 |
Совместное использование GPS-приемников и электронных тахеометров
|
|
|
|
Космический сегмент
Состоит из 26 спутников (24 основных и 2 запасных), которые обращаются на 6 орбитах. Плоскости орбит наклонены на угол около 55ᵒ к плоскости экватора и сдвинуты между собой на 60ᵒ по долготе. Радиусы орбит - около 26 тыс. километров, а период обращения - половина звездных суток (примерно 11 ч. 58 мин.). На борту каждого спутника имеется 4 стандарта частоты (два цезиевых и два рубидиевых - для целей резервирования), солнечные батареи, двигатели корректировки орбит, приемо-передающая аппаратура, компьютер.
Передающая аппаратура спутника излучает синусоидальные сигналы на двух несущих частотах: L1=1575,42 МГц и L2=1227,6 МГц. Перед этим сигналы модулируются так называемыми псевдослучайными цифровыми последовательностями (точнее, эта процедура называется фазовой манипуляцией). Причем частота L1 модулируется двумя видами кодов: C/A-кодом (код свободного доступа, частота следования импульсов 1,023 МГц) и P-кодом (код санкционированного доступа, частота следования импульсов 10,23 МГц), а частота L2- только P-кодом. Кроме того, обе несущие частоты дополнительно кодируются навигационным сообщением, в котором содержатся данные об орбитах ИСЗ, информация о параметрах атмосферы, поправки системного времени.
Кодирование излучаемого спутником радиосигнала преследует несколько целей:
· обеспечение возможности синхронизации сигналов ИСЗ и приемника;
· создание наилучших условий различения сигнала в аппаратуре приемника на фоне шумов (доказано, что псевдослучайные коды обладают такими свойствами);
· реализация режима ограниченного доступа к GPS, когда высокоточные измерения возможны лишь при санкционированном использовании системы.
|
|
|
Точность автономного определения расстояния по P- коду примерно на порядок выше, чем по C/A-коду.
Сегмент управления
Сегмент управления для GPS содержит главную станцию управления (авиабаза Фалькон в шт. Колорадо), пять станций слежения, расположенных на американских военных базах на Гавайских островах, островах Вознесения, Диего - Гарсия, Кваджелейн и Колорадо- Спрингс и три станции закладки: острова Вознесения, Диего - Гарсия, Кваджелейн (Рис. 4). Кроме того, имеется сеть государственных и частных станций слежения за ИСЗ, которые выполняют наблюдения для уточнения параметров атмосферы и траекторий движения спутников.
Рис. 4. Наземные станции слежения за спутниками GPS NAVSTAR
Управление орбитальным сегментом ГЛОНАСС осуществляет наземный комплекс управления (НКУ). Наземный сегмент системы ГЛОНАСС-НКУ предназначен для контроля правильности функционирования, непрерывного уточнения параметров орбит, управления и информационного обеспечения всех КА системы и состоит из следующих взаимосвязанных стационарных элементов (рис. 5): центр управления системой (ЦУС, г. Краснознаменск, Московская область); центральный синхронизатор (ЦС); сеть контрольных станций (КС), рассредоточенных по всей территории России; система контроля фаз (СКФ); кванто-оптические станции (КОС); аппаратура контроля навигационного поля (АКНП).
Собираемая информация обрабатывается в суперкомпьютерах и периодически передается на спутники для корректировки орбит и обновления навигационного сообщения.
Пользовательский сегмент
В аппаратуре потребителя (GPS-приемнике) принимаемый сигнал декодируется, т.е. из него выделяются кодовые последовательности C/A либо C/A и P, а также служебная информация. Полученный код сравнивается с аналогичным кодом, который генерирует сам GPS-приемник, что позволяет определить задержку распространения сигнала от спутника и таким образом вычислить псевдодальность. После захвата сигнала спутника аппаратура приемника переводится в режим слежения, т.е. в БПС поддерживается синхронизм между принимаемым и опорным сигналами. Процедура синхронизации может выполняться:
|
|
|
o по C/A-коду (одночастотный кодовый приемник),
o по Р – коду (двухчастотный кодовый приемник),
o по C/A-коду и фазе несущего сигнала (одночастотный фазовый приемник),
o по Р - коду и фазе несущего сигнала (двухчастотный фазовый приемник).
Используемый в GPS-приемнике способ синхронизации сигналов является едва ли не важнейшей его характеристикой.
2.1.4 Источники ошибок
На точность определения координат существенное влияние оказывают ошибки, возникающие при выполнении процедуры измерений. Природа этих ошибок различна.
1. Неточное определение времени. При всей точности временных эталонов ИСЗ существует некоторая погрешность шкалы времени аппаратуры спутника. Она приводит к возникновению систематической ошибки определения координат около 0.6 м.
