Rakendusgeodeesia. Kosmiliste mõõtmete põhialused

Maa esimeste kunstlike satelliitide vaatlusprotsess tõi välja ühe huvitava mustri – satelliidi ruumilise asukoha saab igal ajal hea täpsusega arvutada. See teaduslik tõsiasi lükkas teadlased tõeliselt revolutsioonilise avastuse juurde – maapealsete objektide ruumilise asukoha määramiseks satelliitide abil, mis asuvad Maast sadu kilomeetreid eemal..

Meie sarja “Rakendusgeodeesia” eelmistest artiklitest saime teada, et tundmatu punkti koordinaatide määramiseks on vaja kahte teadaolevate koordinaatidega punkti, mis on maapinnale jäigalt kinnitatud (riigi geodeetilise võrgu punktid). Mõnikord olid nad teemast kaugel, mis sundis esinejaid panema teodoliitilisi lõike, sageli mitu kilomeetrit. Nüüd on kosmoses pidevalt liikuvad satelliidid muutunud sellisteks “kõvadeks” punktideks, mille suhtes määratakse maapinnal asuvate objektide koordinaadid.

GPS

GPS (Global Positioning System – Global Positioning System) on raadioelektrooniliste vahendite kogum, mis arvutab objekti asukoha ja kiiruse Maa pinnal või atmosfääris. Need parameetrid määrab GPS-vastuvõtja, mis võtab vastu ja töötleb satelliitide signaale. Mõõtmistäpsuse suurendamiseks sisaldab positsioneerimissüsteem ka maapealseid juhtimis- ja andmetöötluskeskusi.

GPS-i puhul peame enamasti silmas USA kaitseministeeriumi tellimusel välja töötatud süsteemi NAVSTAR. Üldiselt olid sõjalised kõigepealt “katsetanud” paljusid uuenduslikke asju ja seejärel “lasid nad massidesse”. Mõiste “GPS” on paljude aastate jooksul muutunud satelliitnavigatsiooni sünonüümiks, nagu ka neologism “Xerox” tähendab põhimõtteliselt iga koopiamasinat, mitte ainult XEROXi tootmist. Praegu arendatakse või käivitatakse lisaks NAVSTAR GPS-ile ka Hiina Beidou, Euroopa Galileo, India IRNSS, Jaapani QZSS ja meie emakeelne GLONASS..

Ruumi mõõtmise meetodeid kasutatakse:

• geodeesia ja kartograafia
• Ehitus
• navigeerimine
• sõiduki jälgimine
• mobiilside
• päästeoperatsioonid
• maakooreplaatide tektoonilise liikumise jälgimine

ja paljudes teistes inimtegevuse valdkondades. Vaatleme üksikasjalikumalt mõnda ruumi mõõtmise süsteemide peamist rakendusala..

GNSS

Selle navigeerimissüsteemi seadmeid kohtame majapidamises, lühendi GNSS all on peidetud termin „globaalne navigatsioonisatelliitide süsteem”. Satelliitnavigatsioonisüsteemi tööpõhimõte on mõõta kaugust vastuvõtja antennist satelliitideni, mille asukohad on piisavalt suure täpsusega teada. Satelliidi asukohatabelit nimetatakse almanahhiks ja see edastatakse mõõtmise alustamise hetkel satelliidilt vastuvõtjale. Seega, teades satelliitide vahelist kaugust ja juhindudes almanahhist, saate objekti ruumilise asukoha arvutamiseks kasutada lihtsamaid geodeetilisi konstruktsioone, mida oleme oma tsükli eelmistes artiklites kaalunud.

Satelliidist vastuvõtjani kauguse mõõtmise meetod põhineb raadiolainete edastamise kiiruse määramisel. Mõõtmiste võimaldamiseks edastavad satelliidid täpsed ajasignaalid, sünkroniseerides need omakorda ülitäpsete aatomkelladega. Töötamise alguses sünkroniseeritakse vastuvõtja süsteemiaeg satelliidiga ja edasised mõõtmised põhinevad signaali emissiooni ja vastuvõtmise aja vahel. Nende andmete põhjal arvutab navigatsiooniseade maapealse antenni ruumilise asendi ning objekti kiirus, käik ja muud parameetrid on vastuvõtja algse positsiooni tuletised. Nagu te oma kooli füüsikakursusest ilmselt mäletate, võrdub raadiolainete kiirus valguse kiirusega, nii et võite ette kujutada, milline on millisekundites kaugust määrava süsteemi üldine täpsus.

