Глобальная спутниковая навигационная система

Тема  контрольной работы:  

«Глобальная спутниковая 

навигационная система» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Содержание:

1. Титульный лист
2. Содержание
3. Общие сведения. Историческая справка.  Принцип работы системы и ее достоинства.
4. Аппаратура пользователей.
5. Особенности съемки ситуации и рельефа с применением GPS-приемников
6. Создание опорных межевых сетей с применением спутниковой аппаратуры
7. Спутниковая система межевания земель
8. Список использованной литературы.

  Общие сведения. Историческая справка.

  Принцип работы системы и ее достоинства. 

  В конце ХХ века в геодезии нашли  распространение принципиально  новые методы и средства измерений, базирующиеся на использовании искусственных  спутников Земли (ИСЗ), получивших название спутниковое позиционирование.

  Спутниковое позиционирование – определение местоположения (координат пункта или движущегося объекта) при помощи спутниковых навигационно-геодезических систем (СНГС). Это направление получило широкое применение в различных областях человеческой деятельности.

  Координаты пунктов (объектов) нужны не только геодезистам, но и морякам, авиаторам, военным, участникам различных экспедиций и многим другим потребителям. Если раньше для создания геодезической основы приходилось строить дорогостоящие сети различных конфигураций, закрепляемые на местности специальными центрами с наружными знаками (пирамидами, сигналами) для обеспечения взаимной видимости между пунктами, то появление спутниковых систем сделало эти работы ненужными. С помощью только одного спутникового приемника возможно определить координаты объекта с метровой точностью, что достаточно не только для навигационных, но и в ряде случаев для земельно-кадастровых, геологических, мелиоративных и других работ. Применяя два приемника, можно получить сантиметровую и даже миллиметровую точность взаимного положения пунктов, что обеспечивает решение практически всех геодезических задач.

  Спутниковое позиционирование базируется на электронных  методах геодезических измерений, в первую очередь на электронной  дальнометрии, которые широко применяют в наземной геодезии. В случае спутниковых измерений эти методы претерпели существенные изменения, обусловленные спецификой прохождения сигналов на космических трассах.

  К первому поколению спутниковых  систем позиционирования до 70-х годов  можно отнести Транзит (США) и Цикада (СССР). В 1984-1993 гг. в России с помощью системы Транзит создана доплеровская геодезическая сеть (ДГС).

  Все эти системы обеспечивали точность получения координат 50…100 м и  отличались малой оперативностью: для  достижения высокой точности требовались несколько прохождений ИСЗ в «поле зрения» приемника, при этом перерывы между прохождениями спутников, например в системе «Транзит», составляли полтора часа. Это послужило основанием для разработки систем второго поколения – глобальных спутниковых систем.

  Применяя  глобальные системы, получают координаты в любой точке Земли в любой  момент времени с сантиметровой  точностью. Это стало возможным  благодаря увеличению высот орбит  спутников до 20 тыс. км и числа  самих спутников до 24. Приемники спутниковых сигналов созданы с применением высоких технологий, поэтому они малы по размерам и сравнительно недороги. Все это позволяет рассматривать глобальные системы как новое достояние цивилизации.

  В мире существуют две глобальные системы: американская – GPS и российская – ГЛОНАСС.

  GPS (Global Positioning System – Глобальную Систему Позиционирования) первоначально назвали NAVSTAR (1973). Система находится в ведении Министерства обороны США. Запуск спутников первого блока осуществлен в 1978 г. Эксплуатируется с 1995 г. До недавнего времени система была открыта для гражданского пользования только в режиме пониженной точности; для режима высокой точности требовался санкционированный доступ. В 2000 г. Это ограничение снято, и сейчас GPS открыта для всех и в режиме высокой точности.

  ГЛОНАСС – Глобальная навигационная спутниковая  система. Ее разработки начаты в 1970 г. В 1982 г. Выведены на орбиты первые ее спутники серии КОСМОС. В 1993 г. Система официально принята в эксплуатацию Министерством  обороны РФ. В 1996 г. ГЛОНАСС развернута полностью. В ней навигационный режим повышенной точности оставлен для санкционированных пользователей (военных), а режим пониженной («стандартной») точности доступен гражданским пользователям. Уже работают приемные устройства, одновременно использующие и GPS и ГЛОНАСС.

