История и развитие систем глобального позиционирования. Использование систем GPS/ГЛОНАС в современных геодезических изысканиях

Для реализации технологии Autonav на НКА Блок-IIR размещаются средства межспутниковой связи, обмена данными и измерения взаимных дальностей, позволяющие проводить автономную синхронизацию БШВ и автономное уточнение параметров орбит. Именно эти средства и обеспечивают автономную работу ГНСС в течение 180 дней без существенного ухудшения точности (СКО определения координат в течение указанного периода не более 16 м) с сохранением характеристик по устойчивости функционирования. При отсутствии системы Avtonav такая точность может быть сохранена только в течение двух недель. Следует отметить, что эта технология может быть реализована лишь при наличии на орбите не менее 16 НКА типа II-R.

Перспективные НКА Блок-IIF, предназначенные для замены НКА Блок-IIR, предполагают увеличение срока службы до 14 и более лет, а также совершенствование структуры сигнала и координатно-временного обеспечения НКА. В частности, на этих НКА будет установлена система межспутниковых измерений Crosslink Nav, являющаяся развитием технологии Avtonav. Рассматривается возможность включения в систему наземных станций межспутниковых измерений, аналогичных тем, что размещаются на НКА. Утверждается, что наличие даже одной такой станции позволяет существенно повысить точность эфемеридных измерений в условиях ограничений на расположение наземных КС.

2.2.2 Подсистема контроля и управления GPS

Наземный комплекс управления GPS состоит из сети наземных станций слежения, расположенных по всему миру (Рисунок 7). Сеть включает главную (ведущую) станцию, КС и земные станции ввода данных на НКА (три). Главная станция контроля и управления находится на авиабазе Фалкон (Шривер) ВВС США в районе г. Колорадо-Спрингс, штат Колорадо. Ее основу составляет центр управления с вычислительным комплексом и средства передачи данных на земную станцию связи с НКА. Контрольные станции в настоящее время размещены на атолле Диего-Гарсиа (архипелаг Чагос в Индийском океане), на о. Вознесения (в Атлантическом океане), на Гавайях и атолле Кваджалейн (в Тихом океане); одна КС совмещена с главной станцией [10]. Тот факт, что станции расположены сравнительно равномерно по земному шару вблизи экватора, создает благоприятные условия для наблюдений за НКА.

Рисунок 7 Схема расположения элементов наземного комплекса управления GPS

Эти станции принимают сигналы спутников GPS и осуществляет прецизионные измерения дальности до 1ІКА, по которым на главной станции осуществляются точные расчеты параметров орбит, ионосферной модели и корректирующих поправок для бортовых часов. Для точного определения орбит НКА используется беззапросный метод. По соответствующим измерениям задержки дальномерных сигналов НКА осуществляется точное определение параметров орбит и параметров движения НКА. Через земные станции связи (атолл Диего-Гарсиа, о. Вознесения, атолл Кваджалейн) главная станция передает на борт каждого НКА эти параметры совместно с данными обработки метеорологической информации, позволяющей уточнить параметры модели тропосферы. Производится также мониторинг состояния НКА и управление их работой.

2.3 Сравнение и недостатки систем ГЛОНАСС и GPS

В данном разделе рассмотрим некоторые особенности основных систем спутниковой навигации (GPS и ГЛОНАСС):

Обе системы имеют двойное назначение -- военное и гражданское, поэтому излучают два вида сигналов: один с пониженной точностью определения координат (~100 м) для гражданского применения и другой высокой точности (~10-15 м и точнее) для военного применения. Спутники NAVSTAR располагаются в шести плоскостях на высоте примерно 20 180 км. Спутники ГЛОНАСС (шифр «Ураган») находятся в трёх плоскостях на высоте примерно 19 100 км. Hоминальное количество спутников в обеих системах -- 24. Группировка NAVSTAR полностью укомплектована в апреле 1994-го и с тех пор поддерживается, группировка ГЛОНАСС была полностью развёрнута в декабре 1995-го, но с тех пор значительно деградировала. В настоящий момент идёт её активное восстановление.

Обе системы используют сигналы на основе «псевдошумовых последовательностей», применение которых придаёт им высокую помехозащищённость и надёжность при невысокой мощности излучения передатчиков.

В соответствии с назначением, в каждой системе есть две базовые частоты -- L1 (стандартной точности) и L2 (высокой точности). Для NAVSTAR L1=1575,42 МГц и L2=1227,6 МГц. В ГЛОHАСС используется частотное разделение сигналов, т. е. каждый спутник работает на своей частоте и, соответственно, L1 находится в пределах от 1602,56 до 1615,5 МГц и L2 от 1246,43 до 1256,53. Сигнал в L1 доступен всем пользователям, сигнал в L2 -- только военным (то есть, не может быть расшифрован без специального секретного ключа).

Каждый спутник системы, помимо основной информации, передаёт также вспомогательную, необходимую для непрерывной работы приёмного оборудования. В эту категорию входит полный альманах всей спутниковой группировки, передаваемый последовательно в течение нескольких минут. Таким образом, старт приёмного устройства может быть достаточно быстрым, если он содержит актуальный альманах (порядка 1-й минуты) -- это называется «тёплый старт», но может занять и до 15-ти минут, если приёмник вынужден получать полный альманах -- т. н. «холодный старт». Необходимость в «холодном старте» возникает обычно при первом включении приёмника, либо если он долго не использовался.

