Проблема физико-географического районирования

Выявление, разграничение и классификация ландшафтных комплексов представляет одну из самых сложных и наиболее важных проблем ландшафтоведения. Эту проблему, обычно именуют и физико-географическим или ландшафтным районированием.

Ландшафтная сфера Земли слагается из множества крупных и мелких географических комплексов, объективно существующих в природе. Их выявление, разграничение и классификация входит в задачу физико-географического (ландшафтного) районирования. Физико-географическое районирование, направленное к выявлению в природе и разграничению ландшафтных комплексов разного таксономического ранга, одновременно является и ландшафтным районированием. Современное физико-географическое (ландшафтное) районирование как научная проблема сформировалось в сравнительно недавнее время, ему предшествует длинный ряд трудов и имен, занимавшихся природно-хозяйственным и географическим районированием.

Практическое значение проблемы районирования территории было осознано давно и оно находило определенное решение уже в трудах античных географов. Так, древнегреческий географ Страбон почти 2000 лет назад рекомендовал при разделении территории рассекать ее не по случайным местам, а «суставам», т. е. естественным рубежам, какими являются горные хребты, реки и моря (Мильков, 1967). Только в этом случае, по словам Страбона, «можно получить определенные формы и точные границы, в чем именно нуждается географ».

В русской литературе первые опыты географического районирования относятся ко второй половине XVIII в., когда наряду с попытками природного подразделения ограниченных территорий (например, Соловецких островов — И.И. Лепехиным; Новороссийской губернии — В.Ф. Зуевым) появляются схемы природно-хозяйственного районирования России в целом на полосы и группы губерний. Уже тогда получила распространение схема разделения России на три полосы: северную, среднюю и южную. Описание полос давалось с точки зрения условий, благоприятных или нет для жизни человека, характеризовались дикорастущая и культурная растительность, дикие и домашние животные, отчасти полезные ископаемые и климат.

В первой половине XIX в., развитие продолжающейся природно-хозяйственной направленности в географическом районировании России уже идет по двум направлениям: 1) группировке сходных по природе и хозяйству губерний в «пространства» (районы) и 2) выделению природно-хозяйственных полос широтного протяжения.

Представителем первого направления был К.И. Арсеньев (1818), который разделил Россию на 10 географических пространств, которые настолько верно охватывали природно-хозяйственные различия основных районов страны, что многие из них, в той или иной форме, сохранились в географической литературе до наших дней.

В 80-х гг. XIX в. П.П. Семенов (1880), опираясь на географические пространства К.И. Арсеньева, разработал свою группировку губерний Европейской России, которая получила у географов самое широкое признание. Было выделено 12 областей (или групп губерний: 1) Крайняя северная, 2) Приозерная, 3) Прибалтийская, 4) Московская промышленная, 5) Центральная земледельческая, 6) Приуральская, 7) Нижневолжская, 8) Малороссийская, 9) Новороссийская, 10) Юго-Западная, 11) Белорусская, 12) Литовская.

Другое направление, связанное с разработкой природно-хозяйственных зон, в первой половине XIX в. развивалось многими исследователями. Так, Е.Ф. Зябловский (1807) делил Россию преимущественно по климатическому признаку на 4 полосы: самую холодную, холодную, умеренную и теплую (или южную). Эти полосы включали на западе и востоке совершенно разнородные ландшафты и поэтому не представляют научного интереса.

По мере накопления фактического материала, границы полос теряли свой прямолинейный, условный характер, а их очертания постепенно приближались к известным нам сейчас географическим зонам. Э.А. Эверсманн (Мильков, 1967) в первой части «Естественной истории Оренбургского края» (Оренбург, 1840) впервые в литературе строго научно освещает вопросы географического подразделения степей и полупустынь.

В середине XIX в. в связи с дифференциацией наук и развитием географических представлений о территории России, природно-хозяйственные схемы районирования исчезли, произошло обособление экономико-географического и физико-географического районирования. Первым опытом чисто физико-географического районирования можно считать растительно-географические округа Европейской России Р. Траутфеттера (1851). Со второй половины XIX в. и до наших дней вопросы физико-географического районирования широко освещаются в печати.

В.П. Семенов-Тян-Шанский (1928) утверждал, что география является не чем иным, как наукой о естественных границах.

Как бы ни велико было значение проблемы районирования, сводить к ней всю географическую науку никак нельзя. Районирование составляет ядро, центральную проблему лишь одного (регионального) раздела частных физико-географических наук: региональной климатологии, региональной геоморфологии, регионального ландшафтоведения и т. д. Физико-географическим районированием занимается региональное ландшафтоведение.

Исключительно большое значение проблема физико-географического районирования приобрела в странах СНГ и России в последние годы, когда всестороннее и рациональное использование природных ресурсов стало одним из условий создания материально-технической базы государств. Особенно велика роль проблемы районирования, выявления местных природных различий в области сельского хозяйства и в осуществлении мероприятий по преобразованию природы (осушение заболоченных земель, орошение и обводнение засушливых территорий, гидростроительство на реках, степное лесоразведение). Проведение физико-географического районирования способствует внедрению в практику знаний о местных, районных различиях природы, постоянно изменяющихся под влиянием деятельности человека.

