Лекция 9. Основы спутникового позиционирования
Под позиционированием понимается определение с помощью спутниковых систем местонахождения наблюдателя или объекта в трехмерном земном пространстве.
Достоинства спутниковых систем позиционирования: глобальность, оперативность, всепогодность, оптимальная точность и эффективность. Для измерений не нужна видимость между определяемыми пунктами.
Сферы применения спутникового позиционирования:
- развитие опорных геодезических сетей;
- кадастровые работы;
- землеустроительные работы;
- тематические исследования (исследования сейсмической активности, вулканизма, движений полюсов, земной поверхности и ледников);
- мониторинг природных и техногенных объектов;
- геодезическое обеспечение спасательно-предупредительных работ;
- навигация всех видов;
- диспетчерские службы.
История развития. Первое поколение спутниковых систем разрабатывалось еще до 70-х гг. 20 в. И использовалось более 20 лет. Это NNSS (США) и ЦИКАДА (СССР).
NNSS (Navy Navigation Satellite System) разрабатывалась для ВМФ США, позже получила название TRANSIT. Находилась в эксплуатации с 1964 г., в 1967 г. Открыта для гражданского использования. Уже в 70-х гг. появились малогабаритные приемники, позволяющие определять координаты с дециметровой точностью. К 1980 г. тысячи людей во всем мире пользовались услугами этой системы. В России за период с 1984 по 1993 гг. на ее основе создана ДГС. Разработки по ЦИКАДА начаты в 1967 г., но введена в эксплуатацию только в 1979 г.
Второе поколение систем спутникового позиционирование – GPS (США) и ГЛОНАСС (Россия).
GPS (Global Positioning System), параллельное название NAVSTAR (NAVigation Satellite Timing and Ranging): запуск первого блока спутников начат в 1978 г., эксплуатационная готовность объявлена в 1995 г.
ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система): разработки начаты в середине 1970-х гг., первые спутники выведены на орбиту в 1982 г., в 1993 г. официально принята в эксплуатацию, в 1995 г. открыта для гражданского использования, в 1996 г. развернута полностью.
Существуют устройства, использующие обе системы.
Навигационные спутниковые системы предназначены для определения местоположения, скорости движения, а также точного времени морских, воздушных, сухопутных и других видов потребителей. NAVSTAR и ГЛОНАСС - системы двойного назначения, изначально разработанные по заказу и под контролем военных для нужд Министерств обороны и поэтому первое, и основное назначение у систем стратегическое, второе назначение указанных систем гражданское. Исходя из этого, все действующие ныне спутники передают два вида сигналов: стандартной точности для гражданских пользователей и высокой точности для военных пользователей (этот сигнал закодирован и доступен только при предоставлении соответствующего уровня доступа от Министерства обороны). Навигационные системы являются независимыми (полностью автономными) и беззапросными (пользовательская аппаратура только принимает сигнал, не посылая запрос на спутник).
В других странах также ведутся разработки: Gallileo (Европейское сообщество), COMPASS (Китай), IRNS(Indian Regional Navigation System) (Индия).
Подсистемы спутниковых систем. Выделяют три сегмента: наземного контроля и управления, созвездия спутников, аппаратуры пользователей.
Сегмент созвездий спутников и в GPS, и в ГЛОНАСС должен состоять из 24 спутников. GPS имеет 28 спутников на 4-х орбитах с наклонением 55° и высотой 20180 км. В ГЛОНАСС пока только 18 спутников на 3-х орбитах с наклонением 64,8° и высотой 19100 км. Каждый спутник имеет по 4 атомных эталона частоты и времени, аппаратуру для приема и передачи радиосигналов.
Спутники, разбитые по группам, вращаются в своих орбитальных плоскостях на неизменной средневысотной орбите, на постоянном расстоянии от поверхности Земли. Для получения сигнала в любое время, в любой точке земного шара требуется 24 спутника. Если разделить условно, то по 12 спутников на каждое полушарие. Орбиты этих спутников образуют “сетку” над поверхностью земли, благодаря чему над горизонтом всегда гарантированно находятся минимум четыре спутника, а созвездие построено так, что, как правило, одновременно доступно не менее шести. Полностью развёрнутая спутниковая система имеет также резервные спутники, по одному в каждой плоскости, для “горячей” замены (в случае выхода основного спутника из строя они могут быть оперативно введены взамен неисправного). Резервные спутники не бездействуют и также участвуют в работе системы, улучшая точность позиционирования и обеспечивая достаточную избыточность.
