Treść artykułu
Obserwacje pierwszych sztucznych satelitów Ziemi ujawniły jeden interesujący wzór – położenie przestrzenne satelity można obliczyć z dobrą dokładnością w dowolnym momencie. Ten fakt naukowy popchnął naukowców do prawdziwie rewolucyjnego odkrycia – wykorzystania satelitów znajdujących się setki kilometrów od Ziemi do określenia przestrzennego położenia obiektów ziemskich.
Z poprzednich artykułów z naszej serii „Applied Geodesy” dowiedzieliśmy się, że do wyznaczenia współrzędnych nieznanego punktu potrzebne są dwa punkty o znanych współrzędnych, które są sztywno umocowane na ziemi (punkty Państwowej Sieci Geodezyjnej). Czasami byli daleko od tematu, co zmuszało wykonawców do układania przejść teodolitowych, często kilka kilometrów. Teraz satelity nieustannie poruszające się w kosmosie stały się takimi „twardymi” punktami, względem których określane są współrzędne obiektów na ziemi.
GPS
GPS (Global Positioning System – Global Positioning System) to zbiór elektronicznych środków radiowych, które obliczają położenie i prędkość obiektu na powierzchni Ziemi lub w atmosferze. Parametry te są określane dzięki odbiornikowi GPS, który odbiera i przetwarza sygnały z satelitów. Aby poprawić dokładność pomiarów, system pozycjonowania obejmuje również naziemne centra kontroli i przetwarzania danych.
Jeśli chodzi o GPS, najczęściej mamy na myśli system NAVSTAR, opracowany na zlecenie Departamentu Obrony USA. Ogólnie rzecz biorąc, wiele nowatorskich rzeczy zostało najpierw „przetestowanych” przez wojsko, a następnie „udostępnione masom”. Przez wiele lat termin „GPS” stał się synonimem nawigacji satelitarnej, podobnie jak neologizm „Xerox” oznacza w zasadzie każdą kopiarkę, a nie tylko produkcję XEROX. W tej chwili, oprócz NAVSTAR GPS, opracowywane lub uruchamiane są chińskie Beidou, europejskie Galileo, indyjski IRNSS, japoński QZSS i nasz rodzimy GLONASS..
Metody pomiaru przestrzeni są wykorzystywane do:
- geodezja i kartografia
- budowa
- nawigacja
- monitorowanie pojazdów
- komunikacja mobilna
- akcje ratownicze
- monitorowanie ruchu tektonicznego płyt skorupy ziemskiej
oraz w wielu innych sferach ludzkiej działalności. Rozważmy bardziej szczegółowo niektóre z głównych obszarów zastosowań systemów pomiaru przestrzeni..
GNSS
Urządzenia tego systemu nawigacji spotykamy na poziomie gospodarstwa domowego, pod skrótem GNSS termin „Global Navigation Satellites System” jest ukryty. Zasada działania systemu nawigacji satelitarnej polega na pomiarze odległości od anteny odbiornika do satelitów, których pozycje są znane z dostatecznie dużą dokładnością. Tabela pozycji satelity nazywana jest almanacem i jest przesyłana w momencie rozpoczęcia pomiarów z satelity do odbiornika. Znając więc odległości między satelitami i kierując się almanachu, można, korzystając z najprostszych konstrukcji geodezyjnych, które rozważaliśmy w poprzednich artykułach z naszego cyklu, obliczyć przestrzenne położenie obiektu.
Metoda pomiaru odległości od satelity do odbiornika polega na określeniu prędkości transmisji fal radiowych. Aby umożliwić pomiary, satelity przesyłają precyzyjne sygnały czasu, zsynchronizowane z kolei z precyzyjnym zegarem atomowym. Na początku pracy czas systemowy odbiornika jest zsynchronizowany z czasem satelitarnym, a dalsze pomiary bazują na różnicy między czasem emisji sygnału a czasem jego odbioru. Na podstawie tych danych urządzenie nawigacyjne oblicza przestrzenne położenie anteny naziemnej, a prędkość, kurs i inne parametry obiektu są pochodnymi początkowej pozycji odbiornika. Jak zapewne pamiętasz ze szkolnego kursu fizyki, prędkość fal radiowych jest równa prędkości światła, więc możesz sobie wyobrazić, jaka jest ogólna dokładność systemu, który określa odległość w milisekundach..
