Маслов А.В., Гордеев А.В., Батраков Ю.Г. - Геодезия

UTО — всемирное время, непосредственно получаемое из аст-˝ рономических наблюдений суточных движений звезд, т. е. вр˝емя на мгновенном гринвичском меридиане, положение которого˝ определено мгновенными положениями полюсов Земли;

UT1 — всемирное время среднего гринвичского меридиана, оп˝-

ределяемого средними положениями полюсов Земли; его полу˝ча- ют исправлением UTО поправкой за движением мгновенного по˝- люса Земли относительно Международного условного начал˝а (МУН).

UT2 — всемирное время среднего гринвичского меридиана, ис˝- правленное поправками за сезонные вариации угловой скор˝ости вращения Земли.

Поскольку шкалы АТ и UТ автономны и между собой не согласуются, введена промежуточная шкала так называемого Всем˝ирного координированного времени UTC. В России UTC соответствует Государственному эталону частоты и времени РФ. Это˝ атомное (физическое) время, которое смещается на 1 с, когда˝ показания часов UTC отличаются от UT1 более чем на 0,7 с. Коррекцию его выполняют по мере надобности либо в полдень после˝ последней секунды полугодия 30 июня или в конце 31 декабря. Так, в результате коррекции в 1996 г. расхождение между UTC и UT1 уменьшилось до 1 мс.

Время GPS (GPST) было установлено в полночь с 5-го на 6-е января 1980 г. и составило на 19 с меньше времени TAI. В ноябре 1985 г. GPST = UTC + 4 с. В июне 1993 г. GPST опережало UTC на 9 с, в июле 1994 г. — на 10 с.

Âспутниковых сигналах GPS время передается в форме номера недели и поправки времени для каждой «GPS недели». Номера недель исчисляются от 0 до 1023. Неделя с номером 0 была начата

6 января 1980 г. Неделя с номером 1023 закончилась 21 августа 1999 г. После этого номер недели был переведен на 0 и счет нача˝л- ся сначала.

Âприемнике пользователя атомных стандартов частоты нет˝. Устанавливать их там было бы слишком дорого, поэтому сдви˝г шкалы времени кварцевых часов в спутниковом приемнике мо˝жет быть на несколько порядков больше, чем атомных часов на сп˝утнике. Однако этот сдвиг практически одинаков по отношению˝ к измерениям псевдодальностей до всех наблюдаемых в данны˝й момент спутников. Это почти постоянная систематическая пог˝решность. Ее можно исключить, если измерять псевдодальности ˝как минимум с 4 спутников. Четыре измерения позволяют вычисли˝ть

четыре параметра — три координаты, определяющие положе˝ние приемника в земном пространстве, и сдвиг шкалы времени в п˝риемнике при условии его постоянства.

Если наблюдение ИСЗ растянуто во времени, то относительный сдвиг шкал времени (школа GPS и шкала приемника) будет

551

меняться. Отсюда возникают требования к стабильности временной шкалы приемника, которая должна обеспечивать минимал˝ь- ное изменение сдвига шкал за интервал наблюдений ИСЗ.

19.9. АППАРАТУРА ПОЛЬЗОВАТЕЛЕЙ

Комплект аппаратуры. Комплектация и технические характе-

ристики аппаратуры пользователей зависят от решаемых задач. В простейшем случае — это миниатюрный приемник по размерам не больше наручных часов. Чем точнее работы, тем сложнее ап˝па-

ратура. Наиболее совершенные приемники применяют в геоде˝зи-

ческих целях. Комплект аппаратуры для геодезических целе˝й включает антенну, приемник, контроллер (управляющее устр˝ой-

ство), блок питания (для зарядки аккумуляторов и работы от˝ сети), аккумуляторы или батареи, кабели, штативы, веху для уста-

новки антенны, рулетку или специальное приспособление дл˝я измерения высоты антенны, станковый рюкзак для приемника, у˝па-

ковочные сумки, чехлы и прочее оснащение. Для обработки из˝мерений обязателен персональный компьютер с программным о˝бес-

печением. Антенну можно встроить в приемник или использов˝ать в виде выносного модуля, соединяемого с ним специальным к˝абе-

лем. Общий вид геодезического приемника Trimble 4600 показан

на рисунке 19.16.