Сегмент наземного контроля и управления состоит из станций слежения за спутниками, службы точного времени, главной станции с вычислительным центром и станций загрузки данных на борт спутников.
Спутники GPS проходят над контрольными пунктами дважды в сутки. Главная станция – база ВВС в Колорадо-Спрингс (Калифорния). Точное время – обсерватория в Вашингтоне. В ГЛОНАСС Центр управления системой под Москвой.
В задачи данной подсистемы входит контроль правильности функционирования спутников, непрерывное уточнение параметров орбит и выдача на спутники временных программ, команд управления и навигационной информации. При пролёте спутника в зоне видимости станции измерения, управления и контроля, она осуществляет наблюдение за спутником, принимает навигационные сигналы, производит первичную обработку данных и производит обмен данными с центром управления системой. На главной станции происходит обработка и вычисление всех поступающих от сети управления данных их математическая обработка и вычисление координатных и корректирующих данных, подлежащих загрузке в бортовой компьютер спутника.
Сегмент аппаратуры пользователей различен в зависимости от назначения. В общем случае состоит из навигационных приемников и устройств обработки, предназначенных для приема навигационных сигналов спутников и вычисления собственных координат, скорости и времени. В простейшем случае – миниатюрный приемник с источником питания. Комплект аппаратуры для геодезических определений включает антенну, приемник, контроллер (управляющее устройство), блок питания, кабели, штативы, вешку для установки антенны, приспособление для измерения высоты антенны и пр.
Принцип определения координат основан на вычислении расстояний от точки до нескольких спутников системы глобального позиционирования. Расстояния определяются по времени, прошедшем с посылки электромагнитного сигнала со спутника до поступления его в приемник. Вычислив расстояние от спутника № 1 до приёмника, представим сферу, где центром будет спутник № 1. Вычислив расстояние от приёмника до спутника № 2, представим себе вторую сферу, где центром будет спутник № 2 область. Где эти две сферы пересекутся, и будет областью нашего предполагаемого местонахождения. Для получения более точных данных нам понадобится информация о расстоянии до спутника № 3 и одна из двух точек. Место пересечения трёх предполагаемых сфер и будет местом нашего позиционирования. Для устранения неверного решения и одновременного уточнения места позиционирования потребуется чётвертый спутник.
Задача вычисления своего местоположения пользователем является достаточно сложной, так как для вычисления собственных координат на местности необходимо вычислить координаты нескольких спутников, т.е. знать их точное местоположение относительно приёмной аппаратуры. Спутники постоянно двигаются, соответственно координаты постоянно меняются. Для оперативного просчёта и уменьшения вычислительной мощности размеров и стоимости пользовательской аппаратуры, вычисление максимально возможного объема данных было возложено на наземный комплекс управления, в котором по результатам наблюдений за спутниками просчитывается прогноз параметров орбиты в фиксированные (опорные) моменты времени и во время сеансов связи передаются на спутник. Зная предполагаемые параметры орбиты и точные координаты спутника в опорной точке можно вычислить координаты спутника в любой произвольный момент времени.
Спрогнозированные параметры орбиты и их производные называются – эфемеридами. Набор сведений, применяемых для поиска видимых спутников и выбора оптимального созвездия и, содержащих сведения о текущем состоянии навигационной системы в целом, включая “загрублённые” эфемериды, называются альманахом. Передатчики, находящиеся на спутнике в беспрерывном режиме на высокой частоте передают навигационные сообщения,содержащие эфемериды с метками времени и альманахом. Пользовательская аппаратура, принимая такое навигационное сообщение и опираясь на заложенный в памяти предыдущий альманах, максимально быстро и точно определяет собственные координаты, при необходимости выводя их на средства отображения информации.
Существует 2 способа определения дальностей: кодовый и фазовый.
