NAVSTAR GPS - спутниковая навигационная система для определения местоположения точек, эксплуатируемая и управляемая Министерством Обороны США, предоставляющая услуги, как военным, так и гражданским пользователям. Координаты определяются в общемировой системе координат WGS-84.

Аналог американской системы - российская Глобальная Навигационная Спутниковая Система ГЛОНАСС.

Галилео (Galileo) - европейский проект спутниковой системы навигации. В отличие от американской и российской систем, система Галилео не контролируется ни государственными, ни военными учреждениями. Разработку осуществляет Европейское космическое агентство.

Китайская народная республика развивает независимую систему спутникового позиционирования Beidou (буквально - Северный Ковш, китайское название созвездия Большой Медведицы), которая в будущем должна преобразоваться в систему COMPASS. Beidou обеспечивает сегодня определение географических координат в Китае и на соседних территориях. В настоящее время в околоземном космическом пространстве находится около 30 спутников NAVSTAR, около 20 ГЛОНАСС и 3 спутника COMPASS.

Таблица 3 - Основные характеристики спутниковых навигационных систем

Способы позиционирования можно разделить на две группы:

1. Абсолютные определения координат кодовым методом:

автономные (15-30 м);

дифференциальное (1-5 м);

2. Относительные фазовые измерения:

статическое (5-10 мм);

кинематическое (10-30 мм).

При выполнении абсолютных измерений определяются полные координаты точек земной поверхности.

Наблюдения, выполняемые на одном пункте независимо от измерений на других станциях, называются автономными. Автономные наблюдения очень чувствительны ко всем источникам погрешностей, обеспечивают точность определения координат 15 - 30 м. и используются для нахождения приближенных координат в точных измерениях.

Для повышения точности абсолютные измерения можно выполнять одновременно на двух пунктах: базовой станции Р_ь расположенной на точке с известными координатами (обычно пункте государственной геодезической сети), и подвижной станции Р₂, установленной над определяемой точкой. На базовой станции измеренные расстояния до спутников сравнивают с вычисленными по координатам и определяют их разности. Эти разности называют дифференциальными поправками, а способ измерения - дифференциальным. Дифференциальные поправки учитываются в ходе вычислений координат подвижной станции после измерений либо при использовании радиомодемов уже в процессе измерений. Дифференциальный способ основан на том соображении, что при относительно небольших расстояниях между станциями Pi и Р₂ (обычно не более 10 км) погрешности измерений на них практически одинаковы. При увеличении расстояния между станциями точность падает. Для повышения точности измерений увеличивают время наблюдений, которое может колебаться от нескольких минут до нескольких часов.

При кодовых измерениях сигнал каждого спутника содержит его эфемериды - данные о его местоположении, позволяющие вычислить координаты спутника в земной системе координат, а также временную метку (время генерации сигнала - с использованием высокоточных атомных часов). Приемник, принимая сигнал от спутника, идентифицирует спутник по коду его сигнала, считывает временную метку и определяет время прохождения сигнала от спутника до приемника. Это позволяет вычислить дальность от приемника до спутника.

Однако, на приемнике сложно установить атомные часы, поэтому часы приемника и спутника идут не синхронно, а отличаются на некоторую поправку. Поэтому вычисленное расстояние от спутника до приемника называют псевдодальностью.

Следовательно, формула содержит четыре неизвестных - координаты приемника и поправка за уход приемника. Они определяются путем решения системы уравнений полученных по результатам одновременных наблюдений не менее 4 спутников.

Координаты определяются по результатам кодовых измерений с точностью около 3 м.

Кодовые измерения применяются при решении задач навигации. В геодезических работах кодовые измерения играют вспомогательную роль - служат для определения приближенных координат пунктов сети.

Для решения геодезических задач, когда необходимо получать координаты точек с высокой точностью, используют относительные измерения, при которых дальности до спутников определяют фазовым методом, и по ним вычисляют приращения координат или вектора между станциями, на которых установлены спутниковые приемники.

Различают два основных способа относительных измерений: статический и кинематический.