Все приемники являются многоканальными с числом каналов˝

от 6 и более. Каждый канал следит за своим спутником. Поскол˝ь- ку при измерениях серьезной проблемой является срыв сигн˝алов в

Рис. 19.16. Геодезический приемник Trimble:

1 — приемник; 2 — штатив; 3 — источник питания

552

òå L1;

кодово-фазовые двухчастотные, использующие дальномерные коды и фазовые измерения на част˝о-

òàõ L1 è L2.

Максимальную точность обеспечивают двухчастотные прием˝- ники (погрешность измерений составляет сантиметры и даже˝

миллиметры). Вместе с тем и одночастотные приемники благо˝да-

ря применению относительного метода измерений и соверше˝нной методики обработки позволяют получить высокую точность˝.

Кодовые приемники (рис. 19.17) легки, компактны, умещаются на ладони. В одном корпусе совмещены все блоки (антенна, сам приемник, питание). Кроме определения трехмерного положе˝ния, как правило, вычисляют скорость и направление движения. Выдают координаты в разных форматах (широта, долгота, высота, плоские координаты в разных проекциях и др.). После снятия ˝ре-

жима SA (селективного доступа) кодовые приемники стали основ-

ными приборами для определения места в различных географ˝и-

ческих, геологических и других работах.

Кодово-фазовые приемники малогабаритны, обычно оснащены

отдельной антенной, имеют мощные накопители данных. В нек˝о-

торых конструкциях внутренняя память до 100 Мб и более, а чи˝с- ло каналов достигает 40.

Все они снабжены портами для интеграции с другой аппарату˝- рой, питаются в основном от аккумуляторов. Нередко клавиа˝тура

с дисплеем установлена на вспомогательном устройстве — контроллере, которое пользователь держит в руке, при измерен˝иях вводит необходимые команды (имя точки, высота антенны и др˝.).

553

Кодово-фазовые приемники выполняют следующие основные

функции:

генерирование местных эталонных колебаний, несущих част˝от и дальномерных кодов;

поиск, захват, усиление и разделение сигналов от разных сп˝ут-

ников; регистрацию сигналов;

фильтрацию сигналов для ослабления помех; детектирование сигналов для выделения меток времени, код˝о-

вых посылок, навигационного сообщения и несущих колебани˝й;

слежение за частотой, фазой, кодовыми сигналами, измерени˝е времени и разности фаз при кодовых и фазовых измерениях.

При включении питания в приемнике устанавливают стартов˝ое

меню, позволяющее пользователю выбрать нужный режим изме˝-

рений. При поступлении сигнала от спутника и наличии альм˝анаха, хранящегося в памяти приемника, производится идентифи˝ка-

ция спутника, и приемник начинает захват сигнала. Захват с˝игнала — это вхождение в синхронизм по фазе псевдослучайног˝о кода,

т. е. совпадение местной ПСП с поступающей от спутника. В да˝льнейшем приемник поддерживает режим отслеживания захвач˝ен-

ных сигналов и позволяет периодически брать отсчеты, фикс˝ирующие вычисленные псевдодальности и точное время.

Приемник обладает системой автоматизированного управления, которая позволяет обрабатывать поток получаемой информ˝ации,

производить вычислительные операции, показывать на дисп˝лее

интересующие оператора данные, выполнять самодиагности˝ку работы приемника и др. Все это возможно благодаря соответст˝вующему программному обеспечению, которое имеет исключительно

важное значение в любом спутниковом приемнике. При этом н˝а-

блюдается тенденция к уменьшению массы и габаритов прием˝ни-

ка, конструктивному объединению отдельных частей компле˝кта аппаратуры и максимальному упрощению органов управлени˝я. Такие приемники образуют новое поколение, получившее наз˝вание приемники класса «все в одном».

