GNSS измерения

В семидесятых годах XX века были выполнены запуски первых американских военных спутников, получивших название Навигационные Технологические Спутники, и первая фаза тестирования GPS (Global Positioning System) для военных нужд вступила в действие. Менее чем через 20 лет система GPS стала важной частью глобальной гражданской информационной инфраструктуры с широким спектром различных применений: от геодезии и картографии до обеспечения безопасности полётов воздушных судов и международных исследований природной среды. Система обеспечивает пользователей на земле, в воздухе и на море трёхмерными координатами, информацией о скорости и времени 24 часа в сутки в любую погоду и в любой точке Земли.

Спутниковая система навигации представляет собой систему, предназначенную для определения местоположения в виде географических координат наземных, водных и воздушных объектов. Кроме этого, спутниковые системы навигации также позволяют получить информацию о скорости и направлении движения приёмника сигнала, а также могут использоваться для получения точного времени. Такие спутниковые системы состоят из космического оборудования и наземного сегмента в виде систем управления. В настоящее время существует несколько спутниковых систем — американская, российская, европейская, французская, китайская, индийская и японская, но только две спутниковые системы обеспечивают полное и бесперебойное покрытие земного шара — GPS, принадлежащая министерству обороны США, и ГЛОНАСС, принадлежащая министерству обороны России.

Все спутниковые навигационные системы отличаются сигналом, количеством спутников, одновременно находящихся на орбите, а также орбитальными параметрами полёта спутников. Практически все спутники на разных частотах передают как открытые сигналы гражданского назначения, так и закрытые сигналы военного назначения.

Глобальная навигационная спутниковая система — GNSS

GNSS (Global Navigation Satellite Systems) — добровольное объединение более чем 200 агентств, занимающихся сбором данных GPS, ГЛОНАСС и других спутниковых навигационных систем с постоянно работающих базовых станций, расположенных в различных точках мира; фактически, это единый стандарт для всех существующих спутниковых систем.

Системы GNSS позволяют определять пространственное положение объектов на местности путём обработки принимающим устройством поступающего спутникового сигнала. GNSS состоит из трёх сегментов: космического, наземного и пользовательского. Космический сегмент представляет собой набор спутников, размещённых на разных орбитальных плоскостях, каждый из которых располагает атомными часами, задающими точную систему времени, и непрерывно передаёт радиосигналы с собственным уникальным идентификационным кодом. Наземный сегмент, или сегмент управления, включает в себя сеть базовых станций, которые наблюдают за спутниками на орбите и выполняют контроль и корректировку их положения. Пользовательский сегмент включает все спутниковые приёмники, выполняющие определение своего местоположения.

Принцип определения координат в системах GNSS основывается на традиционном в геодезии способе трилатерации — вычислении координат по измеренным расстояниям до известных пунктов. Пунктами в данном случае являются спутники, координаты которых известны с высокой точностью, а расстояния вычисляются на основе измерений временной задержки прохождения радиосигнала по линии «спутник-приёмник».

Широкое использование спутниковых технологий измерений для геодезических изысканий обусловлено следующими факторами:
— высокая точность измерений;
— отсутствие необходимости прямой видимости между пунктами при построении геодезических сетей;
— возможность выполнения кинематических измерений и проведения непрерывных наблюдений;
— одновременное определение трёхмерных координат;
— высокий уровень автоматизации измерений;
— возможность проведения измерений в условиях, непригодных для оптических инструментов (например, ночь, туман, недостаточная видимость и прочее).

Абсолютный и дифференциальный способы определения координат

На точность автономного определения координат влияют различные факторы, а наиболее значимыми из них являются ошибки, связанные с прохождением GNSS-сигналов через тропосферу и ионосферу, а также спутниковой геометрией и многолучёвостью. Точность абсолютного определения координат составляет 5–10 метров и не подходит для решения геодезических задач, лишь за исключением поиска геодезических пунктов в навигационном режиме. Для получения координат пунктов с сантиметровой точностью необходимо применять дифференциальный (или относительный) способ измерений и обработку в специализированном программном обеспечении. В этом случае используются два GNSS-приёмника: один GNSS-приёмник устанавливается на пункте с известными координатами и является базовым, а второй — на пункте, координаты которого необходимо определить. Принимая сигналы одних и тех же GNSS-спутников и при условии, что эти приёмники находятся на небольшом расстоянии друг от друга, можно минимизировать или исключить большинство ошибок, свойственных абсолютному методу.

Спутниковую аппаратуру геодезического класса разделяют на одночастотные и двухчастотные GNSS-приёмники. Двухчастотные приёмники имеют ряд преимуществ по сравнению с одночастотными: в частности, в них практически отсутствуют ограничения по длине базовых линий, они обеспечивают более быстрое и надёжное определение координат пунктов, а также в них реализована возможность работы в режиме реального времени.

Режимы работы спутниковых систем

Различают три основных режима работы спутниковых систем: статика, кинематика с постобработкой и кинематика в реальном времени (RTK).

Режим статики является наиболее точным методом съёмки и применяется для создания и сгущения сетей, задач геодинамики и других видов высокоточных измерений; статика характеризуется продолжительными сеансами спутниковых наблюдений.

Режим кинематики с постобработкой позволяет выполнять топографическую съёмку, например, для целей кадастра и землеустройства. Применение данного режима крайне эффективно для выполнения этих видов работ вследствие коротких сеансов наблюдений по сравнению со статическими наблюдениями. Для реализации метода кинематики с постобработкой требуется полевой контроллер.

Режим кинематики в реальном времени (RTK) является наиболее эффективным способом выполнения топографо-геодезических работ, его основным преимуществом является получение координат с высокой точностью непосредственно во время выполнения съемки, а время одного измерения составляет всего несколько секунд. Принципиальное отличие выполнения работ в режиме RTK состоит в отсутствии постобработки векторов и редактирования спутниковой информации. Все полевые измерения записываются в память контроллера, а затем передаются в компьютер, в результате чего на выходе получаются координаты пунктов с уже известной точностью. Вынос в натуру, разбивка профилей, вычисление отклонений от проектных значений — это лишь неполный круг задач, которые можно выполнить, работая только в режиме RTK. Для выполнения съёмки в режиме RTK необходимо использовать радиомодем или GSM-модем.