Точность определения координат точек местности

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение                                                                                                                   3

Принцип работы системы GPS                                                                               5

Основные  принципы работы системы ГЛОНАСС                                               7

Применение  спутниковых методов определения  координат                            10

Базовые станции                                                                                                    13

Точность  определения координат на картах различных масштабов                18

Список литературы                                                                                                19 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение 

     Спутниковые технологии появились в России в  начале 1990-х гг; почти на 10 лет позднее, чем в США. Их преимущества перед обычными методами геодезии было настолько впечатляющими, что, они быстро стали находить в топографо-геодезическом производстве в России все более широкое применение.

     Термин "GPS технологии" (или ГЛОНАСС/GPS технологии) применяется для способов определения координат с применением  спутниковых радионавигационных систем (СРНС) – американской системы GPS и  российской ГЛОНАСС. Каждая из этих СРНС при полном развертывании состоит  из 24 спутников, вращающихся на орбитах  с высотой около 20000 км. Спутники непрерывно передают сигналы, содержащие информацию об их положении и точном времени, а также дальномерные коды, позволяющие измерить расстояния.

     Определение координат пользователя производится с помощью специальных спутниковых приемников, измеряющих либо время прохождения сигнала от нескольких спутников до приемника, либо фазу сигнала на несущей частоте. В первом случае расстояния измеряются с метровым уровнем точности, во втором случае – с миллиметровым уровнем точности. При этом реализован однонаправленный метод измерения расстояний, поскольку и GPS, и ГЛОНАСС являются беззапросными спутниковыми системами, допускающими одновременное использование их многими пользователями.

     Каждый  приемник может производить измерения  либо независимо от других приемников, либо синхронно с другими приемниками. В первом случае, называемом абсолютным методом, достигает точность однократного определения координат по кодам  порядка 1-15 м. Такой метод идеально подходит для навигации любых  перемещающихся объектов, от пешеходов  до ракет. Однако более высокую точность можно получать при одновременных  наблюдениях спутников несколькими  приемниками по фазовым измерениям. При такой методике наблюдений один из приемников обычно располагается  в пункте с известными координатами. Тогда положение остальных приемников можно определить относительно первого  приемника с точностью нескольких миллиметров. Этот метод GPS получил  название относительного метода. При  этом возможны измерения на расстояниях  от нескольких метров до тысяч километров.

     При обработке данных в реальном времени, то есть в процессе наблюдений на точке, спутниковая аппаратура дополняется  радиомодемами и другими средствами беспроводной связи для взаимообмена данными между приемниками. Пост-обработка  обычно выполняется более строго.

     Методы GPS измерений можно разделить  на статические и кинематические. При статических измерениях участвующие в сеансе приемники находятся на пунктах в неподвижном состоянии. Продолжительность наблюдений составляет от 5 минут (быстрая статика) до нескольких часов и даже суток, в зависимости от требуемой точности и расстояний между приемниками. При кинематических измерениях один из приемников находится постоянно на опорном пункте, а второй приемник (мобильный) находится в движении. Точность кинематических наблюдений немного ниже, чем в статике (обычно 2-3 см на линию до 10 км).

     Обработка материалов измерений может выполнятся с помощью таких программ как Credo DAT, AutoCAD, GeoniCS, Панорама Карта 2008. Окончательным результатом обработки измерений является межевой план.

     Кроме определения местоположения границ земельного участка также необходимы кадастровый учет и государственная  регистрация.

     Принципиальным  достоинством спутниковых методов  позиционирования является возможность  определения координат в любое  время суток и в любой точке. Отпадает необходимость наличия  прямой видимости между исходными  и определяемыми пунктами. Это  позволяет экономить время и  снижает стоимость определения  координат.

     Закон "О государственном земельном  кадастре" и действующий сейчас закон "О государственном кадастре недвижимости" требуют определения  координат не только границ участков, но и расположенных на них объектов недвижимости и точного определения  площадей участков и объектов недвижимости. Знание соответствующих координат  позволяет определять площади самым  точным аналитическим методом, что  очень важно для правильного  исчисления земельного налога и рыночной цены участка.

     Принцип работы системы GPS

     Основу  системы составляет сеть сеть ИСЗ развёрнутых в около земной орбите и равномерно "покрывающих" всю земную поверхность. Орбиты ИСЗ расчитаны с очень высокой степенью точности, поэтому в любой момент времени известны координаты каждого спутника. Радиопередатчик каждого из спутников непрерывно излучает сигналы в направлении Земли. Эти сигналы принимаются GPS-приемником, находящемся в некоторой точке земной поверхности, координаты которой нужно определить.

