59. Спутниковые геодезические системы. Методика их применения в современных условиях.

Бурное развитие науки и техники в последние десятилетия позволило создать принципиально новый метод определения ко­ординат и приращений координат — спутниковый. В этом методе вместо привычных геодезистам неподвижных пунктов геодезичес­кой сети с известными координатами используются подвижные спутники, координаты которых можно вычислить на любой инте­ресующий геодезиста момент времени.

В настоящее время используются две спутниковые системы оп­ределения координат: российская система ГЛОНАСС (это является аббревиатурой более длинного и точного названия: Глобальная Навигационная Спутниковая Система) и американская система NAVSTAR GPS (Navigation System with Time And Ranging Global Positioning System — навигационная система определения расстояний и времени, глобальная система позиционирования). В данном случае под словом «позиционирование» подразумевается определение ко­ординат. Обе системы создавались для решения военных задач, но в последние годы нашли широкое применение в геодезии, обеспечи­вая исключительно высокие точности определения приращений ко­ординат со средней квадратической погрешностью 5 мм + D х10^-6, координаты одиночного приемника могут быть определены со сред­ней квадратической погрешностью от 10 до 100 м.

В связи с тем что в геодезических измерениях GPS применяет­ся существенно шире, особое внимание будет уделено именно этой системе.

Всю навигационную спутниковую систему определения место­положения принято делить на три сегмента: космический сегмент, сегмент контроля и управления, сегмент пользователей (прием­ники спутниковых сигналов).

Современные системы NAVSTAR GPS и ГЛОНАСС в полной комплектации должны состоять из 21 действующего спутника и трех запасных. Орбиты спутников практически круговые, распо­ложены в трех орбитальных плоскостях и в шести орби­тальных плоскостях. Спутники оснащены солнечными батареями, которые обеспечивают энергией все системы, в том числе и во время прохождения спутника в тени Земли.

Орбиты спутников расположены на геодезической высоте, равной 20180 км, и на расстоянии 26600 км от центра Земли. Такое число спутников и их расположение обеспечивают одновремен­ный прием сигналов, как минимум, от четырех спутников в лю­бой части Земли.

Все спутники равномерно расположены в шести орбитальных плоскостях. Период обращения спутников составляет 12 ч звезд­ного времени, в связи с чем каждый спутник появляется в том же месте ежедневно на 4 мин раньше вчерашнего положения. Элек­троэнергией спутники обеспечивают две солнеч­ные батареи площадью 7,2 м² каждая, заряжая также аккумулято­ры для обеспечения работоспособности спутника во время его полета в тени Земли. Каждый спутник снабжен кварцевым стан­дартом частоты, двумя цезиевыми и двумя рубидиевыми стандар­тами частоты, которые поддерживают стабильность часов спутника в пределах 1х10^-12... 1х10^-13. Цезиевые и рубидиевые стандарта частоты координируют и управляют основной частотой - кварцевым стандартом частоты, генерирующим 10,23 МГц. Из основной частоты формируют две частоты L-диапазона, МГц:

L₁ = 10,23х154 = 1575,42 (длина волны 19,05 см);

L₂ = 10,23х120 = 1227,60 (длина волны 24,45 см).

Эти две частоты (называемые несущими) через модуляторы поступают на антенну и передают на Землю информацию. Информация накладывается на несущую частоту методом импульсно-фазовой модуляции. Модуляция сигнала - это изменение какого-либо параметра электрического сигнала (при амплитудной модуляции изменяется амплитуда сигнала, а при частотной - частота сигнала). При импульсно-фазовой модуляции фаза сигнала скачком изменяется на 180° .На частотах L₁ и L₂ передаются навигационные сигналы (коды), а также другая навигационная и системная информация.

В системе NAVSTAR GPS все спутники излучают на двух одинаковых частотах L-диапазона (L₁ и L₂), но каждый спутник излучает свой личный код (индивидуальная последовательность переключения фазы на 180°), по которому ведется распознавание спутников. В российской системе ГЛОНАСС спутник излучает на своей частоте, а код общий для всех спутников. Российские спутники передают информацию на двух частотах:

L₁ = f₀₁ + k∆f₁; L₂ = f₀₂ + k∆f₂,

где f₀₁=1602 МГц; f₀₂=1246 МГц; k — номер спутника (k=0,1,2...); ∆f₁=0,4375 МГц; ∆f₂=0,5625 МГц.