Отдельные модели спутниковых приёмников позволяют производить. «дифференциальное измерение» расстояний между двумя точками с большой точностью (сантиметры). Для этого измеряется положение навигатора в двух точках с небольшим промежутком времени. При этом, хотя каждое такое измерение имеет точность порядка 10-15 метров без наземной системы корректировки и 10-50 см с такой системой, измеренное расстояние имеет погрешность намного меньшую, так как факторы, мешающие измерению (погрешность орбит спутников, неоднородность атмосферы и т. д.) в этом случае взаимно вычитаются. Кроме того, есть несколько систем, которые посылают уточняющую информацию («дифференциальную поправку к координатам»), позволяющую повысить точность измерения координат приёмника до десяти сантиметров. Дифференциальная поправка основана на геостационарных объектах (спутниках, наземных базовых станциях), обычно является платной (расшифровка сигнала возможна только одним определённым приёмником после оплаты «подписки на услугу»). В настоящее время (2006-й год) существует бесплатная европейская система EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Services), основанная на двух геостационарных спутниках, дающая высокую точность (до 30 см), но работающая с перебоями и ненадёжно. В Северной Америке её аналогом является система WAAS.

Несмотря на некоторые преимущества, у GPS есть и недостатки. Например, GPS- приемник может быть отключен в любой момент, скажем, из соображений безопасности США. Кроме того, внедрение GPS- технологии подразумевает наличие подробных электронных карт c масштабом до 100 м, которые есть в свободной продаже не в каждой стране.

Нельзя не упомянуть то обстоятельство, что при вычислении координат спутниковая система допускает погрешности. Природа этих ошибок различна. Основными источниками ошибок, влияющими на точность навигационных вычислений в GPS-системе, в частности, являются:

- погрешности, обусловленные режимом селективного доступа (Selective availability, S/A). Используя данный режим, Министерство Обороны США намеренно снижает точность определения местонахождения для гражданских лиц. В режиме S/A формируются ошибки искусственного происхождения, вносимые в сигнал на борту GPS-спутников с целью огрубления навигационных измерений. Такими ошибками являются неверные данные об орбите спутника и искажения показаний его часов за счет внесения добавочного псевдослучайного сигнала. Величина среднеквадратического отклонения из-за влияния этого фактора составляет, примерно, 30 м.

- погрешности, связанные с распространением радиоволн в ионосфере. Задержки распространения сигналов при их прохождении через верхние слои атмосферы приводят к ошибкам порядка 20-30 м днем и 3-6 м ночью. Несмотря на то, что навигационное сообщение, передаваемое с борта GPS- спутника, содержит параметры модели ионосферы, компенсация фактической задержки, в лучшем случае, составляет 50%.

- погрешности, связанные с распространением радиоволн в тропосфере. Возникают при прохождении радиоволн через нижние слои атмосферы. Значения погрешностей этого вида при использовании сигналов с С/А- кодом не превышают 30 м.

- эфемеридная погрешность. Ошибки обусловлены расхождением между фактическим положением GPS-спутника и его расчетным положением, которое устанавливается по данным навигационного сигнала, передаваемого с борта спутника. Значение погрешности обычно не боее 3м.

- погрешность ухода шкалы времени спутника вызвана расхождением шкал времени различных спутников. Устраняется с помощью наземных станций слежения или за счет компенсации ухода шкалы времени в дифференциальном режиме определения местоположения.

- погрешность определения расстояния до спутника является статистическим показателем. Он вычисляется для конкретного спутника и заданного интервала времени. Ошибка не коррелированна с другими видами погрешностей. Ее величина обычно не превышает 10 м.

К недостаткам системы ГЛОНАСС обычно относят:

необходимость сдвига диапазона частот вправо, так как в настоящее время ГЛОНАСС мешает работе, как подвижной спутниковой связи, так и радиоастрономии

- при смене эфемерид спутников, погрешности координат в обычном режиме увеличиваются на 25-30м, а в дифференциальном режиме - превышают 10 м;

- при коррекции набежавшей секунды нарушается непрерывность сигнала ГЛОНАСС. Это приводит к большим погрешностям определения координат места потребителя, что недопустимо для гражданской авиации;

- сложность пересчета данных систем ГЛОНАСС и GPS из-за отсутствия официально опубликованной матрицы перехода между используемыми системами координат.

В итоге, не смотря на то, что системы GPS и ГЛОНАСС во многом подобны, но имеют и различия (что хорошо видно из таблицы 2). Они разрабатывались с учетом наиболее вероятных областей применения. Поэтому ГЛОНАСС имеет преимущества на высоких широтах, а GPS -- на средних.

Таблица 2 - Основные характеристики навигационных систем ГЛОНАСС и GPS

Характеристики	ГЛОНАСС	GPS
Количество спутников (проектное)	24	24
Количество орбитальных плоскостей	3	6
Количество спутников в каждой плоскости	8	4
Тип орбиты	Круговая (S=0+-0,01)	Круговая
Высота орбиты	19100 км	20200 км
Наклонение орбиты, град	64,8+-0,3	55 (63)
Период обращения	11 ч 15,7 мин.	11 ч 56,9 мин.
Способ разделения сигналов	Частотный	Кодовый
Навигационные частоты, МГц: L1 L2	1602,56 -- 1615,5 1246,44 -- 1256,5	1575,42 1227,6
Характеристики	ГЛОНАСС	GPS
Период повторения ПСП	1 мс	1 мс (С/А-код) 7 дней (Р-код)
Тактовая частота ПСП, МГц	0,511	1,023 (С/А-код) 10,23 (Р,Y-код)
Скорость передачи цифровой информации, бит/с	50	50
Длительность суперкадра, мин	2,5	12,5
Число кадров в суперкадре	5	25
Число строк в кадре	15	5
Погрешность* определения координат в режиме ограниченного доступа: горизонтальных, м вертикальных, м	не указана	18 (P,Y-код) 28 (P,Y-код)
Погрешности* определения проекций линейной скорости, см/с	15 (СТ-код)	<200 (С/А-код) 20 (P,Y-код)
Погрешность* определения времени в режиме свободного доступа, нс в режиме ограниченного доступа, нс	1000 (СТ-код) --	340 (С/А-код) 180 (P,Y-код)
Система отсчета пространственных координат	ПЗ-90	WGS-84
* Погрешности в определении координат, скорости и времени для системы ГЛОНАСС -- 0,997, для GPS -- 0,95.

