Спутниковое позиционирование

Наиболее совершенный метод определения координат основан на использовании искусственных спутников Земли. Суть его заключается в следующем: летящие по строго заданным орбитам спутники, мгновенные координаты которых точно известны, непрерывно излучают радиосигналы, регистрируемые специальными спутниковыми приемниками на Земле. Это позволяет с помощью радиотехнических средств измерять расстояния (дальности) от приемника до спутников и определять местоположение приемника (его координаты) или вектор между двумя приемниками (приращения координат).

Инженерно-техническая реализация этой простой идеи потребовала десятков лет напряженной работы. К концу прошлого века и мире созданы две эксплуатационные спутниковые системы, ознаменовавшие революционные изменения в геодезических измерениях. Это американская Global Positioning System (GPS) — Глобальная система позиционирования (ГСП), и российская Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС).

К основным задачам, решаемым спутниковыми методами, относятся:

♦ развитие геодезических сетей всех уровней;

♦ производство нивелирных работ вплоть до III и даже II классов точности;

♦ распространение единой высокоточной шкалы времени;

♦ исследование геодинамических процессов;

♦ мониторинг состояния окружающей среды и изучение ее динамики;

♦ координатное обеспечение кадастровых, землеустроительных, сельскохозяйственных и других работ;

♦ обеспечение координатами полевых тематических съемок и инженерно-географических работ с помощью спутникового приемника, соединенного со специализированным датчиком (электронным тахеометром, эхолотом, анероидом, магнитометром, цифровой фотокамерой и др.);

♦ создание и обновление баз данных ГИС на основе комплексирования спутниковых приемников с электронными тахеометрами, цифровыми видеокамерами и инерциальными навигационными системами.

Основные достоинства спутниковых систем — их глобальность, оперативность, всепогодность, оптимальная точность и эффективность. В отличие от традиционных геодезических измерений видимость между определяемыми пунктами не нужна. ГСП действует в координатной системе WGS-84, а ГЛОНАСС — в координатной системе ПЗ-90.

Выделяют три главные подсистемы (сегменты): наземного контроля и управления (НКУ), созвездия космических аппаратов (КА) и аппаратуры пользователей (АП).

Подсистема НКУ состоит из станций слежения за КА, службы точного времени, главной станции с вычислительным центром и станций загрузки данных на борт спутников. Спутники проходят над контрольными пунктами дважды в сутки. Собранную информацию об орбитах обрабатывают, и на этой основе прогнозируют координаты спутников (эфемериды), которые загружают на борт каждого спутника.

Главная наземная станция на базе ВВС Колорадо-Спрингс и станции, расположенные на островах Вознесения, Диего-Гарсия, атолле Кваджалейн и Гавайских островах, управляют положением ГСП.

НКУ ГЛОНАСС включает Центр управления системой (ЦУС), находящийся под Москвой, центральный синхронизатор (ЦС) с высокоточным стандартом частоты и времени для синхронизации системы и сеть станций слежения, размещенных в районе Санкт-Петербурга, Воркуты, Якутска, Петропавловска-Камчатского,Уссурийска, Улан-Удэ и Енисейска.

Подсистемы космических аппаратов (КА) ГСП и ГЛОНАСС

имеют по 24 работающих и по несколько резервных спутников. Спутники равномерно распределены в околоземном пространстве на высотах около 20 тыс. км. На каждом спутнике установлены солнечные батареи питания, двигатели корректировки орбит, атомные эталоны частоты-времени, аппаратура для приема и передачи радиосигналов, бортовые компьютеры.

Аппаратура спутника и спутниковый приемник образуют радиодальномер. Приемник принимает радиосигналы, передаваемые спутником, и сравнивает их с выработанными в самом приемнике, в результате чего определяется время распространения радиоволны, а затем и дальность до космического аппарата. На спутниках и в приемниках имеются генераторы основных высокостабильных электромагнитных колебаний. Они формируют электромагнитные колебания, предназначенные для наиболее точных измерений дальностей фазовым методом, для менее точных — кодовым методом при помощи так называемых дальномерных кодов, а также для формирования навигационных сообщений.

