GPS (GNSS)-технологии

Глобальная спутниковая навигационная система (ГНСС) – это система, позволяющая определять пространственное положение объектов местности путем обработки принимающим устройством спутникового сигнала. ГНСС состоит из трех сегментов: космического, наземного и пользовательского. Космический сегмент представляет собой созвездие спутников. Наземный сегмент включает в себя сеть следящих станций, которые наблюдают за спутниками на орбите и выполняют корректировку их положения. Пользовательский сегмент включает все приемники, выполняющие определение своего местоположения.

В настоящее время существует несколько ГНСС:

· GPS (global position system), управление которой осуществляется правительством США;

· ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система), Российская спутниковая система;

· Galileo, европейская спутниковая система;

· Compass, спутниковая навигационная система под управления правительства Китая.

Все спутниковые навигационные системы отличаются сигналом, количеством спутников, одновременно находящихся на орбите, орбитальными параметрами полета спутников. Практически все спутники передают сигналы как гражданского (открытые сигналы), так и военного назначения (закрытые сигналы). Для определения пространственного местоположения пользователя с точностью 3-15 м ему достаточно иметь спутниковый навигационный приемник.

Для определения пространственного положения с более высокой точностью необходимо выполнять измерения в дифференциальном режиме (т.е. иметь два приемника, один из которых выступает базовым и должен быть установлен на точке с заданными координатами, а второй выступает в качестве роверного (передвижного) для определения координат интересуемых точек, при этом оба приемника должны работать одновременно). Существует два режима выполнения измерений: с постобработкой и в RTK (режиме реального времени). При использовании режима с постобработкой сначала выполняются полевые измерения интересуемых точек, а затем выполняется перенос данных с приемника на компьютер, и производится обработка измерений с использованием специализированного программного обеспечения. Режим реального времени позволяет получать координаты точек непосредственно в полевых условиях, для этого требуется либо радиосвязь, либо GSM-связь между базовым и роверным приемником, снабженных радио или GSM модемами.

Погрешности определения пространственных координат точек спутниковыми методами в зависимости от типа сигнала и режима измерений.

Таблица 5. Точность определения координат ГНСС

Достоинством ГНСС является возможность определения координат точек в нужной системе координат на больших расстояниях и вследствие этого значительно сокращаются трудозатраты.

Спутниковые системы позиционирования. К новым геодезическим технологиям относятся методы определения координат точек (позицио­нирования) по сигналам со специальных спутников Земли, движущих­ся по определенным орбитам.

Созданные в 70-е гг. XX в. спутниковые радионавигационные сис­темы «Цикада» (СССР) и «Транзит» (США) использовались для навига­ционного обеспечения задач мореплавания, авиации, сухопутного транспорта и в военном деле. По мере развития науки и техники и повышения точности определения координат точек спутниковые нави­гационные системы получили применение для решения широкого кру­га геодезических задач.

В настоящее время действуют две спутниковые системы определе­ния координат: российская система ГЛОНАСС (Глобальная навигаци­онная спутниковая система) и американская система NAVSTAR GPS (Навигационная система определения расстояний и времени, глобаль­ная система позиционирования).

Система спутникового позиционирования включает три сегмента: созвездия космических аппаратов (спутников), наземного контроля и управления, приемных устройств (аппаратуры пользователей).

Сегмент космических аппаратов. Каждая из современных систем GPS и ГЛОНАСС состоит из 24 спутников (21 действующего и 3 резерв­ных), которые обращаются вокруг Земли по практически круговым орбитам. Орбиты спутников GPS расположены в шести плоскостях по 4 спутника в каждой (рис. 126, а); средняя высота орбиты — около 20 180 км, период обращения спутников вокруг Земли составляет 11 ч 58 мин. Такое количество спутников и их расположение обеспечи­вают одновременный прием сигналов как минимум от четырех спутни­ков в любой точке Земли в любое время. С 1983 г. система GPS открыта для гражданских потребителей. Спутники ГЛОНАСС вращаются во­круг Земли в трех орбитальных плоскостях по 8 спутников в каждой (рис. 15, б) на высоте около 19 150 км, период обращения — 11 ч 16 мин. В январе 1996 г. ГЛОНАСС развернута полностью.

Рис. 15. Созвездия искусственных спутников: а — NAVSTAR GPS; б — ГЛОНАСС

На каждом спутнике GPS и ГЛОНАСС установлены солнечные ба­тареи питания, приемно-передающая аппаратура, эталоны частоты и времени, бортовые компьютеры и уголковые отражатели для лазерной дальнометрии.

Сегмент наземного контроля и управления состоит из сети станций слежения за спутниками, равномерно размещенных по территории страны, службы точного времени, главной станции с вычислительным центром и станцией загрузки данных на борт спутников. С пунктов слежения дважды в сутки лазерным дальномером измеряются расстоя­ния до каждого из спутников. Собранную информацию о положении спутников на орбитах (эфемеридах) передают на бортовой компьютер каждого спутника. Спутники непрерывно излучают для пользователей измерительные радиосигналы, данные о системном времени, свои ко­ординаты и другие сведения.

Сегмент приемных устройств включает спутниковый приемник, антенну, управляющий орган-контроллер, источник питания и другие вспомогательные средства.