2. Ошибки вычисления орбит. Появляются вследствие неточностей прогноза и расчета эфемерид спутников, выполняемых в аппаратуре приемника. Эта погрешность также носит систематический характер и приводит к ошибке измерения координат около 0.6 м.
Рис. 5. Наземные станции слежения за спутниками ГЛОНАСС
3. Инструментальная ошибка приемника. Обусловлена, прежде всего, наличием шумов в электронном тракте приемника. Отношение сигнал/шум приемника определяет точность процедуры сравнения принятого от ИСЗ и опорного сигналов, т.е. погрешность вычисления псевдодальности. Наличие данной погрешности приводит к возникновению координатной ошибки порядка 1.2 м.
4. Многопутность распространения сигнала. Появляется в результате вторичных отражений сигнала спутника от крупных препятствий, расположенных в непосредственной близости от приемника. При этом возникает явление интерференции, и измеренное расстояние оказывается больше действительного. Аналитически данную погрешность оценить достаточно трудно, а наилучшим способом борьбы с нею считается рациональное размещение антенны приемника относительно препятствий. В результате воздействия этого фактора ошибка определения псевдодальности может увеличиться на 2.0 м.
|
|
|
5. Ионосферные задержки сигнала. Ионосфера – это ионизированный атмосферный слой в диапазоне высот 50 – 500 км, который содержит свободные электроны. Наличие этих электронов вызывает задержку распространения сигнала спутника, которая прямо пропорциональна концентрации электронов и обратно пропорциональна квадрату частоты радиосигнала. Для компенсации, возникающей при этом ошибки определения псевдодальности, используется метод двухчастотных измерений на частотах L1 и L2 (в двухчастотных приемниках). Линейные комбинации двухчастотных измерений не содержат ионосферных погрешностей первого порядка. Кроме того, для частичной компенсации этой погрешности может быть использована модель коррекции, которая аналитически рассчитывается с использованием информации, содержащейся в навигационном сообщении. При этом величина остаточной немоделируемой ионосферной задержки может вызывать погрешность определения псевдодальности около 10 м.
6. Тропосферные задержки сигнала. Тропосфера – самый нижний от земной поверхности слой атмосферы (до высоты 8 – 13 км). Она также обуславливает задержку распространения радиосигнала от спутника. Величина задержки зависит от метеопараметров (давления, температуры, влажности), а также от высоты спутника над горизонтом. Компенсация тропосферных задержек производится путем расчета математической модели этого слоя атмосферы. Необходимые для этого коэффициенты содержатся в навигационном сообщении. Тропосферные задержки вызывают ошибки измерения псевдодальностей в 1 м.
7. Геометрическое расположение спутников. При вычислении суммарной ошибки необходимо еще учесть взаимное положение потребителя и спутников рабочего созвездия. Для этого вводится специальный коэффициент геометрического ухудшения точности PDOP (Position Dilution Of Precision), на который необходимо умножить все перечисленные выше ошибки, чтобы получить результирующую ошибку. Величина коэффициента PDOP зависит от взаимного расположения спутников и приемника. Она обратно пропорциональна объему фигуры, которая будет образована, если провести единичные векторы от приемника к спутникам. Большое значение PDOP говорит о неудачном расположении ИСЗ и большой величине ошибки.
|
|
|
2.2 Использования GPS-приемников
Геодезия и кадастр
Технология GPS позволяет решать геодезические задачи самого разного уровня: от развития государственной геодезической сети до инвентаризации земельных участков. Практика показывает, что производительность труда возрастает при этом в десятки раз. В зависимости от требуемой точности определения координат, лимита времени на измерения, условий выполнения работ, применяются GPS-приемники различных типов, однако все они работают в дифференциальном режиме и являются фазовыми (за исключением, может быть, некоторых задач геоинформационных систем, где достаточно точности кодового приемника). Наибольшее распространение на территории СНГ получила фазовая одночастотная (L1) аппаратура, поскольку она, с одной стороны, в 2-5 раз дешевле двухчастотной, а, с другой стороны, обеспечивает точность, достаточную для решения большинства практических задач. Вот некоторые примеры использования GPS- технологий в геодезии.
Поскольку основной целью выполнения кадастрового картографирования является определение координат поворотных точек границ земельных участков, GPS-метод находит широкое применение в кадастровых приложениях. Можно выделить классы кадастровых задач, где применяются GPS- приемники:
· создание спутниковых сетей;
· сгущение геодезической сети на картографируемой территории;
· привязка локальной координатной системы к глобальным системам координат;
· съемка границ земельных участков и других объектов на местности;
· выноска границ земельных участков в натуру;
· применение GPS- методов в фотограмметрических технологиях.