Для выполнения фазовых измерений и для переноса к приемнику дальномерных кодов и другой информации, содержащейся в навигационном сообщении, генерируются так называемые несущие радиоволны. Передатчики на всех спутниках их излучают на двух частотах, обозначаемых L1 и L2. Две частоты нужны для того, чтобы исключить из измерений существенные временные задержки, возникающие при прохождении радиоволн через ионосферу. В ГСП частоте Ы соответствует длина волны 19,0 см, а частоте L2— длина волны 24,4 см. В ГЛОНАСС значения несущих частот Ы и L2 у каждого спутника свои, а соответствующие им длины волн близки к 19 см и 24 см. Дальномерные коды представляют собой импульсы, чередую-щиеся в строго определенной последовательности, их обозначают символами 0 и I. Таким образом,код — это некоторая периодически повторяющаяся комбинация 0 и 1. Генерируют коды двух типов: стандартной и высокой точности. Первые попроще, они предназначены для гражданских пользователей, вторые точнее, сложнее и ис-пользуются в военных целях.

Коды и навигационное сообщение встраиваются в несущие волны и с их помощью переносятся со спутника в приемник пользователя. Высокоточные коды передаются на частотах Ы и L2, а гражданские коды — только на несущей частоте Ы. Это означает, что измеренные при помощи гражданских кодов дальности не защищены от ионосферных искажений. В ГСП применяют кодовое разделение сигналов, все спутники работают на одних и тех же частотах, но каждый имеет свой код. В ГЛОНАСС — частотное разделение сигналов, каждый спутник имеет свои частоты, но у всех одинаковые коды.

Спутники ГСП и ГЛОНАСС передают в приемники навигационные сообщения, которые несут телеметрические данные, информацию о времени, метки времени и эфемериды (сведения, по которым вычисляются координаты спутника), а также альманах — сборник менее точных данных о местонахождении и состоянии всех спутников. Альманах нужен для планирования измерений. Точные сведения, касающиеся конкретного спутника, передаются только этим спутником. Информация альманаха транслируется всеми спутниками.

Спутниковые приемники, составляющие подсистему аппаратуры пользователей (АП), достигли высокого совершенства. Созданы приемники, ориентированные на использование спутников только одной системы и на одновременное использование спутников ГСП и ГЛОНАСС.

Все современные спутниковые приемники — многоканальные, с шестью и более каналами. Каждый канал следит за своим спутником. При измерениях возникает проблема срыва сигналов на трассах распространения радиоволн из-за препятствий в виде рельефа, деревьев, зданий и других сооружений. Чем больше каналов, тем легче преодолеть эти трудности и найти необходимое количество видимых спутников.

По конструктивным особенностям приемники делятся на:

♦ односистемные, ориентированные на прием сигналов одной системы;

♦ двухсистемные, принимающие сигналы как ГЛОНАСС, так и ГСП;

♦ кодовые, работающие только с дальномерными кодами;

♦ кодово-фазовые одночастотные, применяющие дальномерные коды и фазовые измерения только на частоте L1;

♦ кодово-фазовые двухчастотные, использующие дальномерные коды и фазовые измерения на частотах Ы и L2.

Кодовые приемники легки, компактны, умещаются на ладони. В одном корпусе совмещены все блоки (антенна, приемник, источник питания). С их помощью возможно не только определить пространственное положение, но и вычислить скорость и направление движения. Эти приемники выдают координаты в различных форматах (широты, долготы, высоты, плоские координаты в разных проекциях и др.), они способны накапливать и хранить результаты измерений. Пользователь снимает отсчеты по подсвечиваемому экрану, определяет расстояние, азимут и время прибытия к цели; на многих экранах можно видеть карту маршрута и свое положение на ней. Кодовые приемники становятся основными приборами местоопределения в географических, геологических и других работах.

Кодово-фазовые приемники малогабаритны, обычно оснащены отдельной антенной, имеют мощные накопители данных. Все они снабжены портами для интеграции с другой аппаратурой, питаются в основном от аккумуляторов. Нередко клавиатура с дис-плеем установлена на вспомогательном устройстве — контроллере. Пользователь держит в руке контроллер и при измерениях вводит необходимые команды, такие как имя точки, высота антен-ны, атрибуты объекта местности и др.

По специализации приемники могут быть предназначены для:

♦ сбора данных для географических информационных систем (ГИС);

♦ создания геодезических сетей и выполнения топографических съемок;

♦ решения навигационных задач;

♦ обеспечения пожарных служб, милиции, скорой медицинской помощи, перевозки грузов, мобильной связи и др.