Геодезические измерения. Лекция 1. Спутниковые радионавигационные системы. Три сегмента системы. Gps

• Название: Спутниковые радионавигационные системы. Три сегмента системы. Gps
• Анкор: Геодезические измерения
• Дата: 08.03.2023
• Размер: 81.78 Kb.
• Имя файла: Лекция 1 .docx
• Тип: Документы; #974435

Спутниковые радионавигационные системы. Три сегмента системы.

 

GPS. Для геодезических определений координат точек местно­сти и различных объектов применяются СРНС. Геодезические приёмники работают в основном в системе GPS (Global Positioning System), которая создана и находится под управлением и контролем служб США. Система, являясь глобальной, обес­печивает возможность определения точных координат 24 часа в сутки, она постоянно развивается и модернизируется. GPS имеет в текущий момент на орбите 29 спутников, и их количество будет доведено до 48.

ГЛОНАСС. В нашей стране создана СРНС ГЛОНАСС (глобальная на­вигационная спутниковая система), которая находится под управлением и контролем служб РФ. Она создавалась в инте­ресах Министерства обороны, однако в 1999 году ей офици­ально придан статус военного и гражданского назначения. Ра­боты по созданию этой СРНС были начаты в середине 60-х годов, а с 1982 года проводились её испытания. Поскольку после вывода на орбиту новых спутников в 2007 г., их общее число в созвездии составит только десять, то определение координат точки только с помощью ГЛОНАСС не представляется возможным. Использование же совместной технологии GPS/ГЛОНАСС делает определение координат более надежным, вследствие увеличения числа видимых спутников. ГЛОНАСС имеет в текущий момент на орбите 24 спутника.

Вместе с тем при разработке ГЛОНАСС использован высокий фунда­ментальный уровень отечественной науки, благодаря качеству заложенных в ней идей и проектов система обладает потенциа­лом, превосходящим по ряду параметров GPS. Ряд приборос­троительных компаний выпускают геодезические приёмники, работающие в двух системах - GPS и ГЛОНАСС. Опыт их использования показал, что даже в неполной комплектации ГЛОНАСС они превосходят по эксплуатационным показате­лям односистемные. Наличие даже одного спутника ГЛОНАСС в рабочем созвездии спутников существенно повышает точность в режиме RTK. Восстановление ГЛОНАСС ускорилось в 2007 году, появились новые спутники «Глонасс-М», разрабатываются «Глонасс-К». В последнее время появились разработки отече­ственного геодезического приёмника ГЛОНАСС/GPS ГЕО-161 Российским институтом радионавигации и времени. Кроме использования в качестве самостоятельной навигацион­ной системы ГЛОНАСС дополняет GPS. Что увеличивает чис­ло одновременно наблюдаемых спутников, улучшает геомет­рические факторы используемых созвездий спутников, а в конечном итоге повышается точность геодезических определений.

GALILEO. Европейская навигационная система GALILEO является еще одной ГНСС.GALILEO – это многоцелевая система. В частности, она призвана повысить точность позиционирования по сравнению с современными возможностями GPS/ГЛОНАСС. Одной из ее особенностей будет доступность навигационных решений в высоких широтах, также GALILEO должна стать независимой навигационной основой для стран Европы (на случай возникновения международных конфликтов). Текущий план предполагает вывод в эксплуатацию системы GALILEO к 2012/14 г. – что на три-четыре года позже, чем ранее предполагалось. В систему GALILEO войдет созвездие из 30 спутников (27 основных и 3 резервных), а также сеть наземных станций. Спутники GALILEO будут перемещаться по орбитам, чья высота несколько больше, чем высота орбит спутников GPS, однако принцип определения координат точек местности остается тем же. Появление ещё од­ной навигационной спутниковой системы расширит возмож­ности технологий спутниковых геодезических определений.

СРНС включает в себя три сегмента:

- космический с орбитальной группировкой навигацион­ных спутников;

- наземный комплекс управления и контроля;

- сегмент потребителя.

Космический сегмент GPS- часть ГНСС состоящая из созвездия навигационных спутников. Он состоит из 24 основных и не­скольких резервных спутников, расположенных на шести орбитах, близких к круговым. В плоскости каждой орбиты спутники равномерно разнесены по долготе через 60 градусов, это по­зволяет одновременно наблюдать четыре и более спутников с любой точки планеты. Период обращения спутников по орбитам 12 часов, высота над поверхностью Земли около 20000 ки­лометров.