В мире производством спутниковых приемников заняты боле˝е 400 фирм. В России получили распространение приемники фирм Ashteck, Trimble, Magellan (США), Leica (Швейцария), Z-Max,

ProMark (Франция), Geotronics АВ (Швеция), Topcon (Япония)

è äð.

При участии фирмы Ashteck в России разработан 12-канальный

одночастотный приемник «Землемер».

Появились совмещенные GPS/ГЛОНАСС приемники: Trimble 4000 SGL, Ashteck GG-24, JGG 20 и др.

В результате объединения компании JPS (Javad Positioning System) с японской корпорацией Topсon создается новая компания TPS (Topсоn Positioning System), которая начинает выпускать при-

емники нового поколения с усовершенствованной технолог˝ией.

554

Начали создавать интегрированные системы, одной из состав-

ных частей которых является спутниковый приемник. Так, шв˝едская фирма Spectra Precision выпустила модульную геодезическую систему Geodimeter Integrated Surveying System, объединяющую тахеометр, спутниковый приемник и полевой пен-компьютер

(компьютер, в котором клавиатуру заменяет «световое перо˝», позволяющее рисовать и чертить от руки прямо на экране).

19.10. СПОСОБЫ И РЕЖИМЫ НАБЛЮДЕНИЙ

Способы наблюдений разделяют на абсолютные è относительные (см. раздел 19.3). При абсолютных способах определяют координаты пунктов, а при относительных — приращения (разнос˝ти)

координат или вектор базы между двумя пунктами.

Абсолютные способы делят на автономные (когда измерения

производят одним приемником) и дифференциальные [с испол˝ь- зованием базовой станции, передающей на «рабочий» (мобил˝ь-

ный) приемник дифференциальные поправки]. При абсолютных˝ способах выполняют кодовые измерения, а при относительны˝х —

фазовые (кодовые в этом случае выполняют вспомогательные˝

функции для нахождения приближенных значений координат˝ и разрешения неоднозначности).

Относительные способы — наиболее точные, и применяют их для геодезических целей.

Существует несколько геодезических режимов, все их делят˝ на две группы: статические и кинематические. В обоих режимах˝ один

из приемников находится на исходном пункте, а другой — на определяемом, но в статике оба приемника неподвижны, а в кинемати-

ке «определяющийся» (мобильный) приемник перемещается (н˝е-

прерывно или с остановками).

Статика. Статический режим — наиболее точный и требующий больших (не менее 1,5 ч) затрат времени на наблюдения. Его ис˝- пользуют для создания точных геодезических сетей. Значит˝ельная продолжительность наблюдений необходима для уверенного˝ разрешения неоднозначности и получения результатов измере˝ний с сантиметровой и даже миллиметровой точностью. При этом до˝-

полнительное время (не менее получаса на каждый пункт) нео˝бхо-

димо на обработку результатов измерений в камеральных ус˝лови-

ÿõ — постобработку.

Б ы с т р а я с т а т и к а — статический режим, при котором время наблюдений на пункте сокращается до 10...15 мин. Платой

за экономию времени является риск столкнуться с трудност˝ями разрешения неоднозначности на этапе постобработки.