3. Аппаратура потребителей и сферы применения систем глобального позиционирования

3.1 Аппаратура потребилей систем глобального позиционирования

3.1.1 Приёмники

Приёмник -- радиоприёмное устройство для определения географических координат текущего местоположения антенны приёмника, на основе данных о временных задержках прихода радиосигналов, излучаемых спутниками группы GPS и/или ГЛОНАСС. Пример GPS-приёмника представлена на рисунке 8.

Рисунок 8 Пользовательский GPS-приёмник

Максимальная точность измерения составляет 3 - 5 метров, а при наличии корректирующего сигнала от наземной станции -- до 1 мм (обычно 5-10мм) на 1 км расстояния между станциями (дифференциальный метод). Точность коммерческих навигаторов составляет от 150 метров (у старых моделей при плохой видимости спутников) до 3 метров (у новых моделей на открытом месте). Кроме того, при использовании систем SBAS и местных систем передачи поправок точность может быть повышена до 1-2 метров по горизонтали.

На базе приёмников создаются как самостоятельные устройства --имеющие собственный процессор для необходимых расчётов и (в основном, у навигаторов) дисплей для отображения информации, и GPS-приставки к КПК и ноутбукам, которые бывают беспроводные (BlueTooth, Wi-Fi, IrDa) и проводные (USB, RS-232, PS/2). Последние также жаргонно называют GPS-мышками из-за внешнего сходства с компьютерными мышами. Помимо этих устройств, для навигации используются онбордеры (встроенные автомобильные компьютеры).

Всё навигационное оборудование условно делится на пользовательское (Рисунок 8) и профессиональное (Рисунок 9). Профессиональное отличается качеством изготовления компонент (особенно антенн) и ПО, поддерживаемыми режимами работы (например RTK, binary data output), рабочими частотами (L1+L2), алгоритмами подавления многолучевости, солнечной активности (влияние ионосферы), поддерживаемыми системами навигации (например только GPS или ГЛОНАСС, а также GPS+ГЛОНАСС) и, разумеется, ценой.

Пользовательские приёмники помимо собственно широты, долготы и высоты способны сообщить: точное время (некоторые приёмники имеют выход PPS); ориентацию по сторонам света (в моделях без встроенного компаса -- только направление скорости при движении); высоту над уровнем моря (при условии приёма сигнала более четырёх спутников или при наличии встроенного баровысотомера); направление на точку с координатами, заданными пользователем; текущую скорость, пройденное расстояние, среднюю скорость; данные с информацией о состоянии дороги -- пробки, дорожные работы и т. д. (в моделях, оснащённых TMC-приёмником и при наличии службы «Канал автодорожных сообщений») текущее положение на электронной карте местности (модели, оснащённые картами), а также текущее положение относительно трека.

Рисунок 9 Профессиональный GPS-приёмник

Информация о пути перемещения (трек) может быть скопирована в файл, а затем передана (в частности, через Интернет) другим пользователям GPS, желающим двигаться тем же маршрутом.

При использовании GPS-приставки информация выводится на КПК, сотовый телефон или компьютер, к которому подключена эта приставка с помощью навигационного программного обеспечения. Физически соединение, как правило, осуществляется через последовательный порт (RS-232, USB, Bluetooth). Для связи приёмника с компьютером может использоваться двоичный (текстовый) протокол производителя приёмника (Garmin, Magellan и другие) либо производителя чипсета (Magellan, Sirf, Trimble и другие), при этом абсолютное большинство приёмников поддерживают обмен информацией с помощью текстового протокола NMEA.

Наличие карты существенно улучшает пользовательские характеристики навигатора. Навигаторы с картами показывают положение не только самого приёмника, но и объектов вокруг него.

Все электронные карты можно поделить на два основных типа -- векторные и растровые.

Растровые карты -- это самый простой и доступный тип карт. Фактически это изображение местности, к которому привязываются географические координаты. Масштаб растровой карты напрямую зависит от исходного варианта; или это фотография со спутника, или отсканированная бумажная карта. В России лучше всего представлены растровые карты крупных городов, для других районов карты найти проблематично. Также есть проблема привязки координат карты к координатам, выдаваемым приёмником (проблема датума). На платформах PC и Windows Mobile для использования растровых карт доступна популярная программа OziExplorer. Так же огромный массив растровых (фотографических, и растеризованных векторных) карт и средства работы с ними, включая поддержку работы с GPS-приёмниками, предоставляют такие интернет-сервисы, как Карты Google.

Векторные карты представляют собой базу данных, где хранится информация об объектах, их характеристиках и взаимном месторасположении, географических координатах и прочем. В картах могут храниться разнообразные характеристики местности: горы, реки, озера, впадины, дороги, мосты, уровни антропогенных загрязнений, типы растительности, расположение линий ЛЭП. Также многие подробные карты хранят множество таких объектов как заправки, гостиницы, кафе и рестораны, стоянки, посты дорожной полиции, запрещённые к проезду зоны, достопримечательности и памятники, культурные артефакты, больницы.

Поскольку в них не содержится объёмных графических изображений, места в памяти они занимают гораздо меньше, чем растровые и быстрее работают. Безусловным преимуществом векторных карт, является возможность искать на карте конкретные дома и улицы, достопримечательности, кафе, больницы, автозаправки и прочие необходимые путешественнику места. Кроме того, векторные карты позволяют показывать разную детализацию объектов при отображении карты в разных масштабах.

Существуют навигационные системы, позволяющие пользователю дополнять карты навигатора своими собственными объектами.

В специализированных автомобильных GPS-навигаторах (Рисунок 10) существует возможность прокладывать маршруты по векторной навигационной карте -- с учётом дорожных знаков, разрешённых поворотов и даже дорожных пробок.

Рисунок 10 Автомобильный GPS-навигатор

3.1.2 Трекеры

Следующий тип аппаратуры потребителя это - трекер, он содержит приёмник, с помощью которого он определяет свои координаты, а также передатчик для отправки их удаленному пользователю.