Высокая точность современных спутниковых координатных определений на линиях различной протяженности в сочетании с возможностью проведения измерений в самых разнообразных физико-географических условиях создали предпосылки для эффективного использования спутниковых методов при решении широкого круга задач прикладной геодезии. В последние годы такие методы стали все чаще использоваться при строительстве тоннелей, сооружении мостов, проложении магистральных трубопроводов, создании и дальнейшей эксплуатации линейных ускорителей заряженных частиц и других крупных инженерных сооружений. Специфика использования спутниковых методов на вышеупомянутых видах работ состоит не только в оперативном определении координат замаркированных точек с высокой точностью, но и в разработке методов определения ориентирных направлений.
|
|
|
Возможные области применения спутниковых методов в морской геодезии принято разделять на две условные группы, исходя из требований, предъявляемых к уровню точности.
К первой группе, для которой требования к уровню точности ограничиваются несколькими метрами, могут быть отнесены такие сферы применения, как: промерные работы на акваториях гаваней, в прибрежных водах и на внутренних водоемах; картографирование морского дна в территориальных зонах экономического развития или в научных целях; определение мест нахождения тех или иных подводных датчиков и соответствующих технических средств, используемых при морских изысканиях полезных ископаемых; выполнение гидрографических работ; проведение точных гравиметрических и сейсмических съемок.
Ко второй группе, охватывающей области применения спутниковых технологий в морской геодезии, которые требуют обеспечения наиболее высокого уровня точности, могут быть отнесены: работы, связанные с обслуживанием береговых инженерных сооружений; контроль за положением расположенных на морской поверхности платформ, используемых при проведении работ, связанных с добычей нефти, газа и других полезных ископаемых; управление драгами, ведущими дноочистительные работы на акваториях гаваней, в устьях рек и на других видах водоемов; изучение геодинамических процессов на акваториях морей и
океанов.
Совместное использование GPS-приемников и электронных тахеометров
Наибольшее распространение при кадастровом картографировании получило комплексное использование GPS-приемников и электронных тахеометров. При этом производят синхронные GPS-наблюдения на нескольких пунктах с известными координатами (опорных пунктах) и на определяемых пунктах, причем эти пункты могут, как совпадать, так и не совпадать с поворотными точками границ земельных участков. В последнем случае пункты играют роль связующих, то есть они обеспечивают привязку измерений координат границ земельного участка, полученных с помощью электронных тахеометров, к выбранной системе координат. Тахеометрические измерения выполняются полярным методом со съемочных станций, координаты которых, в свою очередь, определяются методом свободной станции.
Рассмотрим примеры использования такой комбинированной технологии. Пусть необходимо определить координаты граничных точек земельного участка 1-9 (Рис.6).
Используя GPS-измерения, определяют координаты связующих точек СВ1, СВ2, и СВ3, а также съемочной станции СТ4. Как видно из рис.6, точки СВ1 и СВ3 совпадают с поворотными точками границ земельного участка.
Очевидно, в этих точках должны выполняться условия проведения GPS-измерений, упомянутые выше. Далее с помощью электронного тахеометра методом свободной станции определяют координаты съемочных станций СТ1, СТ2 и СТ3. И, наконец, применяя полярный способ, линейно- угловые засечки и их комбинации, находятся координаты всех поворотных точек границ земельных участков (тахеометрические измерения). Для передачи координат между съемочными станциями используются связующие точки (СТ1 привязывается через СВ1 и СВ2, СТ2 - через СВ3, а СТ3 - через СТ4). Для контроля процедуры определения координат выполняются избыточные измерения.
Известен и другой метод выполнения комбинированных измерений при решении той же задачи (Рис.7).
В этом случае координаты каждой съемочной станции определяются GPS-методом, а в качестве связующих используются поворотные точки границ земельного участка. Положение поворотных точек определяется линейной засечкой.
GPS-измерения в приведенных примерах чаще всего производятся статическими методами, хотя иногда можно применять и кинематические. Это зависит от требуемой точности определения координат, ресурсов времени, типа приемника, наличия транспортных средств и путей их перемещения между определяемыми точками и т.д.
Чем более открыта местность, на которой производятся полевые измерения, тем больше возможностей применения GPS-технологий для определения координат точек границ земельных участков. Если местность достаточно свободна от препятствий и по ней возможно передвижение на автомобиле или вездеходе, то GPS-приемник может быть установлен на мобильном транспортном средстве и включен в один из кинематических режимов. Во время движения координаты точек по траектории могут измеряться с интервалом в одну секунду с сантиметровой точностью. Это в значительной степени повышает эффективность выполнения полевых кадастровых работ.
Рис. 6. Синхронные GPS-наблюдения
Ведущие производители GPS-приемников учитывают тенденцию на интеграцию различных технологий выполнения полевых геодезических работ при выпуске новых образцов оборудования. Например, в середине октября 1998 года фирма Trimble Navigation, известный в мире производитель GPS-приемников, представила на рынок свой первый электронный тахеометр TTS 500.
Рис. 7. Синхронные GPS-наблюдения
|
|
|
