31. Гис и глобальные системы позиционирования. Сбор данных с помощью систем спутникового позиционирования

Наиболее современные определения координат основаны на использовании глобальных систем позиционирования (ГСП). Позиционирование – определение параметров пространственно-временного состояния объектов наблюдения.

К основным гражданским задачам, решаемым спутниковыми системами и соответственно ГСП, относят:

• развитие геодезических сетей, служащих основой для определения координат любых объектов

• производство нивелирных работ, выполняемых до 3 или даже 2 классов точности

• распространение единой высокоточной шкалы времени

• исследование геодинамических процессов

• мониторинг состояния окружающей среды

• координатное обеспечение кадастровых, землеустроительных, сельскохозяйственных и других работ

• координатное обеспечение полевых тематических съемок с помощью спутниковых приемников, соединенных со специализированным датчиком (анероидом, магнитометром, цифровой видеокамерой, аэрофотокамерой, эхолотом и пр.)

• создание и обновление баз данных ГИС на основе комплексирования спутниковых приемников со специализированными полевыми компьютерами, электронными тахеометрами и инерциальными навигационными системами.

Преимущества применения спутниковых методов позиционирования в целях ГИС таковы:

• оперативность, всепогодность, оптимальная точность и эффективность; в отличие от традиционных геодезических методов не нужна видимость между определяемыми пунктами

• глобальность – возможность получения данных в единой или во взаимосвязанных системах координат в любой точке Земли

• четкая временная привязка данных

• минимизация влияние человеческого фактора на расчеты

• цифровая форма записи, стандартные форматы

• возможность классификации данных на стадии их полевого сбора

• сбор данных в различных картографических проекциях

• сбор большого объема данных.

ГСП и их подсистемы. К концу прошлого века в мире созданы две эксплуатационные спутниковые глобальные системы позиционирования, ознаменовавшие революционные изменения в геодезических измерениях. Американская GPS – Global Positioning System и российская ГЛОНАСС – глобальная навигационная спутниковая система. Это потребовало десятков лет напряженной работы. Их разработка начата в 1970-х годах, запуск первых спутников начат в 1978 г. В 1991 г. сняты ограничения на продажу приемной аппаратуры в Россию. Первые спутники ГЛОНАСС выведены в 1982 г., в 1993 г. система официально принята в эксплуатацию. В январе 1996 г. ГЛОНАСС развернута полностью.

В каждой системе выделяют три главные подсистемы: 1) наземного контроля и управления, 2) созвездия (группировки) космических аппаратов, 3) аппаратуры пользователя.

Подсистема наземного контроля и управления состоит из станций слежения за космическими аппаратами, службы точного времени, главной станции с вычислительным центром и станцией загрузки данных на борт спутников. Спутники проходят над контрольными пунктами дважды в сутки. Собранную на станциях слежения информацию об орбитах используют для прогнозирования координат спутников. После этого данные загружают на борт каждого спутника.

Главная наземная станция GPS находится на базе ВВС Колорадо-Спрингс, другие ее наземные станции расположены на островах Возненсения, Диего-Гарсия, атолле Кваджалейн и на Гавайских островах. Подсистема наземного контроля и управления ГЛОНАСС включает Центр управления системой, находящийся под Москвой, центральный синхронизатор с высокоточным стандартом частоты и времени для синхронизации системы и сеть станций слежения на территории России (С.-Петербург, Воркута, Якутск, Петропавловск-Камчатский, Уссурийск, Улан-Удэ, Енисейск).

Каждая спутниковая группировка содержит по 24 основных спутника и несколько резервных. Спутники равномерно распределены в околоземном пространстве на высотах около 20 тыс.км. Спутники GPS расположены по четыре в шести плоскостях, а спутники ГЛОНАСС – по восемь в трех плоскостях, развернутых соответственно через 60⁰ и через 120⁰ по долготе. Период обращения спутников и наклон плоскостей орбит к экватору в ГЛОНАСС равны 11 час 16 мин и 64,8⁰, а в GPS – 11 час 58 мин и 55⁰. Орбиты практически круговые. Скорость перемещения спутников вдоль орбиты около 3,9 км/с. На каждом спутнике установленысолнечные батареи, двигатели корректировки орбит, атомные эталоны частоты-времени, аппратура для приема и передачи радиосогналов. Благодаря атомным эталонам генерируемые на спутниках электромагнитные колебания обладают высокой стабильностью.