Определение координат точек земной поверхности с помощью спут­ников основано на радиодальномерных измерениях дальностей от спут­ников до приемника, установленного на определяемой точке. Если измерить дальности R_}, R₂ и R₃ до трех спутников (рис. 127), координаты которых на данный момент времени известны, то методом линейной пространственной засечки можно определить координаты точки стоя­ния приемника Р. Из-за несинхронности хода часов на спутнике и в приемнике определенные до спутников расстояния будут отличаться от истинных. Такие ошибочные расстояния получили название «псевдо­дальностей» . Для исключения этих погрешностей определение коорди­нат точек с достаточной точностью возможно при одновременном наблюдении не менее 4 спутников.

Системы спутникового позиционирования работают в гринвичской пространственной прямоугольной системе координат с началом, совпадающим с центром масс Земли.

Измерительная Измерительная

станция станция

Рис. 17 Принципиальная схема спутниковой системы позиционирования

При этом система GPS использует ко­ординаты мировой геодезической системы WGS-84 (World Geodetic System, 1984 г.), а ГЛОНАСС — систему координат ПЗ-90 (Параметры Земли, 1990 г.). Обе координатные системы установлены независимо друг от друга по результатам высокоточных геодезических и астроно­мических наблюдений. Поскольку эти координатные системы основа­ны на разных эллипсоидах и ориентированы на разные территории, геодезические и прямоугольные координаты одних и тех же точек зем­ной поверхности в этих системах не совпадают. Большинство совре­менных приемников работают со спутниками GPS, поэтому координа­ты измеренных точек получают чаще всего в системе WGS-84. Для перехода к государственной или местной системе координат использу­ют предусмотренную программами обработки функцию трансформи­рования.

Топографическая съемка с исполь­зованием геодезических спутниковых приемников выполняется в три этапа: подготовительные работы, создание геодезического съемочного обоснования, собственно съемка.

В ходе подготовительных работ выбирают места для закрепления точек съемочного обоснования с таким расчетом, чтобы не было помех от расположенных вблизи сооружений, крон высоких деревьев, источ­ников мощного радиоизлучения. Все эти факторы могут существенно снизить качество выполняемых спутниковых измерений. Кроме того, особое внимание уделяется планированию наблюдений, для чего исполь­зуют специальный модуль в программном обеспечении спутникового приемника. Этот модуль позволяет получить характеристику процесса позиционирования на любой момент времени и, таким образом, вы­брать наиболее благоприятный период для выполнения измерений.

Определение координат пунктов геодезического съемочного обос­нования производится методом статических спутниковых наблюде­ний. Статический метод является наиболее надежным и точным методом, позволяющим получить разность координат смежных пунк­тов с миллиметровой точностью. Один из приемников, называемый базовым, устанавливают на штативе над исходной точкой с известными координатами (пункт государственной геодезической сети, геодезической сети сгущения), а второй, называемый мобиль­ным, — поочередно на пункты съемочной сети. При этом должно быть обеспечено условие синхронных измерений базовым и мобильным приемниками. Время наблюдений выбирается в зависимости от длин базовых линий, количества одновременно наблюдаемых спутников, класса используемой спутниковой аппаратуры и условий наблюде­ний. С учетом всех перечисленных факторов время измерения каж­дой базовой линии может составлять от 15 — 20 минут до 2,5 — 3 часов. Работа с каждым приемником на станции включает: центрирование приемника над пунктом с помощью нитяного или оптического отвеса, измерение высоты антенны с помощью секционной рейки, включе­ние приемника. При измерении в статическом режиме во время рабо­ты не требуется производить каких-либо действий. Приемник авто­матически тестируется, отыскивает и захватывает все доступные спутники, производит GPS-измерения и заносит в память всю инфор­мацию. По истечении необходимого времени наблюдений мобильный приемник переносят на следующую определяемую точку. После окон­чания измерений производят обработку полученных результатов, которая включает вычисление длин базовых линий и координат пунк­тов обоснования в системе координат WGS-84, строгое уравнивание сети по методу наименьших квадратов, трансформирование уравнен­ных координат в государственную или местную (условную) систему координат. Точность определения планового местоположения точек статическим способом достигает (5—10 мм) + 1—2 мм/км, высотно­го — в 2 — 3 раза ниже.

Топографическая съемка местности выполняется посредством про­ведения кинематических спутниковых измерений, позволяющих по­лучать координаты и высоты точек за короткие промежутки време­ни. Для этого базовый приемник на штативе устанавливается на пункте съемочного обоснования, а мобильный — поочередно на снимаемые точки, причем приемник вместе с источником питания располагаются в специальном рюкзаке, а приемная антенна и конт­роллер, с помощью которого осуществляется управление процессом съемки, крепятся на вехе. Вначале выполняется инициали­зация — привязка мобильной станции к базовой, для чего измере­ния на первой точке проводят несколько дольше (20 — 30 с), чем на последующих точках. Установив веху с антенной на точку и задав в контроллере все необходимые параметры (высоту установки антен­ны на вехе, номер пикета, его признак, например: угол забора, смотровой колодец и т.п.),

Завершают съемку участка наблюдениями на первой точке либо на пункте с известными координатами. После завершения съемки производят обработку результатов так же, как и в случае статических измерений. Точность способа кинематических измерений составляет 2 — 3 см в плане и 6 — 8 см по высоте. Результа­ты измерений могут быть представлены как в цифровом виде, так и в графической форме.