Преимущества и недостатки спутниковых технологий в геодезии и маркшейдерии

2.3. Преимущества и недостатки спутниковых технологий в геодезии и маркшейдерии
Интенсивное внедрение СРНС в геодезию и маркшейдерию обусловлено рядом прогрессивных возможностей. Основные из них следующие.
1. Широкий диапазон точностей - от единиц метров до субсантиметров практически на любых расстояниях. Наблюдение высоких целей ослабляет влияние атмосферы. Выигрыш в точности от этого достигает 1-2 порядка.
2. При построении геодезических сетей отпадает необходимость в прямой видимости между пунктами. Поэтому не нужно строить высокие знаки-сигналы, выбирая места на возвышенностях. Строительство знаков занимало в геодезии до 80% от стоимости работ. Новые пункты закладывают в местах, удобных для подъезда.
3. Повышение производительности спутниковых технологий, по сравнению с обычными технологиями, в 10-15 раз.
4. Выполнение кинематических измерений, то есть измерений в движении. Особенно ценно применение таких методов в морской геодезии, аэрофотосъемке. При этом отпадает необходимость создавать наземное обоснование, производить привязку опознаков.
5. Обеспечение непрерывных наблюдений, например, для мониторинга деформаций в режиме реального времени.
6. Одновременно могут определяться три координаты. Деление классических геодезических сетей на плановые и высотные привело к тому, что на пунктах триангуляции оказываются грубые высотные отметки, а на реперах отсутствуют плановые координаты.
7. Благодаря высокому уровню автоматизации, обеспечиваются быстрота обработки, уменьшение субъективных ошибок.
8. Почти полная независимость от погоды.
Принципиальное различие между классическими и спутниковыми методами геодезии состоит в том, что в классической геодезии измерения производятся относительно отвесной линии (или поверхности геоида), то есть в основе измерений лежит физический принцип измерений. В результате, геодезические сети, построенные классическими методами, делятся на плановые и высотные сети. В основе спутниковых методов лежит геометрический принцип измерений, когда измеряются расстояния, являющиеся инвариантными величинами относительно систем координат и не дающие связь с геоидом. Поэтому одна из принципиально важных проблем, связанных со спутниковыми методами, - это преобразования полученных координат в государственную систему координат и высот.
По этой причине нельзя говорить о том, что спутниковые методы универсальны. Отметим следующие недостатки методов ГНСС:
1. Проблема преобразования высот и координат в локальную геодезическую систему, а высот - дополнительно в систему нормальных (или ортометрических) высот.
2. Зависимость от препятствий и радиопомех. Спутниковые методы невозможно применять под землей.
3. Точность определения высот в 2-5 раз уступает точности определения плановых координат.
4. Высокая стоимость оборудования, сложное программное обеспечение.
2.4. Спутниковые навигационные 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. Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС), которая находится под управлением и контролем служб РФ 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», «Глонасс-К». 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). Вывод в эксплуатацию системы GALILEO состоялся в 2016 г. В систему GALILEO входит созвездие из 30 спутников (24 основных и 6 резервных), а также сеть наземных станций. Спутники GALILEO перемещаются 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.
BEIDOU. Идея создания китайской национальной региональной навигационной системы была предложена в 1983 году. Концепция системы, использующей два геостационарных КА (рабочее название системы Twinsat), прошла экспериментальную проверку в 1989 году. Эксперимент проводился на базе двух связных КА DFH-2/2A, уже находившихся на орбите. Система Beidou развивалась в 3 этапа (1994, 2004, 2009). Космический сегмент Beidou представляет собой ОГ смешанного типа, состоящую из 30 и более КА на орбитах трех типов (средняя круговая орбита, геостационарная орбита, геосинхронная наклонная высокая орбита).
Глобальные спутниковые системы давно перестали быть привилегией военных ведомств. Частные лица и гражданские организации пользуются связью и навигацией. Современная геодезия осваивает использование российской ГЛОНАСС, американской GPS. На третье место в этом ряду по праву выходит китайская БЭЙДОУ, готовая предоставить как региональные, так и глобальные услуги.
СРНС включает в себя три сегмента:
- космический с орбитальной группировкой навигационных юц3успутников;
- 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. Внешний вид навигационного спутника ГЛОНАСС представлен на рис. 1.
Рис. 1 – Спутник ГЛОНАСС и созвездие спутников
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 комплекс 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.
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.
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
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
|