3. Наземно-космическая съемка местности.
3.1. Общие понятия о системах спутниковой навигации.
Спутниковые навигационные системы (СНС) – это специальный комплекс космических и наземных средств, программного обеспечения и технологий, предназначенных для решения широкого круга задач, связанных с оперативным и точным определением местоположения относительно земного эллипсоида человека, транспортных средств, технических систем и объектов при решении навигационных, оборонных, инженерно-геодезических, геолого-разведочных, экологических и других задач.
Спутниковые навигационные системы, созданные в США – NAVSTAR и в СССР – ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система) вошли в международную практику решения военных, навигационных, инженерных и других проблем под названием «Global Positioning System» или дословно – Глобальная Система Позиционирования (местоопределения). Поэтому спутниковые навигационные системы (СНС) называют, исопльзуя международную аббревиатуру GPS.
Принципы функционирования GPS основаны на определении местоположения по расстояниям до группы высокоорбитальных навигационных искусственных спутников Земли, выполняющих роль точно координированных точек отсчета.
Каждая из систем спутниковой навигации состоит из трех самостоятельных подсистем А, Б и В.
А – подсистема орбитального комплекса, состоящая из высокоорбитальных искусственных спутников Земли (ИЗС) и средств вывода их на орбиты. Каждый спутник оснащен своими собственными часами наиболее совершенной конструкции (атомные часы). Каждый спутник имеет на борту несколько высокоточных атомных часов – эталонов частоты. Спутники постоянно транслируют координатные радиосигналы и навигационные сообщения, создавая тем самым единое глобальное навигационное поле.
Орбитальный комплекс NAVSTAR имеет 24 спутника, которые размещены в шести орбитальных плоскостях, по четыре спутника в каждой.
Орбитальный комплекс ГЛОНАСС также должен иметь 24 искусственных спутника, размещенных в трех орбитальных плоскостях, разнесенных относительно друг друга на 1200.
Высоты орбит навигационных спутников системы ГЛОНАСС – 19100 км, системы NAVSTAR – 20180 км. Период обращения спутников системы ГЛОНАСС – 11h 15m 44s, системы NAVSTAR – 12h. Наклонение орбиты системы ГЛОНАСС – 640,8, системы NAVSTAR – 550.
Такая конфигурация орбитальной структуры спутниковых навигационных систем обеспечивает глобальную и непрерывную зону действия системы, а также создает оптимальную геометрию расположения спутников для повышения точности определения координат.
Навигационные спутники систем GPS непрерывно излучают радиосигналы различной точности. Так, для системы ГЛОНАСС предусмотрены навигационные сигналы двух типов:
- высокой точности (ВТ), предназначенные для решения задач Министерства обороны РФ;
- стандартной точности (СТ), доступные всем потребителям.
Система NAVSTAR имеет навигационные сигналы трех типов:
- protected (P-code) – защищенный, предназначенный для нужд Министерства обороны США;
- selective availability (S/A) – избирательной доступности, который позволяет преднамеренно создавать значительный и непредсказуемый уход спутниковых часов, приводящий к определению местоположения со значительными ошибками, для общегражданского круга пользователей;
- clear acquisition (C/A) – легкой распознаваемости, т.е. общегражданский код.
Б – наземная подсистема контроля и управления, состоит из группы станций слежения, нескольких станций загрузки на ИСЗ и главной станции. Эта система осуществляет мониторинг целостности СНС и является первичным источником информации, которая поставляется пользователю. Ее основными задачами являются:
- контроль за работой навигационных ИЗС;
- сбор информации для определения и прогноза положения орбит;
- формирование единой временной системы всего орбитального комплекса и ее синхронизации относительно Всемирного времени и передача данных в память ИЗС дважды в сутки, что обеспечивает высокую точность навигационных определений.
В – подсистема пользователей состоит из комплекса аппаратно-программных средств, реализующих основное назначение GPS – определение координат для геодезического пользования.
3.2. Принципы определения координат точек местности с использованием GPS.
Основной принцип GPS – использование навигационных искусственных спутников Земли в качестве подвижных геодезических пунктов (точно координированных точек отсчета) для определения расстояний до них по времени распространения излучаемых или радиосигналов и вычисление координат на Земле на основе тригонометрических соотношений.
Основы системы GPS можно разбить на пять основных подпунктов:
- спутниковая трилатерация – основа системы;
- спутниковая дальнометрия – измерение расстояний до спутников;
- точная временная привязка – согласование часов в приемнике и на спутнике;
- расположение спутников – определение точного положения спутников в космосе:
- коррекция ошибок – учет ошибок, вносимых задержками в тропосфере и ионосфере.
