При внедрении спутниковых технологий в топографо-геодезичес




Скачать 19,23 Mb.
НазваниеПри внедрении спутниковых технологий в топографо-геодезичес
страница1/587
Дата конвертации05.11.2016
Размер19,23 Mb.
ТипДокументы
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   587



1 Введение. Спутниковые методы в геодезии.

При внедрении спутниковых технологий в топографо-геодезическое производство резко изменились не только организационные и тех­нические принципы проведения полевых и камеральных работ, но и многие другие основополагающие принципы, что дает основание го­ворить о революционных преобразованиях в геодезии, связанных со спутниковыми методами геодезических измерений на земной поверх­ности. Использование традиционных геодезических ме­тодов триангуляции или полигонометрии для передачи координат с высокой точностью на значительные расстояния невозможно из-за кривизны земной поверхности и неизбежных погрешностей измерений, вызванных влиянием приземного слоя атмосферы. Чтобы обеспечить прямую види­мость между пунктами, необходимо было выбирать местоположение пунктов на командных вы­сотах и строить знаки. При этом взаимное положение смежных пунктов удаленных друг от друга на 20-25 км определялось с погрешность порядка 5-10 см. Попытки решения данной проблемы путем использования синхронных наблюдений с удаленных пунктов звезд или естественного спутника Земли-Луны не обеспечивало требуемую точность. И только с запуском первых искусственных спутников Земли (ИСЗ) Современная спутни­ковая технология открыла возможность проведения высокоточных геодезических измерений при отсутствии прямой видимости между пунктами, в результате чего отпала необходимость постройки наруж­ных сигналов и выбора пунктов на различного рода возвышениях. При этом длина измеряемых базисных линий столь жестко не лимитирует­ся и может достигать тысячи и более километров.Геодезические измерения, базирующиеся на традиционных ме­тодах, приходится производить в высоко динамичных неустойчивых приземных слоях атмосферы. В результате этого внешние условия ока­зываются, во многих случаях, основным источником ошибок, ограни­чивающим предельную точность геодезических измерений, сокращая тем самым круг задач, решаемых геодезическими методами. Подавляющее большинство традиционных геодезических мето­дов приспособлено для выполнения измерений в статике, т.е. между неподвижными пунктами, что негативно сказывается на развитии ди­намических методов, ориентированных на выполнении геодезических измерений в движении (морская геодезия, аэрофотосъемка и др.). Развиваемые в течение многих лет геодезические методы были ориентированы на раздельное создание плановых и высотных сетей, что обусловлено недостаточной универсальностью традиционных ме­тодов, не позволяющих одновременно и с необходимой точностью определять все три координаты определяемых пунктов. Альтернативный подход к выполнению геодезических измерений на принципиальной основе состоит в использовании пространствен­ных методов измерений с применением в качестве опорных точек мгно­венных положений искусственных спутников Земли. Базирующиеся на таких принципах измерительные комплексы получили название гло­бальных систем позиционирования, первоначальное назначение кото­рых состояло в решении навигационных задач.

Спутниковые технологии появились в России в начале 1990-х годов, почти на 10 лет позднее, чем в США. Их преимущество перед обычными методами геодезии были настолько впечатляющим, что, несмотря на высокую стоимость оборудования, они быстро стали находить в топографо-геодезическом производстве России все более широкое применение. Однако отсутствие опыта выполнения работ и знаний по новым технологиям не позволяло их эффективно использовать. Для картографии и геоинформатики особенно важной является их интеграция с геоинформационными системами (ГИС). Основным достоинством спутниковых систем позиционирования является их глобальность, оперативность, всепогодность, оптимальная точность и эффективность. Для измерений не нужна видимость между определяемыми пунктами.
    Вот некоторые области, где спутниковые системы позиционирования уже нашли применение:

  • Развитие опорных геодезических сетей.

  • Распространение единой высокоточной шкалы времени.

  • Исследования сейсмической активности и вулканизма, движений полюсов, земной поверхности и              ледников, геоморфологические, биогеографические, океанологические и метеорологические              исследования, мониторинг ионосферы и др.

