Tillämpad geodesi. Grunderna i kosmiska dimensioner

Processen att observera de första konstgjorda satelliterna på jorden avslöjade ett intressant mönster – satellitens rumsliga position kan beräknas med god noggrannhet när som helst. Detta vetenskapliga faktum drev forskare till en verkligt revolutionerande upptäckt – att använda satelliter som ligger hundratals kilometer från jorden för att bestämma den rumsliga positionen för markobjekt.

Från de tidigare artiklarna i vår serie ”Applied Geodesy” lärde vi oss att för att bestämma koordinaterna för en okänd punkt, behöver vi två punkter med kända koordinater, som är fast fixerade på marken (poäng i State Geodetic Network). Ibland var de långt ifrån motivet, vilket tvingade artisterna att lägga teodolitpassager, ofta flera kilometer. Nu har satelliter som hela tiden rör sig i rymden blivit sådana ”hårda” punkter, relativt vilka koordinaterna för objekt på marken bestäms.

GPS

GPS (Global Positioning System – Global Positioning System) är en samling radioelektroniska medel som beräknar platsens och hastigheten för ett objekt på jordens yta eller i atmosfären. Dessa parametrar bestäms av en GPS-mottagare som tar emot och behandlar signaler från satelliter. För att öka mätnoggrannheten inkluderar positioneringssystemet även markstyrnings- och databehandlingscentra.

När det gäller GPS menar vi oftast NAVSTAR-systemet, utvecklat med order från det amerikanska försvarsdepartementet. I allmänhet ”testades” många innovativa saker först av militären och sedan ”släpptes till massorna.” Under många år har termen ”GPS” blivit synonymt med satellitnavigering, precis som neologismen ”Xerox” i princip betyder någon kopieringsmaskin, inte bara XEROX-produktion. Förutom NAVSTAR GPS utvecklas eller lanseras kinesiska Beidou, European Galileo, Indian IRNSS, Japanese QZSS och vårt ursprungliga GLONASS..

Rymdmätningsmetoder används för:

• geodesi och kartografi
• konstruktion
• navigering
• fordonsövervakning
• mobil kommunikation
• räddningsinsatser
• övervaka den tektoniska rörelsen på jordens skorpor

och på många andra områden av mänsklig aktivitet. Låt oss överväga några av de viktigaste användningsområdena för rymdmätningssystem mer detaljerat..

GNSS

Vi stöter på enheter i detta navigationssystem på hushållsnivå, under förkortningen GNSS är begreppet “Global Navigation Satellites System” gömt. Funktionen för ett satellitnavigationssystem är att mäta avståndet från mottagarantennen till satelliter, vars positioner är kända med tillräckligt hög noggrannhet. Satellitpositionstabellen kallas almanacken och överförs vid tidpunkten för mätstart från satelliten till mottagaren. Således, genom att känna till avståndet mellan satelliterna och ledas av almanacken, kan du med hjälp av de enklaste geodetiska konstruktionerna, som vi beaktade i de tidigare artiklarna i vår cykel, beräkna objektets rumsliga position.

Metoden för att mäta avståndet från en satellit till en mottagare baseras på att bestämma överföringshastigheten för radiovågor. För att möjliggöra mätningar sänder satelliterna exakta tidssignaler, synkroniserade i tur och ordning med atomära klockor med hög precision. I början av operationen är systemtiden för mottagaren synkroniserad med en satellit, och ytterligare mätningar baseras på skillnaden mellan tiden för signalemission och tidpunkten för mottagningen. Baserat på dessa data beräknar navigationsapparaten den territoriella antennens rumsliga position, och objektets hastighet, kurs och andra parametrar är derivat av mottagarens initiala position. Som du förmodligen kommer ihåg från din skolfysikkurs är hastigheten för radiovågor lika med ljusets hastighet, så du kan föreställa dig vad den totala noggrannheten för systemet som bestämmer avståndet i millisekunder är.

GNSS / GPS-antenn

Varför får vi i vissa fall ett ganska exakt platsvärde, och i vissa fall är värdet inte helt korrekt? Inte varje mottagare har en atomklocka inbyggd, därför är det nödvändigt att ta emot en signal samtidigt från minst tre satelliter för att synkronisera och bestämma positionen med acceptabel noggrannhet. Styrken hos den mottagna signalen påverkas av jordens gravitationsfält, hinder i form av träd, hus, reflekterade (fantom) signaler, atmosfärisk störning och ett antal andra skäl. Eftersom det är omöjligt att placera högeffektsändare på satelliten får du den mest exakta platsen i öppna utrymmen med en tydlig horisont.

Nu, kära läsare med en smartphone med en inbyggd GPS-mottagare, vi skyndar oss att uppröra dig – du kan inte ansöka om att öppna ett geodetiskt företag. Detta beror på att fickmottagaren använder en metod som kallas absolut för att beräkna positionen. Med samtidig observation av fyra satelliter kan positioneringsnoggrannheten nå 8 meter, detta är tillräckligt för navigationsmätningar. För geodesi används en relativ mätmetod, där minst två mottagare används. En av dem är inställd på en punkt med kända koordinater (den så kallade ”basen”), och den andra används för att bestämma koordinaterna för okända punkter. När 2 mottagare arbetar tillsammans ökar mätnoggrannheten 100 gånger, och vi kan redan få koordinater med centimeternoggrannhet, vilket är tillräckligt för geodetiska behov.

GPS för geodetiska verk

För att använda rymdobservationssystem för utförande av topografiskt arbete används flera metoder, som skiljer sig i noggrannheten för de erhållna värdena och tiden som har använts för att få dem..

