Глобальная Навигационная Система (GPS) и основные понятия, связанные с геодезическими работами с помощью GPS.

Преимущества

Ведение геодезических работ с помощью GPS увеличивает производительность труда. Ввозможность достигнуть сантиметрового уровня точности определения координат гораздо быстрее, чем при использовании традиционных геодезических инструментов. GPS позволяет вести геодезические работы круглосуточно, в любую погоду, а также, при отсутствии прямой видимости между точками.

Краткий обзор GPS

GPS - спутниковая навигационная система для определения местоположения любых точек, эксплуатируемая и управляемая Министерством Обороны США, предоставляющая услуги, как военным, так и гражданским пользователям.

Спутники

В настоящее время в околоземном космическом пространстве находится 24 спутника (SVs) NAVSTAR. Период обращения спутников составляет двенадцать часов, а большая полуось приблизительно равна 20200 км. Спутники сгруппированы на шести орбитах, с наклонениями в 55 градусов к экватору.

Каждый спутник передает радиосигналы, которые имеют уникальные идентификационные коды. Высокоточные атомные часы на борту спутников управляют генерацией этих сигналов и кодов.

Управление GPS

Министерство Обороны США управляет системой с помощью четырёх наземных станций управления - главная станция и три станции управления потоками данных:

– Станции слежения непрерывно отслеживают спутники и передают информацию на главную станцию.

– Главная станция вычисляет поправки синхронизации атомных часов спутников. Она также исправляет орбитальную информацию (эфемериды спутников). Главная станция передаёт результаты своей работы станциям загрузки.

– Станции управления потоками данных обновляют информацию, передаваемую каждым спутником, используя данные, полученные от главной станции.

Пользователи GPS

GPS сигналы используются как гражданскими, так и военными пользователями. Любой пользователь, имеющий GPS приёмник, может использовать GPS сигналы.

В начале, GPS приёмники использовались в основном для определения местоположения и навигации. Теперь GPS приёмники используются для решения разнообразнейших высокоточных задач на земле, в небе и на море.

Спутниковые сигналы и GPS приёмники

Каждый спутник передает два уникальных кода. Первый и более простой код называется C/А (грубым) кодом. Второй код называется P (точным) кодом. Этими кодами модулируются две несущих волны L1 и L2. L1 несет C/А и Р-код, а L2 несёт только Р - код.

GPS приёмники подразделяются на одночастотные и двухчастотные. Одночастотные приёмники принимают только несущую L1, а двухчастотные и L1 и L2.

Кодовые и фазовые измерения

Координаты вычисляются методом трилатерации после определения дальности до каждого видимого спутника. Дальности определяются по коду или фазе несущей.

Между генерацией кода в спутнике и приёмом его GPS антенной проходит определённый период времени. Кодовые измерения позволяют определить этот промежуток времени и умножив его на скорость света, мы получим дальность до спутника.

GPS приёмники геодезического класса измеряют фазу в пределах цикла несущей. Длины волн L1 и L2 известны, поэтому дальности до спутников можно определить, добавив фазовый домер к общему числу длин волн между спутником и антенной.

Определение полного числа циклов несущей (длин волн) между антенной и спутником называется разрешением неоднозначности - поиском целого значения числа длин волн. Для измерений в режиме с постобработкой (РР), который используется для определения местоположения с точностью на уровне сантиметра, это целое значение определяется во время обработки на компьютере. Для измерений в реальном времени, которые используются для определения местоположения с точностью на уровне сантиметра, это целое значение определяется в течение процесса называемого инициализацией.

Концепции геодезических GPS измерений

Для геодезических GPS измерений необходимо одновременное наблюдение одних и тех же четырёх (или более) спутников, по крайней мере, двумя GPS приёмниками: базовый приёмник и приёмник - ровер (хотя можно использовать и более двух приёмников).

Базовый приёмник в течение всего процесса измерений располагается неподвижно (например, на пункте геодезической основы с известными координатами). Ровер перемещается по определяемым точкам или участвует в процессе выноса точек в натуру. Результатом объединения данных, полученных этими двумя приёмниками, является пространственный вектор между базой и ровером. Этот вектор называется базовой линией.