При статическом позиционировании, как и при дифференциальных измерениях, приемники работают одновременно на двух станциях - базовой с известными координатами и определяемой. После окончания измерений выполняется совместная обработка информации, собранной двумя приемниками. Точность способа зависит от продолжительности измерений, которая выбирается в соответствии с расстоянием между точками. Современные приемники позволяют достичь точности определения плановых координат (5 - 10 мм) +1 - 2 мм/км, высотных - в 2 - 3 раза ниже.

Кинематические измерения позволяют получать координаты точек земной поверхности за короткие промежутки времени. При этом вначале статическим способом определяют координаты первой точки, т.е. выполняют привязку подвижной станции к базовой, называемую инициализацией, а затем, не прерывая измерений, передвижной приемник устанавливают поочередно на вторую, третью и т.д. точки. Для контроля измерения завершают на первой точке либо на пункте с известными координатами, где выполняют статические наблюдения. Точность кинематического способа составляет 2 - 3 см в плане и 6 - 8 см по высоте.

При фазовых измерениях точные геодезические измерения выполняют на несущих частотах L1 и L2 (в одночастотных приемниках - только на частоте L1). При этом измеряют разности фаз между колебаниями, принятыми от спутника, и колебаниями такой же частоты, выработанными в приемнике.

В общем, для определения координат пунктов с помощью спутниковой аппаратуры выполняют следующие работы:

- подготовительные, которые включают составление проекта сети, рекогносцировку и уточнение проекта, закладку центров на определяемых пунктах;

- измерения, которые включают развертывание аппаратуры, соединение кабелями ее частей, центрирование и ориентирование антенны, определение высоты антенны, установку карты памяти, ввод названия пункта и высоты антенны, выбор нужного режима измерений, после чего измерения и регистрация результатов выполняются автоматически;

- обработку результатов измерений с использованием программных пакетов, прилагаемых к спутниковой аппаратуре.

Основные методы съемки с применением спутниковых геодезических приборов приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Параметры, характеризующие точность определения положения

Существует следующие режимы работ спутниковых геодезических приёмников:

статический режим (Static);

ускоренный статический режим (Rapid Static);

режим измерений с возвращением (Reoccupation);

режим измерений "стою-иду" (Stop and go);

кинематический режим измерений (Kinematic);

кинематический режим измерений в полете (Kinematic 2);

навигационный режим.

Статический режим подразумевает выполнение дифференциальных спутниковых наблюдений, по крайней мере, между двумя неподвижными приемниками. Используя программное обеспечивание фирмы изготовителя, можно произвести обработку как псевдодальностей, так и результатов фазовых измерений несущих колебаний. Статический режим является идеальным видом измерений на больших расстояниях при наблюдениях четырех и более спутников. Для реализации этого режима требуется порядка одного часа наблюдений.

При определенных условиях наблюдений показатели статического режима могут быть значительно улучшены. На коротких линиях и при наблюдениях, по крайней мере, четырех или пяти спутников с хорошим геометрическим фактором можно получить результаты на сантиметровом уровне точности при продолжительности наблюдений всего в течение нескольких минут. Скорость измерений и увеличение производительности зависят от применяемых алгоритмов обработки, реализованных в программном обеспечении SKI. Эти возможности реализуются при использовании ускоренного статического режима (rapid static). Режим измерений с возвращением также является статическим, но при своей реализации требует, чтобы измерения на пункте выполнялись более, чем один сеанс. Все данные, которые собираются на таком пункте в один и тот же день или разные дни, могут быть объединены вместе для получения одного решения при камеральной обработке. Режим измерений с возвращением является идеальным режимом работы в тех случаях, когда наблюдается небольшое количество спутников. Оператор может наблюдать на точке стояния в течении от 5 до 10 минут, скажем, три спутника, а затем вернутся на ту же точку позже в тот же или другой день в другое время и отнаблюдать еще три спутника. Все данные, которые собираются, будут объединены и обработаны как данные, полученные в этой точке от шести спутников.

Режим реоккупация оказывается полезным так же в случаях, когда не удается разрешить неоднозначность с данными, собранными при первом сеансе наблюдений на пункте. Оператору необходимо только повторить измерения на пункте, а затем объединить все данные.