     GPS-приёмник—радиоприёмное  устройство для определения географических координат текущего местоположения антенны приёмника, на основе данных о временных задержках прихода радиосигналов, излучаемых спутниками группы NAVSTAR.

     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 GPS-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. До 1 мая 2000 года точность искусственно занижалась путем внесения в передаваемые спутником данные помех.

     В GPS- приемнике измеряется время распространения  сигнала от ИСЗ (искусственного спутника земли) и вычисляется дальность "спутник- координаты X, Y и высоту H, то в приемнике вычисляются расстояния до трех различных ИСЗ . Очевидно, при данном методе радионавигации (он называется беззапросным) точное определение времени распространения сигнала возможно лишь при наличии синхронизации временных шкал спутника и приемника.

     Поэтому в состав аппаратуры ИСЗ и приемника входят эталонные часы (стандарты частоты), причем точность спутникового эталона времени исключительно высока. Бортовые часы всех ИСЗ синхронизированы и привязаны к так называемому "системному времени". Эталон времени GPS- приемника менее точен, чтобы чрезмерно не повышать его стоимость.

     На  практике в измерениях времени всегда присутствует ошибка, обусловленная  несовпадением шкал времени ИСЗ  и приемника. По этой причине в  приемнике вычисляется искаженное значение дальности до спутника или "псевдодальность". Измерения расстояний до всех ИСЗ, с которыми в данный момент работает приемник, происходит одновременно. Следовательно, для всех измерений величину временного несоответствия можно считать постоянной. С математической точки зрения это эквивалентно тому, что неизвестными являются не только координаты X,Y и H, но и поправка часов приемника D t. Для их определения необходимо выполнить измерения псевдодальностей не до трех, а до четырех спутников. В результате обработки этих измерений в приемнике вычисляются координаты (X,Y и H) и точное время.

     Если  приемник установлен на движущемся объекте  и наряду с псевдодальностями измеряет доплеровские сдвиги частот радиосигналов, то может быть вычислена и скорость объекта. Таким образом, для выполнения необходимых навигационных расчётов точки необходимо обеспечить постоянную видимость с нее, как минимум, четырех спутников. После полного развертывания созвездия ИСЗ в любой точке Земли могут быть видны от 5 до 12 спутников в произвольный момент времени.

     Современные GPS-приемники имеют от 5 до 12 каналов, т.е. они могут одновременно принимать  сигналы от 5 до 12 ИСЗ. Приём сигнала  более чем от четырех спутников  естественно позволяют повысить точность определения координат  и обеспечить непрерывность решения  навигационной задачи. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Основные  принципы работы системы ГЛОНАСС

     Спутники  системы ГЛОНАСС непрерывно излучают навигационные сигналы двух типов: навигационный сигнал стандартной точности (СТ) в диапазоне L1 (1,6 ГГц) и навигационный сигнал высокой точности (ВТ) в диапазонах L1 и L2 (1,2 ГГц). Информация, предоставляемая навигационным сигналом СТ, доступна всем потребителям на постоянной и глобальной основе и обеспечивает, при использовании приемников ГЛОНАСС возможность определения:

• горизонтальных координат с точностью 50-70 м (вероятность 99,7%);
• вертикальных координат с точностью 70 м (вероятность 99,7%);
• составляющих вектора скорости с точностью 15 см/с (вероятность 99,7%)
• точного времени с точностью 0,7 мкс (вероятность 99,7 %).

     Эти точности можно значительно улучшить, если использовать дифференциальный метод  навигации и/или дополнительные специальные методы измерений. Сигнал ВТ предназначен, в основном, для потребителей МО РФ, и его несанкционированное использование не рекомендуется. Вопрос о предоставлении сигнала ВТ гражданским потребителям находится в стадии рассмотрения.

     Для определения пространственных координат  и точного времени требуется  принять и обработать навигационные  сигналы не менее чем от 4-х  спутников ГЛОНАСС. При приеме навигационных  радиосигналов ГЛОНАСС приемник, используя известные радиотехнические методы, измеряет дальности до видимых  спутников и измеряет скорости их движения. Одновременно с проведением  измерений в приемнике выполняется  автоматическая обработка содержащихся в каждом навигационном радиосигнале меток времени и цифровой информации. Цифровая информация описывает положение  данного спутника в пространстве и времени (эфемериды) относительно единой для системы шкалы времени  и в геоцентрической связанной  декартовой системе координат. Кроме  того, цифровая информация описывает  положение других спутников системы (альманах) в виде кеплеровских элементов их орбит и содержит некоторые другие параметры. Результаты измерений и принятая цифровая информация являются исходными данными для решения навигационной задачи по определению координат и параметров движения. Навигационная задача решается автоматически в вычислительном устройстве приемника, при этом используется известный метод наименьших квадратов. В результате решения определяются три координаты местоположения потребителя, скорость его движения и осуществляется привязка шкалы времени потребителя к высокоточной шкале Координированного всемирного времени (UTC).