Для определения положения ровера относительно базы используются различные методы измерений. Эти методы отличаются длительностью выполнения измерений:

– Для измерений в реальном времени используется радиомодем, который передаёт данные базы роверу. Результаты получаются непосредственно в поле.

– Методы измерений с постобработкой, требуют записи данных в поле и последующей их совместной обработки на офисном компьютере.

В основном выбор метода зависит от таких факторов, как конфигурация GPS-приёмника, требуемая точность, ограничения по времени и необходимости получения результатов в реальном времени.

Методы GPS измерений

Кинематические и дифференциальные методы подходят для измерений в реальном времени или с постобработкой. Быстрая статика подходит для измерений только с постобработкой.

Кинематика

В кинематике Stop&Go используются фазовые измерения от четырёх или более спутников, общих для ровера и базы. Для достижения точности на уровне сантиметра сначала нужно инициализировать измерения. Инициализация может быть достигнута различными способами:

– При использовании одночастотных приёмников измерения инициализируют, устанавливая ровер на пункте с известными координатами, или на определяемой точке, или с помощью специальной штанги для инициализации. Штанга для инициализации задаёт жёсткую искусственную базовую линию.

– При использовании для измерений в реальном времени двухчастотных приёмников, ровер устанавливается над определяемой точкой или над пунктом с известными координатами. Если ровер имеет возможность On-The-Fly (OTF) (непрерывная) инициализации и в поле зрения антенны имеются, по крайней мере, пять общих спутников, инициализация произойдёт в процессе перемещения ровера. Если используются двухчастотные приёмники для измерений с постобработкой, OTF инициализация предпринимается, независимо от того, установлена в приёмнике эта возможность или нет.

Если во время измерений число общих спутников станет меньше четырёх, измерения должны быть повторно инициализированы, после появления четырёх или более спутников.

Дифференциальные измерения

Дифференциальные методы измерений используют для определения координат кодовые GPS измерения (C/A-код). Для дифференциальных измерений не нужна инициализация или непрерывное отслеживание спутников. Результаты обычно достигают точности около 1 м.

Для дифференциальных измерений используют одночастотные или двухчастотные приёмники.

Быстрая статика

Быстрая статика - это метод измерений с постобработкой, который обеспечивает точность на уровне сантиметра. Для получения базовой линии всего за восемь минут (8 - 30 минут) этот метод использует измерения фазы несущей. Необходимое время зависит от типа приёмника, длины базовой линии, числа видимых спутников и спутниковой геометрии (расположения спутников на небесной сфере).

Статика используются для измерений с наивысшей точностью, но время измерений на станции должно составлять приблизительно один час. Быстрая статика - производная от статики и является результатом передовых разработок аппаратной и программной частей системы.

Для измерений быстрой статикой используют одночастотные или двухчастотные приёмники.

Решаемые задачи

Геодезисты используют GPS для развития опорных сетей, топографических съёмок и разбивочных работ.

Развитие опорных сетей

Развитие опорных сетей служит для создания пунктов с известными координатами в интересующем районе работ. Векторы определяются наиточнейшими методами наблюдения. Сети развивают из жёстко связанных векторов, а точные координаты получаются в результате строгого уравнивания сети.

Статика и быстрая статика вместе с уравниванием, лучше всего подходят для развития опорных сетей.

Топографические съёмки

Топографическая съёмка служит для определения координат большого объёма точек в районе работ. По этим измерениям обычно создают топографические планы.

Лучше всего для этого подходят кинематические методы (в реальном времени или с постобработкой) из-за короткого времени стояния на точках.

Разбивочные работы

Разбивочные работы - это процедура выноса в натуру проектных точек. Для этого нужны измерения в реальном времени.

Кинематика в реальном времени (RTK) - единственная методика, которая обеспечивает сантиметровый уровень точности в реальном времени.

В таблице приведены основные характеристики различных методов измерений.