Применение GNSS в геодезии

Кроме того, в программное  обеспечение приемника необходимо ввести параметры координатной зоны: значение осевого меридиана зоны, величину сдвига условного Y (для СК–42 — –500 000,000 м), величину сдвига условного X (для СК–42 — 0,000 м). Номер зоны не вводится, и координаты отображаются без значения номера координатной зоны. Аналогично выполняется ввод значений параметров координатной зоны для СК–63.

Таким образом, при  условии введения поправок в числовые значения параметров координатной зоны, точность определения координат на точках будет порядка +3 м. Эта поправка представляет собой сдвиг на некоторую величину условного ноля координатной зоны по осям Y и X. Корректировка параметров координатной зоны выполняется на пункте ГГС или точке с известными значениями координат. Необходимость выполнения процедуры корректировки обусловлена рядом факторов, на которых мы не будем останавливаться.

Величина сдвига определяется как разница между  результатами измерений пространственных координат с приемом поправок EGNOS на пункте ГГС или точке с известными координатами и его (ее) известными значениями. Величина сдвига подсчитывается как обычная невязка в геодезии: «то, что есть, минус то, что должно быть». Обычно величина этой поправки не превышает +5 м и носит локальный характер для определенного района работ. Поэтому и применять поправку необходимо только для района, где она определялась. Размер района равен площади круга, радиусом около 80 км, вокруг пункта ГГС или точки, на которых выполнялась корректировка.

После этого можно приступать к полевым работам. Как уже отмечалось, измерения пространственных координат точек выполняются в кинематическом режиме определения местоположения. Перед инициализацией в приемнике необходимо включить опцию приема (регистрации) поправок EGNOS. Применять можно один из следующих вариантов кинематического режима измерений: «стой - иди» («stop&go» positioning survey) или непрерывной кинематики (continuous kinematic).

Вариант кинематического  режима измерений «стой - иди» предусматривает  кратковременную, для фиксирования всего нескольких эпох, остановку на измеряемой точке. Однако этот вариант требует, чтобы при перемещении от одной точки к другой сохранялась постоянная и непрерывная связь не менее, чем с четырьмя спутниками. В противном случае, при прерывании связи со спутниками, на этой точке необходимо оставаться до полного разрешения неоднозначности, или, как еще принято говорить, «выполнить переинициализацию приемника». На некоторых спутниковых приемниках, например GeoExplorer CE XT, инициализацию и переинициализацию можно выполнять в движении. Время, необходимое для проведения инициализации, зависит от технических характеристик конкретного типа приемника. У приемника GeoExplorer CE XT это время обычно составляет 12 мин, а у приемников Trimble R3 и Ashtech ProMark 2 — от 20 до 30 (а иногда и более) мин. При применении режима «стой - иди» на измеряемой точке фиксируются 3–4 записываемые эпохи, продолжительность каждой из них составляет 1 с.

Вариант непрерывной  кинематики предусматривает выполнение спутниковых определений, при которых для приема сигналов не требуется останавливаться. Сигналы записываются в память приемника с заданным по времени интервалом. Интервал записи определяют в зависимости от скорости передвижения при выполнении измерений. Вариант непрерывной кинематики обычно применяется при топографической съемке местности.

Преимуществами использования  сервиса EGNOS являются: 
— возможность выполнения работ с помощью одного приемника без привлечения второго(базового) приемника; 
— обработка результатов из мерений в поле во время проведения измерений; 
— простота применения сервиса в работе; 
— соответствие полученных результатов требованиям, предъявляемым к точности определения координат объектов местности при топографических съемках масштаба 1:25 000 и мельче.

Описанный способ применения сервиса EGNOS хорошо зарекомендовал себя в работах по отысканию центров  пунктов ГГС при отсутствии знака и внешнего оформления (окопки), пунктов опорной межевой сети, а также при выполнении небольших по объему съемочных работ.

Этапы создания геодезической  сети

   Технология  создания геодезической сети спутниковым  методом во многом совпадает с  технологией создания сети наземными  методами: в технологической цепочке  существуют совпадающие этапы. Однако есть и различия: появился новый этап - планирование спутниковых наблюдений, исчезла необходимость в строительстве и ремонте сигналов, цели и содержание остальных этапов видоизменились. Перечислим последовательность действий при работе в регионе или на объекте: сбор материалов, составление проекта работ, рекогносцировка, планирование наблюдений, наблюдения, обработка результатов, составление каталога и сдача работ. Перечень этот достаточно условный. Существуют также организационно-ликвидационные работы, возникает необходимость в закладке центров новых пунктов геодезической сети и другие проблемы. Кратко укажем содержание и особенности этапов работы при создании геодезической сети спутниковым методом.