Полная орбитальная группировка ГЛОНАСС также вклю­чает 24 спутника, но в трёх орбитальных плоскостях по 8 спутни­ков в каждой. Период обращения 11 часов 15 минут 44 секунды, высота орбиты над поверхностью Земли 19100 км. Время активной работы спутника на орбите составляет в среднем 3,5 года.

Наземный комплекс управления и контроля - часть ГНСС, состоящая из расположенной на земле сети наземных станций, выполняющих непрерывные наблюдения всех спутников созвездия, передающая им обновленную информацию и управляющая их полетом. Этот комплексв GPS состоит из сети станций слежения, расположенных по всему миру. Имеется главная станция, контрольные станции слежения за спутниками и станции закладки данных на борт спутника. Станции слежения оснащены высокоточной аппаратурой и регистрируют сигналы, поступающие от всех спутников системы, передают результаты на главную станцию, где они обрабатываются. По ним рассчитываются параметры орбит, поправки бортовой шкалы времени, уточняются параметры модели тропосферы и ионосферы. Вычисленные необходимые поправки передаются на борт спутников. Проводится непрерывный мониторинг работы спутников.

Фазовые ГНСС-приемники при относительных измерениях обеспечивают сантиметровую точность определения координат пунктов. Именно такая точность и необходима при решении большей части современных геодезических задач в России. Фазовые приемники также делятся по типу проводимых измерений на одночастотные (работающие только на частоте L1) и двухчастотные (на L1 и L2). Хотя двухчастотные приемники имеют ряд серьезных технологических преимуществ (по точности, длине определяемых векторов, скорости измерений и так далее), не менее широкое распространение в нашей стране получили одночастотные приборы, поскольку они в 2-5 раз дешевле двухчастотных, имеют меньшие размеры, массу, энергопотребление и, как правило, проще в управлении.


Традиционно используется спутниковая аппаратура Epoch, Sokkia, Trimble, Leica, Topcon, Изыскание, приведенных на рисунках 12, 13, 14, 15, 16, 17.

Рисунок 12 - Спутниковая система EPOCH 10 L1

 

 

Рисунок 13 – ГНСС приемник Sokkia GSR2700 ISX, ровер GPS -GLONASS L1/L2



Благодаря надёжному комплексу контроля и управления обеспечивается постоянная бесперебойная работоспособность системы, периодически обновляется содержание радионави­гационных сообщений всех спутников, уточняются их эфе­мериды и параметры синхронизации. Служба мониторинга включает спутники GPS и ГЛОНАСС.

Сегмент потребителей состоит из приёмников, пакетов программного обеспечения, наземных постоянно действующих базовых станций (сетей), сообщества пользователей. Всю аппаратуру, принимающую радионавигационные сигналы спутников, по назначению определяемым величинам и точностным характеристикам можно подразделить на геодезическую, навигационную и туристско-бытовую. Геодезические приёмники могут рабо­тать в одной системе (например, GPS или ГЛОНАСС), в двух системах: GPS + ГЛОНАСС. А в дальнейшем предпо­лагается использование трёх систем: GPS, ГЛОНАСС, GALILEO. Производятся измерения на одной частоте L1 или на двух частотах L1 и L2, определения выполняются по кодовой или фазовой информации полученного сигнала.

Наибольшую точность обеспечивают геодезические двухчастотные приёмники, работающие одновременно по фазе и кодам. Навигационные приёмники наряду с координата­ми определяют дополнительные навигационные параметры движущегося объекта, их точность ниже геодезических и оценивается величинами от долей до десятков метров. Туристско-бытовые приёмники обеспечивают более низкую точность (Garmin, автомобильный навигатор, телефоны со встроенным GPS приемником, карманные ПК).

ГНСС приемники

С точки зрения новейших технологий производства топографических съемок предпочтение отдается автоматизированным средствам измерений. На сегодняшний день пользуются широким спутниковая аппаратура, специально разработанная для решения геодезических задач с применением систем ГЛОНАСС. Любой приемник, является высокоточным электронным инструментом. Полный комплекс состоит из полевой (ГНСС-приемник с принадлежностями) и камеральной (сопутствующий программный пакет, зарядное устройство и тому подобное) частей. В полевой комплект одночастотного оборудования обычно входят ГНСС-приемник, специализированная антенна, источники питания (аккумуляторы), портативный контроллер и набор соединительных кабелей. В разных моделях эти части могут быть объединены между собой.