Кодовый: си – служебная информация (номер спутника, координаты, статус), код – дальномерный код, L = ∆t * c(c – скорость света)
Точность кодового метода: 3-5 м
Фазовый: L = N*λ + ∆λ(N – число целых волн) λ – длина электромагнитной волны
Точность фазового метода: менее 1 м
Источники погрешностей в определении дальностей связаны с влиянием ионосферы, нижних слоев атмосферы, эффектом многолучевости, несинхронностью генерации сигналов на спутнике и в приемнике, препятствиями на пути сигнала.
Влияние ионосферы. На высотах от 50 до 1000 км над Землей содержатся свободные электроны и ионы. Взаимодействие электромагнитной волны и частиц ионосферы при прохождении радиосигнала порождает вынужденное колебательное движение заряженных частиц. Это приводит к изменению скорости и направления распространения электромагнитной волны. Минимизируют влияние за счет использования волн разной длины.
Влияние нижних слоев атмосферы. Скорость света постоянна только в вакууме, в атмосфере она меняется в зависимости от коэффициента преломления среды, который, в свою очередь, зависит от метеопараметров и от направления, по которому проходит сигнал от спутника (от высоты спутника над горизонтом). Чем ниже спутник, тем сильнее влияние атмосферы, поэтому при углах 10-15°, погрешность достигает 10 м, такие наблюдения выбрасывают. При измерениях вводят поправку по модели стандартной атмосферы.
Несинхронность генерации сигналов на спутнике и в приемнике. Синхронизация часов приемника производится в процессе инициализации приемника. Различают три вида инициализации: «холодный старт», «теплый» и «горячий».
Когда приемник включается впервые или при длительном времени бездействия, данные о его местоположении, сохраненные во внутренней памяти, не совпадают с актуальными. Тогда для начала выполняется поиск спутником, получение данных о состоянии и эфемерид. Затем идет определение дальностей до нескольких спутников, рассчитывается ошибка местоопределения и идет синхронизация часов. Это «холодный старт», занимает несколько минут.
«Теплый» старт: время пребывания приемника в выключенном состоянии не превышает определенного срока и альманах эфемерид не успел устареть, сразу идет измерение дальностей и синхронизация часов.
«Горячий» старт: повторное включение в течение суток, часы уже синхронизированы, альманах свежий, сразу позиционирование. Несколько секунд.
Эффект многолучевости возникает за счет отражения сигнала от земной поверхности и окружающих предметов. Погрешность может достигать 10 м при кодовых измерениях. Для защиты от влияния отраженных сигналов в приемнике реализован алгоритм сравнения нескольких сигналов, приходящих от одного спутника, и отсева наиболее слабых (многоканальность).
Препятствия на пути сигнала – крупные предметы, здания и сооружения непреодолимы для спутникового сигнала. Пространство эффективного приема значительно уменьшается в городах, лесу, горах. Фазовый способ более чувствителен, чем кодовый. Работе могут помешать мощные радиолокационные и телевизионные станции, если они расположены в радиусе 500 м. Устранить нельзя, выбирают оптимальное место наблюдения.
Способы позиционирования. Точность определения координат с помощью глобальных систем позиционирования в геодезии: мм в плане и см по высоте…Точность зависит от способа позиционирования.
Существует два способа: автономный, дифференциальный.
Два метода обработки данных дифференциального способа: режим реального времени, постобработка.
Типы приемников. Все приемники делятся на одно- и двухсистемы (принимающие сигналы только от системы GPS и от GPS и ГЛОНАСС), кодовые и кодово-фазовые, одно- и двухчастотные.
Пространственный геометрический фактор дает оценку точности местоопределения – pDOP (Dilution of Precision). p – position, h – horizontal, v - vertical
Чем меньше значение pDOP, тем точнее определение координат
p DOP < 3 – точность хорошая
p DOP < 6 – точность удовлетворительная
p DOP > 6 – точность неудовлетворительная
Решаемые задачи:
Ориентирование. Используются портативные кодовые приемники, принимающие С/А-код на частоте L1 и Р-код на частоте L1 и L2. Результат отображается на экране дисплея в форме геодезических координат или в виде индекса направления.