Statik

För att bestämma koordinaterna för en okänd punkt installeras en mottagare på triangulerings- eller polygonometri-punkten (känd punkt), och den andra mottagaren placeras på den punkt vars koordinater ska bestämmas. Därefter initialiseras enheterna synkront, eftersom mätningar endast börjar när två mottagare slås på samtidigt. Om en av enheterna arbetade i en halvtimme och den andra i 15 minuter, kommer bara 15 minuters samarbete att användas för att få data. När mottagarna hittat satelliterna börjar datainsamlingen, som sedan bearbetas på en dator..

Det tar vanligtvis 15-30 minuter från att slå på instrumentet till att börja arbeta (få rätt värden), beroende på de samtidigt observerade satelliterna. Under de första 20-30 minuterna ger ”basen” täckning med tillräcklig mätnoggrannhet för en 5-kilometerzon, sedan utökas denna radie varje 10 minut med 5 km respektive, och vet det ungefärliga avståndet från stationen till baspunkten, kan du grovt beräkna instrumentets ståtid för exakt positionering.

Som vi kan se i skärmdumpen av ett av dataanpassningsprogrammen är den gröna fältet basdriftstid, och de korta färgade staplarna är den tid som mottagarna spenderar på stationen med okända koordinater. Med hjälp av specialiserad programvara kan du avvisa felaktiga mätvärden och öka den totala noggrannheten för de erhållna värdena.

Fördelen med denna metod är mätningens höga noggrannhet, minus är tiden som används för att initiera varje punkt.

Kinematik

”Basen” är belägen på samma sätt vid en punkt med kända koordinater, och den andra mottagaren kan efter initialisering registrera punkter i rörelse utan ytterligare initialisering före varje mätning. Om vi ​​i den första metoden antar två baspunkter från vilka den tacheometriska undersökningen kommer att genomföras, d.v.s. för arbete måste vi fortfarande ha en totalstation, då för kinematiska mätningar räcker det med två mottagare, varav en utför funktionen av en totalstation, punktregistreringstiden är 1-2 minuter.

Denna metod är väl lämpad för kartläggning av linjärt utsträckta föremål som kraftledningar, kanaler, vägar, oljeledningar etc. Fördelen med denna metod är att spara tid, nackdelen är att det är önskvärt att utföra mätningar på kort avstånd från basen, cirka 5–15 km. Om signalen från satelliten plötsligt försvinner måste initialiseringsförfarandet upprepas, så denna metod är inte alltid möjlig att tillämpas i stora städer där höga byggnader och träd blockerar horisonten.

RTK GPS

Om de två första metoderna ger oss positionen som en punkt i det internationella koordinatsystemet, som sedan måste omvandlas till ett regionalt, så låter RTK-metoden (från engelska Real Time Kinematic – kinematik i realtid) få värdena för den rumsliga positionen för punkter i det koordinatsystem som antagits för vårt område. använder bara en mottagare. Nej, baspunkten existerar utan tvekan, men i det här fallet är baspunkterna fixerade på höga byggnader, och i sammanställningsformen ett nätverk som är likt ett mobilt. Både mottagaren och basstationerna utbyter information via Internet, vilket gör att de inte bara kan synkronisera med satelliter utan också med varandra genom att kringgå kedjan för omberäkning och justering av koordinater i specialiserad programvara.

Som ni kan föreställa er basstationer långt ifrån byggda av entusiaster, tillgång till dem betalas, men det kompenseras mer än antalet arbetade timmar. Om, i fråga om statiska mätningar, teamet består av minst tre personer, varav en bevakar ”basen”, och de andra två utför undersökningar med en totalstation, räcker det bara med en specialist för RTK-mätningar. Initieringen av sådana enheter sker nästan omedelbart, efter några minuter är verktyget redo att samla in data eller utföra motsatt åtgärd – för att genomföra utdelningen av undersökningspunkter som beräknas i förväg på en dator, vilket är nödvändigt, till exempel när man planerar en tomt för konstruktion. Detta är framtidens teknik. I allmänhet, oavsett hur paradoxalt det låter, kommer nästa generation av enkäter att representeras av IT-specialister, åldern för programmerbara räknare och Bradis-tabeller är oåterkalleligt borta.

GPS vs GLONASS

För att bestämma koordinaterna för NAVSTAR GPS och GLONASS används 21 aktiva satelliter och tre reservsatelliter, roterande på cirkulära banplan, och dessa plan i GPS-systemet är tre gånger mer än i GLONASS. Satelliterna är utrustade med solpaneler och flyger över 20 km över jordens yta. Ett sådant avstånd från planeten och antalet satelliter möjliggör samtidig observation av minst fyra satelliter nästan var som helst i världen. Tid för en komplett revolution runt jorden – 12 kosmiska timmar.

I GPS-systemet avger alla satelliter en signal vid två identiska frekvenser, och varje enhet skickar sin egen individuella kod som gör det möjligt att identifiera satelliterna. GLONASS har samma kod för alla satelliter, sändningar sker också i två band. Som ni ser är parametrarna för systemen ungefär samma, så vem är bättre?

Om GPS ger tillräcklig noggrannhet när det gäller att bestämma koordinater runt om i världen, så ”skärps” GLONASS för ryska verkligheter, vilket teoretiskt gör det möjligt att mer exakt bestämma den rumsliga positionen för punkter på marken i vårt land. Det ryska positioneringssystemet beror inte på stämningen hos ”Uncle Sam”, som under militära konflikter medvetet sänkte mätnoggrannheten och delvis kodar signalen. I alla fall är GPS och GLONASS inte konkurrenter, men på något sätt allierade, så det är vettigt att köpa mottagare som samtidigt stöder två system, noggrannhet kommer bara att dra nytta av detta.