14 Направление и интенсивность изменений в природно-антропогенных геосистемах, прогноз их дальнейшего развития

.Ландшафтно-геохимические аспекты прогнозирования состояний геосистем в условиях техногенного воздействия.

Ландшафтно-геохимический прогноз, как часть ландшафтного, направлен на предсказание потенциально возможных (с учетом воздействия природных и антропогенных факторов) характеристик вещества геосистем. Его основным предметом служат изменение поведения вещества в геосистемах топологического и регионального уровней. Таким образом, предметом ландшафтно-геохимического прогноза (как части геохимического) является изменение поведения вещества, а объектом (как части ландшафтного прогноза) - геосистемы. Как и перед любым ландшафтным прогнозом, перед ландшафтно-геохимическим стоит задача выбора оптимального соотношения между жесткой охраной и разумным преобразованием геосистем (Исаченко, 1980) . В большей части случаев, даже в условиях интенсивного воздействия техногенного фактора, природная составляющая геосистем преобладает над техногенной. Поэтому при прогнозировании прежде всего следует учитывать естественные изменения природной среды, связанные с развитием геосистем.

Допустимой формой антропогенной нагрузки считается величина, при которой не происходит существенных нарушений свойств и функций ландшафта. Основной частью исследований по определению допустимых норм нагрузки является эксперимент, включающий обоснование и выбор объектов изучения, измерение нагрузки, определение зависимости состояния от нагрузки и разработка основ норм.

Таким образом, разработка ландшафтно-геохимического прогноза и норм антропогенных нагрузок на геосистемы, нарду с детальным изучением естественного развития геосистем, требует использования специальных методов исследования, объединенных понятием "географический эксперимент"..

Антропогенный ландшафт - это различные формы проявления человеческой деятельности в ландшафте, которые делятся на две группы:
• типы использования земель или угодья (пастбища, плантации, сады);

• инженерные комплексы (мало-и и многоэтажные сооружения или целые города, дороги).

Для изучения антропогенных воздействий на ландшафты используют системный, ландшафтный, экологический, ландшафтно-экологический подходы, а также принципы оптимизации природной среды. Исследование антропогенной нагрузки и трансформаций геосистем требует определения основных терминов и понятий.
Воздействие на окружающую среду - изъятие из окружающей среды или привнесения в него веществ, энергии, тепла, информации, в результате чего происходит изменение компонентов, характеристик, параметров окружающей среды, вызванных деятельностью человека.
Последствия воздействия - как положительные, так и отрицательные действия, происходящие в результате изменений компонентов окружающей среды, испытывают влияние деятельности человека и влияют на функционирование технических объектов, условия жизни и деятельности населения, функционирования других геосистем.

Антропогенное влияние - влияние, которое осуществляется хозяйственной деятельностью человека на окружающую среду и ресурсы и приводит к изменению их характеристик.

Оценка воздействия - деятельность, направленная на определение характера, степени или величины влияния, прогнозирование возможных последствий деятельности человека для геосистемы. Важное значение при оценке антропогенной трансформации геосистемы имеет исследование всех возможных видов воздействия на окружающую среду, а также измерения показателей воздействия.

В целом влияние техногенных объектов на окружающую среду можно разделить на следующие группы:

• по видам хозяйственной деятельности, влияющим на геосистемы: сельскохозяйственные, лесохозяйственные, водохозяйственные, транспортные, рекреационные, промышленные, селитебных;

• по территории, которую охватывает влияние: локальные, линейные, плоскостные;

• по режиму и продолжительности действий кратковременные, длительные, эпизодические, периодические, практически непрерывные;

• по характеру воздействия на окружающую среду: механические, гидро-морфични, тепловые, физические, химические.

Основным следствием воздействия на ландшафты является формирование антропогенных ландшафтов. Исследованием самих антропогенных ландшафтов и их классификации занимались разные ученые, поэтому в литературе существует много определений этого понятия. Однако самым распространенным является определение Ф. М. Мильково (1973), по которому антропогенные ландшафты - это как заново созданные ландшафты, так и природные комплексы, в которых коренные изменения претерпел любой из их компонентов.

Антропогенная трансформация - изменение природных систем под влиянием хозяйственной деятельности человека.
В процессе трансформации ландшафт подвергается определенным изменениям, которые могут быть классифицированы так:

• по ориентированностью воздействия: прямые, косвенные;

• по глубине изменений: функционирование, динамика, развитие;

• по возвратности: обратные, необратимые;

• по направленности: прогрессивные, регрессивные;

• по степени соответствия поставленной цели: целенаправленные, побочные. Таким образом, степень трансформации ландшафта будет, в свою очередь, зависеть от величины, вида, интенсивности воздействия, направленности, характера воздействия хозяйственной деятельности на компоненты окружающей среды.

