Материал: Лекція_5_Супутникові методи визначення координат

Геодезія та землевпорядкування, 8 семестр

Лекція 5

(частина І)

БУДОВА ТА ПРИНЦИП РОБОТИ ГЕОДЕЗИЧНИХ СУПУТНИКОВИХ СИСТЕМ

1 Принцип роботи систем визначення просторового положення точок.

2 Найважливіші відомості про будову глобальних навігаційних систем.

3 Основи теорії визначення положення пунктів глобальними супутниковими системами.

4 Абсолютні та відносні методи супутникового вимірювання.

5 Параметри орбіт супутників.

6 Загальний принцип побудови супутникових передавачів системи GPS.

7 Структурна схема геодезичного супутникового приймача.

8 Відомості про роботу системи керування та опрацювання вимірів приймачем GPS

[1, с. 322…351]

1 Принцип роботи систем визначення просторового положення точок

Більшість високоточних приладів наземної геодезії (теодоліти, нівеліри, світловіддалеміри, тахеометри та ін.) удосконалені завдяки вдалим технічним рішенням та продуманим технологіям їх використання. Проте, майже всі вони використовують оптичний діапазон електромагнітних хвиль.

Це, по-перше, створило цілий ряд недоліків, наприклад: необхідність під час вимірювання не тільки прямої (геометричної), але й оптичної видимості між пунктами; певні складності цілодобових спостережень; неможливість безперервних моніторингових спостережень та багато інших.

Другою особливістю традиційного геодезичного вимірювання є широке розповсюдження вимірювання кутів, хоча сучасні світловіддалеміри забезпечують більш високий рівень точності. Крім того, наземне вимірювання виконується в прошарках високодинамічної атмосфери, що суттєво ускладнює процедуру вимірювання і знижує потенціальний рівень точності.

Альтернативний підхід до геодезичного вимірювання на принципово іншій основі виявився в застосуванні просторових методів вимірювань із використанням миттєвого положення штучних супутників Землі як точок із відомими координатами. Засновані на такому принципі вимірювальні комплекси отримали назву глобальних систем позиціонування, початкове призначення яких було розв'язання навігаційних задач.

Проте, подальші дослідження показали, що за рахунок приладного та програмного забезпечення такі системи можуть бути використані для розв'язання широкого кола геодезичних задач та різко підвищити продуктивність та точність вимірів.

Під час вибору найбільш ефективного діапазону електромагнітних хвиль враховувалось те, що ці системи повинні забезпечити виконання вимірювання під час будь-яких погодних умов. Дослідженнями встановлено, що саме таким є ультракороткий діапазон радіохвиль.

Ще одна особливість супутникових віддалемірних систем у тому, що вони повинні дати можливість одночасного забезпечення вимірювання віддалі між незначною кількістю супутників та необмеженою кількістю станцій, що знаходяться на земній поверхні. Під час створення масової портативної апаратури доцільно виключити двосторонній обмін інформацією, як це прийнято під час наземного вимірювання, тобто виключити радіопередавальні пристрої, що мали б входити до складу апаратури користувача. Ця вимога визначила необхідність застосування одностороннього методу вимірювання довжин і значно спростила будову наземних та супутникових приладів. Головна особливість одностороннього методу вимірювання у тому, що передавальний пристрій знаходиться на супутнику, а приймальний – на наземному пункті. Інформаційний сигнал проходить тільки в одному напрямку, а саме, від супутника до приймача. В основу цього методу покладена проста функціональна блок-схема (рис. 1).

Рисунок 1 – Спрощена функціональна схема віддалеміра, що працює на односторонньому принципі

З рисунка видно, що інформаційний сигнал дійсно проходить віддаль S тільки в одному напрямку. Якщо миті випромінювання та приймання даного сигналу зафіксовані точно синхронізованими годинниками, які знаходяться на супутнику та наземному пункті і які реалізуються на основі відповідних високостабільних опорних генераторів, то віддаль S може бути визначена за формулою:

де с - швидкість ЕМХ; τ - визначений час проходження віддалі сигналом.

Формула (1) аналогічна формулі імпульсних наземних світловіддалемірів:

Множник 1/2 в формулі (1) відсутній, оскільки сигнал проходить віддаль S один раз. Оскільки ЕМХ за одну наносекунду (1нс = 1·10-9с) проходять віддаль біля 30 см, то для забезпечення сантиметрового рівня точності необхідно

2

синхронізувати годинники на супутнику та на приймачу до сотих долей наносекунди. Але існуючий рівень техніки поки-що не дозволяє цього зробити. Тому необхідно враховувати асинхронність цих годинників, що ускладнює розв'язок задачі і вимагає одночасного вимірювання віддалей від точки на поверхні Землі (координати якої визначаються) до чотирьох супутників, як мінімум. Віддалі, виміряні без урахування синхронізації годинників, називають псевдовіддалями.