  • Кадастровые работы.

  • Обеспечение работ по землеустройству.

  • Сельскохозяйственное применение - определение координат сельхозтехники с целью внесения              удобрений по заранее заготовленным картам, привязка в ходе уборки объемов урожая

  • к конкретным местам поля, выявление, местоопределение и картографирование скоплений              сорняков и др.

  • Экологические исследования: применение координатной привязки разливов нефти вследствие                  аварий, оценки площадей нефтяных пятен и определения направлений их движений.

  • Съемка и картографирование всех видов - топографическая, специальная, тематическая.

  • Сбор материала для ГИС - перспективное самостоятельное направление.

  • Рядом фирм выпускаются приемники, специально ориентированные на сбор данных для ГИС.

      Наблюдатель, перемещаясь по местности с таким приемником, автоматически фиксирует координаты объектов и дополнительно вводит в накопители информацию об их свойствах. Данные накапливаются в цифровом виде в соответствующих форматах и могут быть выведены на экран в целях визуализации и контроля. Появились комплексированные системы. На подвижных платформах кроме приемников спутниковых систем устанавливают инерциальные системы и цифровые видеокамеры. Инерциальные системы сохраняют привязку непрерывной даже в случаях, когда приемники теряют сигналы спутников. Видеокамеры позволяют получать стереоизображения, которые в последствии обрабатывают стерео-фотограмметрическими способами.
         

  • Создание устройств, используемых в качестве поводырей слепых.
             

  • Обеспечение инженерно-прикладных работ -          мостостроение, прокладка путепроводов, ЛЭП, привязка и вынос в натуру объектов и др.
             

  • Спасательно-предупредительные работы - геодезическое обеспечение при бедствиях и 
                    катастрофах.
            

  •  Диспетчерские службы - обеспечение работы пожарных, милиции, скорой помощи, 
                    автомобильного и железнодорожного транспорта, где благодаря оптимальному выбору 
                    маршрутов и постоянному контролю за движением предвидится значительная экономия 
                    денежных средств и времени.

  •          Индивидуальное применение в быту.

  •          Установка соответствующей аппаратуры на личном автотранспорте. Автомобили экипируют                  электронными картами, по которым видно, где находится и куда движется автомашина.

  •          Навигация всех видов - воздушная, морская, сухопутная.

  •          Военные и разведывательные сферы.


     Историческая справка.

Уже существует несколько поколений спутниковых систем позиционирования.
     К первому поколению можно отнести системы, разрабатывавшиеся до 70-х годов и использовавшиеся более двух десятилетий. Это системы NNSS - США, ЦИКАДА - СССР и другие (Глумов, 1983; Медведев, Баранов, 1992).
     NNSS (Navy Navigation Satellite System) - первоначально предназначалась для ВМФ США. Позже система получила название TRANSIT. В эксплуатации с 1964 г., в 1967 г. открыта для гражданского коммерческого использования. В 70-х годах появились сравнительно малогабаритные приемники GEOCEIVER, позволившие определять координаты с дециметровой точностью. К 1980г. многие тысячи потребителей разных государств мира пользовались услугами этой системы. С ее помощью в 1984 - 93 гг. в России создана доплеровская геодезическая сеть - ДГС
     ЦИКАДА - разработки начаты в 1967г., введена в эксплуатацию в 1979 г.
К первому поколению принадлежит также международная система обнаружения терпящих бедствие COSPAS-SARSAT.
     Ко второму поколению относятся две системы GPS - США и ГЛОНАСС - РФ. 
    GPS Global Positioning System. Параллельное название NAVSTAR - Navigation Satellite Timing and Ranging. Запуск спутников первого блока начат в 1978 г. Эксплутационная готовность объявлена в начале 1995 г.
      ГЛОНАСС - Глобальная Навигационная Спутниковая Система. Разработки начаты в середине 70-х годов. В 1982 г. выведены первые ее спутники серии КОСМОС. В сентябре 1993 г. официально принята в эксплуатацию. В марте 1995 г. Правительство РФ специальным постановлением за № 237 открыла систему для гражданского применения. В январе 1996 г. ГЛОНАСС развернута полностью. Уже работают приемные устройства, одновременно использующие и GPS и ГЛОНАСС.