  В 1989 г. Начали создание Европейской системы  координат EUREF, которая базируется на методе GPS и опирается на основные спутниковые станции, задающие всемирную систему координат ITRF. На территории 15 стран было заложено 92 пункта с таким расчетом, чтобы в каждой стране было не менее трех пунктов сгущения. Расстояния между пунктами составили 300…500 км. По результатам уравнивания точность системы оценена на уровне 3…4 см.

  В 1999 г. Европейский парламент поддержал решение Европейского космического агентства ESA о создании нового поколения спутниковой системы GALILEO, которая будет включать 30 спутников (из них 3 резервных), расположенных на высоте 23 200 км и вращающихся в трех орбитальных плоскостях, наклоненных на 56° к плоскости экватора. Таким образом, с учетом спутников GPS и ГЛОНАСС в распоряжении пользователей будет 80 космических аппаратов (КА), покрывающих весь земной шар.

  Принцип работы глобальной системы состоит  в том, что приемники GPS-сигналов на Земле используют спутники в качестве исходных (опорных) пунктов для определения своего местоположения. Это известная в геодезии пространственная обратная линейная засечка, когда на пересечении трех сферических поверхностей определяют координаты искомого пункта. Измеряя время прохождения сигнала от спутника до приемника, можно определить расстояние до спутника.

  Глобальная  спутниковая система позиционирования, которую в дальнейшем для краткости  будем называть «глобальная система», принципиально изменяет существующую технологию геодезических работ. По сравнению с последней она имеет следующие преимущества:

  - результаты получаются в системе  общего земного эллипсоида;

  - обеспечивается полная автоматизация  измерений и обработки результатов;

  - исключается необходимость располагать пункты под условием обеспечения взаимной видимости между ними;

  - представляется возможным выполнять  наблюдения в любую погоду, как  в дневное, так и в ночное  время;

  - выбирать пункты можно, исходя из требований съемки, в непосредственной близости к району работ, без учета конфигурации геодезической сети;

  - выполнять полевые работы можно  с помощью аппаратуры, не требующей  персонала высокой квалификации;

  - время наблюдения на пункте, как  правило, не превышает 1…2 ч,  а когда не требуется высокая точность измерений, может быть уменьшено до 1…2 мин;

  - представляется возможность высокоточного  определения координат центров  проектирования при аэро- и космической  съемке;

  - одновременная видимость нескольких  спутников позволяет исключать  основные источники погрешностей в спутниковых наблюдениях, в результате чего достижима точность определения относительных координат 1·10^-6 и более, что означает возможность конкуренции с наземными методами измерений. 

  Аппаратура  пользователей. 

  Комплектация  и технические характеристики аппаратуры пользователей зависят от решаемых задач. В простейшем случае – это миниатюрный приемник по размерам не больше наручных часов. Чем точнее работы, тем сложнее аппаратура. Наиболее совершенные приемники применяют в геодезических целях. Комплект аппаратуры для геодезических целей включает антенну, приемник, контроллер (управляющее устройство), блок питания (для зарядки аккумуляторов и работы от сети), аккумуляторы или батареи, кабели, штативы, веху для установки антенны, рулетку или специальное приспособление для измерения высоты антенны, станковый рюкзак для приемника, упаковочные сумки, чехлы и прочее оснащение. Для обработки измерений обязателен персональный компьютер с программным обеспечением. Антенну можно встроить в приемник или использовать в виде выносного модуля, соединяемого с ним специальным кабелем.

    Все приемники являются многоканальными  с числом каналов от 6 и более.  Каждый канал следит за своим  спутником. Поскольку при измерениях  серьезной проблемой является  срыв сигналов в тени зданий и других объектов, то эти трудности легче преодолеть, если выполнять измерения многоканальными приемниками: чем больше каналов, тем легче найти необходимое число видимых спутников и избежать срывов.

  Приемники можно разделить:

  - на односистемные, принимающие сигналы только GPS;

  - двухсистемные, принимающие сигналы  как ГЛОНАСС, так и GPS.

  По  видам принимаемых и обрабатываемых сигналов приемники делят:

  - на кодовые одночастотные, работающие  по С/А-коду;

  - кодовые двухчастотные, ориентированные прежде всего на Р-код;

  - кодово-фазовые одночастотные, применяющие  дальномерный С/А-код и фазовые  измерения только на частот  L₁;

  - кодово-фазовые двухчастотные, использующие  дальномерные коды и фазовые измерения на частотах L₁ и L₂.