Вимірювання супутникової геодезії базуються переважно на використанні глобальної позиційної системи GPS (Glоbаl Роsitioning System), що знайшла в останні роки широке застосування в усіх видах геодезичних робіт. Менш відомою є система ГЛОНАСС, запропонована Росією.

Супутникова геодезія зарекомендувала себе цілим рядом кардинальних переваг перед наземною геодезією. Найважливіші з них:

•зникла необхідність будувати зовнішні геодезичні знаки;

•з'явилася можливість об'єднати планові і висотні пункти геодезичних мереж, оскільки система GPS дає одночасно просторове положення цих пунктів;

•значно коротший час, необхідний для отримання кінцевих результатів;

•можливість більш повної автоматизації вимірювання;

•значне зменшення вартості робіт.

GPS-вимірювання використовують не тільки для визначення положення пунктів геодезичної основи, топографічного та кадастрового знімання, інженерної геодезії, але і в геодинамічних дослідженнях, для визначення таких важливих параметрів геодинаміки, як рухи полюсів нашої планети, стабільність обертових рухів Землі та інших параметрів.

Усі перелічені переваги та, особливо, висока точність GPS-вимірювання є причиною того, що «Основні положення створення державної геодезичної мережі», затверджені Постановою Кабінету міністрів України від 8 червня 1998 р. No 8441, передбачають створення нових та оновлення існуючих мереж сучасними радіонавігаційними системами (GPS) та комп'ютерними технологіями. Допускається застосування традиційних геодезичних методів. Проте, традиційні методи вже не здатні конкурувати з методами космічної геодезії. Правда, поки-що таку конкуренцію витримує високоточне геометричне нівелювання, яке, до того ж, ще необхідне для визначення геоїда.

2 Найважливіші відомості про будову глобальних навігаційних систем

Глобальна позиційна система GPS запроєктована і сконструйована Міністерством оборони США. Уряд США затратив понад 12 мільярдів доларів на створення системи і продовжує витрачати кошти на її розвиток і підтримку в робочому стані. Повна назва системи – Navigation System with Тime and Raining, Glоbаl Роsitioning System. Є скорочена назва системи – NAVSTAR/GPS. У

перекладі ця назва означає: навігаційна система часу і віддалей, глобальна система визначення місцеположення. У Радянському Союзі була створена система ГЛОНАСС (глобальна навігаційна система супутників), початкова назва проєкту «Ураган». Саме ці дві системи вже знайшли застосування в геодезії. Крім цього, Європейське співтовариство створює свою навігаційну систему

GALLILEO.

3

Оскільки GPS-система створювалась, перш за все, як військова, вона стійка, надійна і несприйнятлива до природних та штучних перешкод. До складу системи входять:

1 Навігаційні супутники;

2 Наземний комплекс керування;

3 Апаратура користувачів.

Отже, GPS поділяється на три блоки, які найчастіше називають сегментами.

Космічний сегмент. Повністю розвинений космічний сегмент спроможний забезпечити в глобальному масштабі можливість одночасного спостереження від чотирьох до восьми супутників для кутів відсікання понад 15 градусів. Якщо цей мінімальний вертикальний кут між горизонтом і напрямком на супутник зменшити до 10 градусів, тоді час від часу в полі зору знаходитиметься до 10 супутників, а за умови зменшення цього кута далі до 5 градусів кількість видимих супутників інколи може сягати 12. Для цього космічні апарати розташовуються на орбітах, близьких до кругових, з висотою над поверхнею Землі близько 20200 км та періодом обертання приблизно 12 зоряних (сидеричних) годин. Спочатку було заплановано здійснити запуск 24 супутників, які б обертались в трьох орбітальних площинах, нахилених під кутом 63° до екватора.

Пізніше, космічний сегмент був скорочений до 18 супутників, які розташовувались по три на кожній із шести орбітальних площин. Згодом довелось відмовитись від цієї скороченої конфігурації, оскільки вона не забезпечувала можливості цілодобового неперервного використання системи в будь-якій точці на поверхні Землі. Приблизно в 1986 р. кількість ШСЗ була збільшена до 21, також по три супутники на кожній із шести орбітальних площин та три запасні супутники. Запасні супутники призначені для заміни зіпсованих «неактивних» супутників. На сьогодні планується конфігурація, що складатиметься з 24 діючих супутників, розташованих на шести орбітальних площинах, нахилених до площини екватора під кутом 55°, по чотири в кожній. Крім того, для оперативної заміни ще чотири запасні супутники знаходяться на Землі. Супутники виводяться дуже точно на свої орбіти відповідно до генерального плану розгортання системи і, оскільки на висоті 20200 кілометрів атмосферне гальмування практично відсутнє, залишаються на них протягом тривалого часу. Орбіти відомі заздалегідь, а кожний приймач містить в пам'яті свого комп'ютера «альманах», тобто, своєрідний довідник, що постійно оновляється, з якого видно, де буде знаходитися кожний супутник в будь-який момент часу.