Для измерения дальностей передатчики на всех спутниках излучают радиоволны на двух частотах, обозначаемых L₁и L₂. Две частоты нужны для исключения из измерений существующих временных задержек, возникающих при прохождении радиоволн через ионосферу. В GPS все спутники работают на одинаковых частотах, при этом частоте L₁ соответствует длина волны 19,0, а чстоте L₂ – длина волны 24,4 см. В ГЛОНАСС значения несущих частот L₁ и L₂ у каждого спктника свои, а соответсвующие им длины волн близки к 19 и 24 см.

Основу подсистемы аппаратуры пользователей составляет спутниковый приемник. Аппаратура спутника и и спутниковый приемник образуют радиодальномер. Приемник принимает радиоволны, передаваемые спутником, и сравнивает их с электрическими колебаниями, выработанными в самом приемнике. В результате определяется время распространения радиоволны, а затем и дальность от приемника до спутника.

Дальности определяются двумя методами: 1) кодовым (стандартная точность) и 2) фазовым методом (повышенная точность). Кроме того, в приемник передается навигационное сообщение, несущее необходимое для определения координат информацию.

В настоящее время созданы приемники, ориентированные как на использование только спутников одной системы, так и на одновременное использование GPS и ГЛОНАСС. Точность определения координат зависит от числа видимых спутников. Использование двух группировок позволяет увеличить точность координат примерно в 1,5 раза.

Все современные спутниковые приемники являются многоканальными с числом каналов от 6 и более. Каждый канал следит за своим спутником. Препятствием прохождения радиосигнала являются рельеф, деревья, здания и сооружения.

По конструктивным особенностям выделяют приемники:

• односистемные, ориентированные либо на GPS, либо на ГЛОНАСС

• приемники двухсистемные

• приемники одночастотные, работающие только на частоте L₁

• приемники двухчастотные

• кодовые приемники, работающие только с дальномерными кодами

• фазово-кодовые приемники, применяющие дальномерные коды и фазовые измерения.

Кодовые приемники компактны – умещаются на ладони.

Фазово-кодовые приемники малогабаритны, обычно оснащены отдельной антенной, имеют мощные накопители данных. Снабжены портами для интеграции с другой аппаратурой, питаются в основном от аккумуляторов.

Позиционирование – определение с помощью спутников ГСП параметров пространственно-временного состояния объектов: координат, вектора скорости движения объекта, точного времени наблюдения, разности координат двух объектов. Частными случаями позиционирования является местоопределение и определение пространственного вектора – нахождение разностей координат двух пунктов, на которых установлены антенны спутниковых приемников. Способы местоопределения: 1) автономный и 2) дифференциальный. При автономном способе местоопределения пользователь работает с одним приемником и определяет местоположение независимо от других измерений. Местонахождение определяется линейной засечкой, дальности измеряются кодовым методом.

Таким образом, для определения трех координат X, Y, Z надо располагать тремя сферами – это трехмерный случай местоопределения (3D). Однако в пространственной линейной засечке одной из сфер может быть земная сфера. Тогда будут определены только две координаты – широта и долгота (2D). Чтобы правильно вычислить координаты пункта по псевдодальностям в случае 3D их надо измерять по крайней мере до четырех спутников с известными координатами.