Спутниковая трилатерация. Точные координаты точки на земной поверхности могут быть вычислены по измеренным расстояниям от группы спутников (если их положение в космосе известно). Допустим, мы не знаем координат точки на земной поверхности, где находимся и пытаемся их определить, используя для этой цели только один спутник, находящийся в настоящий момент времени на расстоянии 21000 км. от нас (рисунок 3.1).
О
чевидно,
что область нашего местоположения будет
находиться на сфере с центром в пункте
А и радиусом 21000 км. Если будет известно
расстояние до двух спутников, то
единственной областью нашего
местонахождения будет область пересечения
двух сфер с радиусами, равными расстояниям
до этих спутников (рисунок 3.2). Если
измерить расстояние для трех спутников,
то возможное наше местонахождение будет
сведено к двум точкам, находящимся на
пересечении трех сфер (рисунок 3.3).
Обычно одно из двух возможных определений является нереальным, точка расположена далеко от поверхности Земли, либо имеет неправдоподобно большую скорость. Поэтому программное обеспечение компьютеров приемников GPS автоматически выделяет истинное местоположение искомой точки из двух вариантов.
Таким образом, чтобы определить точное местоположение точки, теоретически достаточно измерить расстояние до трех навигационных спутников.
Однако существуют технические причины, по которым для точного определения местоположения точки требуется еще, как минимум, измерение расстояния до четвертого спутника. Определив расстояния до четырех навигационных спутников решают обычную задачу обратной трилатерации и получают местоположение точки на земной поверхности.
Спутниковая дальнометрия. Расстояние до спутников в системе GPS определяют по измерениям времени, за которое радиосигнал спутника достигнет приемника, тогда искомое расстояние S можно рассчитать по формуле
,
где V – скорость распространения радиолучей близкой к скорости света (около 300000 м/с);
Т – время прохождения радиолучей от спутника до приемника.
Поскольку радиоволны распространяются с огромной скоростью, а расстояние до спутников порядка 20000 км, нужно уметь очень точно определять момент выдачи сообщения спутником и момент его приема приемником на Земле.
Очевидно разница (сдвижка) во времени выдачи сигнала спутником и его приемом на Земле дает время распространения радиосигнала и, используя указанную выше формулу, можно определить расстояние до спутника. При таком подходе часы в системе должны быть точными и совершенными. Действительно, при ошибке в определении времени распространения радиосигнала всего на 0,01 сек. ошибка в определении расстояния составит порядка 3000 км.
Как уже указывалось, на навигационных спутниках устанавливают точные атомные часы, а на всех приемниках GPS устанавливают кварцевые часы, которые по точности хода значительно уступают атомным часам.
Главной трудностью определения времени распространения радиосигнала является точное выделение момента времени, в которое радиосигнал был передан со спутника. В системах GPS эта задача решена синхронизацией сигналов навигационных спутников в космосе и приемников GPS на Земле таким образом, чтобы они в одно и то же время генерировали один и тот же двоичный (бинарный) код. Бинарный код – это очень сложная, тщательно подобранная последовательность нулей и единиц, которая повторяется каждую миллисекунду. Такие специально усложненные коды называют псевдослучайными кодами.
Учитывая, что псевдослучайные коды на спутниках и приемниках строго синхронизированы, для определения времени распространения радиосигнала достаточно принять от него псевдослучайный код и сопоставить его с точно таким же псевдослучайным кодом приемника. Сдвиг одного кода по отношению к другому будет соответствовать времени прохождения радиосигнала от навигационного спутника до приемника GPS (рисунок 3.4).
Расположение спутников СНС подробно изложено в подразделе 3.1 настоящего пособия.
Коррекция ошибок. Поскольку в системах GPS навигационные искусственные спутники Земли используют как точки отсчета, то местоположение каждого из них на орбитах должно быть в любой момент времени точно известно. Поэтому каждый приемник GPS содержит в памяти своего компьютера «альманах», т.е. непрерывно обновляемый справочник, из которого может быть определено точное местоположение любого спутника орбитального комплекса на любой момент времени.
Незначительные отклонения местоположения спутников от теоретических орбит, связанных с влиянием гравитационного поля Солнца и Луны, обнаруживаются наземными контрольными станциями слежения. Вычисленные поправки передаются на спутник. Спутники помимо непрерывной подачи кодовых радиосигналов ежеминутно передают на Землю поправки к своему орбитальному положению, тем самым, обновляя «альманах» каждого приемника GPS.
Когда сигнал проходит через ионосферу (слой заряженных частиц на высоте 130-290км) и тропосферу, его скорость распространения уменьшается, что приводит к ошибкам в измеренных расстояниях. В современных GPS-приемниках используют всевозможные алгоритмы устранения этих задержек, используя при этом дополнительные данные, полученные в ходе измерений по меньшей мере с четвертым спутником.