15 Диагностика в географии. Теоретические и методические основы географического прогнозирования.

Всё усиливающееся воздействие человека на природную среду вызывает значительные, иногда трудно объяснимые изменения в ней. Особенно это касается климата, водных ресурсов, физических процессов и явлений атмосферы. Только строгий контроль на базе достоверных результатов научного прогнозирования позволяет превратить стихийный процесс взаимодействия природы и человека в управляемый.

Одна из основных задач географической науки – изучение и прогнозирование изменений природы под влиянием хозяйственной деятельности человека. Большинство учёных рассматривают прогнозирование как исследование явлений, событий и процессов, которые ещё не произошли, но осуществление которых в будущем возможно. Прогноз раскрывает основные черты их динамики и развития. В общем этот подход присущ и географам при обосновании и определении географического прогнозирования. Ю. Г. Саушкин указывал, что от географического прогноза требуется не только предвидение изменений техники, экономики, социального развития, но и путей развития геосреды, характера её взаимодействия с обществом, выявление узких мест обмена веществ между человеком и природой.

Наиболее обобщающее определение дал И. Р. Спектор, согласно которому географический прогноз – это высказывание, фиксирующее с априорной оценкой вероятности и заданным временем упреждения состояние социально-экономических и природных систем, формирующихся на земной поверхности в характерных пространственно-временных интервалах. В данном случае речь идёт о природных и социально-экономических системах в широком смысле.

Ю. Г. Саушкин, П. Я. Бакланов, В. М. Кравченко Авторы указывают, что географический прогноз базируется на теории и методологии современной географии и является новым этапом её развития. Кроме того, географическое прогнозирование включает не только научные предвидения состояния объектов исследования географии (геосистемы, территории и т. д.), но и пути её развития как саморазвивающейся системы. По В. С. Преображенскому, географическое прогнозирование должно охватывать весь состав науки (предмет, теорию, методы, информатику и т. д.), а также предсказывать состояние и изменение отношений между отдельными географическими науками, направлениями, школами.

Т. В. Звонкова, рассматривая прогноз как исследование явлений, которые ещё не осуществились, но возможны, считает, что прогноз раскрывает черты развития этих явлений, намечает оптимальные методы управления, обосновывает принятие решений и сроки достижения целей. По её мнению, прогноз – это особая форма познания, он – часть методологии как науки о методах познания.

К. К. Марков считал, что географическое прогнозирование должно иметь политико-экономико-географическое начало. Проблему географического прогнозирования он выделяет в самостоятельную проблему всей географической науки. К аналогичному заключению пришёл и А. М. Рябчиков, исследуя проблемы охраны окружающей среды и роль географического прогнозирования в их решении. Охрана окружающей среды – это не только технологические и экономические, но также социальные и политические проблемы. Соответственно и меры по охране природы, в том числе и прогнозные разработки этого направления, должны быть направлены не на борьбу с негативными последствиями хозяйственной деятельности, а на ликвидацию порождающих их социально-экономических и других причин.

.

По определению В. Б. Сочавы, географический прогноз – это научная разработка представлений о природных географических системах будущего, об их коренных свойствах и разнообразных переменных состояниях, обусловленных как спонтанным развитием, так и (в большей мере) преднамеренными и непредусмотренными результатами деятельности человека по освоению и разработке природных ресурсов и другими воздействиями на окружающую среду.

.

Поддерживая идею В. Б. Сочавы о том, что объект географического прогнозирования совпадает с объектом исследования географии, А. Г. Исаченко предложил термин «ландшафтно-географический прогноз». Сущность такого прогноза – научное предвидение с определённой заблаговременностью состояния поведения и направления развития геосистем. Основываясь на таком подходе, под ландшафтно-географическим прогнозированием понимается составление ландшафтно-географического прогноза с определённой вероятностью появления «события», с заданной точностью и при осуществлении некоторого наперёд заданного комплекса факторов. Для решения прогнозных задач все шире применяются методы, основанные на теории информации и других математических теориях, что позволяет изучать закономерности отношений компонентов геосистем путём оценки их совместного варьирования в географическом пространстве. В связи с этим Ю. Г. Пузаченко под географическим прогнозированием в узком смысле понимает состояние прогнозируемого объекта (природного компонента) в различных условиях среды, которые ожидаются в периоде упреждения (заблаговременности). Прогнозирование при этом основывается на отношениях между объектом прогнозирования и условиями, существующими в настоящее время и изученными во временном и пространственном аспектах. Географическое прогнозирование – это научная разработка системы представлений о будущих свойствах и состояниях географических систем, направленности и степени их предстоящих изменений, вызванных как спонтанным развитием, так и деятельностью человека, зафиксированных с заданным временем упреждения в характерном пространственно-временном интервале.

Диагностика в географии Неотъемлемым компонентом образовательного процесса является диагностика, с помощью которой определяется достижение поставленных целей. Без диагностики невозможно эффективное управление дидактическим процессом. Диагностика - это точное определение результатов дидактического процесса.

