Элементы приведения
К элементам приведения относят поправки за центрировку и редукцию визирных целей.
Их можно определять аналитическим или графическим путем.
Необходимость вводить такие поправки возникает из-за того, что проекции точки стояния прибора (J), визирной цели знака (S) и его центра (С) на горизонтальную плоскость не совпадают между собой.
Образец определения элементов приведения графическим путем дан на рис. 7.
Рис.7. Определение элементов приведения.
Из-за того, что измерения направлений произведены из точки I, а не С, то они должны быть приведены к центру знака, то есть исправлены поправками c'' за центрировку.
Поправки c'' прибавляются со своими знаками к измеренным на данном пункте направлениям.
Поправки r'' за редукцию визирной цели S данного пункта вводятся со своими знаками в обратные направления (AS и BS).
Формулы для вычислений:
где l – линейные элементы;
θ – угловые элементы;
S – расстояние между пунктами;
M – направления, для которых вычисляются поправки.
Глобальные навигационные спутниковые системы
Общие понятия
К новым геодезическим технологиям относятся методы определения координат точек (позиционирования) по сигналам навигационных спутников Земли.
Использование глобальных спутниковых систем имеет существенные преимущества по сравнению с таридиционными геодезическими:
исключается необходимость располагать пункты сетей при условии взаимной видимости между ними;
расстояния между определяемыми пунктами могут составлять десятки километров;
возможны наблюдения в любую погоду в дневное и в ночное время;
измерения и обработка результатов их автоматизированы;
возможно получение координат точек объектов недвижимости в реальном времени.
К первому поколению спутниковых систем позиционирования можно отнести Транзит (США) и Цикада (СССР). В 1984-1993 гг. в России с помощью системы Транзит создана доплеровская геодезическая сеть (ДГС).
В настоящее время действуют две спутниковые системы.
Разработки российской ГЛОНАСС начаты в 1970 г. В 1982г. выведены на орбиты первые 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.
Американская GPS находится в ведении Министерства обороны США. Запуск спутников первого блока осуществлен в 1978 г. В 2000 г. сняты все ограничения по эксплуатации и сейчас GPS открыта для всех потребителей в режиме высокой точности.
На каждом спутнике GPS и ГЛОНАСС установлены солнечные батареи питания, приемно-передающая аппаратура, эталоны частоты и времени, бортовые компьютеры и уголковые отражатели для лазерной дальнометрии.
Глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС) включает три сегмента:
созвездие космических аппаратов (ИСЗ);
наземного контроля и управления;
приемных устройств (аппаратуры пользователей).
Сегмент космических аппаратов состоит из 24 спутников (21 действующего и 3 резервных), которые обращаются вокруг Земли по определенным орбитам.
Орбиты спутников GPS расположены в шести плоскостях по четыре спутника в каждой. Средняя высота орбиты – около 20180 км. Период обращения спутников Земли составляет 11 час. 58 мин. Такое количество спутников и их расположение обеспечивают одновременный прием сигналов как минимум от четырех спутников в любой точке Земли в любое время.
Процедура определения координат пунктов основана на использовании кодовой информации и высокоточных временных сигналов, передаваемых спутниками. Каждый спутник GPS передает сигналы на двух несущих частотах: L1 и L2. Спутниковые сигналы названных несущих частот L – диапазона модулированы двумя кодами: точным Р-кодом и грубым С/Акодом, а также навигационным сообщением, содержащим среди другой информации координаты спутников как функции времени – "Бортовые эфемериды". Точный Р-код обеспечивает выполнение спутниковых определений с дециметровой точностью, а грубый С/А-код – с метровой точностью.
Спутники ГЛОНАСС вращаются вокруг Земли в трех орбитальных плоскостях на высоте около 19150 км, период обращения - 11 час. 16 мин.
ИСЗ движется по орбите в некоторой шкале времени. На каждом спутнике системы GPS установлено по несколько атомных стандартов частоты, одновременно являющихся генераторами шкал времени.
