Основы спутникового позиционирования. Основы спутникового позиционирования Под позиционированием
 Скачать 222.12 Kb.
|
|
Основы спутникового позиционирования Под позиционированием понимается определение с помощью спутни- ковых систем местонахождения наблюдателя или объекта в трехмерном зем- ном 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 актив- ности, вулканизма, движений полюсов, земной поверхности и ледников); • мониторинг природных и техногенных объектов; • геодезическое обеспечение спасательно-предупредительных ра- бот; • навигация всех видов; • диспетчерские службы. История развития. Первое поколение спутниковых систем разрабаты- валось 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 координа- ты с дециметровой точностью. К 1980 г. тысячи людей во всем мире пользо- вались 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): раз- работки 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, воз- душных, 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 ос- новное назначение у систем стратегическое, второе назначение указанных систем гражданское. Исходя из этого, все действующие ныне спутники пере- дают два вида сигналов: стандартной точности для гражданских пользовате- лей 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 со- общество ), COMPASS (Китай), IRNS (Indian Regional Navigation System) (Индия). Подсистемы спутниковых систем. Выделяют три сегмента: наземно- го контроля и управления, созвездия спутников, аппаратуры пользователей. Сегмент созвездий спутников и в GPS, и в ГЛОНАСС должен состо- ять 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 орби- тах с наклонением 64,8° и высотой 19100 км. Каждый спутник имеет по 4 атомных эталона частоты и времени, аппаратуру для приема и передачи ра- диосигналов. Спутники, разбитые по группам, вращаются в своих орбитальных плоскостях на неизменной средневысотной орбите, на постоянном расстоя- нии 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 гарантиро- ванно находятся минимум четыре спутника, а созвездие построено так, что, как правило, одновременно доступно не менее шести. Полностью развёрну- тая спутниковая система имеет также резервные спутники, по одному в каж- дой плоскости, для “горячей” замены (в случае выхода основного спутника из строя они могут быть оперативно введены взамен неисправного). Резерв- ные спутники не бездействуют и также участвуют в работе системы, улучшая точность позиционирования и обеспечивая достаточную избыточность. Сегмент наземного контроля и управления состоит из станций сле- жения за спутниками, службы точного времени, главной станции с вычисли- тельным 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 вре- мя – обсерватория в Вашингтоне. В ГЛОНАСС Центр управления системой под Москвой. В задачи данной подсистемы входит контроль правильности функцио- нирования спутников, непрерывное уточнение параметров орбит и выдача на спутники временных программ, команд управления и навигационной инфор- мации. При пролёте спутника в зоне видимости станции измерения, управле- ния и контроля, она осуществляет наблюдение за спутником, принимает навигационные сигналы, производит первичную обработку данных и произ- водит 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 коррек- тирующих 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 про- стейшем случае – миниатюрный приемник с источником питания. Комплект аппаратуры для геодезических определений включает антенну, приемник, контроллер (управляющее устройство), блок питания, кабели, штативы, веш- ку 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 электромаг- нитного сигнала со спутника до поступления его в приемник. Вычислив рас- стояние от спутника № 1 до приёмника, представим сферу, где центром будет спутник № 1. Вычислив расстояние от приёмника до спутника № 2, предста- вим себе вторую сферу, где центром будет спутник № 2 область. Где эти две сферы пересекутся, и будет областью нашего предполагаемого местонахож- дения. 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 устра- нения неверного решения и одновременного уточнения места позициониро- вания потребуется чётвертый спутник. Задача вычисления своего местоположения пользователем является до- статочно сложной, так как для вычисления собственных координат на мест- ности 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 возмож- ного 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 орби- ты и точные координаты спутника в опорной точке можно вычислить коор- динаты спутника в любой произвольный момент времени. Спрогнозированные параметры орбиты и их производные называются – эфемеридами. Набор сведений, применяемых для поиска видимых спутни- ков и выбора оптимального созвездия и, содержащих сведения о текущем со- стоянии навигационной системы в целом, включая “загрублённые” эфемери- ды, называются альманахом. Передатчики, находящиеся на спутнике в бес- прерывном режиме на высокой частоте передают навигационные сообще- ния,содержащие эфемериды с метками времени и альманахом. Пользова- тельская 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 сред- ства 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 электромаг- нитной волны Точность фазового метода: менее 1 м Источники погрешностей в определении дальностей связаны с вли- янием ионосферы, нижних слоев атмосферы, эффектом многолучевости, не- синхронностью генерации сигналов на спутнике и в приемнике, препятстви- ями на пути сигнала. Влияние ионосферы. На высотах от 50 до 1000 км над Землей содержат- ся 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. Миними- зируют 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 прелом- ления 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, поэто- му при углах 10-15°, погрешность достигает 10 м, такие наблюдения выбра- сывают. При измерениях вводят поправку по модели стандартной атмосфе- ры. Несинхронность генерации сигналов на спутнике и в приемнике. Син- хронизация часов приемника производится в процессе инициализации при- емника. Различают три вида инициализации: «холодный старт», «теплый» и «горячий». Когда приемник включается впервые или при длительном времени без- действия, данные о его местоположении, сохраненные во внутренней памяти, не совпадают с актуальными. Тогда для начала выполняется поиск спутни- ком, получение данных о состоянии и эфемерид. Затем идет определение дальностей до нескольких спутников, рассчитывается ошибка местоопреде- ления и идет синхронизация часов. Это «холодный старт», занимает несколь- ко минут. «Теплый» старт: время пребывания приемника в выключенном состоя- нии не превышает определенного срока и