GNSS / GPS-antenn

Miks saame mõnel juhul üsna täpse asukoha väärtuse ja mõnel juhul pole see väärtus päris õige? Kõigil vastuvõtjatel pole sisseehitatud aatomkell, seetõttu on vastuvõetava täpsusega asukoha sünkroonimiseks ja määramiseks vajalik signaali vastuvõtmine vähemalt kolmelt satelliidilt. Vastuvõetud signaali tugevust mõjutavad maa gravitatsiooniväli, takistused puude, majade kujul, peegeldunud (fantoomsed) signaalid, atmosfääri häiringud ja mitmed muud põhjused. Kuna suure võimsusega saatjaid pole satelliidile paigutada võimatu, saate kõige täpsema asukoha selge silmapiiriga avatud kohtades.

Nüüd, kallis lugeja sisseehitatud GPS-vastuvõtjaga nutitelefoniga, kiirustame teid ärrituma – te ei saa taotleda geodeetilise ettevõtte avamist. Selle põhjuseks on asjaolu, et taskuvastuvõtja kasutab asukoha arvutamiseks meetodit, mida nimetatakse absoluutseks. 4 satelliidi samaaegse vaatlusega võib positsioneerimistäpsus ulatuda 8 meetrini, sellest piisab navigeerimise mõõtmiseks. Geodeesia jaoks kasutatakse suhtelist mõõtmismeetodit, milles kasutatakse vähemalt kahte vastuvõtjat. Üks neist on seatud punkti, millel on teadaolevad koordinaadid (nn “alus”), ja teist kasutatakse tundmatute punktide koordinaatide määramiseks. Kui 2 vastuvõtjat töötavad koos, suureneb mõõtmistäpsus 100 korda ja juba saame koordinaadid sentimeetri täpsusega, mis on geodeetiliste vajaduste jaoks piisav.

GPS geodeetiliste tööde jaoks

Kosmosevaatlussüsteemide kasutamiseks topograafiliste tööde tegemiseks kasutatakse mitmeid meetodeid, mis erinevad saadud väärtuste täpsuse ja nende saamiseks kulutatud aja osas..

Staatika

Tundmatu punkti koordinaatide määramiseks paigaldatakse üks vastuvõtja triangulatsiooni või polügonomeetria punkti (teadaolev punkt) ja teine ​​vastuvõtja punkti, mille koordinaadid tuleb kindlaks määrata. Järgmisena lähtestatakse seadmed sünkroonselt, kuna mõõtmised algavad ainult siis, kui kaks vastuvõtjat lülitatakse sisse korraga. Kui üks seadmetest töötas pool tundi ja teine ​​15 minutit, kasutatakse andmete saamiseks ainult 15 minutit koostööd. Kui vastuvõtjad on satelliidid üles leidnud, algab andmete kogumine, mida seejärel töödeldakse arvutis..

Instrumendi sisselülitamisest töö alustamiseni (õigete väärtuste saamine) kulub tavaliselt 15–30 minutit, sõltuvalt samaaegselt jälgitavatest satelliitidest. Esimese 20-30 minuti jooksul tagab “alus” 5-kilomeetrise tsooni piisava mõõtmistäpsusega katvuse, seejärel laieneb see raadius iga 10 minuti järel vastavalt 5 km, teades ligikaudset kaugust jaamast baaspunktini, saate ligikaudselt arvutada instrumendi seisuaja täpne positsioneerimine.

Nagu näeme ühe andmete reguleerimise programmi ekraanipildil, on roheline riba põhitoimingu aeg ja lühikesed värvilised ribad on aeg, mille vastuvõtjad vastuvõtvas veedavad tundmatute koordinaatidega. Spetsiaalse tarkvara abil saate ebaõiged mõõtmisväärtused tagasi lükata ja saadud väärtuste üldist täpsust suurendada.

Selle meetodi eeliseks on mõõtmiste kõrge täpsus, miinus on iga punkti lähtestamiseks kulutatud aeg.

Kinemaatika

Baas asub samal viisil teadaolevate koordinaatidega punktis ja teine ​​vastuvõtja saab pärast initsialiseerimist registreerida liikumispunktid ilma täiendava initsialiseerimiseta enne igat mõõtmist. Kui esimese meetodi puhul saame, siis oletame, et kaks lähtepunkti, millest tahheomeetriline uuring läbi viiakse, s.o. tööks peab meil ikkagi olema jaam, siis kinemaatiliste mõõtmiste korral piisab kahest vastuvõtjast, millest üks täidab kogujaama funktsiooni, punkti registreerimise aeg on 1–2 minutit.