В понятие «диагностика » вкладывается более широкий и глубокий смысл, чем в понятие «проверка знаний, умений и навыков » обучаемых. Проверка знаний, умений и навыков лишь констатирует результаты, не объясняя их происхождения. Тогда как диагностирование рассматривает результаты с учетом способов их достижения, выявляет тенденции, динамику дидактического процесса.

Диагностика включает контроль, проверку, оценивание; накопление статистических данных, их анализ; прогнозирование, выявление динамики, тенденций дидактического процесса.

16 Проблемы физической географии.

17 Учение о ландшафте, его прикладная роль.

Термин «ландшафт» в современном отечественном ландшафтоведении имеет несколько трактовок: региональную, типологическую и общую.
Согласно узкой региональной трактовке ландшафт понимается как конкретный индивидуальный ПТК, одна из таксономических единиц (А.А. Григорьев, С.В. Калесник, А.Г. Исаченко, Н.А. Солнцев). По определению Н.А. Солнцева ландшафт – генетически однородный территориальный комплекс, имеющий одинаковый геологический фундамент, один тип рельефа, одинаковый климат и состоящий из набора динамически сопряженных и закономерно повторяющихся в пространстве основных и второстепенных урочищ.
По типологической трактовке ландшафт представляет собой отдельные разобщенные участки географической оболочки имеющие много общих черт (Б.Б. Полынова, Н.А. Гвоздецкий). В одну типологическую единицу включаются территориально разрозненные, но сходные, относительно однородные комплексы. Некоторые сторонники региональной трактовки ландшафта при в своих конкретных описаниях крупных территорий исходят из типологической трактовки ландшафта [10].
Общая трактовка термина «ландшафт» используется для обозначения ПТК любого ранга. Ландшафт рассматривается как совокупность взаимообусловленных и взаимосвязанных предметов и явлений природы, предстающих в виде непрерывно развивающихся природных комплексов (Ф.Н. Мильков, Д. Л. Арманд, Ю. К. Ефремов). В таком определении ландшафт выступает синонимом терминов «природно - территориальный комплекс», «природный комплекс (геокомплекс, геосистема)».
Существует также трактовка в рамках которой ландшафт определяется как территориальная система в которой взаимосвязаны и природные и антропогенные элементы (В.С. Преображенский).
С позиции системного анализа ландшафт, или природно - территориальный комплекс А.Г. Исаченко определяет как образование с единым происхождением, общей историей развития, формирующаяся в условиях однородного геологического фундамента, одного преобладающего типа рельефа (например, холмисто-моренного, пластового эрозионного, высокогорного древнеледникового и др.), одинакового климата, с характерным сочетанием почв, растительных сообществ и геосистем локального уровня. Следовательно, ландшафт — это территориальная интеграция локальных геосистем, создающих его характерный внутренний узор, или морфологию (сравните, например, ландшафт какой-либо степной лёссовой возвышенности с древовидным рисунком различных фаций, создаваемым густой овражно-балочной сетью, и ландшафт приморской тундровой равнины, усеянной округлыми термокарстовыми впадинами с полигональными болотами, разбитыми густой сетью мерзлотных трещин, с озерами). Вместе с тем ландшафт — это начальная ступень регионального уровня. Ландшафтные провинции, области и т. д. можно рассматривать как объединения ландшафтов. Так что ландшафт действительно занимает узловое положение в системе территориальных физико-географических единиц. Практикой доказана особая важность ландшафта как опорной территориальной системы при комплексном учете природных ресурсов, оценке природной среды для ее рационального использования, организации охраняемых территорий и др.
Неотъемлемое свойство ландшафта – его целостность. Целостность ландшафта обусловлена потоками вещества и энергии, которые объединяют и компоненты ландшафта, и его морфологические части (фации, урочища и др.) в единую систему.
Площадь одного ландшафта измеряется тысячами, реже сотнями квадратных километров. Ландшафт, представляя собой некоторую организованную систему, должен обладать определенной структурой, которую принято рассматривать по вертикали и по горизонтали. Вертикальная структура выражается в его ярусном строении, в упорядоченном расположении компонентов — от твердого фундамента до воздушного слоя при максимальной концентрации живого вещества на контакте твердой, жидкой и газообразной сред, горизонтальная (в плане), или морфологическая, структура выражается во взаимном расположении подчиненных локальных геосистем и способах их соединения, или в их сопряженности, которая обеспечивается не только стоком, но и склоновым перемещением материала, местной циркуляцией воздуха (например, стеканием холодного воздуха в понижения), ветровым переносом пыли и солей, миграцией организмов.
Ландшафт непрерывно изменяется, и изменчивость его двоякого рода. Некоторые изменения обратимы, цикличны и не приводят к преобразованию структуры ландшафта. Самый типичный и хорошо известный пример — это сезонные ритмы. У большинства ландшафтов резко меняются по сезонам не только внешний вид, но и все процессы функционирования. В ландшафтах умеренного пояса зеленая вегетирующая масса «работает» только в теплую часть года, в холодную появляется особый «сезонный» компонент — снежный покров и все процессы резко ослаблены. До тех пор пока подобные изменения повторяются из года в год, структура ландшафта остается неизменной. Такие динамические изменения, или динамика ландшафта, подчеркивают устойчивость ландшафта, ибо свидетельствуют о его способности возвращаться к прежнему состоянию. От динамики следует отличать эволюционные, направленные, необратимые изменения, которые составляют сущность развития ландшафта и выражаются в перестройке его структуры. Устойчивость структуры ландшафта относительна. Ландшафт развивается непрерывно, но с разной скоростью, и нужен более или менее длительный срок, чтобы его трансформация стала заметной. Развитие ландшафта может стимулироваться как внешними причинами (тектоническими движениями, глобальными климатическими изменениями), так и внутренними (саморазвитием, в механизме которого особую роль играет эволюция растительного покрова и его взаимодействие с абиотическими компонентами).
Устойчивость и изменчивость — два взаимосвязанных качества ландшафта, познание которых имеет исключительно важное значение для прогнозирования развития ландшафта, в чем следует видеть одну из важнейших научных и практических задач современной географии.
Основные положения учения о ландшафтах:
- Множество геосистем образуют иерархию – от фации до географической оболочки. Геосистемы могут быть полными, в которые входят все основные компоненты, и неполными, в составе которых некоторые компоненты отсутствуют. В многообразии природных геосистем выделяется такой комплекс, который считается основной единицей. Им служит ландшафт.
- Для исследования ландшафтного уровня структурной организации материи основополагающее значение имеет учение В.И. Вернадского о биокосных телах. Неорганическая природа, являющаяся средой для зарождения жизни, в дальнейшем, в связи с развитием органического мира, биокосных тел, образованием ландшафта в целом претерпевает определенные изменения. Следовательно, сами ландшафты в процессе формирования изменяют условия, внешние причины своего развития.
- Солнечная радиация и тектонические процессы - важнейшие условия функционирования и развития ландшафта, при этом проявляется всесторонняя и глубокая взаимосвязь внешнего и внутреннего. Например, внутри биоценозов формируется своеобразный микроклимат. При непосредственном влиянии атмосферных процессов создается тепловой и водный ежим почв.
- Высотная поясность, вертикальная дифференциация ландшафта морфологические части ландшафта – все это зависит в значительной степени от рельефа. Но зависимость эта опосредована через свойства основных элементов

