Aplikovaná geodézia. Základy kozmických dimenzií

Obsah článku

• GPS
• GNSS
• GPS pre geodetické práce
• statika
• kinematika
• RTK GPS
• GPS vs GLONASS

Proces pozorovania prvých umelých satelitov Zeme odhalil jeden zaujímavý obrazec – priestorovú polohu satelitu je možné kedykoľvek vypočítať s dobrou presnosťou. Táto vedecká skutočnosť viedla vedcov k skutočne revolučnému objavu – používať satelity umiestnené stovky kilometrov od Zeme na určovanie priestorovej polohy pozemských objektov..

Z predchádzajúcich článkov nášho cyklu „Aplikovaná geodézia“ sme sa dozvedeli, že na určenie súradníc neznámeho bodu potrebujeme dva body so známymi súradnicami, ktoré sú pevne pripevnené k zemi (body štátnej geodetickej siete). Niekedy boli ďaleko od témy, ktorá nútila účinkujúcich položiť teodolitické chodby, často niekoľko kilometrov. Satelity, ktoré sa neustále pohybujú vo vesmíre, sa stali takými „tvrdými“ bodmi, v porovnaní s ktorými súradnice objektov na zemi.

GPS

GPS (Global Positioning System – Global Positioning System) je súbor rádiových elektronických prostriedkov, ktoré vypočítavajú polohu a rýchlosť objektu na zemskom povrchu alebo v atmosfére. Tieto parametre určuje prijímač GPS, ktorý prijíma a spracováva signály zo satelitov. Na zvýšenie presnosti merania polohovací systém zahŕňa aj centrá riadenia a spracovania dát.

Pokiaľ ide o GPS, najčastejšie máme na mysli systém NAVSTAR, ktorý bol vyvinutý na príkaz ministerstva obrany USA. Všeobecne bolo veľa inovatívnych vecí armádou najskôr „otestovaných“ a potom ich „prepustili masy“. Po mnoho rokov sa pojem „GPS“ stal synonymom pre satelitnú navigáciu, rovnako ako neologizmus „Xerox“ v zásade znamená akúkoľvek kopírku, nielen výrobu XEROX. V súčasnosti sa okrem NAVSTAR GPS vyvíjajú alebo uvádzajú na trh čínske Beidou, európske Galileo, indické IRNSS, japonské QZSS a naše rodné GLONASS..

Metódy merania priestoru sa používajú na:

• geodézia a kartografia
• výstavba
• navigácia
• monitorovanie vozidiel
• mobilné komunikácie
• záchranné operácie
• monitorovanie tektonického pohybu zemských kôrových dosiek

a v mnohých ďalších oblastiach ľudskej činnosti. Pozrime sa podrobnejšie na niektoré z hlavných oblastí aplikácie systémov na meranie vesmíru..

GNSS

Narazíme na zariadenia tohto navigačného systému na úrovni domácnosti, pod skratkou GNSS je skrytý pojem „globálny navigačný satelitný systém“. Princíp činnosti satelitného navigačného systému je zmerať vzdialenosť od antény prijímača k satelitom, ktorých polohy sú známe s dostatočne vysokou presnosťou. Tabuľka satelitných pozícií sa nazýva almanach a prenáša sa v okamihu začiatku merania zo satelitu do prijímača. Vďaka poznaniu vzdialeností medzi satelitmi a vedeniu almanachom môžete pomocou najjednoduchších geodetických konštrukcií, ktoré sme zvažovali v predchádzajúcich článkoch nášho cyklu, vypočítať priestorovú polohu objektu..

Metóda merania vzdialenosti zo satelitu k prijímaču je založená na stanovení rýchlosti prenosu rádiových vĺn. Aby bolo možné meranie, satelity vysielajú presné časové signály, synchronizované postupne s vysoko presnými atómovými hodinami. Na začiatku činnosti je systémový čas prijímača synchronizovaný so satelitným a ďalšie merania sú založené na rozdiele medzi časom vyžarovania signálu a časom jeho prijatia. Na základe týchto údajov navigačné zariadenie vypočíta priestorovú polohu pozemnej antény a rýchlosť, priebeh a ďalšie parametre objektu sú odvodené od počiatočnej polohy prijímača. Ako si pravdepodobne pamätáte z vášho stredoškolského kurzu fyziky, rýchlosť rádiových vĺn sa rovná rýchlosti svetla, takže si viete predstaviť, aká je celková presnosť systému, ktorý určuje vzdialenosť v milisekundách,.