   Сбор материалов состоит в получении (приобретении) карт и каталогов координат. Кроме того, целесообразно приобрести любые другие доступные материалы, вплоть до географических описаний и сведений из энциклопедий и справочников. Часто исполнители выезжают на объект для предварительного обследования и согласования работ с местными властями.

   Проект  работ содержит графическую часть, пояснительную записку и финансовую часть - смету. Графическая часть - это  схема проектируемой сети, составляемая на карте. При проектировании сети учитывают  наличие сохранившихся исходных пунктов и определяют желаемые места расположения вновь определяемых пунктов. Особенность спутниковой технологии состоит в том, что нет необходимости располагать пункты так, чтобы между ними была бы обеспечена взаимная видимость кроме случаев, особо оговоренных техническим заданием на производство работ. Нет необходимости располагать пункты на командных высотах. Пункты можно располагать там, где их впоследствии будет удобно использовать, например вблизи проектируемых объектов.

   Рекогносцировка - это вынос проекта в натуру. Определяют наличие и сохранность исходных пунктов, их конструкцию, условия наблюдений. Встречаются случаи, когда пункты утеряны, например, запаханы, либо нарушены их центры, В задачи рекогносцировщика входит поиск каждого из запланированных исходных пунктов и обследование сохранившихся на предмет состояния центра и открытости небосклона. При наличии препятствия рекогносцировщик фиксирует азимуты левого и правого края препятствия, а также угол наклона на верх препятствия. Иногда фиксируют и угол наклона на низ препятствия, если это такое, например, препятствие, как крона дерева или мост. Обследуя место расположения вновь определяемого пункта, рекогносцировщик определяет его окончательное местоположение, решает вопрос о его закреплении, оценивает видимость также, как и на исходном пункте. На каждый исходный и определяемый пункт составляют кроки с указанием подъезда (подхода) и с привязкой к местным объектам и контурам. При наличии навигационного приемника определяют координаты пункта. Работа должна быть проделана настолько тщательно, чтобы следующий за рекогносцировщиком оператор не имел проблем с поиском пункта и имел полное представление об условиях работы на нем. Рекогносцировку поручают опытному в спутниковых наблюдениях специалисту, например, одному из операторов.

   Планирование  наблюдений - это этап, специфический  именно для спутниковой технологии. Целью планирования является определение  временных интервалов, наиболее благоприятных (и неблагоприятных) для наблюдений. Например, в результате планирования может быть установлено, что на данном объекте в данный период - в период планируемых работ - лучше всего выполнять наблюдения с 5 до 12 часов, а с 17 до 18 часов лучше не наблюдать. Такая ситуация повторяется каждый день, поскольку расположение спутников на небосклоне также повторяется каждые сутки. Понятие «наиболее благоприятный интервал времени для наблюдений» означает, что в данном интервале над горизонтом (над маской) будет находиться шесть и более спутников, a PDOP будет по возможности близким к единице.

   Программа планирования входит в состав программного обеспечения. Исходными данными для планирования являются приближенные (с ошибкой порядка градуса) координаты объекта, приблизительное время работ (с ошибкой порядка месяца), данные рекогносцировки о препятствиях вокруг пунктов и альманах системы. Как было сказано, для получения альманаха достаточно перед планированием и выездом на объект выставить приемник на открытое место и подержать его включенным 15-20 минут. Приемник за это время успеет собрать альманах и этот альманах можно будет перекачать в компьютер. В результате перед выездом в поле бригада (партия) операторов получает график, на котором указано, сколько спутников будут находиться над маской в данный часовой интервал и каков будет PDOP. Для пунктов, вблизи которых существуют препятствия, планирование выполняют отдельно. Оператор вводит информацию о препятствиях и программа учитывает, что спутники, находящиеся за препятствием, во внимание принимать не следует. Всегда желательно иметь «свежий» альманах, это нетрудно. В противном случае устаревает эфемеридная информация и данные о здоровье спутников. Не рекомендуется пользоваться альманахом, возраст которого превышает месяц.

