Системы спутникового позиционирования

К новым геодезическим технологиям относятся методы определения координат точек (позиционирования) по сигналам со специальных спутников Земли, движущихся по определенным орбитам.

Созданные в 70те гг. XX в. спутниковые радионавигационные системы «Цикада» (СССР) и «Транзит» (США) использовались для навигационного обеспечения задач мореплавания, авиации, сухопутного транспорта и в военном деле. По мере развития науки и техники и повышения точности определения координат точек спутниковые навигационные системы получили применение для решения широкого круга геодезических задач.

В настоящее время действуют две спутниковые системы определения координат: российская система ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система) и американская система NAVSTAR GPS (Навигационная система определения расстояний и времени, глобальная система позиционирования).

Система спутникового позиционирования включает три сегмента: созвездия космических аппаратов (спутников), наземного контроля и управления, приемных устройств (аппаратуры пользователей).

Сегмент космических аппаратов.Каждая из современных систем GPS и ГЛОНАСС состоит из 24 спутников (21 действующего и 3 резервных), которые обращаются вокруг Земли по практически круговым орбитам. Орбиты спутников GPS расположены в шести плоскостях по 4 спутника в каждой (рис: 126, а); средняя высота орбиты — около 20 180 км, период обращения спутников вокруг Земли составляет 11 ч 58 мин. Такое количество спутников и их расположение обеспечивают одновременный прием сигналов как минимум от четырех спутников в любой точке Земли в любое время. С 1983 г. система GPS открыта для гражданских потребителей. Спутники ГЛОНАСС вращаются вокруг Земли в трех орбитальных плоскостях по 8 спутников в каждой (рис. 1.1, б) на высоте около 19 150 км, период обращения — 11 ч 16 мин. В январе 1996 г. ГЛОНАСС развернута полностью.

а б

Рис. 1.1. Созвездия искусственных спутников:

а — NAVSTAR GPS; б — ГЛОНАСС

На каждом спутнике GPS и ГЛОНАСС установлены солнечные батареи питания, приемно-передающая аппаратура, эталоны частоты и времени, бортовые компьютеры и уголковые отражатели для лазерной дальнометрии.

Сегмент наземного контроля и управлениясостоит из сети станций слежения за спутниками, равномерно размещенных по территории страны, службы точного времени, главной станции с вычислительным центром и станцией загрузки данных на борт спутников; С пунктов слежения дважды в сутки лазерным дальномером измеряются расстояния до каждого из спутников. Собранную информацию о положении спутников на орбитах (эфемеридах) передают на бортовой компьютер каждого спутника. Спутники непрерывно излучаютдля пользователей измерительные радиосигналы, данные о системном времени; свои координаты и другие сведения На каждом спутнике GPS и ГЛОНАСС установлены солнечные батареи питания, приемно-передающая аппаратура, эталоны частоты и времени, бортовые компьютеры и уголковые отражатели для лазерной дальнометрии.

Сегмент наземного контроля и управлениясостоит из сети станций слежения за спутниками, равномерно размещенных по территории страны, службы точного времени, главной станции с вычислительным центром и станцией загрузки данных на борт спутников; С пунктов слежения дважды в сутки лазерным дальномером измеряются расстояния до каждого из спутников. Собранную информацию о положении спутников на орбитах (эфемеридах) передают на бортовой компьютер каждого спутника. Спутники непрерывно излучают для пользователей измерительные радиосигналы, данные о системном времени; свои координаты и другие сведения.

Сегмент приемных устройстввключает спутниковый приемник, антенну, управляющий орган-контроллер, источник питания и другие вспомогательные средства.

Определение координат точек земной поверхности с помощью спутников основано на радиодальномерных измерениях дальностей от спутников до приемника, установленного, на определяемой точке. Если измерить дальности R_1, R₂ и R₃ до трех спутников (рис. 1.2), координаты которых на данный момент времени известны, методом линейной пространственной засечки можно определить координаты точки стояния приемника Р. Из-за несинхронности хода часов на спутнике ив приемнике определенные до спутников расстояния будут отличаться от истинных. Такие ошибочные расстояния получили название «псевдодальностей». Для исключения этих погрешностей определение координат точек с достаточной точностью возможно при одновременном наблюдении не менее 4 спутников.

Системы спутникового позиционирования работают в. гринвичской пространственной прямоугольной системе координат с началом, совпадающим

Спутники S₂

Измерительная станцияИзмерительная станция

Рис. 1.2. Принципиальная схема спутниковой системы позиционирования

с центром масс Земли. При этом система GPS использует координаты мировой геодезической системы WGS-84 (World Geodetic System, 1984 г.), а ГЛОНАСС — систему координат ПЗ-90 (Параметры Земли, 1990т.). Обе координатные системы установлены независимо друг от друга по результатам высокоточных геодезических и астрономических наблюдений. Поскольку эти координатные системы основаны на разных эллипсоидах и ориентированы на разные территории, геодезические и прямоугольные координаты одних и тех же точек земной поверхности в этих системах не совпадают. Большинство современных приемников работают со спутниками GPS, поэтому координаты измеренных точек получают чаще всего в системе WGS-84. Для перехода «государственной или местной системе координат используют предусмотренную программами обработки функцию трансформирования.

Рекомендуемая литература

1. Поклад Г.Г., Гриднев С.П. Геодезия. – М.: Академический проект, 2007. – 592 с.

2. Федотов Г.А. Инженерная геодезия. – М.: Высш. шк., 2004.- 463 с.

Контрольные задания для СРС (тема 1) [1,2]

1. Принципы работы GPS и ГЛОНАСС систем.

2.Что включает в себя сегмент наземного контроля и управления.

3. Принцип работы сегмента приемных устройств.