Anténa GNSS / GPS

Prečo v niektorých prípadoch dostávame pomerne presnú polohu a v niektorých prípadoch táto hodnota nie je úplne správna? Nie každý prijímač má zabudované atómové hodiny, aby bolo možné synchronizovať a určiť polohu s prijateľnou presnosťou, je potrebné prijímať signál súčasne z najmenej troch satelitov. Sila prijatého signálu je ovplyvnená gravitačným poľom Zeme, prekážkami vo forme stromov, domami, odrazenými (fantómovými) signálmi, atmosférickou interferenciou a množstvom ďalších dôvodov. Keďže nie je možné umiestniť vysoko výkonné vysielače na satelit, získate najpresnejšiu polohu v otvorených priestoroch s jasným horizontom.

Teraz, milí čitatelia so smartfónom so vstavaným prijímačom GPS, sa ponáhľame rozrušiť – nemôžete sa uchádzať o otvorenie geodetickej spoločnosti. Je to preto, že vreckový prijímač používa na výpočet polohy metódu nazývanú absolútna. Pri súčasnom pozorovaní 4 družíc môže presnosť určenia polohy dosiahnuť 8 metrov, čo je dostačujúce pre navigačné merania. V prípade geodézie sa používa metóda relatívneho merania, pri ktorej sa používajú najmenej dva prijímače. Jeden z nich je nastavený na bod so známymi súradnicami (tzv. „Základňa“) a druhý sa používa na určenie súradníc neznámych bodov. Keď dva prijímače spolupracujú, presnosť merania sa zvyšuje stokrát a my už môžeme získať súradnice s presnosťou na centimetre, čo je dostatočné pre geodetické potreby..

GPS pre geodetické práce

Na použitie vesmírnych pozorovacích systémov pre topografickú prácu sa používa niekoľko metód, ktoré sa líšia v presnosti získaných hodnôt a čase strávenom na ich získanie..

statika

Na určenie súradníc neznámeho bodu je jeden prijímač nainštalovaný v bode triangulácie alebo polygonometrie (známy bod) a druhý prijímač je umiestnený v bode, ktorého súradnice sa majú určiť. Ďalej sú zariadenia synchronizované inicializované, pretože merania sa začínajú iba vtedy, keď sú dva prijímače zapnuté súčasne. Ak jedno zo zariadení pracovalo pol hodiny a druhé 15 minút, na získanie údajov sa použije iba 15 minút spolupráce. Keď prijímače nájdu satelity, začne sa zber údajov, ktoré sa následne spracujú na počítači..

Zvyčajne trvá 15 až 30 minút od zapnutia prístroja po začatie práce (získanie správnych hodnôt), v závislosti od súčasne pozorovaných satelitov. V priebehu prvých 20 až 30 minút poskytuje základňa pokrytie s dostatočnou presnosťou merania v zóne 5 km, potom sa tento polomer každých 10 minút rozširuje o 5 km, pričom je známe, že pri približnej vzdialenosti od stanice k základnému bodu je možné zhruba vypočítať čas státia prístroja pre presné umiestnenie.

Ako vidno na snímke jedného z programov úpravy dát, zelený pruh je základný prevádzkový čas a krátke farebné pruhy sú časom, ktorý prijímače prijímajú na stanici s neznámymi súradnicami. Pomocou špecializovaného softvéru môžete odmietnuť nesprávne namerané hodnoty a zvýšiť celkovú presnosť získaných hodnôt.

Výhodou tejto metódy je vysoká presnosť merania, mínus je čas strávený na inicializácii každého bodu.

kinematika

„Základňa“ je umiestnená rovnakým spôsobom v bode so známymi súradnicami a druhý prijímač môže po inicializácii zaregistrovať body v pohybe bez ďalšej inicializácie pred každým meraním. Ak pri prvej metóde dostaneme dva základné body, z ktorých sa bude vykonávať tachometrický prieskum, t.j. na prácu stále potrebujeme totálnu stanicu, potom v prípade kinematických meraní stačí dva prijímače, z ktorých jeden vykonáva funkciu totálnej stanice, čas registrácie bodu je 1–2 minúty.

