Pirmųjų dirbtinių Žemės palydovų stebėjimo procesas atskleidė vieną įdomų modelį – palydovo erdvinė padėtis bet kuriuo metu gali būti apskaičiuojama geru tikslumu. Šis mokslinis faktas pastūmėjo mokslininkus į iš tikrųjų revoliucinį atradimą – naudoti palydovus, esančius šimtus kilometrų nuo Žemės, kad būtų nustatyta antžeminių objektų erdvinė padėtis.
Iš ankstesnių mūsų serijos „Taikomoji geodezija“ straipsnių mes sužinojome, kad nežinomo taško koordinatėms nustatyti reikia dviejų taškų su žinomomis koordinatėmis, kurios yra standžiai pritvirtintos žemėje (valstybinio geodezinio tinklo taškai). Kartais jie buvo toli nuo objekto, kuris privertė atlikėjus nutiesti teodolito ištraukas, dažnai kelis kilometrus. Dabar palydovai, nuolat judantys kosmose, tapo tokiais „kietais“ taškais, pagal kuriuos nustatomos žemėje esančių objektų koordinatės.
GPS
GPS (Global Positioning System – Global Positioning System) – tai radioelektroninių priemonių rinkinys, kuris apskaičiuoja objekto vietą ir greitį Žemės paviršiuje arba atmosferoje. Šiuos parametrus nustato GPS imtuvas, kuris priima ir apdoroja signalus iš palydovų. Norėdami padidinti matavimų tikslumą, padėties nustatymo sistemą taip pat sudaro žemės valdymo ir duomenų apdorojimo centrai.
Kalbant apie GPS, dažniausiai turime omenyje NAVSTAR sistemą, sukurtą JAV gynybos departamento įsakymu. Apskritai, daug novatoriškų dalykų pirmiausia buvo „išbandyti“ kariuomenės, o paskui „išleisti į mases“. Per daugelį metų terminas „GPS“ tapo palydovinės navigacijos sinonimu, kaip ir neologizmas „Xerox“ iš esmės reiškia bet kurį kopijavimo aparatą, o ne tik XEROX gamybą. Šiuo metu, be „NAVSTAR GPS“, yra kuriami ar pradedami naudoti kinų „Beidou“, Europos „Galileo“, Indijos IRNSS, japonų „QZSS“ ir mūsų gimtoji „GLONASS“..
Erdvės matavimo metodai naudojami:
- geodezija ir kartografija
- statyba
- navigacija
- transporto priemonės stebėjimas
- mobilusis ryšys
- gelbėjimo operacijos
- stebint žemės plutos plokštelių tektoninį judėjimą
ir daugelyje kitų žmogaus veiklos sričių. Apsvarstykime kai kurias pagrindines kosmoso matavimo sistemų taikymo sritis..
GNSS
Šios navigacijos sistemos įrenginius aptinkame buities lygiu, sutrumpintu GNSS yra paslėptas terminas „Visuotinė navigacijos palydovų sistema“. Palydovinės navigacijos sistemos veikimo principas yra matuoti atstumą nuo imtuvo antenos iki palydovų, kurių padėtys žinomos pakankamai dideliu tikslumu. Palydovo padėties lentelė vadinama almanachu ir perduodama matavimo pradžios metu iš palydovo į imtuvą. Taigi, žinodami atstumus tarp palydovų ir vadovaudamiesi almanachu, naudodamiesi paprasčiausiomis geodezinėmis konstrukcijomis, kurias apsvarstėme ankstesniuose mūsų ciklo straipsniuose, galite apskaičiuoti objekto erdvinę padėtį..
Atstumo nuo palydovo iki imtuvo matavimo metodas pagrįstas radijo bangų perdavimo greičio nustatymu. Kad matavimai būtų įmanomi, palydovai perduoda tikslius laiko signalus, paeiliui sinchronizuojamus su didelio tikslumo atominiais laikrodžiais. Veikimo pradžioje imtuvo sistemos laikas sinchronizuojamas su palydoviniu, o tolimesni matavimai grindžiami signalo sklidimo laiko ir jo priėmimo laiko skirtumu. Remdamasis šiais duomenimis, navigacijos įrenginys apskaičiuoja antžeminės antenos erdvinę padėtį, o objekto greitis, eiga ir kiti parametrai yra pradinės imtuvo padėties išvestinės. Kaip jūs tikriausiai prisimenate iš savo mokyklos fizikos kurso, radijo bangų greitis yra lygus šviesos greičiui, todėl galite įsivaizduoti, koks yra bendras sistemos, nustatančios atstumą milisekundėmis, tikslumas..
