Использование спутниковых технологий в инженерной геодезии

К новому поколению измерительных систем, применяемых в геодезии вообще и в инженерной геодезии в частности, относятся приборы (измерительные станции), определяющие координаты Х, Y и высоту Н точки по сигналам со специальных спутников, вращающихся вокруг Земли по строго определенным орбитам.

В настоящее время используются две спутниковые системы определения координат: российская система ГЛОНАСС (Глобальная Навигационная Спутниковая Система) и американская систем NAVSTAP GPS (навигационная система определения расстояний и времени, глобальная система позиционирования).

Обе системы состоят из 21 действующего спутника и трех запасных. Орбиты спутников практически круговые и расположены на расстоянии около 20180 км над поверхностью Земли. Такое количество спутников и их расположение обеспечивает одновременный прием сигналов как минимум от четырех спутников в любой части Земли.

Каждая из систем включает три главных сегмента: наземного контроля и управления (НКУ), созвездия спутников (космических аппаратов - КА) и аппаратуры пользователей (АП).

Наземный сегмент состоит из сети станций слежения за cпутниками, службы точного времени и центра управления (главной станции). Наземные станции собирают информацию об орбитах спутников, обрабатывают ее и передают на спутники прогноз их координат на определенное время (эфемериды), а также другие данные. Спутники принимают и хранят информацию с наземных станций, а также непрерывно излучают для пользователей измерительные радиосигналы, данные о системном времени, свои координаты и другие сведения. Сегмент пользователя включает совокупность аппаратно-программных средств, реализующих определение местоположения спутниковых приемников на поверхности Земли.

Для спутниковых определений установлены свои геодезические системы координат, представляющие собой пространственную, прямоугольную систему X, Y, Z с началом в центре масс Земли, ось которой направлена к северному полюсу, оси X и Y лежат в плоскости экватора; причем ось Х совпадает с плоскостью Гринвичского меридиана, а ось Y - ей перпендикулярна. Для NAVSTAP принята система координат WGS-84, для «ГЛОНАСС» - «ПЗ-90».

Определение местоположения на поверхности Земли с помощью спутников основано на измерении расстояний (дальностей) от спутников до приемника по скорости и времени распространения радиоволн. Если измерить дальности до трех спутников, то, зная их координаты, методом линейной засечки можно определить координаты точки стояния приемника. В силу разных по точности «часов» на спутнике и в приемнике и некоторых других причин определенное до спутника расстояние будет содержать ошибки. Такое ошибочное расстояние получило название «псевдодальности». Чтобы правильно вычислить координаты пункта по псевдодальностям, надо их измерять не до трех спутников, а, как минимум,- до четырех.

Методы определения местоположений с помощью GPS можно разделить на абсолютные и относительные. В результате применения абсолютного метода координаты пользователя определяются в общеземной системе координат в лучшем случае с ошибкой 1 м.

Для геодезических работ, включая и топографическую съемку, применяют относительный метод, для которого необходимо иметь не менее двух спутниковых приемников. Один из них устанавливается на пункте с известными координатами (базовая станция), другой (или другие) - на точках, координаты которых определяются. Наблюдая в течение некоторого времени одновременно с двух станций одни и те же спутники, можно получить приращения координат относительно базовой станции с ошибкой 0,5 - 2,0 см.

Точность относительных определений зависит в основном от времени наблюдений, поэтому различают три основные методики: статическую, кинематическую и динамическую.

Спутниковые приемники различного класса и назначения выпускает ряд зарубежных фирм: «Аштек» и «Тримбл» США, «Топкон» Япония, «Карл Цейс» Германия, «Лейка» Швейцария, «Геотроникс» Швеция, «Серсель» Франция и др. Один из наиболее точных и простых в обращении спутниковых приемников 460 LS фирмы «Тримбл» имеет приемную антенну диаметром 18 см, принимающую сигналы одновременно с нескольких спутников, и встроенную ЭВМ, обеспечивающую автоматическую регистрацию и разделение сигналов со спутников и их первичную обработку. Окончательная обработка результатов измерений производится на персональном компьютере по специальной программе.