§ 104. Определение положения точек земной поверхности с помощью геодезических спутниковых систем3

Методы определения координат пунктов. Как отмечалось ранее, определение расстояний от спутникового приемника до спутника есть не что иное, как радиодальномерные измерения: приемник принимает электромагнитные колебания со спутника, сравнивает их со своими, выработанными собственным генератором и в результате определяет дальность до космического аппарата. Дальности измеряют двумя спосо­бами — кодовым и фазовым. В первом случае сравнивают коды полу­ченного со спутника сигнала и генерированного в самом приемнике, а во втором — фазы. Наиболее точным являются фазовые изменения. В СР5 все спутники работают на одних и тех же частотах, но каждый имеет свой код. В ГЛОНАСС, наоборот, каждый спутник имеет свою частоту, но коды у всех одинаковые.

Перенос от спутника к приемнику всей информации осуществляется с помощью так называемых несущих электромагнитных колебаний, излучаемых на двух частотах Ы и Ь2. В соответствии с этим на практике используют как одночастотные приемники, работающие только с часто­той Ы, так и двухчастотные, использующие обе частоты. Двухчастотные приемники дают более высокую точность определения координат.

Радиосигнал проходит от спутника до приемника расстояние около 20 ООО км и претерпевает возмущения в ионосфере, нижних слоях атмо­сферы и вблизи поверхности Земли. В ионосфере, расположенной на высоте 50 — 100 км над землей, содержатся свободные электроны и ионы, изменяющие путь и скорость радиоволн со спутника. Погрешности, вызванные воздействием главным образом электронов, зависят от их концентрации, а значит, от угла возвышения спутника, географического положения измеряемых точек, времени суток и года, солнечной актив­ности и могут достигать десятков метров. Исключить эти искажения из результатов наблюдений можно измерениями на двух частотах.

В нижних слоях атмосферы, особенно в тропосфере, на скорость распространения радиоволн сильное влияние оказывают метеоусловия. Установлено, что наибольшие искажения сигнала имеют спутники, расположенные на высотах над горизонтом менее 10°. Поэтому такие спутники не включают в измерения.

Кроме радиосигнала со спутника в приемную антенну поступают еще и сигналы, отраженные от земли и различных объектов — зда­ний, деревьев и т. п. Возникающая многолучевость ведет к искаже­нию результатов измерений при использовании фазового способа до нескольких сантиметров, в кодовых измерениях — до метров. В со­временных приемниках для борьбы с этим источником погрешно­стей используют специальные встроенные программы подавления многолучевости.

Одним из факторов, ухудшающих результаты спутниковых измере­ний, могут также стать помехи от близко расположенных мощных источников радиоизлучений: локаторов, теле- и радиопередающих стан­ций и т. п.

Важнейшей характеристикой качества спутниковых измерений явля­ется геометрический фактор, характеризующий потери точности из-за геометрии засечки, т. е. расположения наблюдаемых спутников. Установ­лено, что точность определений тем выше, чем больше объем треугольной пирамиды, в вершинах которой располагаются спутники. Поскольку пара­метры орбит спутников точно известны, можно заранее определить вре­мя, когда геометрия спутников будет наилучшей для измерений. Поэтому спутниковым наблюдениям всегда предшествует очень важный этап пла­нирования работ. В измерения включают все видимые в данный момент спутники, максимальное число которых может достигать 12—13; это по­зволяет повысить точность определений на 15 — 20%.

Способы позиционирования можно разделить на две группы — абсолютные определения координат кодовым методом и относительные фазовые измерения (см. рис. 130).

ГОШ П. ШМГШНМШЕ МЕТОДЫ СЪЕМОК

Рис. 130. Способы спутникового позиционирования

При выполнении абсолютных измерений определяются полные координаты точек земной поверхности. Наблюдения, выполняемые на одном пункте независимо от измерений на других станциях, называ­ются автономными. Автономные наблюдения очень чувствительны ко всем источникам погрешностей, обеспечивают точность определения координат 15 — 30 м и используются для нахождения приближенных координат в точных измерениях.

Для повышения точности абсолютные измерения можно выполнять одновременно на двух пунктах: базовой станции расположенной на точке с известными координатами (обычно пункте государственной геодезической сети), и подвижной станции Р₂, установленной над опре­деляемой точкой (рис. 131). На базовой станции измеренные расстоя­ния до спутников сравнивают с вычисленными по координатам и опре­деляют их разности. Эти разности называют дифференциальными поправками, а способ измерения — дифференциальным. Дифферен­циальные поправки учитываются в ходе вычислений координат подвиж­ной станции после измерений либо при использовании радиомодемов уже в процессе измерений. Дифференциальный способ основан на том соображении, что при относительно небольших расстояниях между станциями Р₁ и Р₂ (обычно не более 10 км) погрешности измерений на них практически одинаковы. При увеличении расстояния между стан­циями точность падает. Для повышения точности измерений увеличи­вают время наблюдений, которое может колебаться от нескольких минут до нескольких часов. Точность дифференциального позиционирования составляет 1 — 5 м.

Для решения геодезических задач, когда необходимо получать коор­динаты точек с высокой точностью, используют относительные изме-

Базовая станция

Измерительная станция

Рис. 131. Сущность дифференциального способа позиционирования

рения, при которых дальности до спутников определяют фазовым ме­тодом, и по ним вычисляют приращения координат или вектора между станциями, на которых установлены спутниковые приемники.

Различают два основных способа относительных измерений: стати­ческий и кинематический.

При статическом позиционировании, как и при дифференциальных измерениях, приемники работают одновременно на двух станциях — базовой с известными координатами и определяемой. После окончания измерений выполняется совместная обработка информации, собранной двумя приемниками. Точность способа зависит от продолжительности измерений, которая выбирается в соответствии с расстоянием между точками. Современные приемники позволяют достичь точности опре­деления плановых координат (5—10 мм) + 1 — 2 мм/км, высотных — в 2 — 3 раза ниже.

Кинематические измерения позволяют получать координаты точек земной поверхности за короткие промежутки времени. При этом вна­чале статическим способом определяют координаты первой точки, т. е. выполняют привязку подвижной станции к базовой, называемую ини­циализацией, а затем, не прерывая измерений, передвижной прием­ник устанавливают поочередно на вторую, третью и т. д. точки. Для контроля измерения завершают на первой точке либо на пункте с из­вестными координатами, где выполняют статические наблюдения. Точность кинематического способа составляет 2 — 3 см в плане и 6 — 8 см по высоте.

Станция

Если имеется цифровой радиоканал и данные с базового приемника в процессе измерений можно передавать на подвижную станцию, коор­динаты получают в режиме реального времени, т. е. непосредственно на определяемой точке.