Кинематика. Классический вариант кинематического режима — режим stop and go («стой и иди»), при котором движущийся приемник — ровер (rover — скиталец) перемещают с пункта на

555

пункт, делая на этих пунктах остановки. Однако, чтобы реали˝зовать такой режим, работу начинают со статического вариант˝а, выполнив — инициализацию — наблюдения длительностью 1...1,5 ч для определения вектора базы и разрешения неоднозначнос˝ти. При этом референцный (неподвижный) приемник устанавливают

на исходном пункте, а роверный — на первом из определяемых пунктов (эти пункты и образуют базу). После выполнения ини˝циализации оператор роверного приемника переключает его в˝режим движения и начинает движение к следующему пункту. При этом двигаться нужно так, чтобы на антенну поступали сигн˝алы не менее чем от четырех одних и тех же спутников. В случае с˝рыва сигнала возвращаются на предыдущий пункт. Если срыва не происходит, то, прибыв на очередной пункт, устанавливают анте˝нну над ним и переключают приемник в статический режим, котор˝ый продолжается меньше 1 мин; за это время измеряют высоту ан˝тенны и вводят ее в приемник (а также вводят название пункта). Н˝а этом работа на пункте заканчивается, оператор переключае˝т приемник в роверный режим и движется к следующему пункту. Короткое время наблюдений на пункте обусловлено тем, что не˝ требуется разрешать неоднозначность на каждом пункте, так ка˝к, определив число N0 при инициализации на базе, приемник при перемещении непрерывно отслеживает его изменения счетом фазовых циклов, если только не потерян сигнал от спутника из числа четырех необходимых.

К и н е м а т и к а «в п о л е т е» (on the fly — OTF). Это вариант кинематического режима, не требующий инициализации. Е˝го используют в том случае, когда есть уверенность, что прием˝ сигналов достаточного числа спутников не прервется в течени˝е 20...30 мин. За это время при непрерывной работе приемника он

накопит достаточно информации для того, чтобы программно˝е обеспечение при постобработке смогло разрешить неодноз˝нач- ность.

Общий недостаток всех перечисленных способов наблюдений — необходимость постобработки в камеральных услови˝ях.

К и н е м а т и к а в р е а л ь н о м в р е м е н и (Real Time Kinematics —RTK). Этот метод является дальнейшим развитием кинематического режима. Сущность его состоит в том, что из˝мерения и обработка производятся одновременно. Для этой цел˝и между референцным (опорным) и роверным (мобильным) приемниками организуется цифровой радиоканал (в оба приемника вводятся соответствующие радиомодемы), по которому ровер˝-

ный приемник получает от референцного всю необходимую ин˝- формацию, чтобы тут же ее обработать совместно с результа˝тами своих фазовых измерений и определить свои координаты с са˝н- тиметровой точностью. При этом не требуется никакой посто˝б- работки.

556

19.11. ПЛАНИРОВАНИЕ НАБЛЮДЕНИЙ

Цель планирования наблюдений — определение оптимально˝го

интервала времени для наблюдений на данном объекте — оп˝тимального в том смысле, что в этом интервале в зоне радиовид˝имости приемника будет находиться достаточное число спутни˝ков и

их конфигурация обеспечит PDOP, близкий к единице. Особенность такого планирования заключается в том, что он˝о

включает не только сбор традиционной информации из разны˝х

источников (картографические материалы, данные рекогнос˝ци-

ровки о характере местности, препятствиях и т. п.), но и полу˝че- ние альманаха созвездия спутников (число спутников, знач˝ения

PDOP для данного интервала времени и др.) при помощи программного обеспечения спутникового приемника. В качеств˝е при-

мера в таблице 19.3 приведен фрагмент альманаха спутников.

19.3. Фрагмент альманаха спутников на 29.07.2003

Кроме того, может быть составлена диаграмма видимых положений спутников на небесной

сфере в некоторый задаваемый

интервал времени (рис. 19.18).

Рис. 19.18. Пример диаграммы видимых положений и траекторий движения спутников на небесной сфере (цифрами обозначены номера спутников)

557

19.12. УСТРОЙСТВО И ОПЕРАЦИИ С ПРИЕМНИКОМ TRIMBLE 4700

Приемник Trimble 4700 (США), комплект которого специально разработан для выполнения геодезических работ, показан н˝а рисунке 19.19.