альманах эфемерид не успел уста- реть, сразу идет измерение дальностей и синхронизация часов. «Горячий» старт: повторное включение в течение суток, часы уже син- хронизированы, альманах свежий, сразу позиционирование. Несколько се- кунд. Эффект многолучевости возникает за счет отражения сигнала от зем- ной 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, приходя- щих от одного спутника, и отсева наиболее слабых (многоканальность). Препятствия на пути сигнала – крупные предметы, здания и сооруже- ния непреодолимы для спутникового сигнала. Пространство эффективного приема значительно уменьшается в городах, лесу, горах. Фазовый способ бо- лее чувствителен, чем кодовый. Работе могут помешать мощные радиолока- ционные и телевизионные станции, если они расположены в радиусе 500 м. Устранить нельзя, выбирают оптимальное место наблюдения. Способы позиционирования. Точность определения координат с по- мощью 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 ре- ального времени, постобработка. Типы приемников. Все приемники делятся на одно- и двухсистемы (принимающие сигналы только от системы GPS и от GPS и ГЛОНАСС), ко- довые и кодово-фазовые, одно- и двухчастотные. Пространственный геометрический фактор дает оценку точности ме- стоопределения – 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 L 1 и Р-код на частоте L 1 и L 2 . 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 об- работки. 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 принци- пы, методы и технологии сбора, накопления, передачи, обработки и пред- ставления данных для получения на их основе новой информации и знаний о пространственно-временных явлениях в геосистемах. Данные – зарегистрированные факты, описания явлений реального ми- ра или идей Информация – одно из свойств предметов, явлений, процессов, отра- жающее смысл, вкладываемый человеком в данные Знания – отражение семантических аспектов реального мира в мозгу человека или системах искусственного интеллекта. Интерпретация информа- ции об окружающих объектах или явлениях. Пространственные данные делятся на позиционные и атрибутивные. Первые характеризуют положение объекта в 2-х или 3-х мерном простран- стве, вторые дают качественные или количественные тематические характе- ристики объекта. Общее представление о ГИС. ГИС – информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, об- работку, доступ, отображение и распространение пространственно- координированных данных. ГИС (ГИС-пакет) – программный продукт, в котором реализованы функциональные возможности ГИС. Поддерживается программным, аппа- ратным, информационным, нормативно-правовым, кадровым и организаци- онным обеспечением. Типы ГИС. По территориальному охвату различают: · глобальные или планетарные · субконтинентальные · национальные · региональные · субрегиональные · локальные или местные. ГИС различаются предметной областью информационного моделиро- вания: · городские или муниципальные · природоохранные · геологические · земельные информационные системы. · … Проблемная ориентация ГИС определяется решаемыми в ней задача- ми: · 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 конвертирова- ние 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, пери- метров 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 буфер- ных зон и др.; · визуализация исходных, производных или итоговых данных и резуль- татов обработки, включая картографическую визуализацию, проектирование и создание картографических изображений; · вывод данных в виде графической, табличной и текстовой документа- ции, 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 поль- зователя и функциональных возможностей используемых программных средств ГИС, технико-экономическое обоснование, оценку соотношения "за- траты/прибыль"; · системное проектирование ГИС, включая стадию пилот-проекта, раз- работку 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 за- данную 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 тре- угольных сеток объем вычислений значительно возрастает, но они облада- ют 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 не- которых обязательных критериях: точность задания геополя, наименьшее ко- личество 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, определяю- щие значения показателя в этой точке. Например, для рельефа земной по- верхности это будут высоты, для характеристики загрязнения природной среды - концентрации поллютантов и т.д. Метод, которым будет восстанов- лена поверхность, можно уподобить резиновому листу, опирающемуся на эти булавки. Методы отличаются друг от друга тем, будут ли все отметки касать- ся листа или некоторые будут над (под) ним, а также как будет выглядеть по- верхность 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 воспользо- ваться методами средневзвешенной интерполяции, минимальной кривизны поверхности или полиномиальной регрессии. Анализ геополей может существенно облегчить исследование структу- ры, взаимосвязей и динамики различных природных, социально- экономических и экологических явлений. Список таких задач обширен: пла- нирование строительства сооружений, проблемы гидрологической направ- ленности (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 поверхно- сти, демонстрирующего очаги накопления и миграцию загрязнителей по тер- ритории. Эффективность использования геополей зависит во многом от фор- мы представления исходных данных и методов его моделирования. Источниками исходных данных для создания ЦМР суши служат то- пографические 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 об- зора; рельефа поверхности и ложа ледников -- аэросъемка, материалы фото- теодолитной и радиолокационной съемки. Обработка ЦМР служит для получения производных морфометриче- ских или иных данных, включая вычисление углов наклона и экспозиции склонов; анализ видимости/невидимости; построение трехмерных изображе- ний, в том числе блок-диаграмм; профилей поперечного сечения; оценку формы склонов через кривизну их поперечного и продольного сечения, из- меряемую радиусом кривизны главного нормального сечения или ее знаком, т.е. выпуклостью/вогнутостью; вычисление (положительных и отрицатель- ных) 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 об- рывов и иных нарушений "гладкости" поверхности, плоских поверхностей с нулевой крутизной; интерполяцию высот; построение изолиний по множе- ству 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 вы- числительные операции и графо-аналитические построения. Методы и алгоритмы создания и обработки ЦМР применимы к иным физическим или статистическим рельефам и полям: погребенному, бариче- скому рельефу и т.п. |