Прикладная геодезия: азы космических измерений

Из прошлых статей нашего цикла «Прикладная геодезия» мы узнали, что для определения координат неизвестной точки нам потребуется две точки с известными координатами, которые жестко закреплены на местности (пункты Государственной геодезической сети). Иногда они находились далеко от объекта съемки, что вынуждало исполнителей прокладывать теодолитные хода, зачастую на несколько километров. Теперь же постоянно перемещающиеся в пространстве спутники стали этакими «жесткими» точками, относительно которых и определяются координаты объектов на местности.

GPS

GPS (Global Positioning System — система глобального позиционирования) — это совокупность радиоэлектронных средств, позволяющих вычислить местоположение и скорость движения объекта на поверхности Земли или в атмосфере. Данные параметры определяются благодаря GPS-приемнику, который принимает и обрабатывает сигналы со спутников. Для повышения точности измерений система позиционирования включает в себя еще и наземные центры управления и обработки данных.

Когда речь идет о GPS, чаще всего имеется ввиду система NAVSTAR, разработанная по заказу Министерства обороны США. Вообще, много чего инновационного было сперва «обкатано» военными, а потом было «спущено в массы». На долгие годы термин «GPS» стал синонимом спутниковой навигации, также как неологизм «ксерокс» обозначает в принципе любой копировальный аппарат, а не только производства фирмы XEROX. В данный момент кроме NAVSTAR GPS разрабатываются или запущены китайская Бэйдоу, европейская Galileo, индийская IRNSS, японская QZSS и наш родной ГЛОНАСС.

Методы космических измерений применяются для:

• геодезии и картографии
• строительства
• навигации
• мониторинга транспорта
• мобильной связи
• спасательных работ
• мониторинга за тектоническим движением плит земной коры

и во многих других сферах деятельности человека. Рассмотрим некоторые основные сферы применения систем космических измерений более подробно.

GNSS

С устройствами этой системы навигации мы сталкиваемся на бытовом уровне, под аббревиатурой GNSS скрывается термин «Глобальная навигационная спутниковая система» (англ. — Global Navigation Satellites System). Принцип работы спутниковой системы навигации состоит в измерении расстояния от антенны приемника до спутников, положения которых известны с достаточно высокой точностью. Таблица положения спутника называется альманахом и передается в момент начала измерений с ИСЗ на приемник. Таким образом, зная расстояния между спутниками, и руководствуясь альманахом, можно с помощью простейших геодезических построений, которые мы рассмотрели в предыдущих статьях нашего цикла, вычислить пространственное положение объекта.

Метод измерений расстояния от спутника к геодезическому приемнику основан на определении скорости прохождения радиоволн. Для возможности измерений спутники передают сигналы точного времени, синхронизированные в свою очередь с высокоточными атомными часами. В начале работы системное время приемника синхронизируется со спутниковым, и дальнейшие измерения базируются на разнице между временем излучения сигнала и временем его приемки. На основании этих данных навигационное устройство вычисляет пространственное положение наземной антенны, ну а скорость объекта, курс и другие параметры — производные от первоначального положения приемника. Как вы наверняка помните из школьного курса физики, скорость прохождения радиоволн равна скорости света, так что можете представить, какая общая точность системы, определяющей расстояние по миллисекундам.

Почему же в некоторых случаях мы получаем достаточно точное значение местоположения, а в некоторых значение не совсем корректное? Не в каждом приемнике встроены атомные часы, поэтому для синхронизации и определения местоположения с приемлемой точностью необходимо получать сигнал одновременно минимум с трех спутников. На мощность принимаемого сигнала влияет гравитационное поле земли, преграды в виде деревьев, домов, отраженные (фантомные) сигналы, атмосферные помехи и ряд других причин. Так как на спутнике невозможно разместить передатчики высокой мощности, наиболее точное местоположение вы получите на открытых пространствах при чистом горизонте.

Теперь, дорогой читатель, обладающий смартфоном со встроенным GPS-приемником, спешим вас огорчить — вам нельзя подавать заявку на открытие геодезической фирмы. Дело в том, что для вычисления местоположения в карманном приемнике используется метод, называемый абсолютным. При одновременном наблюдении 4-х спутников точность определения местоположения может достигать 8 метров, этого достаточно для навигационных измерений. Для геодезии применяют относительный метод измерений, в котором используют минимум два приемника. Один из них устанавливается на точку с известными координатами (т.н. «базу»), а с помощью второго определяют координаты неизвестных точек. При совместной работе 2-х приемников точность измерений возрастает в 100 раз, и мы уже можем получить координаты с сантиметровой точностью, которой достаточно для геодезических нужд.

GPS для геодезических работ

Для использования систем космических наблюдений для проведения топографических работ используют несколько способов, которые отличаются точностью полученных значений и временем, потраченным для их получения.

Статика

Для определения координат неизвестной точки один приемник устанавливается на пункт триангуляции или полигонометрии (известная точка), а другой приемник — на точку, координаты которой необходимо определить. Далее проводится синхронная инициализация устройств, ведь измерения начинаются только тогда, когда два приемника включаются одновременно. Если одно из устройств проработало полчаса, а другое — 15 минут, для получения данных будет использовано только 15 минут совместной работы. После нахождения приемниками спутников начинается сбор данных, которые впоследствии обрабатываются на компьютере.

От включения инструмента до начала работы (получения корректных значений) обычно проходит 15–30 минут, в зависимости от одновременно наблюдаемых спутников. В первые 20–30 минут «база» обеспечивает покрытие с достаточной точностью измерений 5-километровой зоны, затем каждые 10 минут этот радиус расширяется на 5 км, соответственно, зная приблизительное расстояние от точки стояния до базисной точки, можно примерно рассчитать время стояния инструмента для точного определения координат.

Как мы видим на скриншоте одной из программ уравнивания данных, зеленая полоска — это время работы базы, а короткие цветные полоски — время нахождения приемников на станции с неизвестными координатами. С помощью специализированного ПО можно отбраковать некорректные значения измерений и поднять общую точность полученных значений.