Спутниковые способы определения координат

4 октября 1957 г., в день запуска в СССР первого искусствен­ного спутника Земли (ИСЗ), было положено начало стремитель­но развивающейся ветви геодезии — космической, или спутнико­вой. Эта новая ветвь геодезии нацелена прежде всего на решение двух групп задач — передачи координат на большие расстояния и измерения гравитационного поля Земли. В соответствии с этими задачами методы их решения также обычно делят на две группы: связанные с использованием спутника как цели-точки с извест­ными координатами в определенные моменты времени наблюде­ний; основанные на исследовании траектории его полета, точно­го вида орбиты. Первую группу задач называют геометрической (космическая триангуляция, космическая линейная засечка), вто­рую — динамической (орбитальный метод). Естественно, абсо­лютной границы между задачами геометрического и динамичес­кого характера нет, так как они связаны едиными законами дви­жения ИСЗ.

Рис. 40 Орбита ИСЗ

Невозмущенное движение ИСЗ происходит в общем случае поэлиптической орбите (Рис. 40)

Рис. 41 Ориентация орбиты ИСЗ

Один из фокусов эллипса 3 — центр масс Земли; А — точка апогея, максимального удаления от Земли; П — точка перигея, ближайшая к Земле точка орбиты. Линия, соеди­няющая точки апогея и перигея, называется линией апсид.

Движение спутника происходит в неизменной плоскости ор­биты, ориентация которой в пространстве определяется двумя угловыми величинами i и Ψ((рис. 41). i — наклон плоскости орбиты к плоскости экватора (если i = 0°, орбита экваториальная, если i = 90°, орбита полярная); угол Ψ — долгота восходящего узла. Линия ЗУ, по которой плоскость орбиты пересекает плоскость экватора, называется линией узлов. Углом ω (долгота перигея) определяется разворот или положение эллипса в плоскости орби­ты. Для знания конкретного положения спутника должно быть еще известно время / прохождения, например, точки П. Всего, следо­вательно, нужно знать шесть параметров — шесть «кеплеровых элементов» (а, е, i, Ψ, ω, t).

Истинное движение спутника — возмущенное, не подчиняю­щееся строгим законам Кеплера. Измерение этих возмущений — путь к познанию реального гравитационного поля Земли. Именно орбитальные наблюдения позволили выявить асимметрию север­ного и южного земных полушарий: наземные гравиметрические измерения, хотя они и точнее спутниковых, в полярных районах практически не проводились.

В зависимости от вида задач — геометрических или динамичес­ких — параметры орбит спутников существенно различаются. Для изучения гравитационного поля Земли необходимы «низкие и тяжелые» спутники с высотой перигея 500 — 800 км. При меньших высотах на движение ИСЗ будет оказывать заметное влияние ат­мосфера Земли, при больших высотах ощутимо влияние светово­го давления и лунно-солнечного притяжения. Эти спутники дол­жны, по возможности, иметь максимальное отношение массы к диаметру (форма ИСЗ, как правило, сферическая).

Для решения геометрических задач более удобны орбиты с боль­шим наклонением (углом i), малым эксцентриситетом (е близко к 0) и достаточно большой высотой над земной поверхностью (от 3 до 30 тыс. км). Проекция на земную поверхность положения ИСЗ по отвесной линии называется подспутниковой точкой. Чем больше угол i, тем больше амплитуда синусоиды — трассы под­спутниковой точки (на карте мира относительно линии эквато­ра), тем лучше условия для наблюдения спутника в высоких ши­ротах. Чем меньше угол i, тем меньше амплитуда, тем ближе трас­са к экватору.

Среди спутников с экваториальной круговой орбитой (i = 0°, е = 0) особенно важен для геодезии тот, высота которого имеет некоторое определенное значение. Известно, что период обраще­ния ИСЗ может быть вычислен по формуле

Т_мин = 84,4 + Н/25,

где Т_{ми н} - период обращения ИСЗ, мин; Н - высота ИСЗ над земной поверхностью, км.

При Н = 33 900 км период обращения спутника равен 24 ч, таким образом, его трасса на карте Земли превращается в точку, он как бы зависает над определенным пунктом экватора. Такие ИСЗ называют геостационарными спутниками.

В связи с огромной скоростью движения ИСЗ (около 7 км/с) определение их пространственного положения выполняется приемами, несколько отличными от обычных геодезических изме­рений. Наибольшее распространение получили два способа — фотографический и радиотехнический.

Спутниковые системы существуют более тре­ти века. Долгое время они обеспечивали навигационной инфор­мацией самолеты, морские суда и подводные лодки. Однако дос­тигнутый с помощью таких систем высокий уровень точности определения местоположения объектов привел к широкому ис­пользованию космических навигационных систем в различных областях человеческой деятельности. Поэтому глобальные косми­ческие навигационные системы в большинстве случаев стали на­зывать навигационно-геодезическими (универсальными).