Táto metóda je veľmi vhodná na zisťovanie lineárne rozšírených objektov, ako sú elektrické vedenia, kanály, cesty, ropovody atď. Výhodou tejto metódy je úspora času, nevýhodou je, že je žiaduce vykonávať merania v krátkej vzdialenosti od základne, približne 5 – 15 km. Ak signál zo satelitu náhle zmizne, inicializačný postup sa bude musieť zopakovať, takže túto metódu nie je vždy možné uplatniť vo veľkých mestách, kde vysoké budovy a stromy pokrývajú horizont.

RTK GPS

Ak nám prvé dve metódy dajú polohu bodu v medzinárodnom súradnicovom systéme, ktorý je potom potrebné previesť na regionálny, potom nám metóda RTK (z anglickej kinematiky v reálnom čase – kinematika v reálnom čase) umožňuje získať hodnoty priestorovej polohy bodov v súradnicovom systéme prijatom pre našu oblasť. pomocou iba jedného prijímača. Nie, základný bod nepochybne existuje, ale v tomto prípade sú základné body fixované na vysokých budovách a v agregovanej podobe sú sieťou podobnou mobilnej. Prijímač aj základňové stanice si vymieňajú informácie cez internet, čo im umožňuje synchronizovať nielen satelity, ale aj navzájom, obísť reťazec prepočtu a úpravy súradníc v špecializovanom softvéri..

Ako si viete predstaviť, základňové stanice nie sú ani zďaleka budované nadšencami, prístup k nim je platený, ale je to viac ako kompenzované počtom vynaložených ľudských hodín. Ak v prípade statických meraní tím pozostáva najmenej z troch ľudí, z ktorých jeden stráži „základňu“ a ďalší dvaja vykonávajú prieskumy pomocou totálnej stanice, potom na meranie RTK stačí iba jeden špecialista. Inicializácia takýchto zariadení nastáva takmer okamžite, po niekoľkých minútach je nástroj pripravený zhromažďovať údaje alebo vykonávať opačnú akciu – vykonať vytyčovanie bodov zisťovania vypočítaných vopred na počítači, čo je potrebné napríklad pri zostavovaní stavebného pozemku. Toto je technológia budúcnosti. Všeobecne platí, že bez ohľadu na to, ako znie paradoxne, budúcu generáciu inšpektorov zastupovať odborníci v oblasti IT, vek programovateľných kalkulačiek a tabuľky Bradis sú neodvolateľne preč.

GPS vs GLONASS

Na určenie súradníc NAVSTAR GPS a GLONASS sa používa 21 aktívnych satelitov a tri náhradné satelity, ktoré rotujú na kruhových orbitálnych rovinách a tieto lietadlá v systéme GPS sú trikrát väčšie ako v systéme GLONASS. Satelity sú vybavené solárnymi panelmi a lietajú viac ako 20 km nad zemským povrchom. Takáto vzdialenosť od planéty a počet satelitov umožňuje súčasné pozorovanie najmenej 4 satelitov takmer kdekoľvek na svete. Čas úplnej revolúcie okolo Zeme – 12 kozmických hodín.

V systéme GPS vysielajú všetky satelity signál na dvoch rovnakých frekvenciách a každé zariadenie vysiela svoj vlastný individuálny kód, ktorý umožňuje identifikáciu satelitov. GLONASS má rovnaký kód pre všetky satelity, vysielanie sa vykonáva aj v dvoch pásmach. Ako vidíte, parametre systémov sú približne rovnaké, takže kto je lepší?

Ak GPS poskytuje dostatočnú presnosť pri určovaní súradníc po celom svete, GLONASS je „nabrúsený“ pre ruskú realitu, čo mu teoreticky umožňuje presnejšie určiť priestorovú polohu bodov na zemi v našej krajine. Ruský polohovací systém nezávisí od nálady „strýka Sama“, ktorý počas vojenských konfliktov úmyselne znížil presnosť meraní a čiastočne kódoval signál. V každom prípade GPS a GLONASS nie sú konkurenti, ale nejakým spôsobom spojenci, takže má zmysel kupovať prijímače, ktoré súčasne podporujú dva systémy, presnosť z toho bude mať úžitok iba.