ландшафта. Биоценозы, почвы, кора выветривания и генетически и структурно испытали воздействие рельефа.
- Интегративные свойства ландшафта т.е., что отличают его от смешенных тел и явлений земной поверхности рассмотрены В.И. Вернадским, Б.Б. Полыновым и их последователями. Живое вещество охватывает своим влиянием всю химию земной коры и направляет в ней геохимическую историю почти всех элементов. Во время дыхания, питания и размножения живых тел осуществляется неразрывная связь между косными и живыми телами. Биоценоз – один из составляющих элементов ландшафта. Биогеоценоз – отдельное тело, рассматриваемое в связи с природными условиями (В.Н. Сукачев). Позднее В.Н. Сукачев расширил понятие «биогеоценоз» и отождествил его с понятием «фация».

18 Глобальная система позиционирования.
1. История развития системы GPS (Global Positioning System)

Навигационная система Global Positioning System (GPS) является частью комплекса NAVSTAR, который разработан, реализован и эксплуатируется Министерством обороны США. Разработка комплекса NAVSTAR (NAVigation Satellites providing Time And Range - навигационная система определения времени и дальности) была начата ещё в 1973 году, а уже 22 февраля 1978 года был произведён первый тестовый запуск комплекса, а в марте 1978 года комплекс NAVSTAR начали эксплуатировать. Первый тестовый спутник был выведен на орбиту 14 июля 1974 года, а последний из 24 необходимых спутников для полного покрытия земной поверхности, был выведен на орбиту в 1993 году. Гражданский сегмент военной спутниковой сети NAVSTAR принято называть аббревиатурой GPS, коммерческая эксплуатация системы в сегодняшнем виде началась в 1995 году.

Спустя более 20-ти лет с момента тестового запуска системы GPS и 5-ти лет с момента начала коммерческой эксплуатации Глобальной системы позиционирования GPS, 1 мая 2000 года министерство обороны США отменило особые условия пользования системой GPS, существовавшие до тех пор. Американские военные выключили помеху (SA - selective availability), искусственно снижающую точность гражданских GPS приёмников, после чего точность определения координат с помощью бытовых навигаторов возросла как минимум в 5 раз. После отмены американцами режима селективного доступа точность определения координат с помощью простейшего гражданского GPS навигатора составляет от 5 до 20 метров (высота определяется с точностью до 10 метров) и зависит от условий приема сигналов в конкретной точке, количества видимых спутников и ряда других причин. Приведенные цифры соответствуют одновременному приему сигнала с 6-8 спутников. Большинство современных GPS приёмников имеют 12-канальный приемник, позволяющий одновременно обрабатывать информацию от 12 спутников. Военное применение навигации на базе NAVSTAR обеспечивает точность на порядок выше (до нескольких миллиметров) и обеспечивается зашифрованным P(Y) кодом. Информация в C/A коде (стандартной точности), передаваемая с помощью L1, распространяется свободно, бесплатно, без ограничений на использование.