  Максимальную  точность обеспечивают двухчастотные приемники (погрешность измерений составляет сантиметры и даже миллиметры). Вместе с тем и одночастотные приемники благодаря применению относительного метода измерений и совершенной методики обработки позволяют получить высокую точность.

  Кодовые приемники легки, компактны, умещаются на ладони. В одном корпусе совмещены все блоки (антенна, сам приемник, питание). Кроме определения трехмерного положения, как правило, вычисляют скорость и направление движения. Выдают координаты в разных формах (широта, долгота, высота, плоские координаты в разных проекциях и др.). После снятия режима SA (селективного доступа) кодовые приемники стали основными приборами для определения места в различных географических,  геологических и других работах.

  Кодово-фазовые  приемники малогабаритны, обычно оснащены отдельной антенной, имеют мощные накопители данных. В некоторых конструкциях внутренняя память до 100 Мб и более, а число каналов достигает 40.

  Все они снабжены портами для интеграции с другой аппаратурой, питаются в основном от аккумуляторов. Нередко клавиатура с дисплеем установлена на вспомогательном устройстве – контроллере, которое пользователь держит в руке, при измерениях вводит необходимые команды (имя точки, высота антенны и др.).

  Кодово-фазовые приемники выполняют следующие основные функции:

  - генерирование местных эталонных  колебаний, несущих частот и  дальномерных кодов;

  - поиск, захват, усиление и разделение  сигналов от разных спутников;

  - регистрацию сигналов;

  - фильтрацию сигналов для ослабления помех;

  - детектирование сигналов для  выделения меток времени, кодовых посылок, навигационного сообщения и несущих колебаний;

  - слежение за частотой, фазой, кодовыми  сигналами, измерение времени и разности фаз при кодовых и фазовых измерениях.

  При включении питания в приемнике устанавливают стартовое меню, позволяющее пользователю выбрать нужный режим измерений. При поступлении сигнала от спутника и наличии альманаха, хранящегося в памяти приемника, производится идентификация спутника, и приемник начинает захват сигнала. Захват сигнала – это вхождение в синхронизм по фазе псевдослучайного кода, т.е. совпадение местной ПСП с поступающей со спутника. В дальнейшем приемник поддерживает режим отслеживания захваченных сигналов и позволяет периодически брать отсчеты, фиксирующие вычисленные псевдодальности и точное время.

  Приемник  обладает системой автоматизированного управления, которая позволяет обрабатывать поток получаемой информации, производить вычислительные операции, показывать на дисплее интересующие оператора данные, выполнять самодиагностику работы приемника и др. Все это возможно благодаря соответствующему программному обеспечению, которое имеет исключительно важное значение в любом спутниковом приемнике. При этом наблюдается тенденция к уменьшению массы и габаритов приемника, конструктивному объединению отдельных частей комплекта аппаратуры и максимальному упрощению органов управления. Такие приемники образуют новое поколение, получившее название приемники класса «все в одном».

  В мире производством спутниковых приемников заняты более 400 фирм. В России получили распространение приемники фирм Ashteck, Trimble, Magellan (США), Leica (Швейцария), Z-Max, ProMark (Франция), Geotronics AB (Швеция), Topcon (Япония) и др.

  При участии фирмы Ashteck в России разработан 12-канальный одночастотный приемник «Землемер».

  Появились совмещенные GPS/ГЛОНАСС приемники Trimble 4000 SGL, Ashteck GG-24, JGG 20 и др.

  В результате объединения компании JPS (Javad Positioning System) с японской корпорацией Topcon создается новая компания TPS (Topcon Positioning System), которая начинает выпускать приемники нового поколения с усовершенствованной технологией.

  Начали  создавать интегрированные системы, одной из составных частей которых является спутниковый приемник. Так, шведская фирма Spectra Position выпустила модульную геодезическую  систему Geodimeter Integrated Surveying System, объединяющую тахеометр, спутниковый приемник и полевой пен-компьютер (компьютер, в котором клавиатуру заменяет (световое перо», позволяющее рисовать и чертить от руки прямо на экране). 

  Особенности съемки ситуации и  рельефа с применением  GPS-приемников 

  При выполнении съемочных работ посредством  спутниковых определений создания съемочной сети, т.е. проложение теодолитных  ходов, построение триангуляции (взамен теодолитных ходов) и др. не требуется.

