Супутникове позиціонування - студопедія
Найбільш досконалий метод визначення координат заснований на використанні штучних супутників Землі. Суть його полягає в наступному: що летять по строго заданих орбітах супутники, миттєві координати яких точно відомі, безперервно випромінюють радіосигнали, що реєструються спеціальними супутниковими приймачами на Землі. Це дозволяє за допомогою радіотехнічних засобів вимірювати відстані (дальності) від приймача до супутників і визначати місце розташування приймача (його координати) або вектор між двома приймачами (збільшення координат).
Інженерно-технічна реалізація цієї простої ідеї зажадала десятків років напруженої роботи. До кінця минулого століття і світі створені дві експлуатаційні супутникові системи, що знаменували революційні зміни в геодезичних вимірах. Це американська Global Positioning System (GPS) - Глобальна система позиціонування (ГСП), і українська Глобальна навігаційна супутникова система (ГЛОНАСС).
До основних завдань, що вирішуються супутниковими методами, відносяться:
♦ розвиток геодезичних мереж усіх рівнів;
♦ виробництво нівелірних робіт аж до III і навіть II класів точності;
♦ поширення єдиної високоточної шкали часу;
♦ дослідження геодинамічних процесів;
♦ моніторинг стану навколишнього середовища і вивчення її динаміки;
♦ координатне забезпечення кадастрових, землевпорядних, сільськогосподарських та інших робіт;
♦ забезпечення координатами польових тематичних зйомок та інженерно-географічних робіт за допомогою супутникового приймача, поєднаного зі спеціалізованим датчиком (електронним тахеометром, ехолотом, анероїдом, магнітометром, цифровою фотокамерою і ін.);
Основні переваги супутникових систем - їх глобальність, оперативність, всепогодность, оптимальна точність і ефективність. На відміну від традиційних геодезичних вимірювань видимість між обумовленими пунктами не потрібна. ГСП діє в системі координат WGS-84, а ГЛОНАСС - в системі координат ПЗ-90.
Виділяють три головні підсистеми (сегменти): наземного контролю і управління (ПКУ), сузір'я космічних апаратів (КА) і апаратури користувачів (АП).
Підсистема ПКУ складається з станцій спостереження за КА, служби точного часу, головною станції з обчислювальним центром і станцій завантаження даних на борт супутників. Супутники проходять над контрольними пунктами двічі на добу. Зібрану інформацію про орбітах обробляють, і на цій основі прогнозують координати супутників (ефемериди), які завантажують на борт кожного супутника.
Головна наземна станція на базі ВПС Колорадо-Спрінгс і станції, розташовані на островах Вознесіння, Дієго-Гарсія, атолі Кваджалейн і Гавайських островах, керують положенням ГСП.
ПКУ ГЛОНАСС включає Центр управління системою (ЦУС), що знаходиться під Москвою, центральний синхронізатор (ЦС) з високоточним стандартом частоти і часу для синхронізації системи і мережу станцій спостереження, розміщених в районі Харкова, Воркути, Жовті Води, Петропавловська-Камчатського, Уссурійська, Шостка і Енисейска.
Підсистеми космічних апаратів (КА) ГСП і ГЛОНАСС
мають по 24 працюючих і по кілька резервних супутників. Супутники рівномірно розподілені в навколоземному просторі на висотах близько 20 тис. Км. На кожному супутнику встановлені сонячні батареї живлення, двигуни коректування орбіт, атомні еталони частоти-часу, апаратура для прийому і передачі радіосигналів, бортові комп'ютери.
Апаратура супутника і супутниковий приймач утворюють радиодальномер. Приймач приймає радіосигнали, передані супутником, і порівнює їх з виробленими в самому приймальнику, в результаті чого визначається час поширення радіохвилі, а потім і дальність до космічного апарату. На супутниках і в приймачах є генератори основних високостабільних електромагнітних коливань. Вони формують електромагнітні коливання, призначені для найбільш точних вимірювань діяльностей фазовим методом, для менш точних - кодовою методом за допомогою так званих віддалемірних кодів, а також для формування навігаційних повідомлень.