Управляют им одной кнопкой, функционирование контроли-

руют по пяти светодиодам. Приемник отслеживает спутники п˝о частотам L1 è L2. Для вычисления координат приемник записыва-

ет данные во внутреннюю память и предоставляет как измере˝ния, так и результаты вычислений через порты RS-232.

С помощью приемника 4700 можно выполнять съемку с постобработкой в режимах статики, быстрой статики и кинематик˝и.

Данные регистрируют во внутреннюю память, а затем перекач˝ивают в компьютер. Для получения конечных результатов — коо˝рди-

нат пунктов собранные данные обрабатывают с помощью программного обеспечения. В режиме реального времени RTK при-

емник 4700 обеспечивает точность определения координат пун˝к-

тов на уровне 1 см.

Комплект приемника включает: ручной контроллер TSCI с программой; микроцентрированную антенну и радиоустройс˝тво.

Рис. 19.19. Комплект аппаратуры Trimble 4700 на базовой станции для съе˝мки в режимах «статика» и «быстрая статика»:

1 — измерительный стержень; 2 — защитная пластина; 3 — микроцентрированная антенна; 4 — татив; 5 — аккумулятор; 6 — приемник 4700

558

Рис. 19.20. Панель управления приемника 4700:

(желтый); 3 — светодиод приема передачи пакета данных; 4 — светодиод контроля питания; 5 — кнопка включения (выклю- чения), питания

Панель управления приемника 4700 показана на рисунке 19.20. Задняя панель приемника с портами (рис. 19.21), включает:

порт 1 для подсоединения контроллера TSCI;

порт 2 для подсоединения внешнего источника питания или

компьютера;

порт 3 для подсоединения внешнего радиомодема для RTK из-

мерений или для подключения вторичного источника питани˝я.

Управление потоком данных выполняет только порт 3. Приемник комплектуется микроцентрированной антенной для отс˝леживания GPS спутников. Приемник питается от источника постоян˝-

ного тока напряжением 11...24 В, подаваемого на порты 2 и 3.

Наиболее часто с приемником используют внешние источник˝и питания: универсальное устройство OSM IV, внешний аккумуля-

тор 6 А/ч (подключают к базовой станции) и камкодерные акку˝- муляторы (подключают к роверу).

После завершения наблюдений полевые данные загружают в компьютер, на который установлена последняя версия прогр˝амм-

ного обеспечения GPSurvey.

Высоту антенны, являющуюся необходимой составной частью˝ результатов GPS наблюдений, измеряют с помощью измеритель-

ного стержня от верхней кромки антенны до центра геодезич˝еского пункта (см. рис. 19.19). Ее вводят в компьютерную обработку для приведения координат к центру пункта.

Для выполнения кинематической съемки в реальном времени˝ или с постобработкой на базе приемника 4700 необходим контроллер TSCI с программным обеспечением Survey Controller.

Рис. 19.21. Задняя панель приемника с портами 1...3

559

При выполнении съемки в режиме «кинематика» с постобработкой используют комплект приемника 4700 с рюкзаком, вехой ˝и контроллером (рис. 19.22). Для выполнения RTK съемки каждый базовый приемник и ровер оснащают радиомодемом и антенно˝й для поддержания связи между базой и ровером. Комплект обо˝рудования для базовой станции в режиме RTK съемки показан на рисунке 19.23.

Методика спутниковых наблюдений и обработки базовой ли-

нии приведена в приложении 6.

19.13.СОЗДАНИЕ ОПОРНЫХ МЕЖЕВЫХ СЕТЕЙ

ÑПРИМЕНЕНИЕМ СПУТНИКОВОЙ АППАРАТУРЫ

Как уже отмечалось в разделе 10.6, опорные межевые сети создают для межевания земель, ведения Государственного зем˝ельного кадастра и мониторинга земель, землеустройства, устано˝вления

560