Универсальность означает возможность использования аппа­ратуры как в геодезических, так и в навигационных целях; на суше, море, в воздухе и ближнем космическом пространстве; ди­намическими и статическими пользователями; для определения абсолютного и относительного положения объекта. Возросшие возможности этих систем позволяют наряду с решением задач нахождения геоцентрических координат пунктов на уровне точ­ности около 1 м определять относительные координаты на уровне точности, близкой к 1 • 10~⁷.

В настоящее время применяют две системы второго поколе­ния — американская GPS и российская ГЛОНАСС, намечается введение в эксплуатацию европейской системы под названиемGalileo.

Американский генерал X. Стехлинг предложил термин, отра­жающий универсальное назначение системы - позиционирова­ние. Ему соответствует название американской спутниковой сис­темы: Global Роsitioning Sistem - GPS. Под позиционированием понимается реализация возможных способов использования сис­темы для определения параметров пространственного состояния

объектов наблюдения. Такими параметрами могут быть координа­ты приемника, вектора скорости его перемещения, пространствен­ный вектор между двумя приемниками, точное время позицио­нирования. Следовательно, определение местоположения объек­та, скорости его перемещения, пространственного вектора между пунктами наблюдения, фиксация точного времени представляют собой частные случаи позиционирования. Спутниковые системы GPS и ГЛОНАСС обеспечивают позиционирование в любой точ­ке земной поверхности, в любое время суток, в любую погоду.

Российская система получила название ГЛОНАСС - Глобаль­ная навигационная спутниковая система и в соответствии с рос­сийским стандартом ГОСТ Р 51794-2001 именуется ГСП - Гло­бальная система позиционирования.

Система GPS полностью развернута в 1995 г., система ГЛО­НАСС — в 1996 г. Однако вскоре в системе ГЛОНАСС прекрати­лось планомерное восстановление ИСЗ, и она до сих пор остается недоукомплектованная ими.

Техническими предпосылками создания таких систем явились высокая надежность спутников и создание сверхстабильных атом­ных эталонов времени. GPS действует в координатной системе WGS-84, а ГЛОНАСС работает в системе ПЗ-90.

Структура систем ГЛОНАСС и GPS. В состав каждой из систем входят три подсистемы (сегмента):

• подсистема космических аппаратов (КА) и стартовые комп-
лексы;

• подсистема наземного контроля и управления (НКУ);
. подсистема приемной аппаратуры потребителей (АП).
Каждая из подсистем GPS и ГЛОНАСС включает группировку

из 24 КА. Спутники ОРЗ распределены в шести, а спутники ГЛО­НАСС в трех орбитальных плоскостях, развернутых соответствен-то через 60° и через 120° по долготе восходящего узла (рис. 42).

Орбиты расположены так, что в любое время над любой точкой земной поверхности видно «созвездие» не менее чем из четырех КА. На каждом спутнике имеются: четыре дорогостоящих атомных эталона частоты и времени, обеспечивающие генерацию радиосигналов и меток шкал времени, средства для приема и передачи радиосигналов и др. Со спутника передаются эфемериды ИСЗ и альманах всех ИСЗ системы и другие сведения.

Эфемеридами называют данные, характеризующие орбиту ИСЗ и некотором относительно коротком интервале времени, позволяющие с высокой точностью вычислить местоположение спутника на момент измерений в общеземной геоцентрической систе­ме координат WGS-84 или СК-90. Альманах - сборник данных о всех спутниках GPS - содержит сведения о местоположениях спутников, времени их восхода и захода, их высотах над горизонтом и азимутах, используется для планирования измерений.

Рис. 42 Орбитальная группировка спутников глобальных систем

позиционирования: а - ГЛОНАСС; б - GPS

Подсистема НКУ состоит из станций: слежения за КА, собира­ющих информацию об орбитах спутников; службы точного време­ни; главной станции с вычислительным центром, обрабатываю­щим орбитальную информацию и прогнозирующим координаты (эфемериды) спутников; станций загрузки данных на борт КА. Кос­мические аппараты принимают и хранят информацию с наземных станций, а также непрерывно распространяют ее среди потребите­лей радиосигналами в составе навигационных сообщений.

Подсистема потребителя GPS включает совокупность аппарат­но-программных средств, реализующих возможные способы ис­пользования системы — определение навигационных данных на суше, поверхности моря, в воздухе, околоземном пространстве и | геодезических положений на поверхности Земли.

