Современные методы навигации в экологическом картографировании

♦                   разрушение загрязняющих веществ в результате процессов самоочищения.

При этом динамика выделения разных веществ часто опреде­ляется ходом одних и тех же производственных и естественных (вулканических, дефляционных) процессов. Поля концентраций отдельных ингредиентов непрерывно меняются, причем не толь­ко в силу неравномерности поступления поллютантов, но и вслед­ствие турбулентного характера их переноса. Воздушный поток, вза­имодействующий с неровной подстилающей поверхностью, носит не стационарный, а квазипериодический характер, что проявля­ется в попеременном усилении и ослаблении циркуляции вокруг зданий и иных неровностей, с периодическим формированием и срывом вихрей с их подветренных кромок. Поэтому в каж­дой точке, на каждой территории ход концентраций отдельных ингредиентов и общего уровня загрязненности имеет некоторую специфику.

Факторы интенсивности осаждения и самоочищения для раз­ных веществ в значительной степени совпадают. Поэтому концен­трации разных веществ обычно меняются относительно согласо­ванно, подчиняясь одним и тем же временным и пространствен­ным закономерностям.

Выделение загрязняющих веществ от техногенных источников усиливается:

♦                   с ростом числа работающих единиц производственного обо­рудования и транспортных средств, увеличением интенсив­ности их работы;

♦                  при ухудшении технического состояния и авариях;

♦                   при неэффективной работе или отключении очистного обо­рудования.

Поступление загрязняющих веществ от естественных и техно­генных пылящих источников усиливается при усилении ветра (в со­четании с наличием незакрепленных поверхностей), при вулка­нических процессах.

Интенсивность выноса загрязняющих веществ зависит от ско­рости ветра и характера атмосферной стратификации; интенсив­ность самоочищения — от температуры, влажности, интенсивно­сти ультрафиолетового излучения, шероховатости подстилающей поверхности. При этом тенденции загрязнения атмосферы для территорий в целом и отдельных их частей могут не совпадать. Так, при устойчивых сильных ветрах снижение загрязненности воздуш­ного бассейна городской территории может сопровождаться ло­кальным ростом в пригородной местности, с подветренной сто­роны от города.

Сочетание естественных факторов, обусловливающих высокий уровень загрязнения, образует потенциал загрязнения атмосферы (ПЗА). Степень реализации потенциала загрязнения атмосферы за­висит от наличия и мощности источников загрязнения.

Таким образом, картографирование загрязнения атмосферы скла­дывается из:

♦                  картографирования потенциала загрязнения атмосферы;

♦                  картографирования источников загрязнения;

♦                  картографирования уровней загрязнения.

С эколого-гигиенической точки зрения наибольший интерес для картографирования представляют следующие характерные уров­ни загрязнения атмосферного воздуха:

♦                   средний годовой (многолетний) уровень, который форми­руется при наличии динамического равновесия между эмис­сией и рассеянием атмосферных загрязнений;

♦                   уровень загрязнения, складывающийся при сочетании обыч­ного (или скорректированного согласно плана мероприя­тий при НМУ) режима работы предприятий — источников загрязнения атмосферы, и неблагоприятных для рассеяния метеоусловий (5% повторяемости, согласно действующей системы экологического нормирования);

♦                   уровень загрязнения, который может возникнуть при аварий­ном выбросе от потенциально опасного объекта при опреде­ленных заданных (обычно неблагоприятных) метеоусловиях;

♦                  фактически существующий текущий уровень загрязнения.

4. История спутниковой навигации

Исторически спутниковая геодезия, ориентированная на выполнение точных геодезических измерений на земной поверхности с помощью искусственных спутников Земли (ИСЗ), возникла в конце 50-х годов, т.е. вскоре после запуска первых ИСЗ. За прошедший более чем 40-летний период эта область геодезии непрерывно совершенствовалась, пройдя различные стадии развития, которые условно можно разделить на следующие три периода:

1. Период с 1958 по 1970 гг. Этот период характеризовался развитием основополагающих методов спутниковых наблюдений, включающих в себя методы вычисления и анализа спутниковых орбит, При их реализации использовались, в основном, методы фотографирования спутников с помощью специально разработанных камер. На основе выполненных исследований были предприняты первые попытки построения глобальных геодезических сетей с использованием спутниковых технологий, создания усовершенствованных моделей Земли (модели разработанные Смитсоновской астрофизической обсерваторией и Годдарским центром космических полетов). Значительное внимание было уделено при этом глобальным изучениям гравитационного поля Земли.