По конструкции различают два класса трекеров:

Персональный портативный трекер -- обычно так называется GPS-трекер малых размеров. Предназначен для индивидуального использования.

Автомобильный трекер (часто называемый: Автомобильный контроллер) -- это станционное устройство, которое подключается к бортовой сети автомобиля или другого транспортного средства.

Трекер может применяться для определения местонахождения людей, животных, товаров или транспорта, а также других объектов. Устройство записывает полученную информацию с регулярными интервалами, а затем может эти данные записывать или передавать их посредством радиосвязи, GPRS- или GSM-соединения, спутникового модема на сервер поддержки или другой компьютер (например, в виде SMS или по сети Интернет). В случае использования сервера поддержки, он обрабатывает полученные данные и регистрирует их в своей базе данных; затем пользователь трекера может зайти на сервер системы в сети Интернет под своим именем и паролем, и система отображает местонахождение и географию перемещения на карте. Передвижения трекера можно анализировать либо в режиме реального времени, либо позже. Функция трекинга существует у некоторых моделей сотовых телефонов.

Возможности применения трекеров включают:

Контроль за передвижением транспорта. Например, транспортная компания или такси-сервис могут поставить такое устройство на свои средства передвижения и, таким образом, получать информацию о времени и маршруте, искать угнанный автотранспорт.

Контроль за передвижением животных. Такие трекеры могут быть в виде ошейников или использоваться учёными или хозяевами домашних животных.

Контроль за ходом спортивных соревнований. Трекер позволяет узнать о нарушении правил, если участник соревнований решит сократить путь (например, в планеризме) или для определения величины дистанции (например, в джоггинге)

Наблюдение за людьми. Могут использоваться для контроля за передвижениями человека или его автомобиля для изучения его привычек, для поиска и защиты детей или пожилых людей. При этом родители на своём компьютере могут установить зону, в которой может находиться их ребёнок. Если владелец сотового телефона с функцией трекинга покинет эту зону, то на компьютер или на сотовый телефон родителей будет выведен сигнал тревоги.

Наблюдение за работниками. контроль помогает выявить маршрут выездных работников. Например торговых представителей, водителей, мерчандайзеров и др. С помощью программы для работы торговых агентов, в которой установлен контроль можно следить придерживаются ли маршрута персонал компании. Это помогает оптимизировать рабочий процесс, снизить не целевое использование рабочего времени.

Полуавтоматическое снабжение цифровых фотографий геотегами в EXIF/IPTC, для привязки фотографий к глобальным координатам и дальнейшего просмотра на картах.

Некоротые трекеры на сегодняшний день поддерживают кнопку «SOS», которая позволяет ребенку и любому другому пользователю отправить тревожный сигнал с точными координатами на несколько номеров в виде SMS сообщения.

Однако существуют и контрмеры против треккинга. Для этих целей используются средства подавления сигнала от трекера, которые могут создавать помехи в работе также других устройств, использующих те же частоты, что и трекер. Поэтому во многих странах использование средств подавления сигнала признаётся незаконным. При этом трекер продолжает записывать своё местоположение и эта информация может быть получена его собственником позже.

Против трекеров можно использовать также подавление сигнала, в результате чего трекер не может определить своего местоположения и теряется его основная функция.

Однако, некоторые производители трекеров, уже предусмотрели и совершенствуют информирование пользователя в случае обнаружения вероятности подавления сигнала противоугонных комплексов.

3.1.3 Логгеры

Еще один тип устройств это логгеры (logger, другими словами: recorder или DATA-логгер) -- особый класс радиоприёмников, который может работать в режиме обычного приёмника (только принимая информацию от спутниковой группировки) или -- в режиме рекордера/логгера записывая информацию о пройденном пути (треке) в свою встроенную память. Впоследствии накопленную информацию из приёмника можно выгрузить в компьютер для её анализа.

Некоторые производители для наименования производимых логгеров используют термин -- пассивный трекер (Passive Tracker).

Особенности конструкции

Логгеры бывают портативные (с питанием от малогабариного аккумулятора) или автомобильные (для закрепления его в транспортном средстве, с питанием от бортовой сети).

Наличие встроенной памяти для записи пути (трека, лога). В современных моделях логгеров объём памяти может достигать такой величины, что позволяет записать в него трек(и) размером до 200 000 точек.

Питание портативного логгера может быть автономным (от аккумуляторных батарей), от бортовой сети автомобиля или от USB-порта компьютера. Встречаются конструкции с комбинированным питанием -- от аккумуляторов и с питанием от солнечных батарей.

Некоторые модели логгеров имеют кнопку, нажимая на которую можно на записываемом пути отметить ту или иную важную (интересную) точку своего пути. Отмеченная точка будет отображена на пройденном пути специальной меткой.

3.2 Сферы применения систем глобального позиционирования

Системы глобального позиционирования нашли широкое применение во многих сферах жизнедеятельности человека. С помощью них можно создавать и обновлять базы данных ГИС для различных дисциплин. В частности они нашли широкое применение в сфере природных ресурсов, развития инфраструктуры и контроля городского хозяйства, сельском хозяйстве и социальных науках. Положение, время и дополнительную информацию можно собирать двигаясь по суше, воде и воздуху над интересующем вас местоположением.

Специалисты работающие в области природных ресурсов, такие как, геологи, географы, лесники и биологи использую ГНСС картографические системы для записи положений и дополнительной информации об объектах. Например, лесники в качестве дополнительной информации могут регистрировать возраст, состояние, количество и тип леса. Они могут также проводить съёмку территорий подлежащих вырубке или посадке. Биологи имеют возможность регистрировать ареалы расселения диких животных, маршруты их миграций, численность популяций и другую информацию.