Для виконання фазових вимірювань і для перенесення до приймача віддалемірних кодів та іншої інформації, що міститься в навігаційному повідомленні, генеруються так звані несучі радіохвилі. Передавачі на всіх супутниках їх випромінюють на двох частотах, які охоплюють L1 і L2. Дві частоти потрібні для того, щоб виключити з вимірювань істотні тимчасові затримки, що виникають при проходженні радіохвиль через іоносферу. У ГСП частоті И відповідає довжина хвилі 19,0 см, а частоті L2- довжина хвилі 24,4 см. В ГЛОНАСС значення несучих частот И і L2 у кожного супутника свої, а відповідні їм довжини хвиль близькі до 19 см і 24 см. Далекомірні коди є імпульси, чергую-щіеся в строго визначеної послідовності, їх позначають символами 0 і I. Таким чином, код - це деяка періодично повторюється комбінація 0 і 1. Генерують коди двох типів: стандартної і високої точності. Перші простіше, вони призначені для цивільних користувачів, другі точніше, складніше і ис-користуються в військових цілях.
Коди і навігаційне повідомлення вбудовуються в несучі хвилі і з їх допомогою переносяться з супутника в приймач користувача. Високоточні коди передаються на частотах И і L2, а цивільні коди - тільки на частоті И. Це означає, що виміряні за допомогою цивільних кодів дальності не захищені від іоносферних спотворень. У ГСП застосовують кодове розділення сигналів, всі супутники працюють на одних і тих же частотах, але кожен має свій код. У ГЛОНАСС - частотне розділення сигналів, кожен супутник має свої частоти, але у всіх однакові коди.
Супутники ГСП і ГЛОНАСС передають в приймачі навігаційні повідомлення, які несуть телеметричні дані, інформацію про час, мітки часу і ефемериди (відомості, за якими обчислюються координати супутника), а також альманах - збірник менш точних даних про місцезнаходження і стан всіх супутників. Альманах потрібен для планування вимірювань. Точні відомості, що стосуються конкретного супутника, передаються тільки цим супутником. Інформація альманаху транслюється всіма супутниками.
Супутникові приймачі, складові підсистему апаратури користувачів (АП), досягли високої досконалості. Створено приймачі, орієнтовані на використання супутників тільки однієї системи і на одночасне використання супутників ГСП і ГЛОНАСС.
Всі сучасні супутникові приймачі - багатоканальні, з шістьма і більш каналами. Кожен канал стежить за своїм супутником. При вимірах виникає проблема зриву сигналів на трасах поширення радіохвиль через перешкоди у вигляді рельєфу, дерев, будівель і інших споруд. Чим більше каналів, тим легше подолати ці труднощі і знайти необхідну кількість видимих супутників.
За конструктивними особливостями приймачі діляться на:
♦ односистемних, орієнтовані на прийом сигналів однієї системи;
♦ двосистемні, що приймають сигнали як ГЛОНАСС, так і ДСП;
♦ кодові, що працюють тільки з далекомірними кодами;
♦ кодово-фазові одночастотні, які застосовують дальномірні коди і фазові вимірювання тільки на частоті L1;
♦ кодово-фазові двочастотні, що використовують дальномірні коди і фазові вимірювання на частотах И і L2.
Кодові приймачі легкі, компактні, вміщаються на долоні. В одному корпусі поєднані всі блоки (антена, приймач, джерело живлення). З їх допомогою можливо не тільки визначити просторове положення, але і обчислити швидкість і напрямок руху. Ці приймачі видають координати в різних форматах (широта, довгота, висоти, плоскі координати в різних проекціях і ін.), Вони здатні накопичувати і зберігати результати вимірювань. Користувач знімає відлік по підсвічується екрану, визначає відстань, азимут і час прибуття до мети; на багатьох екранах можна бачити карту маршруту і своє становище на ній. Кодові приймачі стають основними приладами визначення місцезнаходження в географічних, геологічних та інших роботах.
Кодово-фазові приймачі малогабаритні, зазвичай оснащені окремою антеною, мають потужні пристрої збереження даних. Всі вони забезпечені портами для інтеграції з іншою апаратурою, харчуються в основному від акумуляторів. Нерідко клавіатура з дис-плеем встановлена на допоміжному пристрої - контролері. Користувач тримає в руці контролер і при вимірах вводить необхідні команди, такі як ім'я точки, висота антен-ни, атрибути об'єкта місцевості та ін.
За спеціалізацією приймачі можуть бути призначені для:
♦ збору даних для географічних інформаційних систем (ГІС);
♦ створення геодезичних мереж і виконання топографічних зйомок;
♦ вирішення навігаційних завдань;
♦ забезпечення пожежних служб, міліції, швидкої медичної допомоги, перевезення вантажів, мобільного зв'язку та ін.