     Как и в GPS, радиосигналы верхнего диапазона частот НКА (Непилотируемый Космический Аппарат) ГЛОНАСС состоят из двух сдвинутых на 90 градусов фазоманипулированных сигналов открытого дальномерного сигнала и дальномерного сигнала высокой точности, доступного ограниченному кругу потребителей. Узкополосный сигнал открытого дальномерного кода модулируется также служебной навигационной информацией. В настоящее время сигналы нижнего диапазона предназначены только для передачи высокоточного кода, однако, перспективные НКА ГЛОНАССМ в нижнем диапазоне частот будут излучать и сигналы открытого дальномерного кода, что позволит всем категориям пользователей осуществлять ионосферную коррекцию.

     Служебная информация накладывается на узкополосный дальномерный сигнал путем инвертирования открытого дальномерного кода. Длина строки служебной информации равна 2 сек.: первые 0,3 сек. предназначены для метки времени, остальные 1,7с предназначены для передачи 85 двоичных символов. Полный кадр навигационной информации состоит из 15 строк (30 сек.) Пять кадров навигационной информации объединяются в суперкадр. В составе каждого кадра передается полный объем цифровой информации, относящейся к данному HKA и часть альманаха системы ГЛОНАСС. Альманах системы полностью передается одним суперкадром. Оперативная информация кадра по каждому навигационному спутнику содержит:

• признак достоверности информации в кадре;
• время начала кадра;
• эфемеридную информацию -координаты и скорости НИСЗ в Гринвичской прямоугольной системе координат на момент времени to;
• частотно-временные поправки на момент времени to в виде относительной поправки к несущей частоте НИСЗ и поправки к шкале времени НИСЗ;
• время to (кратно 30 мин. от начала суток), к которому привязана эфемеридная информация и частотновременные поправки.

     Альманах  системы содержит:

• время, к которому относится альманах;
• параметры орбиты, номер пары несущих частот и поправку к шкале времени для каждого НИСЗ;
• поправку к шкале времени системы ГЛОНАСС относительно шкалы времени страны (единой системы времени).

     В "ГЛОНАСС СРНС" (Спутниковая РадиоНавигационная Система) не предполагается введение селективного доступа. Одновременно, за счет частотного разделения каналов в ГЛОНАСС обеспечивается лучшая, по сравнению с GPS, точность. Согласно статистики, в годы солнечной минимальной активности в ГЛОНАСС по 6 НКА по открытому дальномерному коду СКО ошибок определения широты и долготы составляет 20-28 м, а высоты 40-52 м, что в 2,5 раз меньше, чем для GPS при тех же условиях.

     Сравнительные характеристики систем ГЛОНАСС и GPS Системы GPS и ГЛОНАСС  во многом подобны, но имеют и различия (что хорошо видно из таблицы 1). Данные системы разрабатывались с учетом наиболее вероятных областей применения. Поэтому ГЛОНАСС имеет преимущества на высоких широтах, а GPS - на средних. 

     Применение  спутниковых методов определения  координат 

     Спутниковые радионавигационные системы позволяют  определять координаты путём приёма сигналов по измеренному доплеровскому  сдвигу частоты сигнала, измеряемого  с искусственного спутника земли, параметры  которого известны. В настоящее время  для этих целей используют системы GPS и ГЛОНАСС.

     При работе с GРS-системой координаты определяются в геоцентрической системе, начало её совпадает с центром масс земли. В процессе определений получают значение трёх координат Х, Y, Z. Для их определения должны быть известны координаты спутников и расстояние от точки стояния до спутника. Минимальное необходимое количество спутников для определения координат точки-4. Определяемым параметром при расчёте координат точки является время распространения магнитной волны от спутника до точки. Его измеряют фазовым методом, основанном на доплеровском эффекте.

     Эффект  Доплера - изменение длины волны, наблюдаемое при движении источника  волн, относительно их приёмника. При  приближении источника к приёмнику  длина волны уменьшается, при  удалении - возрастает.

     В результате получают разности длин волн и фаз, что даёт возможность измерить расстояние между спутником и  точкой и затем вычислить координаты точки.

     Методы  определения координат с испытанием ИС3 (искусственные спутники земли) называется Спутниковым позиционированием.

