Alkalmazott geodézia. A kozmikus dimenziók alapjai

A cikk tartalma

• GPS
• GNSS
• GPS a geodéziai munkákhoz
• Statika
• mozgástan
• RTK GPS
• GPS vs GLONASS

A Föld első műholdainak megfigyelése során érdekes mintát fedeztek fel – a műholdas térbeli helyzetét bármikor, pontos pontossággal kiszámíthatjuk. Ez a tudományos tény a tudósok egy igazán forradalmi felfedezéshez vezette – a Földtől száz kilométerre elhelyezkedő műholdak segítségével határozza meg a szárazföldi tárgyak térbeli helyzetét.

Az „Alkalmazott geodézia” sorozatunk korábbi cikkeiből megtudtuk, hogy egy ismeretlen pont koordinátáinak meghatározásához két, ismert koordinátákkal rendelkező pontra van szükség, amelyek mereven rögzítve vannak a földön (az Állami Geodéziai Hálózat pontjai). Időnként távol voltak a tárgytól, ami arra kényszerítette az előadókat, hogy teodolit átjárókat fektessenek be, gyakran több kilométerre. A folyamatosan az űrben mozgó műholdak egyfajta „kemény” pontokká váltak, amelyekhez viszonyítva meghatározzák a földön lévő tárgyak koordinátáit.

GPS

A GPS (Global Positioning System – Global Positioning System) egy elektronikus eszközgyűjtemény, amely kiszámítja egy objektum helyét és sebességét a Föld felszínén vagy a légkörben. Ezeket a paramétereket a GPS-vevő határozza meg, amely műholdaktól veszi és dolgozza fel a jeleket. A mérések pontosságának javítása érdekében a helymeghatározó rendszer magában foglalja a földi vezérlő és adatfeldolgozó központokat is.

A GPS-nél általában a NAVSTAR rendszert értjük, amelyet az Egyesült Államok Védelmi Minisztériuma rendelt. Általában sok innovatív dolgot először a katonaság „kipróbált”, majd „a tömegekbe engedtek”. A „GPS” kifejezés évek óta a műholdas navigáció szinonimájává válik, csakúgy, mint a „Xerox” neologizmus elvileg minden másolót jelent, nemcsak a XEROX gyártását. Jelenleg a NAVSTAR GPS mellett Kínai Beidou, Európai Galileo, Indiai IRNSS, Japán QZSS és natív GLONASS fejlesztés alatt áll..

A helymérési módszereket alkalmazzák:

• geodézia és térképészet
• Építkezés
• navigáció
• járműfigyelés
• mobil kommunikáció
• mentési műveletek
• a földkéreg lemezek tektonikus mozgásának ellenőrzése

és az emberi tevékenység sok más területén. Vizsgáljuk meg részletesebben az űrmérési rendszerek néhány fő alkalmazási területét..

GNSS

A navigációs rendszer háztartási szintjén találkozunk, a GNSS rövidítés alatt a „Globális navigációs műholdas rendszer” kifejezés el van rejtve. A műholdas navigációs rendszer működésének alapelve a vevőantenna és a műholdak közötti távolság mérése, amelyek pozíciói kellően nagy pontossággal ismertek. A műholdas helyzet táblázatot almanachnak hívják, és a mérés megkezdésének pillanatában továbbítják a műholdról a vevőre. Így a műholdak közötti távolságok ismerete és az almanach irányítása alapján a legegyszerűbb geodéziai konstrukciókkal, amelyeket ciklusunk előző cikkeiben figyelembe vettünk, kiszámolhatjuk az objektum térbeli helyzetét.

A műholdas és a vevő közötti távolságmérési módszer a rádióhullámok átviteli sebességének meghatározásán alapul. A mérések lehetővé tétele érdekében a műholdak pontos időjeleket továbbítanak, egymás után szinkronizálva egy nagy pontosságú atomórával. A működés kezdetén a vevő rendszeridejét szinkronizáljuk a műholdas rendszerrel, és a további mérések a jelkibocsátás ideje és a vétel ideje közötti különbségen alapulnak. Ezen adatok alapján a navigációs készülék kiszámítja a földi antenna térbeli helyzetét, és az objektum sebessége, iránya és egyéb paraméterek a vevő kezdeti helyzetének származékai. Mint valószínűleg emlékszel a középiskolai fizika tanfolyamáról, a rádióhullámok sebessége megegyezik a fény sebességével, így el tudod képzelni, milyen a rendszer pontossága, amely milliszekundumban meghatározza a távolságot.