GPS помогает при сборе данных о типах почв, которые в комбинации с трёхмерными моделями территорий позволяют выделить отдельные слои и аспекты для предсказания областей, требующих специального управления. Кроме того, GPS/ГЛОНАСС можно использовать для картографирования местоположения колодцев и других источников воды; записи размеров озёр и их состояния; регистрации ареалов распространения рыбы и диких животных; изменений береговой линии, полевых угодий и климатических зон.

Приложения в сфере городского хозяйства картографических систем включают в себя контроль транспортных потоков и инфраструктуры коммунального хозяйства. Улицы и проспекты могут быть оцифрованы при перемещении по этим объектам с одновременной записью координат. Состояние дорог, опасные участки требующие ремонта участки вводятся в виде дополнительной информации для последующего использования в программах инвентаризации и ГИС.

GPS\ГЛОНАСС оказывается крайне эффективным при съёмке канализационных, газовых и водных трубопроводах, а также электрических и телефонных линий. Такие объекты как, крышки колодце и пожарные гидранты картографируются как точки с соответствующей атрибутивной информацией.

Аварийные машины и ремонтные бригады могут использовать GPS/ГЛОНАСС для навигации непосредственно к месту аварии коммуникаций. Время их прибытия и отправления точно регистрируется, вместе с их комментариями и планом выполнения сервисных работ.

Кроме того, с помощью спутниковой навигации можно выполнять съёмку земельных участков, участков проведения строительных работ, объектов улиц и заводов расположенных в черте города.

GPS\ГЛОНАСС картографические системы помогают описывать особенности участков полей находящихся в интенсивном сельскохозяйственном применении. Вы можете точно связать такие характеристики как микроклимат, тип почвы, участки урожая повреждённые насекомыми или болезнями, объём собираемой продукции и т. п. с их местоположением.

Положение трактора или самолёта может быть использовано совместно с данными о типе почвы для выполнения более экономного расхода удобрений или химических распылителей. Это напрямую снижает стоимость затрат на удобрения и уменьшает загрязнение природных водных источников этими веществами.

Такие технология оказывает агрономам существенную помощь в создании баз данных, после анализа которых можно оценить эффект влияния различных методик проведения сельскохозяйственных работ на сбор выращенной продукции.

Археологи и историки могут использовать картографические системы для навигации и регистрации раскопок и исторических мест. Когда желаемая точка маршрута найдена, в базу данных ГИС записываются исчерпывающие данные по объекту, что позволяет в дальнейшем полностью восстановить картину на определённый момент времени.

В качестве примера, можно привести исследования выполненные антропологами в джунглях Венесуэлы. Учёные исследовали “белые пятна” в джунглях и использовали картографические GPS системы для регистрации мест проживания неизвестных местных племён. Местоположения и сопутствующие данные об уровне культурного развития которые были собраны, помогли в дальнейшем правительственным органам Венесуэлы создать резервации, чтобы сохранить в неприкосновенности уникальный быт местных племён.

Картографические GPS\ГЛОНАСС системы можно использовать в любых приложениях требующих точной временной привязки, положений и другой атрибутивной информации. Конечный результат не ограничивается выводом на карту. Положения объектов и маркеры времени могут быть также переданы в программные пакеты которым необходима информация для всевозможного моделирования, например создания цифровых моделей местности (ЦММ).

3.3 Использование систем GPS/ГЛОНАСС в современных геодезических изысканиях

Позитивные технико-экономические предпосылки, способствующие широкому применению спутниковых методов при проведения на местности различного вида съемок, связаны с открывшимися возможностями производить координатные определения оперативно, с высокой точностью, при любых условиях погоды и при отсутствии прямой видимости между пунктами. Основным ограничительным фактором является при этом требование обеспечения свободного обзора той части небосвода, где в момент измерений находятся наблюдаемые спутники. На практике такое требование не всегда удается выполнить из-за наличия различных экранирующих объектов (кроны деревьев, геодезические наружные знаки, стены зданий и др.), окружающих установленный на пункте спутниковый приемник. В этой связи при организации работ предпочтение отдают комбинированным методам, подразумевающим рациональное сочетание спутниковых наблюдений с измерениями такими геодезическими инструментами, как электронные тахеометры.

Накопленный к настоящему времени опыт применения упомянутых комбинированных методов свидетельствует о том, что спутниковые технологии чаще всего используют для создания съемочного обоснования снимаемого участка местности, а детальная съемка осуществляется только на открытых территориях или с помощью наземных технических средств. Создаваемое при этом геодезическое обоснование чаще всего реализуется через построение локальных сетей, для которых характерны небольшие удаления между пунктами и сравнительно невысокие требования к точности координатных определений.

С технико-экономической точки зрения при проведении спутниковых измерений в таких сетях целесообразно использовать сравнительно недорогие одночастотные приемники геодезического типа в сочетании с оперативными и экономичными методами наблюдений и последующей обработки.

Примерами могут служить такие приемники, как «Землемер Л1-М» (РИРВ, Россия), SR 510 ( Leica, Швейцария), 4600 LS Suveror (Trimble, США), Geotracer 2100 (Geotronics, Швеция), Pro Mark II (Thales, Франция) и др. Перечисленные типы приемников приспособлены для работы как в быстродействующем статическом режиме («Быстрая статика»), так и в полукинематическом режиме, получившем название Stop/Go (Стою/Иду). Они достаточно просты в обращении, имеют сравнительно небольшой вес и потребляют небольшое количество электроэнергии. Точность измерений такими приемниками в сочетании с отмеченными режимами измерений характеризуется средними квадратическими ошибками на уровне около 2 см в плане и 5 см по высоте. Поскольку свойственные спутниковым технологиям методы позволяют получать ориентированные в пространстве векторы, которые характеризуются не только линейной величиной, но и направлением, то последнее свойство используется при съемках для определения азимутальных направлений с погрешностью в несколько угловых секунд. Эта точность зависит, прежде всего, от расстояния между пунктами и возрастает по мере увеличения дальности.