GNSS / GPS antena
Kodėl kai kuriais atvejais gauname gana tikslią vietos vertę, o kai kuriais atvejais ši vertė nėra visiškai teisinga? Ne kiekviename imtuve yra įmontuotas atominis laikrodis, todėl norint sinchronizuoti ir nustatyti buvimo vietą priimtinu tikslumu, reikia signalą vienu metu priimti iš mažiausiai trijų palydovų. Gauto signalo stiprumui turi įtakos žemės gravitacinis laukas, kliūtys medžių, namų pavidalu, atspindėti (fantominiai) signalai, atmosferos trukdžiai ir daugybė kitų priežasčių. Kadangi ant palydovo neįmanoma patalpinti didelės galios siųstuvų, tiksliausią vietą gausite atvirose vietose, turinčiose aiškų horizontą..
Dabar, mielas skaitytojau, turėdamas išmanųjį telefoną su įmontuotu GPS imtuvu, mes skubiname jus nuliūdinti – jūs negalite kreiptis dėl geodezinės įmonės atidarymo. Taip yra todėl, kad kišenės imtuvas pozicijai apskaičiuoti naudoja metodą, vadinamą absoliučiu. Vienu metu stebint 4 palydovus, padėties nustatymo tikslumas gali siekti 8 metrus, to pakanka navigacijai matuoti. Geodezijai naudojamas santykinis matavimo metodas, kuriame naudojami bent du imtuvai. Vienas iš jų yra nustatytas į tašką su žinomomis koordinatėmis (vadinamąja „baze“), o antrasis naudojamas nežinomų taškų koordinatėms nustatyti. Kai 2 imtuvai veikia kartu, matavimo tikslumas padidėja 100 kartų, ir mes jau galime gauti koordinates su centimetro tikslumu, kurio pakanka geodeziniams poreikiams.
GPS geodeziniams darbams
Norint naudoti kosmoso stebėjimo sistemas atliekant topografinius darbus, naudojami keli metodai, kurie skiriasi gautų verčių tikslumu ir jų gavimui skirtu laiku..
Statika
Norint nustatyti nežinomo taško koordinates, vienas imtuvas įmontuojamas į trikampio ar poligonometrijos tašką (žinomą tašką), o kitas imtuvas dedamas taške, kurio koordinatės turi būti nustatytos. Tada įrenginiai sinchroniškai inicijuojami, nes matavimai pradedami tik tada, kai vienu metu įjungiami du imtuvai. Jei vienas iš prietaisų dirbo pusvalandį, o kitas – 15 minučių, duomenims gauti bus naudojamos tik 15 minučių bendradarbiavimo. Kai imtuvai suranda palydovus, prasideda duomenų rinkimas, kuris vėliau apdorojamas kompiuteryje..
Paprastai nuo instrumento įjungimo iki darbo pradžios (teisingų verčių gavimas) užtrunka 15–30 minučių, atsižvelgiant į tuo pačiu metu stebimus palydovus. Per pirmąsias 20–30 minučių „bazė“ aprėpia pakankamą 5 kilometrų zonos matavimo tikslumą, tada kas 10 minučių šis spindulys išplečiamas atitinkamai 5 km, žinant apytikslį atstumą nuo stoties iki bazinio taško, galima apytiksliai apskaičiuoti prietaiso stovėjimo laiką tikslus padėties nustatymas.
Kaip matome vienos iš duomenų koregavimo programų ekrano kopijose, žalia juosta yra bazinės operacijos laikas, o trumpos spalvos juostos yra laikas, kurį imtuvai praleidžia stotyje su nežinomomis koordinatėmis. Naudodami specializuotą programinę įrangą, galite atmesti neteisingas matavimo vertes ir padidinti bendrą gautų verčių tikslumą.
Šio metodo pranašumas yra didelis matavimų tikslumas, minusas yra laikas, praleistas kiekvieno taško iniciacijai.
Kinematika
„Pagrindas“ yra tokiu pačiu būdu taške, kuriame yra žinomos koordinatės, o antrasis imtuvas, po inicializacijos, gali registruoti judančius taškus be papildomos inicializacijos prieš kiekvieną matavimą. Jei pagal pirmąjį metodą gautume, du bazinius taškus, iš kurių bus atliekamas tacheometrinis tyrimas, t. Darbui mes vis dar turime turėti bendrą stotį, tada atliekant kinematinius matavimus, užtenka dviejų imtuvų, iš kurių vienas atlieka bendros stoties funkciją, taško registravimo laikas yra 1–2 minutės..
