111.1. Будова та принцип роботи геодезичних супутникових систем

///. 1.1. Принцип роботи систем визначення просторового положення точок

Більшість високоточних приладів наземної геодезії (теодоліти, нівеліри, світловіддалеміри, тахеометри тощо) удосконалені завдяки вдалим технічним рішенням та продуманим технологіям їхнього використання. Проте майже всі вони використовують оптичний діапазон електромагнітних хвиль.

Це, по-перше, спричинило певні недоліки, наприклад: необхідність під час вимірювання не тільки прямої (геометричної), але й оптичної видимості між пунктами; певні складності цілодобових спостережень; неможливість безпе­рервних моніторингових спостережень та багато інших.

Другою особливістю традиційного геодезичного вимірювання є значне поширення вимірювання кутів, хоча сучасні світловіддалеміри забезпечують вищий рівень точності. Крім того, наземне вимірювання виконується у про­шарках високодинамічної атмосфери, що істотно ускладнює вимірювання і знижує потенціальний рівень точності.

Альтернативний підхід до геодезичного вимірювання на принципово іншій основі проявився у застосуванні просторових методів вимірювань із використанням миттєвого положення штучних супутників Землі як точок із відомими координатами. Засновані на такому принципі вимірювальні комплекси отримали назву глобальних систем позиціонування, початковим призначенням яких було розв'язання навігаційних задач.

Проте подальші дослідження показали, що завдяки приладному та програмному забезпеченню такі системи можуть бути використані для роз­в'язання широкого кола геодезичних задач та різко підвищити продуктивність та точність вимірювань.

Під час вибору найефективнішого діапазону електромагнітних хвиль враховувалось те, що ці системи повинні забезпечити виконання вимірювання під час будь-яких погодних умов. Дослідженнями встановлено, що саме таким є ультракороткий діапазон радіохвиль.

Ще одна особливість супутникових віддалемірних систем - те, що вони повинні уможливити одночасне забезпечення вимірювання віддалі між незнач-

322

Просторові супутникові мережі (основи супутникової геодезії)

ною кількістю супутників та необмеженою кількістю станцій, що розміщені на земній поверхні. Під час створення масової портативної апаратури доцільно унеможливити двосторонній обмін інформацією, як це прийнято під час наземного вимірювання, тобто вимкнути радіопередавальні пристрої, що мали б входити до складу апаратури користувача. Ця вимога визначила необхідність застосування одностороннього методу вимірювання довжин і значно спростила будову наземних та супутникових приладів. Головна особливість односто­роннього методу вимірювання у тому, що передавальний пристрій встановлено на супутнику, а приймальний - на наземному пункті. Інформаційний сигнал проходить тільки в одному напрямку, а саме від супутника до приймача [2]. В основу цього методу покладена проста функціональна блок-схєма (рис. III. 1.1). З рисунка видно, що інформаційний сигнал справді проходить віддаль S тільки в одному напрямку. Якщо миті випромінювання та приймання цього сигналу зафіксовані точно синхронізованими годинниками, які встановлені на супутнику та наземному пункті і які реалізуються на основі відповідних високостабільних опорних генераторів, то віддаль S може бути визначена за формулою

(Ш.1.1) де с - швидкість ЕМХ; т - визначений час проходження віддалі сигналом.

Формула (Ш.1.1) аналогічна до відомої нам формули імпульсних наземних світловіддалемірів:

(III. 1.2)

Множник — у (Ш.1.1) відсутній, оскільки сигнал проходить віддаль S один раз. Оскільки ЕМХ за одну наносекунду (1нс = 11(Г⁹с) проходять

323

Розділ III

віддаль близько ЗО см, то для забезпечення сантиметрового рівня точності необхідно синхронізувати годинники на супутнику та на приймачу до сотих часток наносекунди. Але сучасний рівень техніки поки що не дає змоги цього зробити. Тому необхідно враховувати асинхронність цих годинників, що ускладнює розв'язання задачі і вимагає одночасного вимірювання віддалей від точки на поверхні Землі (координати якої визначаються) до чотирьох супутників, як мінімум. Зауважимо, що віддалі, виміряні без урахування синх­ронізації годинників, називають псевдовіддалями.

Вимірювання супутникової геодезії ґрунтується переважно на використанні глобальної позиційної системи GPS (Global Positioning System), що останнім часом широко застосовується в усіх видах геодезичних робіт. Менш відомою є система ГЛОНАСС, запропонована Росією.

Супутникова геодезія зарекомендувала себе цілою низкою кардинальних переваг перед наземною геодезією. Найважливіші з них:

• зникла необхідність будувати зовнішні геодезичні знаки;

• з'явилася можливість об'єднати планові і висотні пункти геодезичних мереж, оскільки система GPS дає одночасно просторове положення цих пунктів;

• значно коротший час, необхідний для отримання кінцевих результатів;

• можливість повнішої автоматизації вимірювання;

• значне зменшення вартості робіт.

GPS-вимірювання використовують не тільки для встановлення положення пунктів геодезичної основи, топографічного та кадастрового знімання, інженерної геодезії, але й в геодинамічних дослідженнях, для визначення таких важливих параметрів геодинаміки, як рухи полюсів нашої планети, стабільності обертових рухів Землі та інших параметрів.

Усе вищесказане та, особливо, висока точність GPS-вимірювання є причиною того, що "Основні положення створення державної геодезичної ме­режі", затверджені Постановою Кабінету Міністрів України від 8 червня 1998 р. № 8441, передбачають створення нових та оновлення наявних мереж сучасними радіонавігаційними системами (GPS) та комп'ютерними технологіями. Допускається застосування традиційних геодезичних методів. Проте традиційні методи вже нездатні конкурувати з методами космічної геодезії. Щоправда, поки що таку конкуренцію витримує високоточне геометричне нівелювання, яке, до того ж, ще необхідне для визначення геоїда.

324

Просторові супутникові мережі (основи супутникової геодезні)