Определение координат точек земной поверхности с помощью ИСЗ основано на радиодальномерных измерениях дальностей от спутника до приемника, установленного на определяемой точке. Если измерить дальности R1, R2, R3 до трех спутников (см. рис. 8) , координаты которых на данный момент времени известны, то методом линейной пространственной засечки можно определить координаты точки стояния приемника. Но измеренные дальности получаются искаженными, поэтому их называют псевдодальностями. Существующую постоянную систематическую погрешность можно исключить, если измерять псевдодальности как минимум с четырех спутников.
Для получения избыточных измерений, которые могут повысить качество окончательного результата и оценить его точность, обычно используют большее число спутников.
Рис.8. Принцип радиодальномерных измерений.
Сегмент наземного контроля и управления состоит из сети станций слежения, которые равномерно размещены по территории страны.
Сегмент приемных устройств включает спутниковый приемник, антенну, управляющий орган-контроллер, источник питания и другие вспомогательные средства.
Понятия о режимах измерений
ГНСС могут работать в режимах кодовых и фазовых измерений. В первом случае измеряют время распространения кодово-модулированного сигнала от спутника до приемника, а при фазовых – сдвиг фазы колебаний несущей частоты за время распространения. Режим кодовых измерений называют навигационным (абсолютным определением), режим фазовых измерений – геодезическим (относительным определением). Кодовые измерения дают меньшую точность, приемлемую главным образом для решения задач навигации, и при этом обеспечивают непосредственное получение самих координат. Фазовые же измерения позволяют получить приращения координат двух или более точек, в которых установлены одновременно работающие приемники (см. рис. 9).
Рис. 9. Режим фазовых измерений.
Существует понятие точности взаимного положения пунктов. При
проведении земельно-кадастровых геодезических работ к нему предъявляются жесткие требования. Если один из пунктов является опорным (Р1), то положение другого пункта (Р2) относительного опорного определяется как
Таким образом, параметром, характеризующим относительное положение пунктов, является расстояние между ними. Определить положение одного пункта относительно другого можно, получив приращение координат.
СКП взаимного положения пунктов равна:
,
где b – длина линии;
Н – высота орбиты ИЗС;
mэ – СКП эфемерид ИЗС.
Для практических расчетов можно использовать формулу:
Абсолютные определения делятся на автономные (когда измерения производят одним приемником) и дифференциальные. При дифференциальных измерениях используются два пункта: базовая станция (координаты ее известны, обычно это пункт ГГС) и подвижная станция (определяемая точка). На базовой станции измеренные расстояния до ИСЗ сравнивают с вычисленными по координатам. Определяют их разности, которые называются дифференциальными поправками. Их учитывают при вычислении координат подвижной станции. Дифференциальный метод основан на том соображении, что при относительно небольших расстояниях между станциями (обычно не более 10 км) погрешности измерений на них практически одинаковы. При увеличении расстояния – точность падает. Для ее повышения увеличивают время наблюдений от нескольких минут до нескольких часов.
Понятие о спутниковых приемниках
Комплектация и технические характеристики аппаратуры пользователей зависят от решаемых задач. Чем точнее работы, тем сложнее аппаратура. Наиболее совершенные приемники применяют в геодезических целях.
Приемники имеют три модификации. Приемники первого класса предназначены для быстрых навигационных определений координат. Их удобно использовать при рекогносцировке, выносе в натуру и съемке объектов с небольшой точностью. Приемники второго класса предназначены для определения положения движущихся объектов. Приемники третьего класса относятся к приемникам геодезического назначения. В них многоканальный блок осуществляет слежение одновременно за сигналами примерно 12 спутников. Они оснащены портами для интеграции с ПЭВМ.
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 производством спутниковых приемников заняты более 400 фирм. В России получили распространение приемники фирм Ashteck, Trimble (США), Leica (Швейцария), Торсоn, Sokkia (Япония). На основе приемника фирмы Leica создан российский приемник "Землемер Л1". Тип его – одночастотный шестиканальный. Точность измерения базовой линии в режиме статика – (5-10мм)+2мм/км. Прибор прост в эксплуатации, высоконадежен. Внешний вид приемника фирмы Trimble с панелью управления приведен на рис. 10.