2. Периоде 1970 по 1980гг. Основное внимание в течение данного периода было уделено разработке различных научных проектов. На их основе были созданы такие новые методы наблюдений, как лазерные методы измерения расстояний до спутников и спутниковая альтиметрия. Особого внимания заслуживают разработанные в это время доплеровские спутниковые системы Транзит (США) и Цикада (Советский Союз). За этот период выполнены глобальные определения формы геоида, сопровождающиеся определениями координат многочисленных точек, находящихся на земной поверхности. Проведенные исследования позволили уточнить модельное представление Земли. Повышение уровня точности спутниковых измерений открыло возможность более детального изучения скорости вращения Земли, закономерностей движения ее полюсов, деформаций земной коры и других параметров.

3. Период с 1980 е. по настоящее время. Последний период ознаменовался широкомасштабным использованием спутниковых технологий в геодезии, геодинамике, топографии и других смежных областях. Отмеченный прогресс связан, прежде всего, с дальнейшим усовершенствованием радионавигационных систем, выразившимся в использовании более совершенных методов измерения величин, на основе которых вычисляются интересующие нас координаты точек на земной поверхности, более удачных параметров орбит, а также целого ряда других технических решений. В результате были созданы такие многофункциональные радионавигационные системы, как Навстар (США) и ГЛОНАСС (Советский Союз). Отмеченный прогресс связан, прежде всего, с дальнейшим усовершенствованием радионавигационных систем, выразившимся в использовании более совершенных методов измерения величин, на основе которых вычисляются интересующие нас координаты точек на земной поверхности, более удачных параметров орбит, а также целого ряда других технических решений. В результате были созданы такие многофункциональные радионавигационные системы, как Навстар (США) и ГЛОНАСС (Советский Союз). Применительно к картографии особого внимания заслуживают реализованные в системе Навстар (GPS) методы фазовых измерений, базирующиеся на использовании несущих колебаний, которые позволили реализовать сантиметровый (а в отдельных случаях и миллиметровый) уровень точности при измерении базисных линий длиной от нескольких метров до тысячи и более километров.

5. Состав системы GPS

Космический сегмент

Космический сегмент системы GPS состоит из орбитальной группировки спутников, излучающих навигационные сигналы. Спутники расположены на 6-и орбитах на высоте около 20000 км. Период обращения спутников составляет 12 часов и скорость около 3 км/c. Таким образом, за сутки, каждый спутник совершает два полных оборота вокруг Земли.

GPS спутники передают три навигационных сигнала на двух частотах L1 и L2. «Гражданский» сигнал C/A, передаваемый на частоте L1 (1575.42 МГц), доступен всем пользователям, и обеспечивает точность позиционирования 3-10 метров. Высокоточный «военный» P-код, передается на частотах L1 и L2 (1227.60 МГц) и его точность на порядок выше «гражданского» сигнала. Использование сигнала, передаваемого на двух разных частотах, позволяет также частично компенсировать ионосферные задержки.
В последней модификации спутников «GPS IIR-М» реализован новый «гражданский» сигнал L2C, призванный повысить точность GPS измерений.

Идентификация навигационных сигналов осуществляется по номеру, соответствующему «псевдошумовому коду» (PRN – pseudo-random noise), уникального для каждого спутника. В технической спецификации GPS системы изначально было заложено 32 кода. На этапе разработки системы и начальном периоде ее эксплуатации, планировалось, что количество рабочих спутников не будет превышать 24-х. Свободные коды выделялись для новых GPS спутников, находящихся на этапе ввода в эксплуатацию. И этого количества было достаточно для нормального функционирования системы. Но в настоящее время, на орбите находится уже 32 спутника, из которых 31 функционирует в рабочем режиме , передавая навигационный сигнал на Землю.
«Избыточность» спутников позволяет обеспечить пользователю вычисление позиции в условиях, где «видимость» неба ограничена высотными зданиями, деревьями или горами.

Наземный сегмент

Наземный сегмент системы GPS состоит из 5-и контрольных станций и главной станции управления, расположенных на военных базах США – на островах Кваджалейн и Гавайях в Тихом океане, на острове Вознесенья, на острове Диего-Гарсия в Индийском океане и в Колорадо-Спрингс. В задачи станций мониторинга входит прием и измерение навигационных сигналов поступающих с GPS спутников, вычисление различного рода ошибок и передача этих данных на станцию управления. Совместная обработка полученных данных позволяет вычислить отклонение траекторий спутников от заданных орбит, временные сдвиги бортовых часов и ошибки в навигационных сообщениях. Мониторинг состояния GPS спутников происходит практически непрерывно. «Загрузка» навигационных данных, состоящих из прогнозируемых орбит и поправок часов для каждого из спутников, осуществляется каждые 24 часа, в момент, когда он находится в зоне доступа станции управления.