Основой системы GPS являются навигационные спутники, движущиеся вокруг Земли по 6 круговым орбитальным траекториям (по 4 спутника в каждой), на высоте 20180 км. Спутники GPS обращаются вокруг Земли за 12 часов, их вес на орбите составляет около 840 кг, размеры - 1.52 м. в ширину и 5.33 м. в длину, включая солнечные панели, вырабатывающие мощность 800 Ватт. 24 спутника обеспечивают 100 % работоспособность системы навигации GPS в любой точке земного шара. Максимальное возможное число одновременно работающих спутников в системе NAVSTAR ограничено числом 37. В настоящий момент на орбите находится 32 спутника, 24 основных и 8 резервных на случай сбоев.

Слежение за орбитальной группировкой осуществляется с главной управляющей станции (Master Control Station - MCS), которая находится на базе ВВС Шривер, шт. Колорадо, США. С нее осуществляется управление системой навигации GPS в мировом масштабе. База ВВС Шривер (Schriever) является местом размещения 50-го космического соединения США - подразделения командования воздушно-космических сил.

Наземная часть системы GPS состоит из десяти станций слежения, которые находятся на островах Кваджалейн и Гавайях в Тихом океане, на острове Вознесения, на острове Диего-Гарсия в Индийском океане, а также в Колорадо-Спрингс, в мысе Канаверел, шт. Флорида и т.д.. Количество наземных станций непрерывно растет, на всех станциях слежения используются приемники GPS для пассивного слежения за навигационными сигналами всех спутников. Информация со станций наблюдения обрабатывается на главной управляющей станции MCS и используется для обновления эфемерид спутников. Загрузка навигационных данных, состоящих из прогнозированных орбит и поправок часов, производится для каждого спутника каждые 24 часа.

Система Глобального Позиционирования (GPS или Global Positioning System) является спутниковой и работает под управлением Министерства Обороны США. Система является глобальной, всепогодной и обеспечивает возможность получения точных координат и времени 24 часа в сутки.

2.1 Как работает GPS

Основы системы GPS можно разбить на пять основных подпунктов:

Спутниковая трилатерация - основа системы

Спутниковая дальнометрия – измерение расстояний до спутников

Точная временная привязка – зачем нужно согласовывать часы в приёмнике и на спутнике и для чего требуется 4-й космический аппарат

Расположение спутников – определение точного положения спутников в космосе

Коррекция ошибок – учёт ошибок вносимых задержками в тропосфере и ионосфере

1 Спутниковая трилатерация

Точные координаты могут быть вычислены для места на поверхности Земли по измерениям расстояний от группы спутников (если их положение в космосе известно). В этом случае спутники являются пунктами с известными координатами. Предположим, что расстояние от одного спутника известно и мы можем описать сферу заданного радиуса вокруг него.

Если мы знаем также расстояние и до второго спутника, то определяемое местоположение будет расположено где-то в круге, задаваемом пересечением двух сфер.

Третий спутник определяет две точки на окружности.

Теперь остаётся только выбрать правильную точку. Однако одна из точек всегда может быть отброшена, так как она имеет высокую скорость перемещения или находится на или под поверхностью Земли. Таким образом, зная расстояние до трёх спутников, можно вычислить координаты определяемой точки.

2 Спутниковая дальнометрия

Расстояние до спутников определяется по измерениям времени прохождения радиосигнала от космического аппарата до приёмника умноженным на скорость света. Для того, чтобы определить время распространения сигнала нам необходимо знать когда он покинул спутник.

Для этого на спутнике и в приёмнике одновременно генерируется одинаковый Псевдослучайный Код*

* - Каждый спутник GPS передаёт два радиосигнала: на частоте L1=1575.42 МГц и L2=1227.60 МГц. Сигнал L1 имеет два дальномерных кода с псевдослучайным шумом (PRN), P-код и C/A код. “Точный” или P-код может быть зашифрован для военных целей. “Грубый” или C/A код не зашифрован. Сигнал L2 модулируется только с P-кодом. Большинство гражданских пользователей используют C/A код при работе с GPS системами. Некоторые приёмники Trimble геодезического класса работают с P-кодом.

Приёмник проверяет входящий сигнал со спутника и определяет когда он генерировал такой же код. Полученная разница, умноженная на скорость света (~ 300000 км/с) даёт искомое расстояние.