            Геометрическая сущность местоопределения.

В системах спутникового позиционирования КА выполняют роль геодезических опорных пунктов. На каждый момент измерений их координаты должны быть известны. Координаты объекта находят способом засечек по измерениям при помощи аппаратуры на спутниках и на земле. Измеренные параметры определяют поверхности положения, в точке пересечения которых лежит искомый объект. В системе первого поколения TRANSIT на основе эффекта Доплера измеряли разности расстояний от приемника до двух поло-жений спутника на орбите. Поверхностями положений являлись гиперболоиды вращения. В современных системах измеряют дальности до КА и скорости изменений дальностей вследствие перемещений ИСЗ относительно пользователя. Измеренным скоростям соответствуют конические поверхности положения (конусы), а измеренным дальностям - сферические (сферы). В геодезических целях преимущественно пользуются дальностями, по которым реализуют пространственные линейные засечки. 
     Если с определяемого пункта M измерить расстояния R1, R2, R3 до трех пунктов 1, 2, 3, провести из них как из центров радиусами R1, R2, R3 сферы, то эти сферы пересекутся в точке M и определят ее положение. В этом заключается геометрическая сущность задачи. Когда известны координаты спутников, задачу легко решить аналитически и вычислить координаты пункта M.   На деле измеряют искаженные расстояния. Их называют псевдодальностями. Чтобы правильно вычислить координаты пункта по псевдодальностям, надо их измерять не до двух или трех, а, как увидим позже, до большего числа спутников с известными координатами. Кроме того, как это принято в геодезии, всегда должны быть избыточно измеренные величины. Избыточные результаты повышают качество определений, ибо обеспечивают контроль и позволяют выполнять обработку по методу наименьших квадратов (МНК).

2 Спутниковые навигационные системы ГЛОНАСС и NAVSTAR (GPS)

В настоящее время мы являемся свидетелями интенсивного развития и изменения заложенных ранее систем GPS и ГЛОНАСС, появления таких новых систем, как Галилео, широкозонных дополнений WAAS, EGNOS и MSAS, а также региональных и локальных дифференциальных подсистем.

Летные испытания высокоорбитальной отечественной навигационной системы, полу­чившей название ГЛОНАСС, были начаты в октябре 1982 года запуском спутника "Космос-1413"..."

В 1995 году было завершено развертывание СРНС ГЛОНАСС до ее штатного состава (24 КА). Современное состояние системы характеризуется материалами раздела 2.8.

Разработаны самолетная аппаратура А-744, СНС-85, наземная аппаратура АСН-15 (РИРВ), морская аппаратура "Шкипер" и "Репер" (РНИИ КП), "Бриз" (КБ "Навис"), самолет­ная аппаратура А-737, "Интер" (МКБ "Компас") и др. [6, 7].

Основным заказчиком и ответственным за испытания и управление системой являются Военно-космические силы (ВКС) РФ (сейчас Ракетные войска стратегического назначения, РВСН).

Основными направлениями дальнейших работ по системе определены [8]:

• модернизация СРНС ГЛОНАСС на основе модернизированного спутника ГЛОНАСС-М с повышенным гарантийным сроком службы (пять и более лет вместо трех в на­стоящее время) и более совершенными техническими характеристиками, что позволи­ло бы повысить надежность и точность системы в целом;

• работы по внедрению технологии спутниковой навигации в отечественную экономику, науку и технику, а также создание нового поколения навигационной аппаратуры по­требителей, станций дифференциальных поправок и контроля целостности;

• разработка и реализация концепции Российской широкозонной дифференциальной подсистемы на базе инфраструктуры ВКС и ее взаимодействия с ведомственными ре­гиональными и локальными дифференциальными подсистемами, находящимися как на территории России, так и за рубежом;