Šis metodas gerai tinka linijiškai išplėstiems objektams, tokiems kaip elektros linijos, kanalai, keliai, naftotiekiai ir tt, tirti. Šio metodo pranašumas yra laiko taupymas, trūkumas tas, kad pageidautina atlikti matavimus nedideliu atstumu nuo pagrindo, maždaug 5–15 km. Jei signalas iš palydovo staiga dingsta, inicializacijos procedūrą reikės pakartoti, todėl šį metodą ne visada įmanoma pritaikyti dideliuose miestuose, kur aukšti pastatai ir medžiai apima horizontą..
RTK GPS
Jei pirmieji du metodai suteikia mums taško vietą tarptautinėje koordinačių sistemoje, kurią vėliau reikia paversti regionine, tada RTK metodas (iš anglų k. „Real Time Kinematic“ – kinematika realiu laiku) leidžia gauti taškų erdvinės padėties reikšmes koordinačių sistemoje, priimtoje mūsų srityje. naudojant tik vieną imtuvą. Ne, bazinis taškas neabejotinai egzistuoja, tačiau šiuo atveju baziniai taškai yra pritvirtinti prie aukštų pastatų ir kartu sudaro tinklą, panašų į mobilųjį. Ir imtuvas, ir bazinės stotys keičiasi informacija internetu, o tai leidžia sinchronizuoti ne tik su palydovais, bet ir tarpusavyje, apeinant perskaičiavimo ir koordinačių nustatymo grandinę specializuotoje programinėje įrangoje.
Kaip jūs galite įsivaizduoti, bazinės stotys toli gražu nėra statomos entuziastų, prieiga prie jų yra mokama, tačiau tai daugiau nei kompensuoja praleistų žmogaus valandų skaičius. Iš tiesų, jei atliekant statinius matavimus komandą sudaro mažiausiai trys žmonės, iš kurių vienas saugo „bazę“, o kiti du atlieka apklausas naudodamiesi bendra stotimi, tada RTK matavimams užtenka tik vieno specialisto. Tokių prietaisų inicializavimas įvyksta beveik akimirksniu, po kelių minučių įrankis yra pasirengęs rinkti duomenis arba atlikti priešingą veiksmą – atlikti iš anksto apskaičiuotą apklausos taškų apimtį kompiuteryje, kuris yra būtinas, pavyzdžiui, statant sklypą statyboms. Tai ateities technologija. Apskritai, kad ir kaip paradoksaliai tai skambėtų, naujai tyrėjų kartai atstovaus IT specialistai, programuojamų skaičiuoklių ir „Bradis“ lentelių amžius neatšaukiamai praėjo.
GPS vs GLONASS
NAVSTAR GPS ir GLONASS koordinatėms nustatyti naudojamas 21 aktyvus palydovas ir trys atsarginiai palydovai, besisukantys žiedinėse orbitalinėse plokštumose, o šių plokštumų GPS sistemoje yra tris kartus daugiau nei GLONASS. Palydovuose yra saulės baterijos ir jie skraido daugiau nei 20 km virš Žemės paviršiaus. Šis atstumas nuo planetos ir palydovų skaičius leidžia vienu metu stebėti bent 4 palydovus beveik bet kurioje pasaulio vietoje. Visiškos revoliucijos aplink Žemę laikas – 12 kosminių valandų.
GPS sistemoje visi palydovai skleidžia signalą dviem vienodais dažniais, o kiekvienas įrenginys siunčia savo individualų kodą, leidžiantį atpažinti palydovus. GLONASS turi tą patį kodą visiems palydovams, transliacija taip pat vykdoma dviem juostomis. Kaip matote, sistemų parametrai yra beveik vienodi, taigi, kas yra geriau?
Jei GPS suteikia pakankamą tikslumą nustatant koordinates visame pasaulyje, tada GLONASS yra „paaštrintas“ Rusijos realijoms, o tai teoriškai leidžia tiksliau nustatyti taškų erdvinę padėtį ant žemės mūsų šalyje. Rusijos padėties nustatymo sistema nepriklauso nuo „Uncle Sam“, kuris karinių konfliktų metu sąmoningai sumažino matavimo tikslumą, iš dalies koduodamas signalą, nuotaikos. Bet kokiu atveju, GPS ir GLONASS nėra konkurentai, bet tam tikra prasme sąjungininkai, todėl prasminga įsigyti imtuvus, kurie vienu metu palaiko dvi sistemas, tikslumas iš to bus tik naudingas..
Taikomoji geodezija. Kosminių dimensijų pagrindai
Medžiagos turinys
Ar galite priminti, kas yra taikomoji geodezija ir kokių kosminių dimensijų ji remiasi? Norėčiau sužinoti daugiau apie tai.