Разработанные к настоящему времени спутниковые технологии широко используются при проведении на местности самых разнообразных съемок. Наряду с хорошо известными топографическими съемками следует отметить такие области применения, как:

- съемки, связанные с различного рода землеустроительными работами;

- съемки, приуроченные к прокладке трасс для шоссейных и железных дорог;

- геодезическое обеспечение геолого-геофизических работ;

- съемки, связанные с ведением лесного хозяйства.

Этот перечень может быть существенно расширен.

Не останавливаясь на отдельных особенностях спутниковых координатных определений, характерных для различных видов съемок, выделим обобщенные особенности, связанные с применением спутниковых методов.

При проведении спутниковых измерений при благоприятных условиях наблюдения спутников могут быть использованы хорошо отработанные геодезические подходы и методы. Вместе с тем съемки местности приходится во многих случаях проводить в условиях, когда поступающие от спутников радиосигналы экранируются различного рода препятствиями. Такая ситуация возникает чаще всего при проведении съемок в залесенных районах, которые в нашей стране занимают обширные территории.

Для успешного использования спутниковых технологий в залесенной местности предложены различные подходы. В некоторых случаях предлагается размещать приемники на полянах или даже делать необходимые вырубки деревьев. В Методических рекомендациях, разработанных Сибирским научно-исследовательским институтом геологии, геофизики и минерального сырья (СНИИГГиМС) [7], приведена специальная таблица, регламентирующая удаление приемника от деревьев в зависимости от высоты последних. С целью обеспечения качественных измерений рекомендуется производить установку приемников на полянах с радиусом от 5 до 170 м (в зависимости от высоты деревьев, возвышающихся над уровнем антенны от 2,5 м до 30 м).

Другой подход к решению рассматриваемой проблемы состоит в разработке специальной облегченной мачты, позволяющей оперативно поднимать антенну приемника на высоту, исключающую экранировку сигналов кронами деревьев. Полученные результаты свидетельствуют о том, что точность спутниковых измерений в таких условиях эквивалентна точности, характерной для открытой местности.

При проведении различного рода съемок спутниковыми методами повышенное внимание уделяется минимизации ошибок измерений, обусловленных отражениями как от подстилающей поверхности, так и от окружающих объектов (многопутность). Для решения этой проблемы производится модернизация антенных систем спутниковых приемников, которые оснащаются дополнительными приспособлениями, позволяющими ослабить влияние отражений на прямые сигналы, поступающие от спутников. Наряду с этим совершенствуются методы обработки, ориентированные на минимизации влияния отражений. Одной из специфик выполняемых работ, связанных со съемкой местности, является целесообразность применения местных координатных систем, причем потребителей чаще всего интересуют высоты, получаемые из нивелирования. В то же время спутниковые методы позволяют получать геодезические высоты, относящиеся к поверхности выбранного эллипсоида, которые существенно отличаются от нивелирных высот. Как свидетельствуют экспериментальные данные [4, 13], такие расхождения даже на участках сравнительно небольших размеров могут достигать 40 см и более.

Для решения отмеченной проблемы в создаваемые сети включают пункты с известными из нивелирования высотными отметками. Если же возникает необходимость получения информации для всех остальных пунктов сети без проложения на местности многочисленных нивелирных ходов, то такая проблема может быть решена на основе совместного использования спутниковых и гравиметрических данных.

Технология выполнения работ по производству съемок подробно рассмотрена в «Инструкции по развитию съемочного обоснования и съемке ситуации и рельефа с применением глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS», ГКИНП (ОНТА)-02-262 - 02 [2].

Кинематический режим измерений и обработки в реальном времени (Kinematic GPS -- RTK GPS) [14] при времени измерений на одном пункте до 5 с позволяет выполнять обработку в реальном масштабе времени (on line), т. е. одновременно с выполнением измерений. Основное применение кинематического режима измерений и обработки в реальном времени (Real-Time Kinematic GPS - RTK GPS) -- это плановая и высотная съемки открытой территории, создание локальных сетей сгущения на небольших удаленных объектах, вынос в натуру проектов. Сравнительные данные по производительности [14] приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Сравнительные данные по производительности

Вид работ	RTK GPS	Тахеометрия	Нивелирование	Обработка
Плановая съемка	220%	100%	-	0,5 ч
Планово-высотная съемка	240%	100%	-	0,5 ч
Высотная съемка	240%	-	100%	0,3 ч
Создание сетей сгущения	300%	100%	-	1,5 ч
Вынос проекта в натуру	325%	100%	-	-

Наиболее важным преимуществом кинематического режима измерений и обработки в реальном времени (Real -Time Kinematic GPS -- RTK GPS) является полное отсутствие необходимости повторного выезда на объект для исправления выявленных в процессе обработки недостатков, так как обработка и контроль качества выполняются непосредственно в процессе измерений.

Не всегда повышение производительности от использования спутниковых приемников оправдывает высокую стоимость технических средств и программного обеспечения, поэтому использование на конкретных видах работ тех или иных моделей спутниковых приемников необходимо увязывать с требуемой точностью получения координат. Так, например, точность определения координат для плановой привязки спутниковых снимков среднего разрешения, для координирования отдельных объектов при обновлении карт мелких масштабов 1:50 000 - 1:1 000 000 лежит в пределах 5 - 100 м. При использовании навигационного режима измерений и обработки точность порядка 5 -- 40 м может быть получена в реальном масштабе времени, а более высокая, порядка 1 м, при последующей камеральной обработке. При этом не требуется применять дорогостоящие фазовые геодезические приемники, а достаточно использовать более дешевые приемники и соответствующее программное обеспечение. Недорогие кодовые спутниковые приемники многих фирм в последнее время получили встроенную функцию дифференциальных определений в реальном масштабе времени (DGPS).