Полевое картографирование, формирование баз данных. Обязательна возможность атрибутирования объектов съемки, подключение к средству обработки.
Геодезические измерения. Точность местоопределения – сантиметры и доли сантиметров. Комплект включает не менее 2-х специализированных приемников для измерения дальностей фазовым способом.
Лекция 10. Геоинформатика. ГИС. ЦМР.
Понятие о геоинформатике. Геоинформатика разрабатывает принципы, методы и технологии сбора, накопления, передачи, обработки и представления данных для получения на их основе новой информации и знаний о пространственно-временных явлениях в геосистемах.
Данные – зарегистрированные факты, описания явлений реального мира или идей
Информация – одно из свойств предметов, явлений, процессов, отражающее смысл, вкладываемый человеком в данные
Знания – отражение семантических аспектов реального мира в мозгу человека или системах искусственного интеллекта. Интерпретация информации об окружающих объектах или явлениях.
Пространственные данные делятся на позиционные и атрибутивные. Первые характеризуют положение объекта в 2-х или 3-х мерном пространстве, вторые дают качественные или количественные тематические характеристики объекта.
Общее представление о ГИС.
ГИС – информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, обработку, доступ, отображение и распространение пространственно-координированных данных.
ГИС (ГИС-пакет) – программный продукт, в котором реализованы функциональные возможности ГИС. Поддерживается программным, аппаратным, информационным, нормативно-правовым, кадровым и организационным обеспечением.
Типы ГИС.
По территориальному охвату различают:
· глобальные или планетарные
· субконтинентальные
· национальные
· региональные
· субрегиональные
· локальные или местные.
ГИС различаются предметной областью информационного моделирования:
· городские или муниципальные
· природоохранные
· геологические
· земельные информационные системы.
· …
Проблемная ориентация ГИС определяется решаемыми в ней задачами:
· инвентаризация ресурсов (в том числе кадастр)
· анализ
· оценка
· мониторинг
· управление и планирование, поддержка принятия решений.
Набор функций ГИС и соответствующих им программных средств включает:
· ввод данных в машинную среду путем их импорта из существующих наборов цифровых данных или с помощью цифрования источников;
· преобразование или трансформация данных, включая конвертирование данных из одного формата в другой, трансформацию картографических проекций, изменение систем координат;
· хранение, манипулирование и управление данными во внутренних и внешних базах данных;
· картометрические операции, включая вычисление расстояний между объектами в проекции карты или на эллипсоиде, длин кривых линий, периметров и площадей полигональных объектов;
· операции обработки данных геодезических измерений, оверлея
· пространственный анализ – группа функций, обеспечивающих анализ размещения, связей и иных пространственных отношений объектов, включая анализ зон видимости/невидимости, анализ соседства, анализ сетей, создание и обработку цифровых моделей рельефа, анализ объектов в пределах буферных зон и др.;
· визуализация исходных, производных или итоговых данных и результатов обработки, включая картографическую визуализацию, проектирование и создание картографических изображений;
· вывод данных в виде графической, табличной и текстовой документации, в том числе ее тиражирование;
· обслуживание процесса принятия решений.
Структура ГИС определяется набором функций.
Реализация ГИС-проекта включает этапы:
· предпроектных исследований, в том числе изучение требований пользователя и функциональных возможностей используемых программных средств ГИС, технико-экономическое обоснование, оценку соотношения "затраты/прибыль";
· системное проектирование ГИС, включая стадию пилот-проекта, разработку ГИС;
· тестирование на небольшом территориальном фрагменте (тестовом участке);
· внедрение ГИС;
· эксплуатацию и использование.
Под цифровыми моделями рельефа обычно понимается логико-математическое описание объекта или явления в цифровом виде, включая заданную форму представления исходных данных, их взаимосвязи и структуру, а также метод восстановления рельефа (интерполяция, аппроксимация или экстраполяция) по его цифровым данным.
Форма представления исходных данных определяет тип ЦМР.
