Методы определения координат пунктов

Определение расстояний от спутникового приемника до спутника есть не что иное, как радиодальномерные измерения: приемник принимает электромагнитные колебания со спутника, сравнивает их со своими, выработанными собственным генератором и в результате определяет дальность до космического аппарата. Дальности измеряют двумя способами - кодовым и фазовым. В первом случае сравнивают коды полученного со спутника сигнала и генерированного в самом приемнике, а во втором – фазы. Наиболее точным являются фазовые изменения. В GPS все спутники работают на одних и тех же частотах, но каждый имеет свой код. В ГЛОНАСС, наоборот, каждый спутник имеет свою частоту, но коды у всех одинаковые.

Перенос от спутника к приемнику всей информации осуществляется с помощью так называемых несущих электромагнитных колебаний, излучаемых на двух частотах L1 и L2. В соответствии с этим на практике используют как одночастотные приемники, работающие только с частотой L1, так и двухчастотные, использующие обе частоты. Двухчастотные приемники дают более высокую точность определения координат.

Радиосигнал проходит от спутника до приемника расстояние около 20000 км и претерпевает возмущения в ионосфере, нижних слоях атмосферы и вблизи поверхности Земли. В ионосфере, расположенной на высоте 50-100 км над землей, содержатся свободные электроны и ионы, изменяющие путь и скорость радиоволн со спутника. Погрешности, вызванные воздействием главным образом электронов, зависят от их концентрации, а значит, от угла возвышения спутника, географического положения измеряемых точек, времени суток и года, солнечной активности и могут достигать десятков метров. Исключить эти искажения из результатов наблюдений можно измерениями на двух частотах.

В нижних слоях атмосферы, особенно в тропосфере, на скорость распространения радиоволн сильное влияние оказывают метеоусловия. Установлено, что наибольшие искажения сигнала имеют спутники, расположенные на высотах над горизонтом менее 10°. Поэтому такие спутники не включают в измерения.

Кроме радиосигнала со спутника в приемную антенну поступают еще и сигналы, отраженные от земли и различных объектов - зданий, деревьев и т.п. Возникающая многолучевость ведет к искажению результатов измерений при использовании фазового способа до нескольких сантиметров, в кодовых измерениях - до метров. В современных приемниках для борьбы с этим источником погрешностей используют специальные встроенные программы подавления многолучевости.

Одним из факторов, ухудшающих результаты спутниковых измерений, могут также стать помехи от близко расположенных мощных источников радиоизлучений: локаторов, теле- и радиопередающих станций и т.п.

Важнейшей характеристикой качества спутниковых измерений является геометрический фактор, характеризующий потери точности из-за геометрии засечки, т. е. расположения наблюдаемых спутников. Установлено, что точность определений тем выше, чем больше объем треугольной пирамиды, в вершинах которой располагаются спутники. Поскольку параметры орбит спутников точно известны, можно заранее определить время, когда геометрия спутников будет наилучшей для измерений. Поэтому спутниковым наблюдениям всегда предшествует очень важный этап планирования работ. В измерения включают все видимые в данный момент спутники, максимальное число которых может достигать 12—13; это позволяет повысить точность определений на 15—20%.

Способы позиционирования можно разделить на две группы - абсолютные определения координат кодовым методом и относительные фазовые измерения (см. рис. 3.1).

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,

Рис. 3.1 Способы спутникового позиционирования

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 расположенной на точке с известными координатами (обычно пункте государственной геодезической сети), и подвижной станции установленной над определяемой точкой (рис. 3.2).

Базовая станция Измерительная станция

Рис. 3.2. Сущность дифференциального способа позиционирования

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 и (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. Точность дифференциального позиционирования составляет 1 — 5 м.

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.

Если имеется цифровой радиоканал и данные с базового приемника в процессе измерений можно передавать на подвижную станцию, координаты получают в режиме реального времени, т. е. непосредственно на определяемой точке.