3.4 Использование систем GPS/ГЛОНАСС для построения геодезический сетей

Опорные геодезические сети, создаваемые спутниковыми методами, принято в мировой практике подразделять на глобальные, континентальные, национальные, региональные и локальные геодезические сети. Применительно к территории России предусмотрено построение на основе спутниковой технологии фундаментальной астрономо-геодезической сети (ФАГС), представляющей собой высшее звено в структуре координатного обеспечения территории нашей страны. Последующими звеньями в государственной опорной геодезической сети по своему рангу являются высокоточная геодезическая сеть (ВГС) и спутниковая геодезическая сеть 1 класса (СГС-1). Вместе с тем в последние годы достаточно интенсивно развиваются локальные геодезические сети, базирующиеся на совместном использовании спутниковых и традиционных наземных методов. В последующих подразделах приведена краткая информация об особенностях построения и состоянии развития спутниковых геодезических опорных сетей как в нашей стране, так и за рубежом.

3.4.1 Построение глобальной опорной геодезической сети

Характерные для современных спутниковых систем позиционирования особенности, проявляющиеся в возможности точного и оперативного определения координат пунктов, расположенных в пределах всего земного шара, были использованы в последние десятилетия для создания глобальной опорной геодезической сети.

Систематические спутниковые наблюдения, проводимые на пунктах глобальной сети, позволяют периодически уточнять координаты этих пунктов, вычислять точные значения эфемерид наблюдаемых спутников, входящих в рассматриваемые системы позиционирования. Кроме того, они позволяют изучать геодинамические явления, происходящие в земной коре, в пределах всего земного шара, и в таких составных частях атмосферы, как ионосфера и тропосфера.

Для обеспечения точного мониторинга вращения Земли и движения полюсов с помощью современных космических геодезических технологий Международное бюро времени (МБВ) - Bureau International de l'Heure (BIH) в 1984 г. создало наземную систему - BTS84 (BIH Terrestrial System) на основе спутниковых лазерных дальномерных систем (SLR), радиоинтерферометров со сверхдлинной базой (VLBI) и спутниковых доплеровских измерений. В 1988 г., когда Международная служба вращения Земли IERS (International Earth Rotation Service) заменила BIH, была создана система координат ITRF88 (IERS Terrestrial Reference System), которая соответствовала следующим требованиям:

- система является геоцентрической с началом в центре масс Земли, включая океан и атмосферу;

- ориентация системы согласуется с параметрами ориентирования Земли - Earth Orientation Parameter (ЕОР) на эпоху 1984,0;

- используемая в системе модель скоростей станций имеет нулевые величины остаточного вращения по отношению к земной коре;

- масштаб соответствует общеземной системе координат.

Для поддержания ITRF в соответствии с вышеназванными требованиями, начиная с 1988 г., ежегодно производится уточнение системы путем включения в нее новых измерений и пунктов. Для получения скоростей движения станций была использована модель движения тектонических плит NUVEL-1, в которой соблюдалось требование отсутствия остаточного вращения.

Модель NUVEL-1 вместе с неравномерным распределением станций ITRF по всему миру дает смещение между ITRF и IERS ЕОР 0,2 угловых миллисекунды в год. К 1992 г. это несовпадение с осью вращения Земли достигло примерно одной угловой миллисекунды. Скорости станций модели NUVEL-1 были пересмотрены с использованием спутниковых наблюдений на 150 пунктах и вошли в систему координат ITRF92.

Отмеченный подход обусловил необходимость организации Международной службы GPS для геодинамики (IGS), в состав которой наряду с административными подразделениями вошли не только многочисленные станции слежения, но и центры по обработке данных, включая и анализ получаемых результатов. Точность определения координат пунктов, входящих в глобальную опорную геодезическую сеть, на начальной стадии характеризовалась средними квадратическими ошибками на уровне около 15 мм в плане и около 35 мм по высоте. По мере совершенствования методики наблюдений и обработки, отмеченные ошибки были уменьшены до 5 мм в плане и 8 мм по высоте.

В середине 90-х годов в составе службы IGS были организованы международные центры по обработке и анализу получаемых данных. Для согласования поступающей в эти центры информации был разработан специальный формат независимого обмена программным обеспечением, который получил сокращенное название SINEX.

На основе обработки и анализа результатов, проводимых в течение ряда лет спутниковых наблюдений из всего набора пунктов, входящих в глобальную сеть, было выделено несколько десятков наиболее стабильных пунктов, которые были использованы для уточнения Международного наземного референцного каркаса (ITRJF). Этот каркас предназначен не только для установления положения и масштаба геоцентрической координатной системы, но и для определения параметров вращения Земли и, как следствие, для установления взаимосвязи со звездной (небесной) системой координат.

По результатам обработки измерений координат пунктов, входящих в ITRF, было уточнено положение центра масс Земли, который принят за начало геоцентрической системы координат. Достигнутая при этом точность оценивается средней квадратической ошибкой на уровне около 10 см. Проводимые в этой связи еженедельные определения в течение нескольких лет выявили следующий разброс смещений начала координат:

-- по оси X от -20 до +60 мм,

-- по оси Y от 0 до +90 мм,

-- по оси Z от -80 до +30 мм.

Кроме того, зарегистрирован разброс значений масштабирующего фактора в пределах от +2-10~9 до -6-10~9 Изменений в ориентировке координатных осей при этом не замечено.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что значения координат, относящиеся к различным эпохам, могут несколько различаться. В частности, такое расхождение относится и к широко используемым координатным системам WGS-84 и ITRF, поскольку первая из них относится к эпохе 1984 г., а вторая может относиться к более поздним эпохам.

Для контроля за состоянием исходной глобальной координатной системы и проведения в случае необходимости корректировки этой системы служба IGS с 1 января 1994 г. перешла на постоянное отслеживание координат пунктов глобальной опорной геодезической сети и на систематическую обработку получаемых при этом результатов.