  Съемку  ситуации и рельефа выполняют  кинематическим методом способом «стой-иди». Кинематический метод требует для проведения съемочных работ не менее двух геодезических приемников спутниковых сигналов, например ProMark2 и др. Один приемник называется базовым и должен быть стационарным в течение всего процесса измерений. Его устанавливают на геодезическом пункте (базовой станции) с известными плоскими прямоугольными координатами (в принятой системе координат). Базовый приемник собирает и записывает данные со всех спутников, находящихся в поле зрения GPS-антенны. Другой приемник, одновременно работающий с ним во время спутниковых определений кинематическим методом, называется подвижным (ровером). Подвижный приемник (или приемники) могут перемещаться в процессе съемочных работ для определения координат и высот съемочных пикетов.

  Следует отметить, что измерения способом «стой-иди» будут тем точнее, чем  ближе подвижный приемник находится  к базовой станции. Расстояний между базовым и подвижным приемниками более 10 км следует избегать.

  При выборе расположения базовой станции  на местности следует иметь ввиду, чтобы данное место было свободно от препятствий, влияющих на прохождение  радиосигналов от спутников. Обычно для этого используют открытые территории с одноэтажной застройкой жилыми и промышленными зданиями. Если такие препятствия, как здания, сооружения или деревья, не позволяют приемнику зафиксировать 5 спутников и более, то выполнять съемку на таком объекте посредством спутниковых определений нецелесообразно.

  Если  местные препятствия не исключают  возможность ведения наблюдений спутников, то можно проектировать  выполнение съемочных работ.

  Основанием  для выполнения съемки ситуации и  рельефа являются техническое задание, технический проект или программа выполнения топографо-геодезических работ на объекте. При незначительном объеме работ составляют программу полевых работ, в которой излагаются следующие вопросы:

  - назначение работ и их состав;

  - сведения об исходных данных;

  - проект выполнения съемочных  работ и др.

  Составление проекта съемочных работ кинематическим методом начинают с изучения топографической  карты на район выполнения работ. Пользуясь картой, на которой изображен  объект съемки, намечают границы участков, на территории которых будут устанавливать базовые станции. При этом расстояния между базовой станцией и подвижным приемником должны быть минимальны. При проектировании участков нужно предусмотреть перекрытие их границ на ширину 15…60 м в зависимости от масштаба съемки и высоты сечения рельефа. В программе работ нужно указать названия геодезических пунктов, которые будут считаться базовыми станциями.

  На  стадии проектирования съемки должна быть выполнена рекогносцировка местности, в результате которой должны быть обследованы опорные геодезические пункты и установлена их пригодность для выполнения спутниковых определений. При рекогносцировке ведут журнал, в котором для базовой станции фиксируют азимуты и высоты границ нахождения препятствий, если их высота над горизонтом превышает 15°.

  При проектировании устанавливают оптимальное  время наблюдений спутников на каждой базовой станции и участке  съемки. Эти данные в виде даты проведения работ и времени начала и конца  интервала, в котором параметры  спутникового созвездия оптимальны для спутниковых определений, отражают в рабочей программе полевых работ.

  Съемочные работы выполняют на основе составленной программы полевых работ. При съемке ведут абрис по тем же правилам, что при тахеометрической съемке. Подвижный приемник, укрепленный на вехе с внешней антенной, устанавливают на характерных точках ситуации и рельефа местности. Порядок их выбора и густота съемочных пикетов остаются такими, как при производстве топографических съемок другими методами (мензульным, тахеометрическим и др.).

  Между базовым и подвижным приемником при выполнении съемки должна быть радиосвязь, чтобы иметь информацию о спутниках, одновременно находящихся в поле зрения GPS-приемников.

  Работу  начинают с установки базового приемника  на опорном геодезическом пункте. Выполняют ее идентично работе приемника в статическом режиме (быстрой статики). В память базового приемника вводят высоту антенны и другие данные. Подвижный приемник до начала съемки должен находиться на базовой станции (пункте) и пройти процесс инициализации, как рекомендуется в эксплуатационной документации применяемого типа приемника. Далее приведено описание некоторых действий по установке подвижного приемника в режиме «стой-иди» сначала на базовом пункте, а затем на съемочном пикете.

