Спутниковые системы определения координат
Принципы определения координат наземных объектов с помощью спутниковых систем
Координаты наземных объектов могут быть определены с помощью так называемых систем глобального позиционирования - специальных спутниковых систем (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Орбиты спутников
Системы Глобального Позиционирования (Global Positioning System, GPS), NAVSTAR-GPS, ГЛОНАСС, Galileo – это системы, позволяющие с достаточно высокой точностью определять местоположение объекта: широту, долготу и высоту над уровнем моря, а также направление и скорость движения, предоставляющие услуги, как военным, так и гражданским пользователям. Системы обеспечивают возможность получения координат и времени 24 часа в сутки.
Координаты определенного места на поверхности Земли могут быть вычислены по измерениям расстояний до группы спутников. В этом случае спутники являются пунктами с известными координатами. Теоретически, зная точные расстояние до трёх спутников, можно вычислить координаты определяемой точки.
Расстояние до спутников определяется по измерениям времени прохождения радиосигнала от космического аппарата до приёмника, умноженным на скорость света. Для того чтобы определить время распространения сигнала, необходимо знать, когда он покинул спутник. Для этого на спутнике и приемнике одновременно генерируется одинаковый Псевдослучайный Код.
Каждый спутник GPS передаёт два радиосигнала: на частоте L1=1575,42 МГц и L2=1227,60 МГц (NAVSTAR-GPS). Использование псевдослучайного кода позволяет приёмнику определить временную задержку в любое время (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Сигналы спутника и приемника
Точность всех вычислений напрямую зависят от точности хода часов. Код должен генерироваться на спутнике и приёмнике в одно и то же время. На спутниках установлены атомные часы, имеющие точность около одной наносекунды.
Если получены измерения с трёх спутников и все часы точные, то круг, описанный радиус-вектором от третьего спутника, будет пересекаться в одной точке, как показано на рис. 1.3.
Рис. 1.3. Три измерения с точными часами
Однако, если часы в приёмнике спешат или отстают, то координаты приемника будут вычислены с ошибкой. Поэтому для устранения ошибок хода часов в приемнике требуется измерение расстояния до четвертого спутника (рис. 1.4.).
Рис. 1.4. Точное определение местоположения приемника
Когда GPS-приемник получает серию измерений, которые не пересекаются в одной точке, то компьютер в приёмнике начинает вычитать (или добавлять) время методом последовательных итерации до тех пор, пока не сведёт все измерения к одной точке. После этого вычисляется поправка и делается соответствующее уравнивание.
Таким образом, для надежной работы необходимо иметь минимум четыре спутника, чтобы определить трёхмерные координаты объекта. Чем больше спутников находится над горизонтом, тем точнее измерения.
Орбиты спутников практически круговые и расположены на геодезической высоте, равной 20180 км и на расстоянии 26600 км от центра Земли (NAVSTAR-GPS).
Количество спутников и их расположение обеспечивают одновременный прием сигналов как минимум от четырех спутников в любой части Земли.
Оборудование GPS и сферы его применения
Практически все оборудование GPS имеет одинаковые основные составные части – антенна, сектор РЧ (радиочастотный), микропроцессор, система контроля и управления (CDU), записывающее устройство и источник питания. Эти части могут функционировать как по отдельности, так и собранные вместе или частично собранные. Обычно все части, за исключением антенны, сгруппированы вместе и называются GPS-приемником.
Сигналы, принимаемые GPS-приемниками и поступающие от них, называются GPS-сигналами.
GPS-сигналы используются как гражданскими, так и военными пользователями. Любой пользователь, имеющий GPS-приёмник, может использовать GPS-сигналы. Выбор оборудования напрямую зависит от точности, которую необходимо получить.
GPS-приемники подразделяются на два класса: навигационные и геодезические в зависимости от целей их использования.
В связи с этим GPS - приборы (приемники) делятся на геодезические и навигационные по трем основным факторам:
· контроль качества принимаемых GPS-данных;
· электромагнитная защита;
· технология антенны.
По своей природе GPS-сигналы слабы и сильно искажаются под воздействием расположенных поблизости электромагнитных устройств. Эти электромагнитные воздействия могут полностью подавить сигнал в электронном шуме.
Навигационные приборы созданы для того, чтобы быстро определять местонахождение без особых требований к точности. Для решения этой задачи данные приборы в основном определяют местоположение без учета качества сигнала, получаемого ими. Это совершенно устраивает обычных потребителей, которым, например, для обнаружения искомого объекта, вполне достаточно оказаться в 10 метрах от него.
Навигационные приборы обычно накапливают все данные – хорошие, плохие и очень плохие – но эта “продуктивность” может стать причиной потери точности. Данные с бытовых приборов содержат неполную информацию для осуществления постобработки.
GPS-приемники геодезического класса разработаны с дополнительной защитной технологией, которая минимизирует эффект побочных электромагнитных сигналов, исходящих от прочего оборудования. Приём качественных GPS-сигналов требует хорошо настроенной антенны. Антенны, поставляемые с геодезическими GPS-приборами, разработаны с функцией разделения сигналов с низким качеством от высококачественных сигналов для лучшего использования при всём многообразии условий.
Все методы GPS координирования разделяются на статические и кинематические, абсолютные и относительные, а также на методы работы в режиме реального времени и с последующей обработкой данных.
С помощью системы GPS можно определить как координаты одного конкретного объекта, так и координаты какого-либо объекта относительно другого объекта. Искомые координаты объекта определяют относительно центра земли, используя известное местоположение спутников GPS.
Метод определения координат одного конкретного объекта называется абсолютным координированием (или координированием предмета) (рис. 1.5.).
Рис. 1.5. Абсолютное координирование
Дифференциальный метод (относительное координирование) определения координат подразумевает поиск неизвестных координат объекта относительно известных координат другого предмета (рис. 1.6.).
Рис. 1.6. Относительное координирование
Преимуществом относительного метода координирования является большая точность, потому что во время обработки данных уровень погрешности компенсируется, так как он одинаков для известного и неизвестного предметов.
При статическом координировании GPS приемник стационарен, в то время как при кинематическом координировании приемник записывает GPS данные, находясь в движении. На рис. 1.7 изображены примеры статического и кинематического координирования, как при абсолютном, так и при относительном координировании. При кинематическом относительном координировании один приемник, называемый базой, неподвижен, а второй приемник, ровер, передвигается по заданному пути.
Рис. 1.7. Статические и кинематические измерения
Координаты объектов в системе GPS можно определять в режиме реального времени или с последующей обработкой. В режиме реального времени координаты объектов вычисляются практически мгновенно, а в режиме с последующей обработкой данные обрабатываются только после сбора всей информации.
При относительном координировании в режиме реального времени требуется связь между приемниками, чтобы передавать данные с измерениями базы, находящейся в пункте с известными координатами.
При относительном координировании в режиме последующей обработки требуется сначала собрать все данные с приемников после проведения измерений. Даже при относительном координировании в режиме реального времени во многих случаях целесообразно сохранять данные в специальную базу данных для возможной последующей обработки пользователем.
GPS-съемка эффективна на открытой местности – при отсутствии сильных электрических полей, объектов экранирующих сигналы спутников. На существующих железнодорожных путях она используется как дублирующая измерительная система. На рис. 1.8 видны пропуски данных под путепроводами, экранирующими сигналы спутников.
Рис. 1.8. GPS-съемка оси пути (Санкт-Петербург – Москва)