Исследовательский центр наук о Земле (GFZ) в Потсдаме (Германия) в числе других аналитических центров в Европе и США ведет разработки в области построения и эксплуатации глобальной сети постоянных GPS-пунктов . Данные с этих пунктов предназначены для целей Международной службы GPS для геодинамики (IGS), осуществляющей определение точных орбит спутников, координат и скоростей GPS-пунктов, а также поправок часов. Предполагается, что глобальная иерархическая сеть IGS после завершения ее создания и развития, будет состоять из 30-40 основных станций и 150-200 станций региональных и локальных сетей. 24 из них (в том числе 4 основных, 20 региональных и локальных станций) работают под эгидой GFZ. В число курируемых GFZ постоянных пунктов IGS на территории СНГ включены следующие: Китаб, Звенигород, Дудинка, Красноярск, Майданак, Ташкент, Петропавловск, Душанбе, Чимкент, Иссык-Куль, Каракол, Нарын.

3.4.2 Построение континентальных опорных геодезических сетей

Стремление к созданию на отдельных континентах геодезической координатной основы повышенной точности с учетом характерных для конкретных континентов факторов, оказывающих влияние на изменения с течением времени значений определяемых координат, обусловило целесообразность построения континентальных опорных геодезических сетей. Одним из примеров такой сети может служить Европейская геодезическая опорная сеть, основу которой составляет референцный каркас, получивший сокращенное название EUREF. Создание такой сети на базе использования спутниковых технологий, включающей в себя около 90 пунктов, было начато в конце 80-х годов. При ее построении с участием 16-ти европейских стран наряду с использованием GPS были предусмотрены измерения с помощью спутниковых лазерных дальномерных систем (SLR) и радиоинтерферометров со сверхдлинной базой (VLBI). На рисунке 10 приведена схема расположения пунктов, вошедших в состав EUREF.



Рисунок 10. Схема постоянно действующих пунктов системы EUREF по состоянию на 1995 г.

Обработка результатов выполненных измерений производилась с участием 12-ти вычислительных центров. Полученная при этом точность, базирующаяся на формализованном учете случайных ошибок измерений, оказалась на уровне менее 1 см по всем трем координатным осям. В то же время из сравнения с лазерными и интерференционными измерениями реальная точность оценивается на уровне нескольких сантиметров.

Характерные для EUREF вычисляемые значения координат пунктов, входящих в эту сеть, находят применение не только для текущего использования заинтересованными организациями, но и для вычисления параметров перехода к другим координатным системам (в частности, ITRF и WGS-84).

В последующие годы EUREF получила дальнейшее развитие как за счет организации дополнительных станций спутниковых наблюдений, так и за счет подключения к этой сети целого ряда ранее не участвующих стран (Чехия, Венгрия, Польша, Латвия и др.).

3.4.3 Построение государственной геодезической сети России на основе спутниковых технологий

Наряду с глобальной и континентальными геодезическими сетями, создаваемыми на основе применения спутниковых методов, аналогичные подходы используются и при построении национальных опорных геодезических сетей, охватывающих как территории отдельных стран, так и их составных частей. К числу таких стран относится и Россия, на территории которой в соответствие с Концепцией перехода топографо-геодезического производства на автономные методы спутниковых координатных определений создается новая высокоэффективная государственная геодезическая сеть, базирующаяся на применении методов спутниковой геодезии.

Концепция перехода топографо-геодезического производства на автономные методы спутниковых координатных определений разработана с целью обеспечить наиболее рациональное и эффективное в существующих условиях практическое определение координат и высот пунктов земной поверхности на всей территории страны с точностями, требуемыми для решения возможно более широкого круга научно-технических и производственных задач. В соответствии с концепцией указанная цель может быть достигнута, если на территории страны (или группы заинтересованных стран) будет существовать единая по точности сеть надежно закрепленных на местности геодезических пунктов со средними расстояниями между ними порядка 30 - 35 км (средняя плотность 1 пункт на 1000 км2). В этом случае любой заинтересованный потребитель, располагающий как минимум двумя двухчастотными спутниковыми приемниками, может выполнять интересующие его координатные определения дифференциальным методом относительно пунктов указанной сети. По крайней мере один из этих пунктов всегда будет находится на расстоянии не далее 20 - 25 км от места определений. Как было рассмотрено выше, именно до таких расстояний полностью реализуется инструментальная точность современных спутниковых приемников при продолжительности наблюдений около часа. В менее обжитых районах плотность опорной сети может быть уменьшена до 1 пункта на 2000 км2. Отрицательное влияние на точность увеличивающихся расстояний между опорными пунктами и пунктами, определяемыми потребителями, можно компенсировать увеличением времени наблюдений. В малообжитых и труднодоступных районах допускается увеличение расстояний между пунктами опорной сети до 100 км. В этом случае для привязки развиваемых потребителем локальных сетей к единой государственной системе координат с требуемой точностью, возможно увеличение продолжительности наблюдений до нескольких часов и даже суток.

Взаимное положение опорных пунктов должно быть известно со средними квадратическими ошибками не более 1,0--1,5 см. Такая опорная сеть в настоящее время может быть создана существующей спутниковой аппаратурой при следующих условиях:

-- создаваемая сеть будет опираться на построения более высокого уровня, обеспечивающие исключение деформаций регионального и глобального характера;

-- создаваемая сеть будет отнесена к единой для всей страны геоцентрической системе координат.

Концепция послужила базовым документом при разработке Основных положений о государственной геодезической сети и Инструкции по построению государственной геодезической спутниковой сети, в соответствии с которыми предусмотрено создание на территории России и других заинтересованных государств трех уровней или классов государственной геодезической спутниковой сети:

-- фундаментальная астрономо-геодезическая сеть (ФАГС);

-- высокоточная геодезическая сеть (ВГС);

-- спутниковая геодезическая сеть 1 класса (СГС-1)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Успешное развитие современных спутниковых радионавигационных систем (GPS, ГЛОНАСС, Galileo) определяет перспективные направления в формировании информационных технологий.

Совершенствование конструирования космической аппаратуры позволит решить проблемы долговечности спутников на орбитах, повышать автоматизацию управления с наземных контрольно-измерительных комплексов, обеспечить прохождение радиосигналов в любых погодных условиях.