1. Включить приемник (на базовом пункте).
2. Установить режим «стой-иди».
3. Установить режим регистрации данных наблюдений спутников (сбор данных).
4. Внести в запоминающее устройство высоту антенны, пользуясь клавиатурой приемника.
5. Переместить после инициализации внешнюю антенну подвижного приемника на веху и, не выходя из режима «стой-иди», выключить режим «сбор данных».
6. Установить веху с внешней антенной вертикально (по круглому уровню) на начальном съемочном пикете.
7. Ввести, пользуясь клавиатурой приемника, атрибутивную информацию о съемочном пикете: номер пикета, продолжительность наблюдения (3…5 мин), значение высоты антенны и др.
8. Включить режим «сбор данных» в течение установленной продолжительности наблюдений. Затем, не выходя из режима «стой-иди», включить режим «сбор данных».
9. Перейти на следующие съемочные пикеты и повторить на каждом из них действия 6…8.

  Недостаток  способа «стой-иди» заключается  в том, что он требует непрерывного наблюдения необходимого числа спутников  во все время проведения съемки после каждой инициализации. Если это условие не выполняется, то необходимо повторить действия 1…5, а затем 6…8 для оставшихся пикетов.

  При камеральных работах:

  - вычисляют координаты и высоты  съемочных пикетов;

  - наносят на составляемый топографический  план участка съемки опорные геодезические пункты и съемочные пикеты;

  - наносят ситуацию и проводят  горизонтали.

  Для выполнения камеральных работ применяют  ЭВМ и автоматические средства вычерчивания карт (планов). В качестве программного обеспечения для вычислительной обработки спутниковых данных применяют соответствующие программные пикеты, прилагаемые к спутниковой аппаратуре, используемой при съемочных работах. Топографический план местности оформляют в соответствии с действующими знаками. 

  Создание  опорных межевых сетей с применением спутниковой аппаратуры 

  Опорные межевые сети создают для межевания  земель, ведения Государственного земельного кадастра и мониторинга земель, землеустройства, установления и уточнения административно-территориальных  границ и решения других задач.

  Геодезической основой для создания ОМС являются пункты государственной геодезической  сети всех классов, пункты системы координат 1963 г. И местных систем координат, обеспечивающие построение ОМС с  заданной точностью.

  Опорную межевую сеть создают с помощью спутниковых технологий и наземных методов (полигонометрия, триангуляция, трилатерация и др.).

    При проектировании опорных межевых  сетей с применением спутниковой  технологии руководствуются уже  упомянутыми Основными положениями  и Инструкцией. Основой для проектирования должны служить: сбор и анализ сведений и материалов обо всех ранее выполненных геодезических работах на объекте предстоящих работ по имеющимся картам наиболее крупного масштаба и литературным источникам; обследование и инструментальный поиск геодезических знаков ранее выполненных работ; выбор наиболее целесообразного варианта спутниковых построений.

  Графическую часть проекта создания ОМС составляют на картах масштабов 1:10 000 – 1:25 000.

  Геодезическая основа, используемая для создания ОМС, должна удовлетворять требованиям по беспрепятственному и помехоустойчивому прохождению радиосигналов. В качестве исходных пунктов, на базе которых развивается ОМС, следует использовать все пункты ГГС, находящиеся в пределах объекта и ближайшие к нему, но не менее 4 пунктов с известными координатами и 5 с известными высотами, так, чтобы обеспечить приведение пунктов ОМС в систему координат и высот пунктов ГГС.

  Рабочая программа полевых работ по созданию опорных межевых сетей должна включать следующие основные данные: перечень используемой аппаратуры и программного обеспечения, методы спутниковых определений, продолжительность приема сигналов, интервал регистрации наблюдений, порядок ведения полевых работ.

  При проектировании вычислительной обработки результатов наблюдений спутников предусматривают применение IBM – совместных ЭВМ и использование программных пакетов, входящих в комплекты спутниковой аппаратуры.

  Рекогносцировку и закрепление пунктов ОМС  на местности выполняют в соответствии с указаниями Основных положений и Инструкции.

  При обследовании пунктов ГГС устанавливают  их фактическую пригодность для  выполнения наблюдений спутников. Непригодные  для наблюдений пункты должны быть отбракованы. При ограниченности числа  пригодных для наблюдения пунктов геодезической основы принимают меры по вовлечению забракованных в процесс наблюдений (подъем антенны с определением элементов приведения).