Для обеспечения возможности определения координат в любом месте Земли и в любой момент времени число спутников приходилось увеличивать, что привело к появлению их «созвездий», или систем (рис. 42). В России разрабатывается си­стема ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая систе­ма), в США в конце 1970-х гг. разработана «Глобальная система местоопределения» - GPS.

Система GPS состоит из 24 спутников, относительно равно­мерно распределенных над поверхностью Земли (на круговых ор­битах высотой около 22 тыс. км), и нескольких наземных стан­ций-обсерваторий, с которых ведется непрерывное их наблюде­ние. Траектория орбиты каждого спутника, таким образом, не­прерывно уточняется и передается на соответствующий спутник-носитель, который в свою очередь эту информацию ретрансли­рует в виде так называемого альманаха. На каждом спутнике рас­полагается генератор псевдослучайных колебаний (используют­ся две частоты: 1 575,42 МГц и 1 227,60 МГц) и в целях макси­мальной надежности по несколько экземпляров сверхпрецизи­онных атомных часов. На Земле в определяемой точке располага­ется спутниковый приемоиндикатор, в котором генерируются точно такие же псевдослучайные кодированные сигналы, при­чем строго синхронно с излучением со спутника. Сравнение двух колебаний позволяет определить время прохождения сигнала от спутника до приемника (с точностью до 10~⁹ с), а следователь­но, и вычислить расстояние между ними. Знание мгновенных

значений расстояний от данной точки до четырех спутников, ко­ординаты которых известны, по­зволяет вычислить координаты на­хождения приемоиндикатора.

Рис. 42Расположение спуников в системах местоопре­деления

Заметное повышение точности при спутниковых определениях координат достигается одновременным применением двух при-емоиндикаторов - базового, или станционного, находящегося постоянно в одном пункте с известными координатами, и под­вижного, перемещающегося по определяемым точкам. Информа­ция, записанная на обоих приемоиндикаторах, затем обрабаты­вается на компьютере с помощью специальной программы, что обеспечивает сантиметровую и даже миллиметровую точность оп­ределения координат.

Терминология методики спутниковых измерений в настоящее время формируется в русском языке в основном на основе про­спектов иностранных фирм — производителей измерительного оборудования. Если подвижная станция на определяемой точке функционирует не менее часа, такой метод работы называют «ста­тическим»; если продолжительность наблюдений составляет от 5 до 15 мин, — это метод «быстрой статики»; если сеанс наблюде­ний еще короче, — метод «кинематики»; если регистрация изме­ренных данных осуществляется безостановочно, — метод «непре­рывной кинематики»; если сеансы наблюдений по несколько ми­нут повторяются через несколько часов, — метод «реоккупации» и т. п. Каждая фирма указывает свои величины продолжительнос­ти наблюдений для каждого метода. Глобальным системам местоопределения, безусловно, принад­лежит большое будущее.

Сущность местоопределения. В основе определения координат спутникового приемника лежит метод линейных засечек, или три-латерации (рис. 43). Роль опорных пунктов выполняют КА, коор­динаты которых должны быть известны в любой момент времени. При помощи аппаратуры, расположенной на спутниках и на по­верхности Земли, измеряют расстояния и скорости изменения КА вследствие перемещений их относительно потребителя. В геодези­ческих целях преимущественно пользуются расстояниями. Если от спутникового приемника известны расстояния до трех КА, то в результате пересечения трех сфер, которым соответствуют расстоя­ния, получатся две точки. Этого достаточно для однозначного оп­ределения координат, так как из двух возможных точек расположе­ния приемника лишь одна находится на поверхности Земли (или в непосредственной близости от нее), а вторая, ложная, — либо глу­боко внутри Земли, либо очень высоко над ее поверхностью. Такие искаженные расстояния на­зывают псевдодальностями, а для нахождения верных расстояний и определения трехмерных координат GPS-приемника использу­ют, как минимум, четыре (или более) спутника. Получив сигнал от спутников, GPS-приемник ищет точку пересечения соответству­ющих сфер. Если такой точки нет, процессор GPS-приемника на­чинает методом последовательных приближений корректировать свои часы до тех пор, пока не добьется пересечения всех сфер в одной точке.

Рис43. Концепция определения положения объекта методом ОР5:

а — синхронное определение псевдодальностей от приемника ОР5 до спутни­ков; б — геометрическая интерпретация определения положения объекта по че­тырем дальностям от него до спутников ОР5; 1— 4 — космический аппарат «GPS»; 5 — земная поверхность; 6 — общеземной эллипсоид; О — центр масс Земли — начало прямоугольной геоцентрической системы координат; Р — приемник на определяемом пункте

Х_Р, Y_Р, Z_Р - искомые координаты приемника; X_I,, У_I, Z_I (I= 1, 2, 3, 4) -координаты спутников в пространственной системе ко­ординат, отнесенные к определенному моменту времени.