     Работу  можно выполнять в любую погоду днем и ночью. Современные аппаратуры позволяют определить координаты объектов на земле с сантиметровой и  даже миллиметровой точностью.

     В спутниковых технологиях применяют  односторонние методы дальномерных измерений: передающие устройство находится  на спутнике, а приемное на земле.

     Принцип работы состоит в том что приемники GPS сигналов находятся на земле, а сами спутники используются в качестве исходных пунктов. Для определения координат пункта на земле решается пространственная обратная линейная засечка.

     По  трем измеренным дальностям получают координаты X, Y, Z.

     В связи с расхождением шкал времени  спутника и приемника необходимо одновременно наблюдать 4 ИСЗ. В системе GPS спутники размещены на шести орбитах  по 4 спутника на каждой. Высоты орбит  порядка 20000км. Такое количество и  расположение спутников обеспечивают видимость в любой точке земли одновременно не имеет 4х спутников. В системе ГЛОНАСС планируется использование 3 орбит.

     Спутниковые системы состоят из 3-х секторов:

     1. Космический включает спутники.

     2. Контроля и управления – этот комплекс наземных средств, обеспечивает непрерывное наблюдение спутников в целях уточнения их орбит, прогноза движения на определенном интервале времени в виде эфемерид, заложенных в память спутника. Составная часть этого сектора – космическая геодезическая сеть равномерно расположенных на земле пунктов.

     3. Пользователя.

     Состоит из приемника и вычислительного  блока. Измерение в геодезических  целях выполняется фазовым методом, позволяющим получать не координаты, а их приращения в точках, где  установлены приемники. Эти измерения  называются относительными. Существуют два способа измерения:

     1. Кодовый – когда измеряют время распространения сигнала. Его используют только в приемниках, размещенных на определяемом пункте. Этот способ называется автономным. Если измерения одновременно выполняются двумя приемниками то способ называется дифференциальным. При этом способе один приемник ставят на пункте с известными координатами, другой на определяемом, для повышения точности.

     Фазовый – его применяют при определении  координат геодезических пунктов. В этом случае измеряют не время  распространения сигнала, а сдвиг  фаз колебаний несущей частоты  излучаемой спутником за этот промежуток времени.

     Так как спутник движется, то изменяется длина волны, наблюдаемая при  его движении.

     Этот  метод основан на эффекте Доплера.

     Существует  несколько геодезических режимов, делящихся на 2 группы:

     1. статический (не подвижный)

     2. кинематический (движущийся)

     В обоих случаях один приемник находится  на исходном пункте, а второй на определяемом. В статике оба приемника в  момент измерений не подвижны. В  кинематике один приемник перемещается непрерывно или с остановкой. Наблюдение на обоих пунктах проводится одноименно с целью приема сигнала на них  с одноименных спутников. Приемник автоматически тестируется, отыскивает и захватывает все доступные  спутники, производит измерения, открывает  файл и заносит в него всю информацию, затем второй приемник переносится  на другую определяемую точку.

     Кинематический  метод имеет несколько способов. В отличие от статики второй приемник после 10 – 15 минут измерений последовательно  перемещается по определяемым точкам. Не позднее, чем через 1 час второй приемник должен быть размещен в начальной  точке. Этот способ называется "стой – иди".

       Характеристика GPS - аппаратуры

     Приёмная  аппаратура GPS, выпускаемая фирмой Ashtech (США), обеспечивает высокую точность места определения. В приёмник GPS встроен многоканальный блок, осуществляющий слежение одновременно за сигналами двенадцати и более спутников Земли. GPS - приёмник в течении одной секунды собирает, вычисляет и записывает данные о координатах всех спутников, находящихся в поле зрения. Стандартная внутренняя память приёмника 2 Мегабайта позволяет хранить более, чем 37-часовые результаты наблюдений шести спутников или 22часовые данные, полученные по наблюдениям за десятью навигационными искусственными спутниками земли.

     Питание приёмника осуществляется от специальных  аккумуляторов. Приёмник с помощью  стандартной подставки закрепляется на штативе. Температурный диапазон его работы лежит в пределах -20, +60°С, при влажности 100%.

     GPS - приёмники бывают двух типов:  одночастотные и двухчастотные.  Выбор конкретного типа приёмника  спутниковых сигналов для проведения  земельно-кадастровых геодезических  работ прежде всего зависит от необходимой точности определения положения объектов. Например, при создании и развитии ОМС1 необходимо использовать двухчастотные приёмники. При развитии ОМС2, а также при межевании земельных участков разрешается использование одночастотных приёмников.

     Послесеансовая обработка данных GPS определений выполняется с помощью программного обеспечения.

     Коррекция ошибок