• развитие сотрудничества с различными международными и зарубежными организа­циями и фирмами в области расширения использования возможностей навигационной системы ГЛОНАСС для широкого круга потребителей;

• решение вопросов, связанных с использованием совместных навигационных полей сис­тем ГЛОНАСС и GPS в интересах широкого круга потребителей мирового сообщества. Среди последних вопросов:

• поиск единых подходов к вопросу предоставления услуг мировому сообществу со сто­роны космических навигационных систем;

• согласование опорных систем координат и системных шкал времени;

• выработка мер по недопущению использования возможностей космических навигаци­онных систем в интересах террористических режимов и группировок. Работа в указанных направлениях ведется в соответствии с требованиями, выдвигае­мыми различными потребителями (воздушными, морскими и речными судами, наземными и космическими средствами, топогеодезическими, землеустроительными и другими службами). Ряд подробностей по истории создания системы приведен в [9-11].




2.2. Назначение, общая характеристика и состав системы




Основное назначение СНРС второго поколения ГЛОНАСС — глобальная оперативная навигация приземных подвижных объектов: наземных (сухопутных, морских, воздушных) и низкоорбитальных космических. Термин "глобальная оперативная навигация" означает, что подвижной объект, оснащенный навигационной аппаратурой потребителей (НАП), может в любом месте приземного пространства в любой момент времени определить (уточнить) па­раметры своего движения - три координаты и три составляющие вектора скорости [12].

Система разработана по заказу и находится под управлением Министерства Обороны РФ (РВСН). Распоряжением Президента РФ №38-рп от 18.2.99 г. ГЛОНАСС придан статус системы двойного (военного и гражданского) назначения [13]. Определено также, что феде­ральными органами исполнительной власти, ответственными за ее использование, поддер­жание и развитие, являются Министерство Обороны и Российское космическое агентство (сейчас Российское авиационно-космическое агентство). Координация вопросов развития и использования системы осуществляется Межведомственной комиссией "Интернавигация" и образованной в соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации №346 от 29.3.1999 г. межведомственной оперативной группой.

В интересах мирового сообщества ГЛОНАСС используется в соответствии с Постанов­лениями Правительства Российской Федерации №237 от 7.3.1995 г. и №346 от 29.3.1999 г. Россия предоставляет систему в стандартном режиме для гражданского, коммерческого и на­учного использования без взимания за это специальной платы.

Основным разработчиком и создателем по системе в целом и по космическому сегмен­ту являются НПО прикладной механики (г. Красноярск), а по НКА - ПО "Полет" (г. Омск).

Головным разработчиком радиотехнических комплексов (подсистем) является РНИИ КП; ответственным за создание временного комплекса, системы синхронизации и навигаци­онной аппаратуры потребителей определен Российский институт радионавигации и времени. К созданию НАП в последующем были подключены и самостоятельно подключились также другие организации (глава 9).

Документом, устанавливающим взаимоотношения потребителей с системой, является Интерфейсный контрольный документ ГЛОНАСС [14]. Информирование потребителей о состоянии системы осуществляется через Координационный научно-информационный центр Министерства Обороны Российской Федерации (КНИЦ МО РФ), а также через Информаци­онно-аналитический центр (ИАЦ) Координатно-Временного Обеспечения (КВО) Центра управления полетами (ЦУП) Российского авиационно-космического агентства.

В ГЛОНАСС применяются навигационные космические аппараты (НКА) на круговых геоцентрических орбитах с высотой -20000 км над поверхностью Земли. Благодаря использованию в бортовых эталонах времени и частоты (БЭВЧ) НКА атомных стандартов частоты (АСЧ) в системе обеспечивается взаимная синхронизация навигационных радиосигналов, из­лучаемых орбитальной группировкой НКА. В НАП на подвижном объекте в сеансе навигации принимаются радиосигналы не менее чем от четырех радиовидимых НКА и используются для измерения не менее, чем четырех соответствующих псевдодальностей (ПД) и радиальных псевдоскоростей (ПС). Результаты измерений и эфемеридная информация (ЭИ), принятая от каждого НКА, позволяют определить (уточнить) три координаты и три составляющие вектора скорости подвижного объекта и определить смещение шкалы времени (ШВ) объекта относи­тельно ШВ системы. В СРНС число потребителей не ограничивается, поскольку НАП не пе­редает радиосигналы на НКА, а только принимает их от НКА (пассивная навигация).