Расстояния до спутников определяют как произведение време­ни прохождения от них радиосигналами пути до приемника на известную скорость электромагнитных колебаний. Время получа­ют косвенным путем, используя специальные коды или фазовые измерения..

Спутник передает свою последовательность в виде непрерывного радиосигнала, а GPS-приемник, будучи включенным в про­извольный момент времени, принимает ее и находит величину задержки дальномерного сигнала относительно своей опорной последовательности импульсов (рис. 43). Для этого ПСП на спутнике и в приемнике пользователя генерируют строго синхронно. Тогда приходящая от спутника кодовая последовательность будет запаздывать по отношению к такой же последовательности в аппаратуре наземной станции на время r = t₂- t₁, равное распростра нению сигнала от космического аппарата до аппаратуры пользователя, где t₁ - момент излучения сигнала на спутнике, t₂ - момент его приема на наземной станции. Поэтому время прохождения сигнала от спутника до станции определяют путем задержки сигнала, вырабатываемого на спутнике, на такое время t₁ - t₂, чтобы принимаемый сигнал успел его «догнать» и оба они совпали.

Следует отметить, что время прохождения сигнала со спутника составляет около 70 мс (Т = 20000 км/300000 км/с = 0,066 с), а измерить такой малый интервал времени с высокой точностью (погрешность в расстоянии порядка 10м соответствует погрешности в определении временной задержки 10/300000 = 3-10~⁸ с) способны только квантовые стандарты частоты, так называемые «атомные» часы, располагаемые на спутниках. В GPS-приемниках устанавливают менее дорогие и менее точные кварцевые генераторы, а возникающие из-за этого ошибки синхронизации часов устра­няют методом определения расстояния до четвертого спутника и математической обработкой данных измерений.

В аппаратуре потребителя (GPS-приемнике) производится по­иск, усиление и разделение сигналов, принадлежащих разным космическим аппаратам, определение временных задержек рас­пространения сигналов от спутников и таким образом вычисле­ние псевдодальностей до них.

Комплект аппаратуры потребителя зависит от его назначения. Чем точнее работы, тем сложнее аппаратура. Наиболее совершен­ные приемные системы применяют в геодезических целях. Комп­лект аппаратуры пользователя для геодезических целей включает антенну, приемник, контроллер (управляющее устройство), ак­кумуляторы или батареи, блок питания (для зарядки аккумулято­ров и работы от сети), кабели, штативы, вешку для установки антенны, рулетку или специальное приспособление для измере­ния высоты антенны и прочее оснащение. Для обработки измере­ний обязателен персональный компьютер с программным обес­печением.

Приемники классифицируют по конструктивным особеннос­тям, назначению и некоторым другим признакам. Так, по видам принимаемых сигналов приемники делят на кодовые и фазовые; по техническим возможностям — на односистемные (принимаю­щие сигналы от одной системы GPS или ГЛОНАСС) или двухсистемные, ориентированные на прием сигналов как от GPS, так и от ГЛОНАСС; по назначению — для навигационных, военных, геодезических и других целей. Применяются приемники, совме­щенные с электронными тахеометрами.

1 — кнопка питания; 2 —- клавиша команд; 3 — клавиша возврата на предыду­щую команду; 4 — плоская антенна; 5 — клавиша ввода координат путевой точ­ки при решении навигационных задач; клавиши со стрелками — управление курсором

В не­которых их конструкциях информация об ожидаемой точности местоопределения указывается не в числовых значениях РВОР (баллах), а непосредственно в единицах длины. На дисплеях поме­щается не только цифровая информация, но и графическая -упрощенная схема местности, трасса движения (в плане и по вы­соте), звездная карта с расположением спутников и т.п.

Какой бы приемоиндикатор - выпуска 1990-х гг. или сверхсов­ременный - ни применять, нельзя забывать о предварительной установке трех исходных параметров. Из ветвей пер­вой следует выбрать нужную систему координат, второй - эл­липсоид, третьей - метрическую или футовую систему единиц длин. Если выбор единиц измерений осуществляется одним нажатием клавиши, то с выбо­ром систем координат и эллипсоида дело обстоит значительно сложнее. Все современные приемоиндикаторы зарубежных фирм в программном обеспечении не имеют систем прямоугольных ко­ординат и моделей Земли, принятых в России. Поэтому российс­кие геодезисты обычно используют прямоугольную систему ко­ординат WТМ и модель Земли WGS-84 с последующим пересче­том.

Максимальные точности измерения координат спутниковыми методами, а это в настоящее время величины около 5 -10 мм, возможны только в режиме GPS.

Рис. 5.25. Двухчастотный спутниковый приемоиндикатор

Дата добавления: 2014-01-06