Режим измерений "стою-иду" и кинематический позволяют быстро отнаблюдать большое количество точек, но требуют, чтобы приемник удерживал захват спутников в течение всего времени перемещения между точками. На первой точке необходимо находится до тех пор, пока не будет собрана достаточное количество измерений, чтобы разрешить неоднозначность. После инициализации приемник может перемещаться между точками до тех пор, пока поддерживается захват наблюдаемых спутников. Если захват спутников нарушен, то оператор должен снова оставаться в стационарном положении до тех пор, пока снова не будет собрано достаточного для размещения неоднозначности количества данных.

Кинематический режим измерений используется при определении траектории движущего приемника относительно другого неподвижного сенсора. Местоположение точек вычисляется с заранее установленными интервалами времени. Кинематический режим является идеальным при отслеживании траекторий движущихся транспортных средств (например, при профилировании дорог), движущихся судов.

При создании и реконструкции геодезической сетей с использованием спутниковых приемников в большинстве публикаций рекомендованы следующие методы измерений:

Лучевой метод - определяемые пункты сети координируются с одного из опорных пунктов.

сетевой метод - измерения производятся на каждой линии или на каждом пункте сети.

К недостаткам лучевого метода построения сети следует отнести недостаточную надежность критериев оценки точности определяемых координат. В этой связи заметим, что на практике иногда применительно к таким построениям применяют оценки, базирующиеся на анализе замкнутых геометрических построений. Такие оценки не всегда оказываются корректными. Так, например, в треугольнике, образованным пунктами, на которых производились одновременные спутниковые наблюдения, невязки разностей координат между пунктами, по определению, независимо от потенциальных точностей возможностей применяемых спутниковых методов должны быть равными нулю. Если же в отдельных случаях при вычислениях и наблюдаются невязки, отличающиеся от нулевых, то эти отличия обусловлены, как правило, неблагоприятными условиями наблюдений спутников и несовершенством методов обработки результатов наблюдений. Такие критерии недостаточно объективно отражают реальную точность координат определяемых пунктов.

Реальным контролем при лучевом методе является независимый контроль измерений на определяемых пунктах, например, другими средствами измерений, от других исходных пунктов, между определяемыми пунктами и др. Примером использования такого метода является реконструкция сети полигонометрии 2 разряда в г. Нижнем Новгороде, когда каждый определяемый пункт хода непосредственно был связан с предыдущим и последующим пунктами аналогично трехштативной системе в полигонометрии.

Критерии точности и надежности проектируемой сети повышаются в случае организации сетевых измерений по первому или второму способу - выполнения измерений на каждой линии или на каждом пункте сети. Однако использование одного независимого референцного пункта обусловливает необходимость дополнительных контролей независимыми методами, которые по точности могут оказаться недостаточным.

Существенно повышаются критерии точности и надежности проектируемой сети в случае организации сетевых или повторных измерений и при использовании в сети не одного, а нескольких референцных пунктов. Однако непосредственное включение в сеть нескольких независимых референцных пунктов обусловливает необходимость того, чтобы разность координат между такими референцными пунктами была по своей точности выше той, которая характерна для разности координат определяемых пунктов, что равносильно требованию, чтобы базисные линии, соединяющие референцные пункты, были более точными, чем входящие в состав сети определяемые линии между рядовыми пунктами. Сама постановка такого требования является вполне правомерной, но реализовать его на практике чрезвычайно сложно.

Для преодоления отмеченных трудностей найдено компромиссное решение, сводящееся к построению двухранговой (а в общем случае и многоранговой) сети. При этом на первом этапе выбирается только один исходный референцный пункт, вокруг которого по уси - ленной программе наблюдений создается несколько взаимосвязанных между собой вторичных референцных пунктов (так называемая каркасная сеть). На втором и последующих этапах построения такой сети определяются все остальные пункты, причем в каждом сеансе наблюдений спутниковые приемники устанавливаются как на нескольких рядовых пунктах сети (их количество зависит от числа имеющихся в распоряжении приемников), так и не менее чем на двух взаимосвязанных референцных пунктах.