See meetod sobib hästi lineaarselt pikendatud objektide, näiteks elektriliinide, kanalite, teede, naftajuhtmete jne uurimiseks. Selle meetodi eeliseks on aja kokkuhoid, puuduseks on see, et on soovitav teha mõõtmised alusest väikeses kauguses, umbes 5–15 km. Kui satelliidi signaal kaob järsult, tuleb initsialiseerimisprotseduuri korrata, nii et seda meetodit pole alati võimalik rakendada suurtes linnades, kus horisondi katavad kõrged ehitised ja puud.

RTK GPS

Kui kaks esimest meetodit annavad meile punkti positsiooni rahvusvahelises koordinaatsüsteemis, mis tuleb seejärel tõlkida piirkondlikuks, siis RTK meetod (inglise keelest Real Time Kinematic – kinematics in real time) võimaldab meil saada punktide ruumilise asukoha väärtused meie piirkonna jaoks vastuvõetud koordinaatsüsteemis. kasutades ainult ühte vastuvõtjat. Ei, baaspunkt on kahtlemata olemas, kuid sel juhul on baaspunktid fikseeritud kõrgetel hoonetel ja kokku moodustavad nad mobiilsega sarnase võrgu. Nii vastuvõtja kui ka tugijaamad vahetavad teavet Interneti kaudu, mis võimaldab neil sünkroonida mitte ainult satelliitidega, vaid ka üksteisega, ümbersuunamise ja koordinaatide korrigeerimise ahelast möödudes spetsialiseeritud tarkvaras.

Nagu võite ette kujutada, pole entusiastid kaugeltki tugijaamu ehitanud, juurdepääs neile on tasuline, kuid seda kompenseerib rohkem kulutatud inimtundide arv. Tõepoolest, kui staatiliste mõõtmiste korral koosneb meeskond vähemalt kolmest inimesest, kellest üks valvab “baasi”, ja ülejäänud kaks teostavad vaatlusi kogujaama abil, siis piisab RTK mõõtmiseks ainult ühest spetsialistist. Selliste seadmete lähtestamine toimub peaaegu kohe, mõne minuti pärast on tööriist valmis andmete kogumiseks või vastupidise toimingu tegemiseks – eelnevalt arvutatud vaatluspunktide panuse viimiseks arvutisse, mis on vajalik näiteks ehituse jaoks krundi koostamisel. See on tuleviku tehnoloogia. Üldiselt, hoolimata sellest, kui paradoksaalne see kõlab, esindavad järgmise põlvkonna vaatlejaid IT-spetsialistid, programmeeritavate kalkulaatorite ja Bradise tabelite vanus on pöördumatult möödas.

GPS vs GLONASS

NAVSTAR GPS-i ja GLONASS-i koordinaatide määramiseks kasutatakse 21 aktiivsatelliiti ja kolme varusatelliiti, mis pöörlevad ringikujulistel orbitaaltasapindadel ja neid GPS-süsteemi lennukeid on kolm korda rohkem kui GLONASS-is. Satelliidid on varustatud päikesepaneelidega ja lendavad üle 20 km kõrgusel Maa pinnast. Selline kaugus planeedist ja satelliitide arv võimaldavad vähemalt 4 satelliidi samaaegset vaatlust peaaegu kõikjal maailmas. Maakera täieliku revolutsiooni aeg – 12 kosmilist tundi.

GPS-süsteemis eraldavad kõik satelliidid signaali kahel identsel sagedusel ja iga seade saadab oma individuaalse koodi, mis võimaldab satelliite tuvastada. GLONASSil on kõigi satelliitide jaoks sama kood, levi toimub ka kahes sagedusalas. Nagu näete, on süsteemide parameetrid umbes samad, nii et kes on parem?

Kui GPS pakub kogu maailmas koordinaatide määramisel piisavat täpsust, siis GLONASS on “teravdatud” Venemaa tegelikkuse jaoks, mis teoreetiliselt võimaldab tal täpsemalt määrata meie maal asuvate punktide ruumilise asendi. Venemaa positsioneerimissüsteem ei sõltu “Onu Sami” meeleolust, kes sõjaliste konfliktide ajal alandas teadlikult mõõtmise täpsust, kodeerides signaali osaliselt. Igal juhul pole GPS ja GLONASS konkurendid, vaid mingil moel liitlased, seega on mõistlik osta vastuvõtjaid, mis toetavad samaaegselt kahte süsteemi, täpsusest tuleb sellest ainult kasu..