Использование кода позволяет приёмнику определить временную задержку в любое время. Кроме того, спутники могут излучать сигнал на одной и той же частоте, так как каждый спутник идентифицируется по своему Псевдослучайному коду (PRN или PseudoRandom Number code).

3 Точная временная привязка

Как видно из сказанного выше, вычисления напрямую зависят от точности хода часов. Код должен генерироваться на спутнике и приёмнике в одно и то же время. На спутниках установлены атомные часы имеющие точность около одной наносекунды. Однако это слишком дорого, чтобы устанавливать такие часы в каждый GPS приёмник, поэтому измерения от четвёртого спутника используются для устранения ошибок хода часов приёмника.

Эти измерения можно использовать для устранения ошибок, которые возникают если часы на спутнике и в приёмнике не синхронизированы. Для наглядности, иллюстрации приведённые ниже рассматривают ситуацию на плоскости, так как только три спутника необходимо для вычисления местоположения объекта.Если часы на спутнике и в приёмнике имеют одинаковую точность хода, то точное местоположение может быть найдено по измерениям расстояния до двух спутников.Если получены измерения с трёх спутников и все часы точные, то круг описанный радиус-вектором от третьего спутника будет пересекаться как показано на рисунке.

Однако, если часы в приёмнике спешат на 1 секунду, то картина будет выглядеть следующим образом. Если сделать замер до третьего спутника, то полученный радиус-вектор не пересечётся с двумя другими как показано на рисунке. Когда GPS приёмник получает серию измерений которые не пересекаются в одной точке, то компьютер в приёмнике начинает вычитать (или добавлять) время методом последовательных итерации до тех пор, пока не сведёт все измерения к одной точке. После этого вычисляется поправка и делается соответствующее уравнивание. Если вам требуется третье измерение, то необходим четвёртый спутник для устранения ошибок хода часов в приёмнике. Таким образом, при работе в поле вам необходимо иметь минимум четыре спутника, чтобы определить трёхмерные координаты объекта.

4 Расположение спутников

Система NAVSTAR имеет 24 рабочих спутника с орбитальным периодом в 12 часов на высоте примерно 20200 км от поверхности Земли. В шести различных плоскостях имеющих наклон к экватору в 55° , расположено по 4 спутника. Указанная высота необходима для обеспечения стабильности орбитального движения спутников и уменьшения фактора влияния сопротивления атмосферы

Применение GPS

Картографические системы Trimble используются в различных областях. С помощью них можно создавать и обновлять базы данных ГИС для различных дисциплин. В частности они нашли широкое применение в сфере природных ресурсов, развития инфраструктуры и контроля городского хозяйства, сельском хозяйстве и социальных науках. Положение, время и дополнительную информацию можно собирать двигаясь по суше, воде и воздуху над интересующем вас местоположением.

Природные ресурсы

Специалисты работающие в области природных ресурсов, такие как, геологи, географы, лесники и биологи использую GPS картографические системы для записи GPS положений и дополнительной информации об объектах. Например, лесники в качестве дополнительной информации могут регистрировать возраст, состояние, количество и тип леса. Они могут также проводить съёмку территорий подлежащих вырубке или посадке. Биологи имеют возможность регистрировать ареалы расселения диких животных, маршруты их миграций, численность популяций и другую информацию.

GPS помогает при сборе данных о типах почв, которые в комбинации с трёхмерными моделями территорий позволяют выделить отдельные слои и аспекты для предсказания областей, требующих специального управления. Кроме того, GPS можно использовать для картографирования местоположения колодцев и других источников воды; записи размеров озёр и их состояния; регистрации ареалов распространения рыбы и диких животных; изменений береговой линии, полевых угодий и климатических зон.

Городское хозяйство

Приложения в сфере городского хозяйства кар тографических систем Trimble включают в себя контроль транспортных потоков и инфраструктуры коммунального хозяйства. Улицы и проспекты могут быть оцифрованы при перемещении по этим объектам с одновременной записью GPS координат. Состояние дорог, опасные участки требующие ремонта участки вводятся в виде дополнительной информации для последующего использования в программах инвентаризации и ГИС.

GPS оказывается крайне эффективным при съёмке канализационных, газовых и водных трубопроводах, а также электрических и телефонных линий. Такие объекты как, крышки колодце и пожарные гидранты картографируются как точки с соответствующей атрибутивной информацией.

Аварийные машины и ремонтные бригады могут использовать GPS для навигации непосредственно к месту аварии коммуникаций. Время их прибытия и отправления точно регистрируется, вместе с их комментариями и планом выполнения сервисных работ.

Кроме того, с помощью GPS можно выполнять съёмку земельных участков, участков проведения строительных работ, объектов улиц и заводов расположенных в черте города.

Использование GPS в сельском хозяйстве

GPS картографические системы помогают описывать особенности участков полей находящихся в интенсивном сельскохозяйственном применении. Вы можете точно связать такие характеристики как микроклимат, тип почвы, участки урожая повреждённые насекомыми или болезнями, объём собираемой продукции и т. п. с их местоположением.