GNSS / GPS antenna

Miért bizonyos esetekben kapunk kellően pontos helyértéket, és néhány esetben az érték nem teljesen helyes? Nem minden vevő rendelkezik beépített atomórával, tehát a szinkronizáláshoz és az elfogadható pontosságú pozicionáláshoz legalább három műholdról egyidejűleg jelet kell fogadni. A vett jel erősségét befolyásolják a föld gravitációs tere, az akadályok fák, házak formájában, visszavert (fantom) jelek, légköri zavarok és számos egyéb ok. Mivel lehetetlen nagy teljesítményű adókat elhelyezni a műholdakon, a legpontosabb helyet a nyílt terekben, tiszta horizonton kapja meg.

Most, kedves olvasó, akinek van okostelefonja beépített GPS vevővel, sietve csalódást okozunk – geodéziai cég megnyitására nem jelentkezhet. Ennek oka az, hogy a zseb-vevő abszolút nevű módszert használ a helyzet kiszámításához. 4 műhold egyidejű megfigyelésével a helymeghatározási pontosság elérheti a 8 métert, ami elegendő a navigációs mérésekhez. A geodézia szempontjából relatív mérési módszert alkalmaznak, amelyben legalább két vevőt használnak. Az egyiket az ismert koordinátákkal rendelkező ponthoz (úgynevezett „alap”) állítják be, a második pedig ismeretlen pontok koordinátáinak meghatározására szolgál. Ha két vevőkészülék működik együtt, a mérési pontosság 100-szor növekszik, és már kaphatunk koordinátákat centiméter pontossággal, ami elegendő a geodéziai igényekhez.

GPS a geodéziai munkákhoz

A helymegfigyelési rendszerek topográfiai munkához történő felhasználására számos módszert alkalmaznak, amelyek különböznek a kapott értékek pontosságában és az azok eléréséhez szükséges időben..

Statika

Az ismeretlen pont koordinátáinak meghatározásához az egyik vevőt a háromszögelési vagy poligonometria pontra (ismert pont) kell felszerelni, a másik vevőt arra a pontra kell helyezni, amelynek koordinátáit meg kell határozni. Ezenkívül az eszközök szinkronban inicializálódnak, mivel a mérések csak akkor kezdődnek el, ha két vevőt egyszerre kapcsolnak be. Ha az egyik eszköz fél órán át működik, a másik pedig 15 percig, akkor csak 15 perc együttműködést használunk az adatok megszerzésére. Miután a vevők megtalálják a műholdakat, megkezdődik az adatgyűjtés, amelyet később feldolgoznak egy számítógépen..

Az egyidejűleg megfigyelt műholdaktól függően a műszer bekapcsolásától a munka megkezdéséig (a helyes értékek megszerzése) általában 15-30 percig tart. Az első 20-30 percben a „bázis” megfelelő lefedéssel biztosítja az 5 kilométeres zóna megfelelő mérési pontosságát, majd 10 percenként ez a sugarat 5 km-rel megnő, azaz az állomástól a bázispontig tartó hozzávetőleges távolság ismeretében nagyjából kiszámolható a műszer állási ideje pontos pozicionálás.

Amint azt az egyik adatbeállítási program képernyőképéből láthatjuk, a zöld sáv az alap műveleti idő, a rövid színes sáv pedig az állomás vevőinek ismeretlen koordinátákkal töltött ideje. Speciális szoftver használatával elutasíthatja a helytelen mérési értékeket, és növelheti a kapott értékek általános pontosságát.

Ennek a módszernek az előnye a nagy mérési pontosság, mínusz az egyes pontok inicializálására fordított idő.

mozgástan

Az „alap” ugyanúgy található egy ismert koordinátákkal rendelkező pontban, és a második vevő az inicializálás után minden mérés előtt regisztrálhat mozgásban lévő pontokat további inicializálás nélkül. Tegyük fel, hogy ha az első módszer szerint két alappontot kapunk, amelyektől a tacheometrikus felmérést elvégezzük, azaz munkához továbbra is teljes állomással kell rendelkeznünk, akkor kinematikai mérések esetén két vevőre elegendő, amelyek közül az egyik teljes állomás funkcióját látja el, a pont regisztrálási ideje 1–2 perc.