Радионавигационное поле СРНС ГЛОНАСС наряду с основной функцией (глобальная оперативная навигация приземных подвижных объектов) позволяет проводить [12]:

• локальную высокоточную навигацию наземных подвижных объектов (сухопутных, морских, воздушных) на основе дифференциальных методов навигации с применени­ем стационарных наземных корректирующих станций и НКА;

• высокоточную взаимную геодезическую "привязку" удаленных наземных объектов;

• взаимную синхронизацию стандартов частоты и времени на удаленных наземных объектах;

• неоперативную автономную навигацию низко- и среднеорбитальных космических объектов;

• определение ориентации объекта на основе радиоинтерферометрических измерений

на объекте с помощью навигационных радиосигналов, принимаемых разнесенными

антеннами.

СРНС ГЛОНАСС включает в себя три сегмента: космический сегмент с орбитальной группировкой (ОГ) НКА; сегмент управления - наземный комплекс управления (НКУ) орби­тальной группировкой НКА; сегмент НАП - аппаратуры пользователей (рис. 2.1).

2.3.1. Орбитальная группировка

Полная орбитальная группировка (ОГ) в ГЛОНАСС [12] содержит 24 штатных НКА на круговых орбитах с наклонением i=64,8° в трех орбитальных плоскостях по восемь НКА в каждой. Долготы восходящих узлов трех орбитальных плоскостей различаются номинально на 120°. Номинальный период обращения НКА равен Т=11 ч 15 мин 44 с, и, соответственно, номинальная высота круговой орбиты составляет 19100 км над поверхностью Земли. В каж­дой орбитальной плоскости восемь НКА разнесены по аргументу широты номинально через 45°, и аргументы широты восьми НКА в трех орбитальных плоскостях сдвинуты на ± 15°. За время эксплуатации НКА на орбите (до пяти лет) реальные положения НКА в ОГ могут от­личаться от номинальных не более чем на ± 5°.

Для сравнения здесь отметим, что полная ОГ в системе GPS содержит 24 штатных НКА на круговых синхронных орбитах с периодом обращения Т=12 ч 00 мин (высота орбиты составляет около 20000 км над поверхностью Земли) в шести орбитальных плоскостях (по четыре НКА в каждой) с наклонением i=55°, а долготы восходящих узлов которых смещены с интервалом номинально 60°.

Орбитальная группировка НКА с несинхронными круговыми орбитами (Т=11 ч 16 мин) в системе ГЛОНАСС более стабильна по сравнению с ОГ НКА с синхронными круго­выми орбитами (Т=12 ч 00 мин) в системе GPS. Данное обстоятельство можно объяснить следующим образом. Синхронная орбита НКА имеет двухвитковый след на поверхности Земли, и возмущения орбит отдельных НКА, обусловленные нецентральностью поля тяготе­ния Земли, будут заметно отличаться. Несинхронная круговая орбита имеет многовитковый след на поверхности Земли, и возмущения орбит для всех НКА в ОГ будут практически оди­наковы [12]. Орбитальное построение ГЛОНАСС может быть схематично проиллюстрирова­но рис. 2.2, на которой выделены орбитальные плоскости и точки "размещения" НКА.