Antena GNSS / GPS
Dlaczego w niektórych przypadkach otrzymujemy dość dokładną wartość lokalizacji, aw niektórych przypadkach nie jest ona całkowicie poprawna? Nie każdy odbiornik ma wbudowany zegar atomowy, dlatego aby zsynchronizować i określić położenie z akceptowalną dokładnością, konieczne jest jednoczesne odbieranie sygnału z co najmniej trzech satelitów. Na siłę odbieranego sygnału ma wpływ pole grawitacyjne ziemi, przeszkody w postaci drzew, domów, sygnały odbite (fantomy), zakłócenia atmosferyczne i szereg innych przyczyn. Ponieważ niemożliwe jest umieszczenie nadajników dużej mocy na satelicie, najdokładniejsze położenie uzyskasz na otwartej przestrzeni z wyraźnym horyzontem.
Teraz, drogi czytelniku, który ma smartfona z wbudowanym odbiornikiem GPS, spieszymy Cię zawieść – nie możesz ubiegać się o otwarcie firmy geodezyjnej. Dzieje się tak, ponieważ odbiornik kieszonkowy wykorzystuje do obliczenia pozycji metodę zwaną bezwzględną. Przy jednoczesnej obserwacji 4 satelitów dokładność pozycjonowania może sięgać 8 metrów, co jest wystarczające do pomiarów nawigacyjnych. W przypadku geodezji stosuje się metodę pomiaru względnego, w której wykorzystuje się co najmniej dwa odbiorniki. Jeden z nich jest ustawiony na punkt o znanych współrzędnych (tzw. „Baza”), a drugi służy do określenia współrzędnych nieznanych punktów. Przy współpracy 2 odbiorników dokładność pomiaru wzrasta 100-krotnie i już możemy uzyskać współrzędne z dokładnością centymetrową, która jest wystarczająca dla potrzeb geodezyjnych.
GPS do prac geodezyjnych
Aby wykorzystać systemy obserwacji kosmosu do prac topograficznych, stosuje się kilka metod, które różnią się dokładnością uzyskanych wartości oraz czasem ich uzyskania..
Statyka
W celu określenia współrzędnych nieznanego punktu jeden odbiornik instaluje się na punkcie triangulacyjnym lub poligonometrycznym (znanym punkcie), a drugi odbiornik umieszcza się na punkcie, którego współrzędne mają zostać określone. Co więcej, urządzenia są inicjalizowane synchronicznie, ponieważ pomiary rozpoczynają się dopiero po jednoczesnym włączeniu dwóch odbiorników. Jeśli jedno z urządzeń pracowało przez pół godziny, a drugie przez 15 minut, to na pozyskanie danych posłuży tylko 15 minut współpracy. Po znalezieniu przez odbiorniki satelitów rozpoczyna się zbieranie danych, które są następnie przetwarzane na komputerze..
Od włączenia instrumentu do rozpoczęcia pracy (uzyskania prawidłowych wartości) mija zwykle 15-30 minut, w zależności od obserwowanych jednocześnie satelitów. W pierwszych 20-30 minutach „baza” zapewnia pokrycie z wystarczającą dokładnością pomiaru strefy 5-kilometrowej, następnie co 10 minut promień ten rozszerza się odpowiednio o 5 km, znając przybliżoną odległość od stacji do punktu bazowego, można z grubsza obliczyć czas stania przyrządu dla precyzyjne pozycjonowanie.
Jak widać na zrzucie ekranu jednego z programów do regulacji danych, zielony pasek to bazowy czas pracy, a krótkie kolorowe słupki to czas spędzony przez odbiorniki na stacji o nieznanych współrzędnych. Korzystając ze specjalistycznego oprogramowania, możesz odrzucić błędne wartości pomiarowe i zwiększyć ogólną dokładność uzyskanych wartości.
Zaletą tej metody jest duża dokładność pomiaru, minus to czas poświęcony na inicjalizację każdego punktu.
Kinematyka
W ten sam sposób „baza” znajduje się w punkcie o znanych współrzędnych, a drugi odbiornik po inicjalizacji może rejestrować punkty w ruchu bez dodatkowej inicjalizacji przed każdym pomiarem. Jeżeli w pierwszej metodzie otrzymamy, przypuśćmy, dwa punkty bazowe, z których zostanie przeprowadzone badanie tachimetryczne, tj. do pracy potrzebny jest jeszcze tachimetr, wówczas w przypadku pomiarów kinematycznych wystarczą dwa odbiorniki, z których jeden pełni funkcję tachimetr, czas rejestracji punktu wynosi 1–2 minuty.
