принципы

Спутниковым позиционированием называют определение местоположения (координат в пространстве) наземного пункта, недвижимого или объекта, который движется, с помощью спутниковых навигационно-геодезических систем (СНГС). В случае, когда объект движется, определяется, кроме координат, вектор его скорости (то есть скорость и направление движения), а также осуществляется привязка к эталонным шкалам времени.

Короткая историческая справка. Разработка систем спутникового позиционирования началась в конце 50-х лет XX век, в скором времени после запуска первого советского искусственного спутника Земли. Этот спутник был запущен в 1957 году, а уже в декабре 1958 г. в США была начата программа создания спутниковой навигационной системы NNSS (Navy Navigation Satellite System), предназначенной для военно-морского флота США. Позднее эта система получила название "Транзит" (TRANSIT). Она была сдана в эксплуатацию в 1964 г., а с 1967 г. была открыта для гражданского коммерческого использования. Система "Транзит" содержала 6 спутников, выведенных на почти круговые полярные орбиты со средней высотой порядка 1075 км, и наземный командно-измеримый комплекс с четверыми станциями слежения. Аппаратура потребителей -прийомоіндикаторний устройство или, проще, приемник - могла устанавливаться на неограниченном количестве подвижных объектов (необязательно на кораблях). "Транзит" - система допплерівського типа, в которой координаты приемника получают за несколькими различиями расстояний от приемника до разных положений спутника при его движении, определяя эти различия из интеграции допплерівського сдвига частоты. Система "Транзит" сыграла очень большую роль в навигации, ее услугами пользовались тысячи потребителей в разных странах. Получила популярность также допплерівська система "Геос" (GEOS). В СССР в 1967 г. начала разрабатываться допплерівська система "Цикада", введенная в эксплуатацию в 1979 г.

Все эти системы обеспечивали точность получения координат порядка 50-100м, а в отдельных случаях и более высокую. Главным их недостатком была малая оперативность измерений: для достижения высокой точности было нужное несколько прохождений ШСЗ в поле зрения приемника, а перерыва между прохождениями спутников, например, в системе "Транзит" составляли полутора часа. Это послужило побудительным мотивом к разработки систем второго поколения - глобальных спутниковых систем.

Глобальные системы обеспечивают получение координат в любой точке Земли в любой произвольный момент времени и за любой погоды. Это стало возможным благодаря увеличению высоты орбит спутников до 20 тыс. км и увеличению числа самых спутников до 24. Вследствие этого в любой точке на поверхности Земли может одновременно наблюдаться не меньше 4-х спутников - минимально необходимое количество для определения координат наземного приемника; практически очень часто их наблюдается больше, что дает возможность выбирать их оптимальные конфигурации.

В данное время в мире существуют две глобальные системы: американская - GРS и российская - ГЛОНАСС. Обе они составляются с трех секторов: космического (спутники), наземного сектора управления и контроля и сектора пользователя (спутниковые приемники). Более детально устройство и работа глобальных спутниковых систем освещается в соответствующем разделе. Отметим, что в российском стандарте 2001 года систему GРS рекомендуется называть российской аббревиатурой ГСП (Глобальная Система Позиционирования), но мы будем использовать название GРS, общепринятую во всем мире.

Геометрические принципы позиционирования. Любая точка в просторные характеризуется, как известно, тремя координатами, которые могут быть линейными, угловыми или смешанными. Существует несколько разных систем пространственных координат, которые детально изучаются в курсе высшей геодезії. В спутниковой геодезії найзручнішою есть геоцентрическая (то есть с началом в центре масс Земли) прямоугольная система координат Х,Y,Z. Связь между этой системой и широко употребляемой в высшей геодезії системой геодезических (пространственных эллипсоидных) координат В,L,Н (геодезических широты, долготы и высоты) устанавливается за известными формулами. Нас здесь будет интересовать несколько другой аспект. В какой бы системе координат ни рассматривалась данная (определяемая) точка пространства, прежде всего надо определить ее местоположение по отношению к другим точек, координаты которых известные, с помощью измерений некоторых геометрических величин, линейных или угловых. Поскольку электронными методами расстояния измеряются точнее, чем кути (в том значении, которые позволяют построить более точные геодезические сети), то естественно выбрать для измерения линейные, а не угловые величины. Тогда пространственное положение точки можно получить методом линейной засечки. Объясним сказанное, рассмотревши сначала для простоты ситуацию на плоскости. Пусть точки А і В (рис.6.1) с известными координатами (геодезисты называют такие точки "твердыми пунктами"), Р - определяемая точка. Для нахождения ее местоположения на плоскости надо измерить расстояния от нее до точек А і В, то есть АР и ВР. Тогда точка Р выходит в сечении двух кругов с радиусами АР и ВР. (Эти круги пересекаются в двух точках - вторая точка лежит на рисунке снизу от линии АВ, но на практике мы всегда можем правильно выбрать нужную точку).