Рекомендуемые схемы геодезических сетей для каждого метода измерений приведены на рис.4, 5, 6 и 7. Следует отметить, что максимальная точность геодезических построений достигается только при сетевом методе измерений. В зависимости от требуемой точности создаваемой сети применяют один из следующих режимов измерений:

статический режим;

ускоренный статический режим; режим измерений с возвращением Режимы измерений "стою-иду" и кинематический для измерений в геодезических сетях не рекомендуются и могут применяться только при топографической съемке.

Кроме геометрических параметров построения сети и рекомендуемых методов выполнения измерений существуют и технологические особенности создания спутниковых геодезических сетей. Поскольку спутниковые геодезические приемники являются одновременно и дальномерами с паспортной точностью 5 - 10 мм. +1 - 5 мм., и системами определения координат, точность которых фирмами-изготовителями не регламентируется, то в зависимости от технологии измерений может быть получена различная точность сети.

На практике нашли применение две основные технологии:

повторных измерений на пунктах, при которой задается количество обязательных повторных измерений на каждом пункте сети;

обязательного измерения каждой линии сети.

Рисунок 4 - Лучевой метод измерений с контролем (1)

Рисунок 6 - Сетевой метод измерений (одноранговая сеть)

Минимальное количество сеансов наблюдений N для сети с количеством пунктов S при использовании R приемников при количестве повторных измерений М и количестве совместно используемых приемников в предыдущем и последующем сеансах О определяется для первой технологии по формуле 5 а для второй технологии по формуле 6:

(5)

(6)

Рисунок 7 - Сетевой метод измерений (многоранговая сеть)

Следует отметить, что первая технология не в полном объеме позволяет реализовать наиболее точный сетевой метод построения сети, поэтому рассмотрим более подробно вторую технологию. На рис.7 приведена схема, поясняющая порядок измерений и перестановок станций в этой технологии. Так для фрагмента сети из 20 пунктов количество сеансов измерений, определенное по формуле (5.3) при трех совместно используемых приемниках в предыдущем и последующем сеансах равно:

Рисунок 8 - Схема измерений по второй сетевой технологии

Фактически требуется 6 сеансов (без учета внешних ограничений), при этом на 2-х пунктах будут выполнены однократные измерения, на 12-ти пунктах двукратные измерения, на 3-х пунктах трехкратные измерения и на 3-х пунктах четырехкратные измерения. Желательно (но необязательно), чтобы пункты с повторными наблюдениями располагались в сети равномерно.

Накопленный опыт проектирования и создания сетей, базирующихся на спутниковых технологиях, свидетельствует о том, что на практике могут возникать ситуации, существенно отличающиеся от стандартных рекомендаций. С учетом этого ниже приведены основанные на практическом опыте обобщенные рекомендации:

с целью выявления грубых промахов на каждом определяемом пункте наблюдения следует производить дважды при различных условиях отслеживания спутников;

одновременные наблюдения желательно предусматривать на соседних пунктах, так как разрешение неоднозначностей на коротких расстояниях производится более уверенно;

для региональных и локальных сетей средних размеров хорошим компромиссом является использование от 4 до 10 приемников, что позволяет оптимально сочетать организационные возможности, скорость выполнения работ и надежность измерений;

для проверки получаемой точности некоторое число базисных линий желательно измерять дважды.

Безусловно, этот перечень не исключает неукоснительное выполнение требования по обеспечению благоприятных условий наблюдений спутников на каждом из пунктов.

Наряду с перечисленными выше практическими рекомендациями для процесса проектирования сети разработаны следующие предпосылки общего характера, которые являлись основополагающими при разработке технических проектов как в России, так и в зарубежных странах (Германия, США, Канада и др.):

для обеспечения высокой точности на каждой станции должен быть предусмотрен достаточно продолжительный период наблюдений, конкретная продолжительность которого зависит от взаимной удаленности пунктов и требований по точности измерений;

с целью повышения экономичности следует минимизировать количество повторных сеансов, а также время переезда между пунктами;

для повышения надежности каждый пункт должен определяться на основе двух полностью независимых измерений с использованием привязки к различным взаимосвязанным референцным пунктам, причем повторные измерения желательно производить с переустановкой антенны приемника и при изменившемся положении спутников.

3.1 Предполевое планирование в камеральных условиях