Понятие о современных спутниковых системах позиционирования

Глобальная система позиционирования (определение координат), GPS (Global Positioning Sуstem) – навигационная система, позволяющая с высокой точностью определять пространственное положение точек с помощью засечек с искусственных спутников Земли (ИСЗ). Для GPS не требуется взаимной видимости между геодезическими пунктами, работа может выполняться при любой погоде.

Система GPS состоит из трех блоков: космический, контроля и управления, блок пользователей (приемники спутниковых сигналов).

Современный космический блок GPS состоит из 24 спутников, из которых 21 – действующий и три резервных. Они находятся на шести круговых орбитах, расположенных на расстоянии 26560 км от центра масс Земли. Орбиты развернуты относительно друг друга в экваториальной плоскости Земли на 60°, имеют наклон 55° и период обращения вокруг Земли 12 часов. Данная конфигурация обеспечивает круглосуточную видимость необходимого числа ИСЗ с любой точки поверхности Земли.

Наземный блок системы GPS включает главную станцию и пять станций слежения, расположенных вдоль экватора. Станции слежения определяют расстояния до спутников и передают информацию на главную станцию контроля. На последней обрабатывают всю поступающую информацию, вычисляют и прогнозируют эфемериды спутников, т.е. набор координат, которые определяют положение спутников в разные моменты времени.

Геодезические приемники выпускаются швейцарской фирмой Wild (ныне Leika). Аппаратура GPS Wild Sуstem-200 компактна, имеет небольшую массу и малое энергопотребление. Переноску станции и работу на ней в полевых условиях может осуществить один оператор.

В комплект аппаратуры входят две и более станции. Каждая станция состоит из приемника, процессора для обработки данных с программным обеспечением и контрольно-индикаторного блока (рис.4.7).

Приемник портативный двухчастотный с вмонтированной в него антенной, позволяющей отслеживать одновременно до девяти спутников. Он измеряет дальности и скорости изменения дальностей до спутников, которые находятся в поле зрения. Объединяя результаты одновременных наблюдений за несколькими спутниками (необходимо четыре расстояния до спутников), наземный процессор решает обратную пространственную линейную засечку и таким образом определяются координаты точки установки приемника.

Эксплуатация спутников и все вычисления осуществляются в международной геодезической системе (WGS-84). В этой системе начало координат расположено в центре масс Земли, ось Х_о лежит в плоскости экватора, ось Z_о направлена вдоль оси вращения Земли, ось У_о дополняет прямоугольную систему координат до полной (правой) системы.

Точность взаимного положения пунктов (приращений координат), определяемого с помощью GPS-приемников в дифференциальном режиме 0,005–0,010 м, точность превышений составляет от 3 до 9 мм.

Система GPS нашла широкое применение при выполнении инженерно-геодезических работ. С помощью GPS-измерений можно создать планово-высотное обоснование топографических съемок, оперативно определять плановое положение элементов сооружения и проверять его вертикальность.

В России создана аналогичная система, которая сокращенно называется Глонас – глобальная навигационная система.

Рис.4.8  - Спутниковая аппаратура GPS Wild Sуstem-200

.В ГЛОНАССе также 24 основных и 3 резервных спутника. В 1982 году выведены на орбиты первые спутники серии КОСМОС. С января 1996г. ГЛОНАСС развернута полностью и действует в координатной системе параметры Земли 1990г. (ПЗ-90). Система ПЗ-90 предназначена для решения различных прикладных задач, в т.ч. геодезического обеспечения навигационных комплексов и систем ГЛОНАСС. ПЗ-90 включает основные геодезические постоянные, т. е. характеристики геоцентрической системы координат, в том числе параметры общего земного эллипсоида, координаты пунктов космической геодезической сети (КГС), закрепляющие эту систему, элементы связи с референц-системами координат; планетарные модели нормального аномального гравитационного поля Земли.

Система координат ПЗ-90 является геоцентрической прямоугольной пространственной системой с началом координат в центре масс Земли. Ось Z направлена к Условному Земному полюсу, как определено рекомендациями Международной службы вращения Земли (IERS), а ось Х – в точку пересечения плоскости экватора и нулевого меридиана, установленного Международным Бюро Времени, ось Y дополняет систему ПЗ-90 до правосторонней ортогональной системы координат.