Однако автономный способ весьма чувствителен ко всем источникам погрешностей. На точность влияют 1) нестабильность частот электромагнитных колебаний, 2) сдвиги шкал времени на спутниках и приемниках, 3) погрешности в координатах спутников, 4) аппаратурные погрешности приемников, 5) задержки сигналов в ионосфере и тропосфере. Задержки в ионосфере в случае применения высокоточных кодов могут быть исключены измерениями на двух несущих волнах L₁ и L₂. Измерения, выполненные на одной частоте, исправляются поправками. С этой целью в навигационное сообщение закладываются параметры модели ионосферы. Однако компенсация фактической задержки по параметрам модели ионосферы в лучшем случае составляет только 50%. Некомпенсированные задержки могут искажать псевдодальности до 10 м. Поправки могут вноситься и для компенсации задержек в тропосфере – чтобы ослабить ее влияние, сигналы спутников принимаются и обрабатываются лишь тогда, когда спутники не ниже 10-15⁰ над горизонтом. В этом случае задержки радиоволн в тропосфере менее 10 м. Точность снижается из-за явления многолучевости – в приемник приходят волны, переотраженные от земной поверхности и других объектов. При кодовых измерениях такие погрешности измеряются несколькими метрами.

Кроме того, на точность влияет геометрический фактор – взаимное расположение спутников и приемника. Если спутники находятся вблизи одной плоскости, точность ухудшается в сотни раз.

Известна глобальная система OmniSTAR, использующая мировую сеть станций для сбора информации со спутников GPS. Собранные данные передаются в три центра управления, откуда транслируются на борт одного из семи геостационарных спутников. Каждый спутник в пределах своей зоны передает дифференциальные поправки пользователям. Пользователи получают поправки по подписке – разные виды подписки (на одну точку, на территорию), при этом гарантируется субметровая точность. В настоящее время зона действия OmniSTAR охватывает весь мир, за исключением Канады, Гренландии и большей части России.

Комплексирование спутниковых приемников с другими устройствами.

1. Удобным полевым инструментом является комплекс «приемник – ArcPad – полевой компьютер». Последний может быть подключен к Интернет. В полевых условиях дешифрируются АФС, заносятся атрибуты объектов.

2. Перспективно использование ГИС, приемников и цифровых видеокамер. В результате получают привязанные к местности цифровые изображения, удобные, например, для городского планирования и создания карт.

3. Полевые съемки основаны на интегрировании спутниковых приемников и электронных тахеометров. В таком комплексе электронные тахеометры, иначе называют тотальными станциями. Координаты x, y, z определяются с точностью до 3-5 см.

4. Соединение ГСП с ИНС – инерциальной навигационной системой. ИНС – автономная система, измеряющая в пути ускорения по каждой координате, а по ним определяющая на заданном интервале времени скорости движения и приращения координат. При работе ГСП максимальная частота фиксации измерений около секунды, а если скорость передвижения приемника 30-40 км/ч, то это приводит к неопределенности в местоположении до 10 м. Выход – в соединении ГСП с ИНС.

Перспктивы развития ГСП. В 1999 г. Европейский парламент поддержал решение Европейского космического агентства ESA о создании нового поколения спутниковой системы – Galileo. Окончательный вид система примет в 2008 г., а в 2005 г. передаст первые сигналы. Будет около 30 спутников (3 в резерве), расположенных на высоте 23 200 км.

Практическое применение:

• определение местоположения исследуемого объекта

• указание маршрута к объекту исследования

• трассирование контура или регистрация траектории движения

• построение профиля местности

• определение изменений пространственного положения объектов за некое время (динамические задачи)

• крупномасштабные съемки и выполнение инженерно-географических работ в сочетании с электронным тахеометром

• обеспечение координатами полевых тематических данных (в сочетании с эхолотом, анроидом, магнитометром, цифровой камерой и пр.)

• изготовление в поле цифровых карт с помощью компьютера

Спутниковое позиционирование не может заменить традиционные геодезические методы, поскольку определяются лишь координаты центра антенны приемника. Поэтому исполнителю приходится посещать необходимую точку для позиционирования, а геодезия располагает приемами получения координат недоступных объектов. Путь развития методов местоопределения в географии – рациональное сочетание традиционных измерений и современных спутниковых технологий.