Metoda ta dobrze sprawdza się przy pomiarach obiektów rozciągniętych liniowo, takich jak linie energetyczne, kanały, drogi, rurociągi naftowe itp. Zaletą tej metody jest oszczędność czasu, wadą jest to, że wskazane jest wykonywanie pomiarów w niewielkiej odległości od bazy, około 5-15 km. Jeśli sygnał z satelity nagle zanika, procedura inicjalizacji będzie musiała zostać powtórzona, więc ta metoda nie zawsze jest możliwa do zastosowania w dużych miastach, gdzie horyzont zasłaniają wysokie budynki i drzewa.
RTK GPS
Jeżeli dwie pierwsze metody podają położenie punktu w międzynarodowym układzie współrzędnych, który następnie trzeba przekształcić na regionalny, to metoda RTK (z angielskiego Real Time Kinematic – kinematics in real time) pozwala na uzyskanie wartości przestrzennego położenia punktów w układzie współrzędnych przyjętym dla naszego obszaru używając tylko jednego odbiornika. Nie, punkt bazowy niewątpliwie istnieje, ale w tym przypadku punkty bazowe są zamocowane na wysokich budynkach i razem tworzą sieć podobną do sieci mobilnej. Zarówno odbiornik, jak i stacje bazowe wymieniają informacje przez Internet, co umożliwia im synchronizację nie tylko z satelitami, ale także między sobą, omijając łańcuch przeliczeń i regulacji współrzędnych w specjalistycznym oprogramowaniu.
Jak rozumiesz, stacje bazowe są dalekie od budowania przez entuzjastów, dostęp do nich jest płatny, ale rekompensuje to więcej niż liczba spędzonych roboczogodzin. Rzeczywiście, jeśli w przypadku pomiarów statycznych zespół składa się z co najmniej trzech osób, z których jedna pilnuje „bazy”, a dwie pozostałe wykonują pomiary na tachimetrze, to do pomiarów RTK wystarczy tylko jeden specjalista. Inicjalizacja takich urządzeń następuje niemal natychmiastowo, po kilku minutach narzędzie jest gotowe do zbierania danych lub wykonania odwrotnej czynności – do tyczenia punktów pomiarowych obliczonych z góry na komputerze, co jest konieczne np. Przy wytyczaniu działki pod budowę. To technologia przyszłości. Generalnie, bez względu na to, jak paradoksalnie to brzmi, kolejne pokolenie geodetów będzie reprezentowane przez informatyków, era programowalnych kalkulatorów i tabel Bradisa bezpowrotnie minęła.
GPS vs GLONASS
Aby określić współrzędne NAVSTAR GPS i GLONASS, używa się 21 aktywnych satelitów i trzech zapasowych satelitów, obracających się po kołowych płaszczyznach orbitalnych, a tych płaszczyzn w systemie GPS jest trzy razy więcej niż w GLONASS. Satelity są wyposażone w panele słoneczne i latają ponad 20 km nad powierzchnią Ziemi. Taka odległość od planety i ilość satelitów pozwala na jednoczesną obserwację co najmniej 4 satelitów praktycznie w dowolnym miejscu na świecie. Czas całkowitej rewolucji wokół Ziemi – 12 kosmicznych godzin.
W systemie GPS wszystkie satelity emitują sygnał na dwóch identycznych częstotliwościach, a każde urządzenie wysyła swój własny indywidualny kod, który umożliwia identyfikację satelitów. GLONASS ma ten sam kod dla wszystkich satelitów, nadawanie odbywa się również w dwóch pasmach. Jak widać parametry systemów są mniej więcej takie same, więc kto jest lepszy?
Jeśli GPS zapewnia dostateczną dokładność w określaniu współrzędnych na całym świecie, to GLONASS jest „wyostrzany” dla rosyjskich realiów, co teoretycznie pozwala na dokładniejsze określenie przestrzennego położenia punktów na ziemi w naszym kraju. Rosyjski system pozycjonowania nie jest uzależniony od nastroju „Wujka Sama”, który podczas konfliktów zbrojnych celowo obniżał dokładność pomiaru, częściowo kodując sygnał. W każdym razie GPS i GLONASS nie są konkurentami, ale w pewnym sensie sojusznikami, więc sensowne jest kupowanie odbiorników, które jednocześnie obsługują dwa systemy, dokładność tylko na tym skorzysta..
Bądź pierwszy, który skomentuje ten wpis