Ez a módszer alkalmas lineárisan kiterjesztett tárgyak, például távvezetékek, csatornák, utak, olajvezetékek stb. Felmérésére. Ennek a módszernek az előnye az időmegtakarítás, hátránya, hogy tanácsos a méréseket az alaptól kis távolságra, kb. 5-15 km-re elvégezni. Ha a műholdas jel hirtelen eltűnik, akkor az inicializálási eljárást meg kell ismételni, így ezt a módszert nem mindig lehet alkalmazni nagyvárosokban, ahol magas épületek és fák takarják a horizontot.

RTK GPS

Ha az első két módszer megadja nekünk egy pont pozícióját a nemzetközi koordinátarendszerben, amelyet ezt követően regionálissá kell konvertálni, akkor az RTK módszer (az angol valós idejű kinematikából – kinematika valós időben) lehetővé teszi számukra a pontok térbeli helyzetének az értékét a területünkre elfogadott koordinátarendszerben. csak egy vevőt használ. Nem, a bázispont kétségtelenül létezik, de ebben az esetben a bázispontok magas épületekre vannak rögzítve, és együtt egy mobil hálózathoz hasonló hálózatot képeznek. Mind a vevő, mind a bázisállomás információt cserél az interneten keresztül, amely lehetővé teszi számukra, hogy ne csak a műholdakkal, hanem egymással is szinkronizálódjanak, megkerülve az újraszámítási láncot és a koordináták beállítását egy speciális szoftverben.

Amint megérti, a bázisállomásokat messze nem építik a rajongók, a hozzáférésük fizetett, de ezt több mint ellensúlyozza a töltött emberórák száma. Valójában, ha statikus mérések esetén a csoport legalább három emberből áll, akik közül az egyik őrzi a „bázist”, és a másik kettő egy mérőállomás segítségével végez felméréseket, akkor csak egy szakember elegendő az RTK mérésekhez. Az ilyen eszközök inicializálása szinte azonnal megtörténik, néhány perc múlva az eszköz készen áll az adatok összegyűjtésére vagy az ellenkező művelet végrehajtására – az előre kiszámított felmérési pontoknak a számítógépen történő elvégzésére, amelyre szükség van például egy építési terv elkészítésekor. Ez a jövő technológiája. Általában véve, függetlenül attól, hogy paradox módon hangzik, a felmérők következő generációját IT szakemberek képviselik, a programozható számológépek és a Bradis táblák kora visszavonhatatlanul elmúlt.

GPS vs GLONASS

A NAVSTAR GPS és a GLONASS koordinátáinak meghatározásához 21 aktív műholdat és három tartalék műholdat használnak, amelyek körkörös pályán síkban forognak, és ezek a síkok a GPS rendszerben háromszor többek, mint a GLONASS. A műholdak napelemekkel vannak felszerelve és több mint 20 km-re repülnek a Föld felszíne felett. A bolygótól való ilyen távolság és a műholdak száma lehetővé teszi legalább 4 műhold egyidejű megfigyelését a világ bármely részén. A Föld körül zajló teljes forradalom ideje – 12 kozmikus óra.

A GPS rendszerben az összes műhold két azonos frekvencián jelet bocsát ki, és minden eszköz elküldi saját egyedi kódját, amely lehetővé teszi a műholdak azonosítását. A GLONASS ugyanazzal a kóddal rendelkezik minden műhold számára, a sugárzás két sávban is zajlik. Mint láthatja, a rendszerek paraméterei nagyjából megegyeznek, tehát ki a jobb?

Ha a GPS elegendő pontosságot nyújt a koordináták meghatározásában az egész világon, akkor a GLONASS-ot „élesítik” az orosz valóság szempontjából, ami elméletileg lehetővé teszi pontosabb meghatározását a földön lévő pontok térbeli helyzetének hazánkban. Az orosz helymeghatározó rendszer nem függ a „Uncle Sam” hangulatától, aki katonai konfliktusok során szándékosan csökkentette a mérési pontosságot, részben kódolva a jelet. Mindenesetre a GPS és a GLONASS nem versenytársak, hanem valamilyen módon szövetségesek, tehát érdemes olyan vevőkészülékeket vásárolni, amelyek egyszerre támogatják a két rendszert, a pontosság csak ebből származik..