Космічні апарати GPS фактично служать платформами для встановлення транссенсорів (приймачів-передавачів), атомного годинника, комп'ютера та іншого устаткування, необхідного для роботи системи. Це електронне обладнання дає користувачу можливість своїм приймачем вимірювати відстань до супутника. Крім того, кожен спостерігач, завдяки інформаційному повідомленню про орбіти, яке кодується в сигналі із супутника, спроможний визначити просторові координати рs супутника у довільний момент часу. Спираючись на ці дві можливості та на метод просторових засічок, користувачі можуть визначити свої координати на поверхні або поблизу Землі.

4

Допоміжне обладнання кожного супутника складається із двох сонячних батарей площею 7м2, які забезпечують електричне живлення, та системи реактивних двигунів, потрібних для корекції орбіти та керування орієнтацією космічного апарата в просторі.

Супутники мають різноманітні системи ідентифікації, а саме: за номером запуску, за присвоєним кожному апарату окремим псевдошумовим кодом (РRN), за номером позиції на орбіті, за номером у каталозі НАСА, за міжнародною класифікацією. Для того, щоб уникнути можливих непорозумінь та зберегти відповідність із змістом навігаційного повідомлення із супутника, ми використовуємо, як правило, номер РRN.

На теперішній час створено п'ять типів супутників GPS, їх розділяють на класи: Вlоск І, Вlоск II, Вlоск ІІА, Вlоск ІІR та Вlоск ІІF. Конфігурація супутників типу Вlоск І дещо відрізняється від конфігурації супутників Вlоск II, оскільки кут нахилу їх орбітальної площини до екваторіальної дорівнює 55°, тоді як до попереднього покоління він становив 63°. Крім кута нахилу орбіти існує ще одна суттєва відмінність між супутниками Вlоск І та Вlоск II, пов'язана з національною безпекою США. Сигнали супутників Вlоск І могли вільно реєструватись цивільними користувачами, а доступ до інформації з ШСЗ наступного покоління Вlоск II став обмеженим.

Супутники типу Вlоск II були призначені для забезпечення першої версії повної уніфікованої системи GPS (тобто 21 активного та трьох запасних супутників). Перший із супутників типу Вlоск II коштував приблизно 50 млн. доларів США і важив більше 1500 кг. Його запуск здійснено 14 лютого 1989 р за допомогою ракети «Дельта II», яка стартувала з космодрому ім. Кеннеді, що на мисі Канаверал у штаті Флорида. На сьогодні середня тривалість функціональної здатності супутників цього типу становить шість років, хоча метою проєкту було досягти семи з половиною років. Деякі із супутників можуть справно працювати навіть до десяти років, тому що їх основні модулі функціонують протягом такого часу.

Супутники наступного покоління, які названо Вlоск ІІF (від слова follow оn

– наступний), запускались у період з 2001 по 2010 р. Ці супутники обладнуються удосконаленим устаткуванням для автономної навігації, наприклад, інерціальними системами навігації.

Планується збільшити термін роботи супутника Вlоск ІІF до 14…15 років, а також увести в склад сигналів додаткову частоту L5, яка рівна 1176,45 МГц, що суттєво полегшить розв'язок неоднозначності, характерної для фазового вимірювання.

Розгортання Російської системи ГЛОНАСС також проходить поетапно. Перший супутник системи (із назвою Космос 1413) був запущений 12 жовтня 1982 р. До кінця 1998 р. було запущено 74 супутники, більшість з яких уже виведені з експлуатації. У лютому 2000 р. залишилось 8 супутників.

За проєктними даними сузір'я супутників ГЛОНАСС також має включати 24 супутники, розташованих на трьох орбітальних площинах, нахил яких відносно до площини екватора рівний 64,8°. Номінальна висота кругової орбіти над земною поверхнею складає 19100 км, період обертання навколо Землі 11 год 15 хв 44 с. Загальна маса супутника 1415 кг. Планується підвищити стабільність частоти генераторів, підвищити точність визначення ефемерид супутників та їх

5