Лекция №5. Основные режимы работы спутниковой навигационной аппаратуры, сферы их применения в геодезии и маркшейдерском деле. Точность спутниковых определений.

Основным режимом сбора данных для всех GPS съемок является наблюдение базовых линий (векторов). В простейшем случае один из приемников помещается на точку с известными координатами, а другой помещается на точку, пространственное положение которой необходимо определить.

В течение определенного периода времени, зависящего от конкретного вида съемки, производится наблюдение базовой линии, после чего приемник перемещается на следующую точку.

Одним из наибольших отличий GPS съемок по сравнению с традиционными видами геодезических съемок заключается в том, что приращения координат между станциями вычисляются на математическом эллипсоиде WGS-84 (World Geodetic System), а не в принятой плановой системе координат. При этом вычисляется относительное положение определяемых станций относительно базовых, которые затем трансформируются на используемую модель эллипсоида в принятой картографической проекции, например на эллипсоид Красовского в прямоугольной проекции Гаусса.

Существует несколько способов трансформации координат с эллипсоида WGS-84 в пользовательские системы координат. Среди них наиболее распространенными являются способ "3 параметра" (Молоденского), способ "7 параметров", способ пространственного вращения сети и полиномиальная регрессия.

Все вычисления в GPS производятся в геоцентрической системе координат с использованием параметров математического эллипсоида WGS-84, центр которого совпадает с центром тяжести Земли.

В отличие от применяемых в традиционной геодезии линий по земной поверхности (задачи землеустройства) и проекции линии на поверхность эллипсоида (геодезическая линия), вектор, также называемый базовой линией (BaseLine), есть результат обработки GPS данных, представляющий собой линию между базовой и определяемой станциями относительно центра Земли в математическом эллипсоиде WGS-84. Несколько векторов в совокупности представляют собой геодезическую GPS сеть, натянутую на поверхность математического эллипсоида. При помощи соответствующих программ обработки данных, сеть строго уравнивается, причем в некоторых программах обработки предусмотрена возможность совместного уравнивания GPS измерений и геодезических измерений, выполненных с использованием традиционных технологий, координаты определяемых пунктов трансформируются на эллипсоид Красовского в принятой картографической проекции.

Существуют несколько технологий, используемых для наблюдения векторов в геодезической GPS сети. Эти методы сбора данных со спутников различны по точности определения координат пунктов, времени наблюдений и производительности. Однако существует несколько условий, соблюдение которых необходимо для успешного выполнения любого вида GPS съемки:

1. Для выполнения геодезических GPS наблюдений векторов необходимо обеспечить одновременную работу как минимум двух GPS приемников, с последующим объединением накопленных ими данных.

2. Одновременный прием спутникового радиосигнала как минимум от четырех спутников, что бывает иногда затруднительно обеспечить в застроенных и залесенных районах.

3. Отсутствие в районе выполнение GPS измерений мощных работающих теле- и радиотрансляционных устройств, особенно с перископической схемой усиления радиосигнала, которые могут заглушать или искажать принимаемый со спутников радиосигнал.
Основные технологии GPS съемок приведены ниже, в таблице, в порядке возрастания точности определения координат.

Основные технологии GPS съемок

1. Навигационный режим, как правило, имеют все GPS приемники. При использовании этого режима на дисплее приемника или его контроллера непрерывно отображаются данные о пространственном положении приемника, скорости его перемещения и азимуте движения. Как правило, имеется также возможность ввести координаты точки назначения, в этом случае приемник будет показывать расстояние до этой точки, направление на нее и время прибытия на эту точку, если приемник будет продолжать двигаться с постоянной скоростью. Оператор приемника может также пометить точку стояния как особенную, и приемник запишет ее координаты во внутреннюю память. Хотя этот способ съемки имеет самую низкую точность, он широко используется для поиска по известным координатам таких малоприметных объектов как центры пунктов геодезической сети с уничтоженными наружными знаками, колодцев подземных коммуникаций и других объектов.

2. Кинематическая "real-time" съемка используется в тех случаях, когда необходимо получать координаты прямо в поле. Они могут быть использованы для выноса проектных решений на местность, топографических съемок с вычерчиванием плана в поле и других работ. Необходимым условием для выполнения данного вида съемки является возможность получения ионосферных поправок либо с помощью радиомодема по выделенному радиоканалу, либо от специальных радиомаяков, к сожалению пока практически отсутствующих на территории России. Отличительной особенностью любого вида кинематической съемки является то, что перед ее началом необходимо выполнить специальную операцию инициализации приемника продолжительностью 5-20 минут. Другой особенностью кинематической съемки является требование постоянного слежения как минимум четырех спутников, а в случае нарушения этого условия требуется повторно выполнить операцию инициализации.

3. Кинематика "continuous" применяется для непрерывного точного определения пространственных координат движущегося приемника. Этот метод очень часто используется для топографического картирования на открытой местности с хорошими условиями для передвижения и наблюдения спутников. При использовании этого вида съемки приемник может быть установлен на специальную вешку фиксированной высоты или крышу автомобиля. В этом случае расчет вектора производится в каждую эпоху приема радиосигнала от спутника с интервалом 1-60 секунд. Это позволяет получить непрерывную цепочку координат точек передвижения приемника. Этот вид съемки обеспечивает высочайшую производительность при съемке больших площадных объектов, автодорог и других объектов с выдачей результата съемки в электронном виде во всех популярных обменных форматах данных.

4. Кинематика "stop-and-go" является эквивалентом традиционной тахеометрической съемки. В этом виде съемки оператор с приемником либо стоит на определяемой точке в течение 20-30 секунд (stop) либо перемещается между определяемыми точками (go). Во время остановки происходит запись принимаемого от спутника радиосигнала во внутреннюю память приемника, а также записывается высота антенны и идентификационный номер точки стояния, по которому можно определить вид отснятого объекта. Во время перемещения между точками запись данных в память не производится, но приемник продолжает непрерывно отслеживать спутники.

5. Статическая и быстростатическая съемки являются традиционными и самыми распространенными видами GPS съемок. Эти методы требуют чтобы как минимум два GPS приемника, расположенные на двух концах базовой линии, одновременно принимали спутниковый радиосигнал в течение 20-60 минут, в зависимости от длины базовой линии, числа спутников, их взаимного расположения в пространстве и других факторов. Большое количество данных, накапливаемых за время съемки, позволяет решить некоторые технические проблемы, которые не могут быть решены при более коротком периоде наблюдений. Эти виды съемок обеспечивают очень высокую точность определения координат.

6. RTK – Для измерений кинематикой в реальном времени, используется радиомодем для передачи роверу спутниковых данных полученных базой. Этот способ позволяет вычислять координаты непосредственно в поле в реальном времени. Используется для того же, что и кинематика. Очень эффективный путь выполнения топографической съёмки, поскольку результаты будут получены сразу же после выполнения полевых работ. Эта методика, однако, полагается на радиосвязь, которая подвержена интерференции от других источников радиоизлучения, а также необходима прямая видимость между базой и ровером.