Рис.6.1. К определению местоположения точки на плоскости круговой засечкой

 

Круга являются изолиниями (так называются линии равных значений вымеренных величин) - линии равных расстояний от центра круга. Итак, в этом случае измерения двух расстояний от известных точек к определяемой дает положение последней в сечении двух круговых изолиний. Чем ближе до 90° угол засечки, тем выше точность. Поскольку измеряются расстояния (дальности), такой метод определения местоположения называется віддалемірним.

Кроме круговой, возможная также гиперболическая засечка, для осуществления которой надо измерить два различия расстояний от трех твердых точек А, В і С к определяемой: (АР- ВР) и (СР- ВР). Эти различия дают две гиперболы - одну из фокусами в А і В, другую - с фокусами в В і С, и определяемая точка Р выходит в сечении гипербол. Такой метод называют різнично- віддалемірним, или просто разностным.

При переходе от плоскости до просторную изолинии заменяют ізоповерхнями, и их повино быть уже не две, а три, то есть число измеренных геометрических параметров – расстояний или различий расстояний - должно равняться трем. При віддалемірному методе вместо кругов получаем сферы, и определяемая в пространстве точка выходит в сечении трех сферических поверхностей. Сечение двух сфер дает круг, а третья сферическая поверхность пересекает это круг в двух точках, одна из которых и есть определяемой. По трем вымеренным дальностях D, (и = 1,2,3) координаты определяемой точки Х,В,Z исчисляются из решения трех уравнений (уравнений сферы) вида:

где Х,В,Z - известные координаты точек, от которых измерялись расстояния (центров сфер).

 

Особенности спутникового позиционирования. При применении вышеизложенных геометрических принципов определения местоположения к глобальным спутниковым системам возникают некоторые специфические особенности. Одна из них заключается в том, что "твердыми пунктами" - точками с известными координатами - есть спутники, которые двигаются, а определяемая точка (недвижимая или подвижная) находится на Земле (спутниковый приемник). Для определения положения (координат) наземной точки выполняется одновременное измерение расстояний к спутникам, а положение точки геометрически выходит в сечении сфер, как было объяснено выше, то есть используется віддалемірний метод. Другая особенность заключается в том, что по причине, которые будут рассмотрены ниже, что измеренные дальности выходят искривленными. Их называют псевдодальностями. Чтобы правильно вычислить координаты приемника за вымеренными псевдодальностями, их надо измерить не до трех спутников, а как минимум до четверых. На практике, как правило, используется большее количество спутников для получения избыточных измерений, которые позволяют повысить качество окончательного результата и оценить его точность, но с принципиальной точки зрения достаточно четверых спутников.

Системы координат при спутниковом позиционировании. Выше указывалось, что спутники являются объектами с известными координатами. Откуда берутся эти координаты и что они собой представляют?

В состав спутниковой системы входит сеть наземных станций слежения, которые в результате измерения расстояний к спутнику получают данные об элементах орбиты спутника через равноотстоящие интервалы времени в пределах некоторого участка траектории движения. Обработка этих данных, которые называются ефемеридною информацией или просто эфемеридами спутника, позволяет вычислить для ряда моментов времени координаты спутника в геоцентрической прямоугольной системе координат. Напомним, что эта система определяется таким образом (рис.6.2):

 

Рис.6.2. Геоцентрическая прямо - Рис.6.3.Системы