2.3.2. Навигационный космический аппарат

Общий вид НКА представлен на рис. 2.3. Основу НКА составляет цилиндрический гермоконтейнер диаметром 1,350 м, в котором размещаются служебные системы и специаль­ная аппаратура. С выдвинутой (раскрытой) штангой магнитометра его длина составляет 7,840 м. На "нижнем" (в положении штатной ориентации) днище НКА смонтирована плат­форма с антенно-фидерными устройствами и панелью уголковых отражателей; на "верхнем" - топливные баки и штанга магнитометра. На боковой поверхности гермоконтейнера закреп­лены два привода системы одноосной ориентации солнечных батарей, два раскрывающихся на орбите радиатора системы терморегулирования, два блока двигателей и датчики ориента­ции [9]. Питание всех подсистем производится от солнечных батарей, ширина которых в рас­крытом виде составляет 7,230 м. Общая масса составляет 1415 (1487) кг [15]. При этом масса конструкции равна всего 237 кг [9].

В число систем НКА входят [9]: бортовые навигационный передатчик (БНП), хронизатор (БХ) ("часы"), управляющий комплекс (БУК), средства заправки и обеспечения парамет­ров среды в гермоконтейнере; системы ориентации и стабилизации (СО), коррекции, элек­тропитания (СЭП), терморегулирования (СТР); элементы конструкции и кабельная сеть.

2.4. Наземный комплекс управления




Наземный комплекс управления (НКУ) (рис.2.5) орбитальной группировкой НКА вы­полняет четыре группы задач:

1. эфемеридное и частотно-временное обеспечение НКА;

2. мониторинг радионавигационного поля;

3. радиотелеметрический мониторинг НКА;

4. командное и программное радиоуправление функционированием НКА.




  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   587

Похожие:

При внедрении спутниковых технологий в топографо-геодезичес iconТиповая региональная целевая программа использования спутниковых навигационных технологий с использованием системы глонасс и других результатов космической деятельности
Евой программы использования спутниковых навигационных технологий с использованием системы глонасс и других результатов космической...
При внедрении спутниковых технологий в топографо-геодезичес iconОсобенности применения спутниковых навигационных технологий при развитии национальной арктической транспортной системы и в освоении природных месторождений на
Особенности применения спутниковых навигационных технологий при развитии национальной арктической транспортной системы и в освоении...
При внедрении спутниковых технологий в топографо-геодезичес iconПо самообразованию
«Использование интерактивной доски в педагогической деятельности» при Ресурсном центре спутниковых информационных технологий – г....
При внедрении спутниковых технологий в топографо-геодезичес iconИнформационные технологии обработки гидрологических данных судовых и спутниковых наблюдений
Сибирский Федеральный Университет, Институт Космических и Информационных Технологий
При внедрении спутниковых технологий в топографо-геодезичес iconОб использовании спутниковых технологий в деятельности специальных подразделений А. М. Кобелев
К. Б. Кузнецов, д т н., О. А. Сисина. (Гоу впо уральский государственный университет путей сообщения)
При внедрении спутниковых технологий в топографо-геодезичес iconРеспубликанская целевая программа
Внедрение спутниковых навигационных технологий с использованием системы глонасс и иных результатов космической деятельности в интересах...
При внедрении спутниковых технологий в топографо-геодезичес iconК областной целевой программе
Система мероприятий областной целевой программы Внедрение спутниковых навигационных технологий
При внедрении спутниковых технологий в топографо-геодезичес iconРешение Коллегии Министерства Культуры Российской Федерации «О проблемах материально-технического оснащения библиотек и внедрении новейших информационных технологий»
Едние годы прослеживается положительная динамика по укреплению материально-технической базы общедоступных (публичных) библиотек....
При внедрении спутниковых технологий в топографо-геодезичес iconРешением гкрч
Разрешить использование иностранных космических аппаратов в Ku-диапазоне, скоординированных с российскими спутниковыми сетями, для...
При внедрении спутниковых технологий в топографо-геодезичес iconТиповая региональная целевая программа внедрения спутниковых навигационных технологий с использованием системы глонасс и других результатов космической деятельности
Ционных технологий с использованием Глобальной навигационной спутниковой системы (далее – глонасс) и других результатов космической...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©knu.znate.ru 2013
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница