10.7. Привязка пунктов геодезических сетей и способы их отыскания

Так как съемку местности часто проводят через большой про­межуток времени после построения геодезической сети, за это время могут исчезнуть наружные знаки пунктов и измениться to мной покров над их центрами. Для того чтобы в таких случаях было легче найти местоположение этих пунктов, при закладке центров их привязывают к местным предметам или к пунктам триангуляции. Различают привязку к близким предметам и дале­ким.

Привязку пунктов к близким предметам выполняют чаще всего промерами. Например, полигонометрический пункт Р находится вблизи здания (рис. 10.11). Для его привязки к зданию надо опустить на сторону AD здания перпендику­ляр РК= а, измерить его длину и расстояния АК= b, KD=c, AP= d, DP= е. Избыточно измеренные величины обеспечат контроль определения положения пункта Р.

Для восстановления направления стороны PQ хода следует изме­рить угол = NPQ, где N— удаленный ориентир, а для контро­ля — угол = DPQ. По этим данным нетрудно восстановить по­ложение пункта Р и направление стороны PQ.

Привязку пункта Р к удаленным пунктам триангуляции А, В и С, имеющим координаты, можно осуществить обратной засечкой, измерив углы и (рис. 10.12). При отыскании пункта P уста

навливают теодолит в точке М, предполагая, что она находится

вблизи точки Р, измеряют углы и (рис. 10.13). Затем решают задачу Потенота. Получив координаты точки М, вычисляют дирекционные углы направлений (МА) и (MP), а также расстояние MP [дирекционный угол направления (МА) может получиться при решении задачи Потенота]. Затем вычисляют угол = (МА) — (MP). Построив при точке М угол и отложив длину отрезка MP, нахо­дят положение пункта Р. Восстановление направления стороны PQ в этом случае может быть проведено таким же способом, как рассмотрено ранее.

Контрольные вопросы и задания

1. Дайте понятие геодезической сети. 2. Каковы статус, значение и классифи­кация государственной геодезической сети? 3. Каковы статус, значение и класси­фикация государственной сети сгущения и съемочных сетей? 4. Объясните статус, значение и классификацию опорных межевых сетей.

Глава 19

ГЛОБАЛЬНАЯ СПУТНИКОВАЯ НАВИГАЦИОННАЯ СИСТЕМА ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ

19.1. Общие сведения. Историческая справка. Принцип работы системы и ее достоинства

В конце XX века в геодезии нашли распространение принци­пиально новые методы и средства измерений, базирующиеся на использовании искусственных спутников Земли (ИСЗ), получив­ших название спутниковое позиционирование.

Спутниковое позиционирование — определение местоположе­ния (координат пункта или движущегося объекта) при помощи спутниковых навигационно-геодезических систем (СНГС). Это направление получило широкое применение в различных обла­стях человеческой деятельности.

Координаты пунктов (объектов) нужны не только геодезис­там, но и морякам, авиаторам, военным, участникам различных экспедиций и многим другим потребителям. Если раньше для создания геодезической основы приходилось строить дорогосто­ящие сети различных конфигураций, закрепляемые на местности специальными центрами с наружными знаками (пирамидами, сигналами) для обеспечения взаимной видимости между пункта­ми, то появление спутниковых систем сделало эти работы не­нужными. С помощью только одного спутникового приемника возможно определить координаты объекта с метровой точно­стью, что достаточно не только для навигационных, но и в ряде случаев для земельно-кадастровых, геологических, мелиоратив­ных и других работ. Применяя два приемника, можно получить сантиметровую и даже миллиметровую точность взаимного по­ложения пунктов, что обеспечивает решение практически всех геодезических задач.

Спутниковое позиционирование базируется на электронных методах геодезических измерений, в первую очередь на электрон­ной дальнометрии, которые широко применяют в наземной гео­дезии. В случае спутниковых измерений эти методы претерпели существенные изменения, обусловленные спецификой прохожде­ния сигналов на космических трассах.

К первому поколению спутниковых систем позиционирования до 70-х годов можно отнести Транзит (США) и Цикада (СССР). В 1984—1993 гг. в России с помощью системы Транзит создана доплеровская геодезическая сеть (ДГС).

Все эти системы обеспечивали точность получения координат 50... 100 м и отличались малой оперативностью: для достижения высокой точности требовались несколько прохождений ИСЗ в «поле зрения» приемника, при этом перерывы между прохожде­ниями спутников, например в системе «Транзит», составляли пол­тора часа. Это послужило основанием для разработки систем вто­рого поколения — глобальных спутниковых систем.

Применяя глобальные системы, получают координаты в любой точке Земли в любой момент времени с сантиметровой точностью. Это стало возможным благодаря увеличению высот орбит спутни­ков до 20 тыс. км и числа самих спутников до 24. Приемники спутниковых сигналов созданы с применением высоких техноло­гий, поэтому они малы по размерам и сравнительно недороги. Все это позволяет рассматривать глобальные системы как новое до­стояние цивилизации.

В мире существуют две глобальные системы: американская — GPS и российская — ГЛОНАСС.

GPS (Global Positioning System — Глобальную Систему Пози­ционирования) первоначально называли NAVSTAR (1973). Систе­ма находится в ведении Министерства обороны США. Запуск спутников первого блока осуществлен в 1978 г. Эксплуатируется с 1995 г. До недавнего времени система была открыта для граждан­ского пользования только в режиме пониженной точности; для режима высокой точности требовался санкционированный дос­туп. В 2000 г. это ограничение снято, и сейчас GPS открыта для всех и в режиме высокой точности.

ГЛОНАСС — Глобальная навигационная спутниковая система. Ее разработки начаты в 1970 г. В 1982 г. выведены на орбиты пер­вые ее спутники серии КОСМОС. В 1993 г. система официально принята в эксплуатацию Министерством обороны РФ. В 1996 г. ГЛОНАСС развернута полностью. В ней навигационный режим повышенной точности оставлен для санкционированных пользо­вателей (военных), а режим пониженной («стандартной») точно­сти доступен гражданским пользователям. Уже работают приемные устройства, одновременно использующие и GPS и ГЛОНАСС.

В 1999 г. Европейский парламент поддержал решение Европей­ского космического агентства ESA о создании нового поколения спутниковой системы GALILEO, которая будет включать 30 спут­ников (из них 3 резервных), расположенных на высоте 23 200 км и вращающихся в трех орбитальных плоскостях, наклоненных на 56° к плоскости экватора. Таким образом, с учетом спутников GPS и ГЛОНАСС в распоряжении пользователей будет 80 космических аппаратов (КА), покрывающих весь земной шар.

В 1989 г. начали создание Европейской системы координат EUREF, которая базируется на методе GPS и опирается на основ­ные спутниковые станции, задающие всемирную систему коорди­нат ITRF. На территории 15 стран было заложено 92 пункта с та­ким расчетом, чтобы в каждой стране было не менее трех пунктов сгущения. Расстояния между пунктами составили 300...500 км. По результатам уравнивания точность системы оценена на уровне З...4см.

Принцип работы глобальной системы состоит в том, что прием­ники GPS-сигналов на Земле используют спутники в качестве исходных (опорных) пунктов для определения своего местопо­ложения. Это известная в геодезии пространственная обратная линейная засечка, когда на пересечении трех сферических по­верхностей (рис. 19.1) определяют координаты искомого пунк­та. Измеряя время прохождения сигнала от спутника до прием­ника, можно определить расстояние до спутника. По трем из­меренным дальностям Д (/= 1, 2, 3) координаты определяемой точки х, у, z получают из решения трех уравнений (уравнений сферы) вида

При применении изложенного геометрического принципа оп­ределения местоположения к глобальным спутниковым системам возникают две особенности. Одна из них состоит в том, что исход­ными пунктами (пунктами с известными координатами) являются движущиеся спутники, а определяемыми (неподвижными или дви­жущимися) — пункты (спутниковые приемники), находящиеся на Земле. Другая особенность работы системы состоит в том, что вследствие несинхронности хода часов на спутнике и в пшемнике

(об этом будет сказано далее) из­меряемые дальности: получаются искаженными, поэтому их называ­ют псевдодальностями. Для пра­вильного вычисления координат приемника по измеренным псев­додальностям их надо измерять не до трех, а минимум до четырех спутников.

Для получения избы­точных измерений, которые могут повысить качество окончательного результата и оценить его точность, обычно используют большее число спутников.

Рассмотрим систему GPS (рис. 19.2) как получившую более широ­кое применение в геодезии.

Глобальная спутниковая система позиционирования, которую и дальнейшем для краткости будем называть «глобальная система», принципиально изменяет существующую технологию геодезических работ. По сравнению с последней она имеет следующие пре­имущества:

результаты получаются в системе общего земного эллипсоида;

обеспечивается полная автоматизация измерений и обработки результатов;

исключается необходимость располагать пункты под условием обеспечения взаимной видимости между ними;

представляется возможным выполнять наблюдения в любую погоду, как в дневное, так и в ночное время;

выбирать пункты можно, исходя из требований съемки, в не­посредственной близости к району работ, без учета конфигурации геодезической сети;

выполнять полевые работы можно с помощью аппаратуры, не требующей персонала высокой квалификации;

время наблюдений на пункте, как правило, не превышает 1 ...2 ч, а когда не требуется высокая точность измерений, может быть уменьшено до 1...2мин;

представляется возможность высокоточного определения коор­динат центров проектирования при аэро- и космической съемке;

одновременная, видимость нескольких спутников позволяет ис­ключать основные источники- погрешностей в спутниковых на­блюдениях, в результате чего достижима точность определения относительных координат 1*10^-6 и более, что означает возмож­ность конкуренции с наземными методами измерений.

19.2. ПРИНЦИП ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ ОТ ПРИЕМНИКА ДО СПУТНИКА. ПСЕВДОДАЛЬНОСТЬ

Принцип измерения расстояния от приемника до спутника аналогичен принципу измерения линий наземными свето- и ра­диодальномерами, изложенному в главе 13. Основной измеряемой величиной в этих дальномерах является время , затрачиваемое сигналом на прохождение удвоенного расстояния (в прямом и об­ратном направлениях). Если скорость распространения такого сигнала с известна, то измеряемое расстояние определяют по фор­муле

(19.2)

В этом методе, называемом двусторонним, время излучения и приема сигнала регистрируют по одним и тем же часам, поэтому проблемы синхронизации часов не возникает.

В спутниковых технологиях находят применение односторонние (беззапросные) методы дальномерных измерений, основная осо­бенность которых состоит в том, что передающее устройство раз­мешают на спутнике, а приемное — на наземном пункте. При этом сигнал проходит измеряемое расстояние только в одном на­правлении — от спутника до приемника. Если в этом случае мо­мент излучения и момент приема сигнала зафиксированы точно синхронизированными часами, расположенными на спутнике и на наземном пункте, то измеряемое расстояние может быть опре­делено по формуле, аналогичной (19.2),

(19.3)

где — время прохождения сигналом расстояния от приемника до спутника.

Вследствие несинхронности хода часов на спутнике и в прием­нике формула (19.3) нуждается в уточнении. Пусть спутник излу­чил сигнал в момент t₀, а на приемник этот сигнал пришел в мо­мент i₀ + . Для определения интервала времени необходимо, чтобы моменты излучения и приема сигналов были зафиксирова­ны точно синхронизированными часами, установленными на спут­нике и в приемнике. Тогда задача может быть решена следующим образом. Сигнал спутника каждые несколько секунд передает временную метку, в которой записан момент ее ухода со спутни­ка, определенный по часам спутника. Приемник захватывает сигнал спутника, считывает временную метку и фиксирует момент ее прихода по своим часам. Разность между моментами ухода мет­ки со спутника и прихода ее на антенну приемника (т. е. сдвиг кода спутника относительно кода приемника) представляет собой искомый интервал времени (рис. 19.3), подлежащий измерению (более подробно эта процедура описана в разделе «Кодовые изме­рения»).

Еще раз подчеркнем, что для этой цели часы на спутнике и в приемнике должны идти абсолютно синхронно. На самом деле этого не наблюдается. Поэтому между показаниями этих часов в каждый момент времени имеет место ненулевая разность — Эта величина искажает результаты определения дальности. По этой причине полученную изложенным методом дальность, как уже упоминалось ранее, называют псевдодальностью.

Для установления связи псевдодальности Р с геометрической дальностью р обратимся к формуле (19.3). Подставив в нее вместо истинного времени фактически измеряемое + , получим вы­ражение для псевдодальности

где с — скорость распространения сигнала в вакууме; р = а — геометрическая дальность; c — некоторая линейная величина, отличающая истинную дальность от псевдодальности.

Вследствие того что сигнал от спутника проходит путь не в ва­кууме, а в атмосфере, возникает задержка сигнала в атмосфере = - _вак (здесь _вак — время распространения сигнала в ваку­уме) и, как следствие, атмосферная поправка c _amм.

С учетом атмосферной поправки с _атм и величины с оконча­тельно выражение для псевдодальности будет иметь вид

19.3. СОСТАВ ГЛОБАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ. РЕЖИМ РАБОТЫ СИСТЕМЫ

Глобальная система состоит из трех секторов: космического, наземного контроля и управления и потребителя (рис. 19.4).

Космический сектор. Он представляет собой созвез­дие из 24 спутников, обращающихся вокруг Земли в шести орби­тальных плоскостях (по четыре спутника на каждой орбите (см. рис. 19.2). Такое число спутников обеспечивает видимость над го­ризонтом по меньшей мере четырех спутников (минимально не­обходимое число для определения координат наземного приемни­ка) в любой точке Земли в любое время суток.

Точки пересечения орбиты с небесным экватором размещены равномерно по экватору, т. е. отстоят друг от друга на 60°. Орбиты наклонены относительно плоскости экватора на 55°. Период обра­щения спутника вокруг Земли равен примерно 12 ч, следователь­но, спутники делают два оборота вокруг Земли в сутки. Такой пе­риод обращения обеспечивает прохождение каждого спутника над областью, контролируемой наземными системами управления США, по крайней мере раз в сутки. Постоянный контроль орбит спутников с Земли обеспечивает необходимую точность системы. Любое замеченное отклонение движения спутника от теоретиче­ской орбиты измеряется и передается на борт ИСЗ в память ком­пьютера.

Процедура определения координат пунктов основана на ис­пользовании кодовой информации и высокоточных временных сигналов, передаваемых спутниками. Каждый спутник GPS пере­дает сигналы на двух несущих частотах: L₁ = 1575,42 МГц (длина волны 19,см) и L₂ = 1227,60 МГц (длина волны 24 см).

Спутниковые сигналы названных несущих частот L-диапазона модулированы двумя кодами: точным Р-кодом с частотой 10,23 МГц (длина волны 30 м) и грубым С/А-кодом с частотой 1,023 МГц (длина волны 300 м), а также навигационным сообщением,

Рис. 19.4. Общая структура глобальных спутниковых систем:

I—космический сектор; II—сектор управления и контроля; III—сектор пользователя; 1—станция слежения; 2— центр управления; 3— станция загрузки; 4— приемная антенна; 5— спутниковый приемник; 6— комплекс обработки измерений

содержащим среди другой информации координаты спут­ников как функции времени — «Бортовые эфемериды». Более подробно об этом сказано в разделах 19.4...19.6. Структура спутни­ковых сигналов показана на рисунке 19.5.

Точный Р-код обеспечивает выполнение спутниковых опреде­лений с дециметровой точностью, а грубый С/А-код — с метровой точностью.

Наибольшую точность получают при определении относи­тельных координат между двумя и более приемниками дифферен­циальным методом. Трехмерный вектор между двумя станциями, на которых были организованы одновременные сбор и обработка данных GPS этим методом, называют базовой линией или просто базой.

Все спутниковые системы обеспечивают определение коорди­нат приемника (базы между парой приемников) в общеземной геоцентрической системе координат. Для того чтобы связать опре­деляемые при помощи GPS координаты с местной системой коор­динат, должны быть установлены параметры преобразования од­ной системы в другую. Подробно это рассмотрено далее.

Сектор контроля и управления. Основная функция сектора — проведение наблюдений ИСЗ с автоматиче­ских станций в целях уточнения орбит, прогноза движения ИСЗ на определенный интервал времени и закладки данных прогноза в виде эфемерид в бортовую память ИСЗ для последующего распро­странения эфемеридной информации среди пользователей систе­мы в составе навигационных сообщений.

Сектор пользователя. Он состоит из приемника и вычислительного блока. Приемник принимает сигналы, поступаю щие от спутника, и переда­ет их в вычислительный блок. Вычислительный блок обрабатывает данные изме­рений и навигационных со­общений, поступивших из приемника, т. е. выполняет так называемую постобра­ботку.

Режим работы сис­тем. Глобальные системы могут работать в двух основ­ных режимах, получивших название кодовых и фазовых измерений (рис. 19.6). При кодовых измерениях изме­ряют время распространения

кодово-модулированного сигнала от спутника до приемника, а при фазовых — сдвиг фазы колебаний несущей частоты за время распространения. Режим кодовых измерений называют навигаци­онным, абсолютными определениями, а режим фазовых измере­ний — геодезическим, относительными определениями. Такую терминологию используют потому, что кодовые измерения дают меньшую точность, приемлемую главным образом для ре­шения задач навигации, и при этом обеспечивают непосред­ственное получение самих координат (абсолютных значений). Фазовые же измерения позволяют получить не сами координа­ты, а разности (приращения) одноименных координат двух (или более) точек, в которых установлены одновременно рабо­тающие приемники.

Иногда выделяют третий режим — интегральный доплеровский счет, который позволяет получить скорость изменения расстояния до спутника и фиксировать моменты последовательных положе­ний спутника.