Самое современное спутниковое оборудование для навигации может использовать сервисы, предоставляемые системами ГЛОНАСС и Galileo. Современные строительные, изыскательские и геодезические работы выполняются с применением самых современных и передовых технологий сбора и обработки информации, для чего и служит спутниковое оборудование. Геодезическая аппаратура активно применяются на начальных этапах строительства, межевания, привязки контрольных точек разбивки теодолитных и тахеометрических ходов, с помощью данного оборудования полевые геодезические работы выполняются в рекордно сжатые сроки позволяя не только собирать координатные данные, но и одновременно со сбором производить их обработку в реальном времени.

В зависимости от сигналов, по которым ГНСС-приемники могут проводить измерения, их условно делят на кодовые (выполняющие измерения только по коду) и фазовые (выполняющие измерения еще и по фазе несущих частот).

Точность кодовых приемников при определении автономных (абсолютных) координат очень низкая. Для ее повышения используется дифференциальный режим измерений, что позволяет определять координаты объектов с точностью от 20-30 сантиметров до 5 метров в зависимости от качества прибора и методики полевых наблюдений.

Рисунок 14 – ГНСС- приемник Trimble 5700

 



Рисунок 15 – ГНСС приемник Leica GPS 1200

 



Рисунок 16 – ГНСС- приемник Topcon Hiper

Новинка отечественных конструкторов - спутниковая двухчастотная навигационная аппаратура «ИЗЫСКАНИЕ». Обеспечивает определение координат точек земной поверхности: в режиме реального времени с использованием корректирующей информации, переданной по радиоканалу стандарта GSM от ГККС; в режиме постобработки измерений с использованием информации, полученной с ГККС или других геодезических приемников. 36 каналов приема сигналов ГЛОНАСС стандартной точности.

 

 

Рисунок 17 – спутниковая двухчастотная навигационная аппаратура «ИЗЫСКАНИЕ»

 

Также отдельно можно приобрести полевые контроллеры, к описанному выше оборудованию, например к двухчастотному ГНСС приемнику Trimble 5700 подходит полевой контроллер TRIMBLE TSC2 (рисунок 18). Он выполнен в пластмассовом, а по краям прорезиненном водонепроницаемом корпусе, имеет современную операционную систему Windows Mobile 6.0,процессор: 520 MHz Intel, 128 MB SDRAM, 512 MB внутренней памяти, встроенный динамик и микрофон, сенсорный цветной экран 320x240, Bluetooth, USB, 2 слота CompactFlash.



 

Рисунок 18 – полевой контроллер TRIMBLE TSC2

 

Основные характеристики спутниковой аппаратуры, их роль для геодезических съемок. Обзор аппаратуры ведущих фирм-производителей.

 

Как говорилось выше, анализ структур­ных схем аппаратуры различных потребителей показывает почти полную их идентичность, поэтому приведем основные характеристики спутниковых приемников:

- уровень точности определения координат, например, для Trimble 5700, 5+0,5мм/1 км; - двухчастотный/одночастотный приемник; -одно системный / двух системный приемник; - наличие инициализации на лету; - наличие USB порта; - карта памяти; - встроенное устройство для подзарядки аккумуляторов; - наличие Bluetooth; - наличие радио/GSM модемов; - рабочая температура приемника и т.п.

От наличия характеристик спутниковой аппаратуры, зависит точность, скорость, легкость выполнения геодезических измерений, например, двухчастотный приемник наиболее точный, требует меньше времени на измерение. Наличие у приемника Bluetooth связи между приемником и контроллером позволяет, например, в дождь управлять приемником из машины с помощью контроллера и т.п.

Среди фирм производителей приемников (а их почти 70), геодезическую аппаратуру выпускают 10 фирм, в их числе Leica Geosystems, Trimble Navigation, Topcon, NovAtel и др. Это не полный список, в нем, например, отсутствуют российские и китайские фирмы, а с другой стороны, мир индустрии геодезических приемников живет динамичной жизнью: фирмы появляются, исчезают, поглощаются одни другими, продаются, покупаются и т.д.