В дополнение к наземным GPS станциям существует несколько частных и государственных сетей слежения, которые выполняют измерения навигационных GPS сигналов для уточнения параметров атмосферы и траекторий движения спутников. анции управления.

Аппаратура пользователей

Под аппаратурой пользователя подразумевают навигационные приемники, которые используют сигнал со спутников GPS для вычисления текущей позиции, скорости и времени. Пользовательскую аппаратуру можно разделить на «бытовую» и «профессиональную». Во многом этом разделение условное, так как иногда достаточно трудно определить, к какой категории следует отнести GPS приемник и какие критерии при этом использовать. Есть целых класс GPS навигаторов, использующихся в пеших походах, автомобильных путешествиях, на рыбалке и т.п. Есть авиационные и морские навигационные системы, которые зачастую входят в состав сложных навигационных комплексов. В последнее время широкое распространение получили GPS чипы, которые интегрируются в КПК, телефоны и другие мобильные устройства.
Поэтому в навигации большее распространение получило деление GPS приемников на «кодовые» и «фазовые». В первом случае, для вычисления позиции используется информация, передаваемая в навигационных сообщениях. К этой категории относится большинство недорогих GPS навигаторов, стоимостью 100-2000 долларов.

Вторая категория навигационных GPS приемников использует не только данные, содержащиеся в навигационных сообщениях, но и фазу несущего сигнала. В большинстве случаев это дорогостоящие одно- и двухчастотные (L1 и L2) геодезические приемники, способные вычислять позицию с относительной точностью в несколько сантиметров и даже миллиметров. Такая точность достигается в RTK режиме, при совместной обработке измерений GPS приемника и данных базовой станции. Стоимость таких устройств может составлять десятки тысяч долларов.

6. Принцип действия GPS

Принцип действия спутниковой GPS навигации основан на определении расстояния от текущего положения до группы спутников. Точное местоположение GPS спутников известно из данных эфемерид и альманаха, передаваемых в навигационных сообщениях. Зная расстояние до трех спутников, можно определить текущее местоположение, как точку пересечение трех окружностей. Расстояние до спутников определяется простым уравнением  R = t * c, где t –время распространения радиосигнала от спутника до наблюдателя, а с – постоянная величина, равная скорости света. Соответственно, зная время, за которое сигнал дошел от спутника до GPS приемника и, умножив ее на скорость света, можно определить расстояние.

Чтобы определить момент, в который сигнал был «отправлен» со спутника, навигационное сообщение модулируется «псевдошумовым» PRN-кодом, соответствующим номеру спутника. Аналогичная последовательность генерируется в GPS приемнике в строгой временной синхронизации с кодом спутника. Принятый со спутника код сравнивается с кодом приемника, и определяется «как давно» в приемнике была сгенерирована схожая последовательность. Выявленный таким образом сдвиг одного кода по отношению к другому будет соответствовать времени прохождения сигналом расстояния от спутника до приемника. Преимуществом кодовых посылок является то, что измерения временного сдвига могут быть проведены в любой момент времени.

Стоит отметить, что для точного вычисления расстояния часы GPS приемника и GPS спутника должны быть синхронизированы с высокой точностью. Потому что отличие даже в несколько микросекунд приводят к ошибке в несколько десятков километров, а это в свою очередь вносит погрешность в вычисление позиции.  Но если на GPS спутниках установлены атомные часы, имеющие очень высокую точность и стоимость которых составляет несколько сотен тысяч долларов, то в обычных GPS навигаторах использование таких дорогих источников частоты просто невозможно. В GPS навигаторах используются недорогие кварцевые генераторы, которые имеют существенно меньшую точность. Поэтому для вычисления «уходов» кварца при решении навигационной задачи используются измерения 4-го спутника. Фактически, получается задача с 4-мя неизвестными – координатами X, Y, Z и временем T. Именно по этой причине измеренное расстояние до спутников называют «псевдодальностью», подразумевая, что оно содержит ошибку связанную с неточностью часов. В настоящее время, многоканальные GPS навигаторы одновременно отслеживают до 8-10 спутников, что позволяет быстро разрешить большинство неоднозначностей.