Реализация этой системы осуществляется через координаты пунктов КГС. Пункты наземного комплекса управления системой . Геометрические параметры эллипсоидов для различных систем координат представлены в табл. 4.1.

 Таблица 4.1. Геометрические параметры эллипсоидов для различных систем

координат

Средние квадратичные ошибки отнесения системы координат ПЗ-90 к центру масс Земли составляют 1-2 м, взаимное положение 97 пунктов в системе ПЗ-90 оценивается около 0,3 м при среднем расстоянии между соседними пунктами сети до 10000 км (или в относительной мере – около единицы 7-го знака). 

В настоящее время функционируют приемные устройства, одновременно использующие системы GPS и ГЛОНАСС. Обе системы имеют сходные параметры: близкие несущие частоты, общность конструкций кодовых сигналов, использующих фазовую манипуляцию, близость высот и наклонений орбит и периодов обращения.

В 2005г. должна была начать функционировать европейская система нового поколения спутникового позиционирования Galileo. Еѐ работу должны обеспечивать 30 основных и 3 резервных спутника, расположенных на высоте 23200 км в трех орбитальных плоскостях, наклоненных на 56° к плоскости экватора. С учетом спутников GPS и ГЛОНАСС в распоряжении пользователей будет более 80 космических аппаратов, охватывающих весь земной шар.

Преимущество спутниковых систем позиционирования перед традиционными способами определения координат: глобальность, всепогодность, оптимальная точность, быстрота получения данных, минимальные затраты при построении государственных геодезических сетей и сетей сгущений. 

ЛЕКЦИЯ 5

ТОПОГРАФИЧЕСКИЕ ПЛАНЫ И КАРТЫ. МАСШТАБЫ

5.1 План, карта, профиль

5.2 Масштаб

5.3 Точность масштаба

5.4 Понятие о лесных планах и картах

5.5 Условные знаки

5.5 Разграфка и номенклатура топографических карт

План, карта, профиль

Поверхность Земли изображают на плоскости в виде планов, карт, профилей.

При составлении планов сферическую поверхность Земли проецируют на горизонтальную плоскость и полученное изображение уменьшают до требуемого размера. Как правило, в геодезии применяют метод ортогонального проецирования (рис. 5.1.). Сущность его состоит в том, что точки местности переносят на горизонтальную плоскость по отвесным линиям, параллельным друг другу и перпендикулярным горизонтальной плоскости. Например, точка А местности (перекресток дорог) проецируется на горизонтальную плоскость Н по отвесной линии Аа, точка В — по линии ВЬ и т. д., точки а и Ь являются ортогональными проекциями точек А и В местности на плоскости Н.

Рис.5.1 - Метод ортогональной проекции

Полученное на плоскости изображение участка земной поверхности уменьшают с сохранением подобия фигур. Такое уменьшенное изображение называется планом местности. Следовательно, план местности — это уменьшенное подобное изображение горизонтальной проекции участка поверхности Земли с находящимися на ней объектами.

Однако план нельзя составить на очень большую территорию, так как сферическая поверхность Земли не может быть развернута в плоскость без складок или разрывов. Изображение Земли на плоскости, уменьшенное и искаженное вследствие кривизны поверхности, называют картой.

Для построения карт точки и линии местности проектируют нормалями на поверхность эллипсоида, а затем поверхность эллипсоида по определенным математическим законам изображают на плоскости.

Таким образом, и план, и карта — это уменьшенные изображения земной поверхности на плоскости. Различие между ними состоит в том, что при составлении карты проецирование производят с искажениями поверхности за счет влияния кривизны Земли, на плане изображение получают практически без искажения.

Профилем местности называется уменьшенное изображение вертикального разреза земной поверхности по заданному направлению. Как правило, разрез местности (рис. 5.1, а) представляет собой кривую линию ABC...G. На профиле (рис. 5.2, б) она строится в виде ломаной линии abc...g. Уровенную поверхность изображают прямой линией; для большей наглядности вертикальные отрезки (высоты, превышения) делают крупнее, чем горизонтальные (расстояния между точками).

.

Рис.5.2 - Разрез (а) и профиль (б) местности