- регулярные сетки (прямоугольные, треугольные и гексагональные). Здесь необходимо отметить, что самыми распространенными являются прямоугольные (квадратные) сетки в силу более простого и как следствие более разработанного математического аппарата; при использовании треугольных сеток объем вычислений значительно возрастает, но они обладают преимуществом однозначной трактовки характера форм рельефа.
- нерегулярные сетки (структурные линии, профиля, локальные точки, случайным сеткам и т.п.
- изолинейное задание точек.
Выбор типа ЦМР обычно бывает определен источником исходных данных. С другой стороны, при построении ЦМР необходимо помнить о некоторых обязательных критериях: точность задания геополя, наименьшее количество точек, простейшая структура расположения.
Методы восстановления рельефа. Для построения ЦМР необходимо решить задачу восстановления (интерполяции) поверхности. Что значит «восстановление» поверхности? Для пояснения можно привести следующую аналогию. На плоскости наколоты булавки различной высоты, определяющие значения показателя в этой точке. Например, для рельефа земной поверхности это будут высоты, для характеристики загрязнения природной среды - концентрации поллютантов и т.д. Метод, которым будет восстановлена поверхность, можно уподобить резиновому листу, опирающемуся на эти булавки. Методы отличаются друг от друга тем, будут ли все отметки касаться листа или некоторые будут над (под) ним, а также как будет выглядеть поверхность между ними.
Выбор метода построения зависит от конкретной цели исследования. Если необходимо проследить каждый “всплеск”, например, загрязнения, нельзя использовать сглаживающие методы, следует обратиться к методу триангуляции. А если, наоборот, необходимо “увидеть” общий тренд, направление распространения какого-либо процесса, то нужно воспользоваться методами средневзвешенной интерполяции, минимальной кривизны поверхности или полиномиальной регрессии.
Анализ геополей может существенно облегчить исследование структуры, взаимосвязей и динамики различных природных, социально-экономических и экологических явлений. Список таких задач обширен: планирование строительства сооружений, проблемы гидрологической направленности (площади и объем затопления), оценка воздействия человека на окружающую среду, задачи геологического характера, прогнозирование опасности возникновения чрезвычайных ситуаций (лавины, сели, обвалы) и т.д.
Особенно полезно сравнительное изучение нескольких геополей, например, поля загрязнения почвенного покрова и рельефа земной поверхности, демонстрирующего очаги накопления и миграцию загрязнителей по территории. Эффективность использования геополей зависит во многом от формы представления исходных данных и методов его моделирования.
Источниками исходных данных для создания ЦМР суши служат топографические карты, аэрофотоснимки, космические снимки и другие ДДЗ, данные альтиметрической съемки, спутниковых систем позиционирования, нивелирования и других методов геодезии; подводного рельефа акваторий (батиметрии) -- морские навигационные карты, данные промерных работ, эхолотирования, в том числе с использованием гидролокатора бокового обзора; рельефа поверхности и ложа ледников -- аэросъемка, материалы фототеодолитной и радиолокационной съемки.
Обработка ЦМР служит для получения производных морфометрических или иных данных, включая вычисление углов наклона и экспозиции склонов; анализ видимости/невидимости; построение трехмерных изображений, в том числе блок-диаграмм; профилей поперечного сечения; оценку формы склонов через кривизну их поперечного и продольного сечения, измеряемую радиусом кривизны главного нормального сечения или ее знаком, т.е. выпуклостью/вогнутостью; вычисление (положительных и отрицательных) объемов; генерацию линий сети тальвегов и водоразделов, образующих каркасную сеть рельефа, его структурных линий локальных минимумов, или впадин и локальных максимумов, или вершин, седловин, бровок, линий обрывов и иных нарушений "гладкости" поверхности, плоских поверхностей с нулевой крутизной; интерполяцию высот; построение изолиний по множеству значений высот; автоматизацию аналитической отмывки рельефа путем расчета относительных освещенностей склонов при вертикальном, боковом или комбинированном освещении от одного или более источников; цифровое ортотрансформирование при цифровой обработке изображений и другие вычислительные операции и графо-аналитические построения.
Методы и алгоритмы создания и обработки ЦМР применимы к иным физическим или статистическим рельефам и полям: погребенному, барическому рельефу и т.п.