Рис. 10. Приемник фирмы Trimble и панель управления.
Факторы, влияющие на результаты измерений
Существует множество факторов, ухудшающих результаты измерений. Радиосигнал проходит от ИСЗ до приемника большой путь и претерпевает возмущения в ионосфере, нижних слоях атмосферы, вблизи поверхности Земли.
В ионосфере погрешности вызываются главным образом концентрацией свободных электронов. Погрешности могут достигать десятков метров. Способ борьбы – двухчастотные измерения.
В нижних слоях атмосферы, особенно в тропосфере, сильное влияние оказывают метеоусловия. Установлено, что наибольшие искажения сигнала имеют ИСЗ, расположенные на высотах над горизонтом менее 100. Такие спутники не включают в измерения.
Возникает также многолучевость. Это когда в приемную антенну поступают дополнительно и сигналы, отраженные от земли и различных объектов. При фазовом способе измерений искажения бывают в несколько сантиметров. При кодовом – достигают нескольких метров. Поэтому используют специальные встроенные программы подавления многолучевости.
Могут быть помехи от близко расположенных локаторов, теле- и радиопередающих станций.
Важнейшей характеристикой качества является геометрия засечки. Установлено, что точность определений тем выше, чем больше объем треугольной пирамиды, в вершинах которой находятся ИСЗ. Поэтому измерения выполняют в момент наилучшей геометрии.
В международной терминологии геометрический фактор обозначают аббревиатурой DOP (падение точности). DOP не может быть меньше 1, но чем он меньше, тем лучше. Наблюдениям всегда предшествует очень важный этап планирования работ. Цель его – определение оптимального интервала времени для наблюдения на данном объекте. Это значит, что в этом интервале в зоне радиовидимости приемника будет находиться достаточное количество ИСЗ и их конфигурация обеспечит DOP близкий к единице.
Способы измерений и постобработка
Различают два основных способа относительных измерений: статический и кинематический. В обоих режимах один из приемников находится на исходном пункте, а другой – на определяемом. В статике оба приемника неподвижны, а в кинематике мобильный приемник перемещается (непрерывно или с остановками).
Статический режим – наиболее точный, но точность зависит от продолжительности измерений. Она выбирается в зависимости от расстояния между точками.
После окончания измерений выполняется совместная обработка информации. Современные приемники позволяют достичь точности определения плановых координат (5-10мм)+1-2мм/км, высотных – в 2-3 раза ниже.
Кинематические измерения позволяют получить координаты точек за короткие промежутки времени. Работу начинают с инициализации. При этом референцный приемник устанавливают на исходном пункте, а роверный – на первом из определяемых (эти пункты образуют базу). Таким образом, статическим способом делают привязку первой подвижной станции к исходной. Затем роверный приемник переключают в режим движения. При этом двигаться нужно так, чтобы на антенну поступали сигналы не менее чем от четырех одних и тех же спутников. В случае срыва сигнала возвращаются на предыдущий пункт. Если срыва не происходит, то, прибыв на очередной пункт, устанавливают антенну над ним и переключают приемник в статический режим, который продолжается менее 1 мин. Как только работа на пункте заканчивается, оператор переключает приемник в роверный режим и движется к следующему пункту. Измерения завершают на пункте с известными координатами, где выполняют статические наблюдения.
При кинематических измерениях координаты можно получать в режиме реального времени, то есть непосредственно на определяемой точке. Для этой цели между опорным и мобильным приемниками организуется цифровой радиоканал (с помощью радиомодема). По нему роверный приемник получает от референцного всю необходимую информацию. При этом никакой постобработки не требуется.
При отсутствии данного режима производят обработку полученных результатов измерений. Она включает вычисление длин базовых линий и координат пунктов обоснования в системе координат WGS-84, строгое уравнивание сети по методу наименьших квадратов, трансформирование уравненных координат в государственную или местную систему координат.