Положение трактора или самолёта может быть использовано совместно с данными о типе почвы для выполнения более экономного расхода удобрений или химических распылителей. Это напрямую снижает стоимость затрат на удобрения и уменьшает загрязнение природных водных источников этими веществами.

Технология GPS оказывает агрономам существенную помощь в создании баз данных, после анализа которых можно оценить эффект влияния различных методик проведения сельскохозяйственных работ на сбор выращенной продукции.

Применение в сфере социальных наук

Археологи и историки могут использовать картографические GPS системы для навигации и регистрации раскопок и исторических мест. Когда желаемая точка маршрута найдена, в базу данных ГИС записываются исчерпывающие данные по объекту, что позволяет в дальнейшем полностью восстановить картину на определённый момент времени.

В качестве примера, можно привести исследования выполненные антропологами в джунглях Венесуэлы. Учёные исследовали “белые пятна” в джунглях и использовали картографические GPS системы для регистрации мест проживания неизвестных местных племён. Местоположения и сопутствующие данные об уровне культурного развития которые были собраны, помогли в дальнейшем правительственным органам Венесуэлы создать резервации, чтобы сохранить в неприкосновенности уникальный быт местных племён.

3. Оборудование для пользования услугами GPS системы

3.1 GPS-приёмник

GPS-приёмник— радиоприёмное устройство для определения географических координат текущего местоположения антенны приёмника, на основе данных о временных задержках прихода радиосигналов, излучаемых спутниками группы NAVSTAR.

Максимальная точность измерения составляет 3-5 метров, а при наличии корректирующего сигнала от наземной станции — до 1 мм (обычно 5-10мм) на 1 км расстояния между станциями (дифференциальный метод). Точность коммерческих GPS-навигаторов составляет от 150 метров (у старых моделей при плохой видимости спутников) до 3 метров (у новых моделей на открытом месте). Кроме того, при использовании систем SBAS и местных систем передачи поправок точность может быть повышена до 1-2 метров по горизонтали. До 1 мая 2000 года точность искусственно занижалась путем внесения в передаваемые спутником данные помех.[2]

Классификация

Пользовательские приёмники

Помимо собственно широты, долготы и высоты такой GPS-приёмник способен сообщить:

точное время (некоторые приёмники имеют выход PPS);

ориентацию по сторонам света (в моделях без встроенного компаса — только направление скорости при движении);

высоту над уровнем моря (при условии приёма сигнала более четырёх спутников или при наличии встроенного баровысотомера);

направление на точку с координатами, заданными пользователем;

текущую скорость, пройденное расстояние, среднюю скорость;

данные с информацией о состоянии дороги — пробки, дорожные работы и т. д. (в моделях, оснащённых TMC-приёмником и при наличии службы Канал автодорожных сообщений)

текущее положение на электронной карте местности (модели, оснащённые картами).При использовании GPS-приставки информация выводится на КПК, сотовый телефон или компьютер, к которому подключена эта приставка с помощью навигационного программного обеспечения. Физически соединение, как правило, осуществляется через последовательный порт (RS-232, USB, Bluetooth). Для связи GPS-приёмника скомпьютером может использоваться двоичный (текстовый) протокол производителя приёмника (Garmin, Magellan и другие) либо производителя GPS-чипсета (Magellan, Sirf, Trimble и другие), при этом абсолютное большинство GPS-приёмников поддерживают обмен информацией с помощью текстового протокола NMEA.

Карты в GPS-навигаторах

Наличие карты существенно улучшает пользовательские характеристики навигатора. Навигаторы с картами показывают положение не только самого приёмника, но и объектов вокруг него.

Все электронные GPS-карты можно поделить на два основных типа — векторные и растровые.

Растровые карты — это самый простой и доступный тип карт. Фактически это изображение местности, к которому привязываются географические координаты. Масштаб растровой карты напрямую зависит от исходного варианта; или это фотография со спутника, или отсканированная бумажная карта. В России лучше всего представлены растровые карты крупных городов, для других районов карты найти проблематично. Векторные карты представляют собой базу данных, где хранится информация об объектах, их характеристиках и взаимном месторасположении, географических координатах и прочем. В картах могут храниться разнообразные характеристики местности: горы, реки, озера, впадины, дороги, мосты, уровни антропогенных загрязнений, типы растительности, расположение линий ЛЭП. Также многие подробные карты хранят множество таких объектов как заправки, гостиницы, кафе и рестораны, стоянки, посты дорожной полиции, запрещённые к проезду зоны, достопримечательности и памятники, культурные артефакты, больницы.

Поскольку в них не содержится объёмных графических изображений, места в памяти они занимают гораздо меньше, чем растровые и быстрее работают. Безусловным преимуществом векторных карт, является возможность искать на карте конкретные дома и улицы, достопримечательности, кафе, больницы, автозаправки и прочие необходимые путешественнику места. Кроме того, векторные карты позволяют показывать разную детализацию объектов при отображении карты в разных масштабах.