Отношение частот L₁ и L₂ равно 9/7.

Наземный сегмент системы ГЛОНАСС состоит из следующих взаимосвязанных стационарных элементов: центр управления системой (ЦУС), контрольные станции (КС), командная станция слежения (КСС), квантово-оптические станции и другие станции слежения за работой бортовых устройств спутников.

станций контроля и управления системой NAVSTAR GPS. Все стан­ции системы NAVSTAR GPS расположены вдоль экватора.

Станции слежения принимают все сигналы с проходящих над ними спутников, вычисляют расстояния до спутников, измеряют местные метеорологические параметры и передают информацию на главную станцию контроля.

На главной станции контроля обрабатывают всю поступающую информацию, вычисляют и прогнозируют эфемериды и поправки в часы спутников, формируют навигационные сообщения. Наземные антенны передают на спутник навигационное сообщение, сформированное на главной станции слежения. Наземные передающие антенны расположен так, что каждый спутник ежедневно имеет

по крайней мере три сеанса связи с системой слежения.

равноугольные, равновеликие и произвольные. В равноугольных (конформных) проекциях сфероида на плоскость сохраняются углы изображаемых фигур, но масштаб при переходе от точки к точке изменяется, что приводит к искажению фигур конечных размеров. Однако небольшие участки карты, в пределах которых изменения масштаба не имеют существенного значения, можно рассматривать и использовать как план.

В проекциях равновеликих (эквивалентных) сохраняется отношение площадей любых фигур на сфероиде и на карте, т.е. масштабы площадей везде одинаковы (при отличающихся масштабах по различным направлениям).

В произвольных проекциях не соблюдается ни равноугольность, ни равновеликость. Они применяются для мелкомасштабных обзорных карт, а также для специальных карт в тех случаях, когда карты обладают каким-либо специфическим полезным свойством.

Карта – построенное по определенным математическим законам, уменьшенное и обобщенное изображение поверхности Земли на плоскости.

Карты принято подразделять по содержанию, назначению и масштабу.

По содержанию карты бывают общегеографические и тематические, по назначению – универсальные и специальные. Общегеографические карты универсального назначения отображают земную поверхность с показом всех ее основных элементов (населенные пункты, гидрография и т.д.). Математическая основа, содержание и оформление специальных карт подчиняются их целевому назначению (карты морские, авиационные и многие другие сравнительно узкого назначения).

По масштабам карты условно делят на три вида:

крупномасштабные (1:100 000 и крупнее);

среднемасштабные (1:200 000 – 1:1 000 000);

мелкомасштабные (мельче 1:1 000 000).

Карты, подобно планам, бывают контурными и топографическими. В Российской Федерации государственные топографические карты издают в масштабах 1:1 000 000 – 1:10 000.

В тех случаях, когда карты или планы используют для проектирования инженерных сооружений, для получения оптимального

допустимой погрешности при измерении расстояний S = 1 см на 10 км участок сферической поверхности Земли диаметром в 20 км можно принимать за плоскость, т.е. кривизну Земли для такого участка можно не учитывать.

План – уменьшенное и подобное изображение на плоскости горизонтальной проекции небольшого участка земной поверхности без учета кривизны Земли.

Планы принято подразделять по содержанию и масштабу. Если на плане изображены только местные объекты, то такой план называют контурным (ситуационным). Если дополнительно на плане отображен рельеф, то такой план называют топографическим.

Стандартные масштабы планов 1:500; 1:1000; 1:2000; 1:5000.

Карты обычно разрабатывают для обширной части земной поверхности, при этом приходится учитывать кривизну Земли. Изображение участка эллипсоида или шара нельзя перенести на бумагу без разрывов. В то же время соответствующие карты предназначаются для решения конкретных задач, например для определения расстояний, площадей участков и т.д. При разработке карт задача состоит не в полном устранении искажений, что невозможно, а в уменьшении искажений и математическом определении их значений с тем, чтобы по искаженным изображениям можно было вычислить действительные величины. Для этого применяют картографические проекции, дающие возможность изображать на плоскости поверхность сфероида или шара по математическим законам, обеспечивающим измерения по карте.

Различные требования к картам определили наличие многих картографических проекций, которые подразделяют на