   О наблюдениях  и обработке их результатов сказано  ранее. Конечным результатом является составление каталога координат пунктов и сдача работы заказчику. Этому предшествует полевой контроль, в результате которого исполнитель должен убедиться в том, что предъявленные к надежности, качеству и точности результатов требования выполнены. После этого или одновременно с этим он должен убедить в этом заказчика. Под термином «заказчик» следует понимать представителей государственных органов, хотя это может быть, например, и руководитель крупного предприятия с негосударственной формой собственности. Контроль, как правило, осуществляют повторными наблюдениями на части пунктов. Иногда, там где позволяет видимость, выполняют контрольные измерения расстояний и углов между пунктами с использованием точных дальномеров и теодолитов.

Применение  GNSS в повседневной жизни

GPS c каждым годом  всё интенсивнее используется  в геологии, геодезии, картографии  и аэрофотосъёмке, гидрографии, планиметрии.  В инженерии нет более необходимого  прибора, чем GPS-ресивер, который  используется для координирования  масштабных строительных объектов: мостов, автомобильных шоссе и так называемых протяжённых продуктопроводов. Слова звучат обыденно и по - цементному серо, но вот реальный пример.

В Гонконге стоит (вернее, висит) самый длинный подвесной  мост, по которому проходят железная дорогая и шоссе для автомобилей. Его длина — более 4,5 тысяч футов (почти полтора километра). По замыслу архитекторов, мост может выдерживать достаточно большие нагрузки, причём были просчитаны максимальные расстояния, на которые мост может прогибаться и раскачиваться. Известно, что если колебания в сторону моста превысят 15 футов (4,5 метра), то это деформирует стальные тросы, на которых мост держится, что неминуемо приведёт к катастрофе.

Инженеры, которые  следят за мостом, установили на мосту 14 GPS-датчиков, которые просчитывают точное местоположение моста в трёх измерениях. Датчики объединены оптоволоконным кабелем, и 10 раз в минуту данные поступают на центральный компьютер.

Полученная информация соотносится с данными по скорости ветра, нагрузкой на мост в определённый период времени. Таким образом, строители могут определить конкретное место на мосту, где нужно произвести ремонтные работы и отрегулировать трафик на мосту.

Инженер Кай-Йен Вонг (Kai-yuen Wong) министерства транспорта Гонконга официально заявляет, что никакая другая технология не смогла бы справиться с этой задачей.

Ещё один пример, когда  датчики GPS могут помочь, — исследование водоворотов океанических течений, которые, в частности, имеют отношение к климатическим изменениям. Их диаметр иногда достигает 100 миль, и отследить "жизнь" водоворота с малейшими изменениями уровня воды, иными способами практически невозможно.

Исследовательский спутник Topex/Poseidon, который совместно "эксплуатируют" NASA и Французское  Космическое Агентство, занимается изучением флуктуаций воды в местах водоворотов. Но на расстоянии 12 миль от суши полученные данные поступают с помехами.

Кроме того, спутник  может наблюдать место водоворота только один раз в 10 дней — таков период его обращения на орбите, но изменения происходят чаще. Таким образом, пришлось обратиться к GPS: на скалах были установлены датчики, которые отслеживают флуктуации в пределах нескольких сантиметров. По мнению учёных, вовлечённых в этот проект, если установить датчики на горных вершинах, холмах и высотных зданиях, то осуществлять контроль над уровнем воды в мировом океане будет гораздо легче.

Ещё одна сфера, где  переоценить значение GPS сложно, — сейсмология. Японский Географический Институт (Japan's Geographical Survey Institute) осуществляет проект предупреждения землетрясения при помощи GPS датчиков, размещённых на расстоянии в 15 миль друг от друга в сейсмоопасной зоне. Сейчас используется приблизительно 1000 датчиков-приёмников. Каждый распложен на высоте 15 футов и "контактирует" со спутником каждый 30 секунд.

Недавно с  помощью этой системы были зафиксированы  аномальные колебания в районе города Нагоя — четвёртом по количеству жителей городе Японии. Ранее было зафиксировано, что земной пласт, на котором расположен город, смещается на запад в среднем на 3 см в год. С января 2001 года, только благодаря GPS, заметили, что город движется с той же скоростью, но уже в противоположном направлении.

По словам японского  геодезиста Макото Мураками (Makoto Murakami), это означает, что в ближайшие годы в этой области возможны сильнейшие землетрясения — повысилась активность земной коры. Кстати, благодаря GPS можно прогнозировать и место землетрясения.

Теперь пару слов о том, какой прок от GPS простому смертному. Предполагается, что в персональный GPS-ресивер можно будет закачивать карту любой местности и по ней перемещаться. Вещь незаменимая, особенно в чужом городе. Другая GPS-перспектива — использование в портативной системе визуализации MARS.