Геоинформационные и навигационные системы Понятие о географических информационных системах (ГИС). Общие сведения о глобальных навигационных спутниковых системах (ГНСС)

На свете много есть чудес,

Одно из них есть GPS. Система эта с картой в дружбе

У геодезии на службе.

Уважаемые пассажиры, многоуважаемые коллеги, спешу поздравить вас с прибытием нашего символического поезда к конечной станции. В принципе, я изложил, а вы познали непростую технологическую процедуру создания топографической карты, что составляет генеральную, я бы сказал, краеугольную часть геодезической науки. Однако, с вашего позволения, друзья, перед тем, как ставить жирную точку в своём повествовании, я хотел бы познакомить вас с актуальными тенденциями современной геодезии вообще и их применением в измерениях и картосоставлении в частности. Так уж получилось, что конец второго тысячелетия, именуемого в западноевропейской историографии незабвенным словом "millennium", ознаменовался компьютеризацией многих аспектов нашего бытия, а с ней и появлением на свет двух грандиозных систем, связанных с науками о Земле: геоинформационной и навигационной. Мой рассказ о геодезии был бы незавершённым без интерпретации принципа работы этих систем, в значительной мере осуществивших переворот не только в геодезии, но и в повседневной жизни современного человека.

Начнём наш экскурс, с GIS - Geographic Information System, что в русской транскрипции означает - географическая информационная система (ГИС). Сегодня, в связи с возрастающей ролью этих систем во всех сферах нашей жизни, существуют десятки определений ГИС. Приведём из этого многочисленного списка самое доступное и понятное из них, принадлежащее английскому профессору, географу Дэвиду Рай-нду: географическая информационная система - это компьютерная система для сбора, проверки, интеграции и анализа информации, относящейся к земной поверхности.

Не вызывает сомнения факт, что при составлении карты обычным способом тоже собирается, проверяется, интегрируется (генерализируется, особенно при изготовлении мелкомасштабной карты) и анализируется информация, привязанная к земной поверхности. Следовательно, ключевым в этом определении является словосочетание "компьютерная система". Ещё одно ключевое прилагательное к слову система -это географическая. География по своей сути - понятие ёмкое, содержательное и многофакторное. Но как бы там ни было, всю эту многофакторность отражает очень уж существенный параметр, который мы называем карта, полученной наземной съёмкой или аэрофотосъёмкой. Следовательно, именно карта является, если не основным, то достаточно важным поставщиком информации для ГИС. И не надо забывать, что карта сама по себе не падает с неба, а есть результат сложного и многоэтапного процесса, движущей силой которого являются геодезические измерения. Своим не столь лирическим, а скорее технологическим отступлением я хотел лишь напомнить, что основой и неотъемлемой составляющей, живительным и неиссякаемым источником ГИС являются координаты и высоты точек местности, полученные путём измерений горизонтальных и вертикальных углов, расстояний и превышений, о чём большинство пользователей ГИС даже не подозревают. Но об этом, в смысле о пользователях, потом. А сейчас продолжим знакомиться с принципами создания географических информационных систем.

Возвращаемся к исходному понятию ГИС, к карте. Сегодня, она изменила форму своего представления, появилась возможность работать с ней не в раскатанном виде на столе начальника войскового штаба, не сжатой в планшете полевого командира и не висящей на стене в школьном классе, по которой скользит указка учителя географии. Сегодня карта высвечивается на компьютерном мониторе у штурманов океанского лайнера и пассажирских аэробусов, на борту космических кораблей, в кабинетах руководителей всех рангов, на экранах спутникового навигатора GPS и мобильных телефонов. Поэтому, в приведенном выше определении ГИС, основополагающим критерием представляется словосочетание компьютерная система, ибо только эта система позволяет сформировать ядро географической информационной системы, которая включает в себя два компонента: данные и программное обеспечение. Прежде всего, попытаемся разобраться с понятием данные. Они делятся на географические и описательные. Географические данные характеризуют форму и положение географических объектов, пространственные связи между ними, а описательные, их ещё называют табличными, помещённые в специальные таблицы, выражают соответствующие цифровые и текстовые характеристики вышеозначенных объектов. Что же касается программного обеспечения, то оно как раз и позволяет на основе географических и описательных данных сформировать картографическое представление, необходимое для каждой конкретной задачи. Применительно к разделению данных, один из популярных программных продуктов для создания ГИС под названием ARC/INFO как раз и подразумевает под словом ARC - описание пространственного положения объекта, a INFO - описание характеристики того же объекта. Не вдаваясь в тонкости программного обеспечения ГИС (в конце-концов это дело операторов, программистов, системных аналитиков, проектировщиков и создателей баз данных), хочу подчеркнуть, что именно программное обеспечение позволяет вводить, сохранять, анализировать и отображать географическую информацию, управлять базой данных и обеспечивать визуализацию информации. Таким образом, основная идея географической информационной системы заключается в стыковке или в совмещении географических данных, другими словами, электронной карты с обычной или, как мы её назвали, описательной базой данных. В упрощённом виде использование ГИС представляет собой слияние картографии (геодезии) с базой данных, создаваемой для реализации конкретной задачи. В более возвышенной интерпретации можно определить географическую информационную систему как метод, возможно даже методологию для аналитической работы практически с любой информацией, привязанной к координатной системе поверхности Земли.

Разбавим сухие теоретические формулировки и определения ГИС практическим примером. В качестве иллюстрации приведём географическую информационную систему, созданную для коммунальных служб города. Исходной основой этой системы являлся комплекс топографических карт масштаба 1:500, созданных на территории города. На этих крупномасштабных картах изображались все необходимые элементы городского пространства: дома и сооружения, проезды и улицы, скверы и парки, транспортные и подземные коммуникации и т.д. Все эти карты были внесены (сканированы) в компьютерную память. С другой стороны, в электронную базу данных вводились технические паспорта домов и коммуникаций инфраструктуры (канализация, водопровод, тепловые сети, газовые прокладки, подземные сети линий связи, кабели телевидения и электросетей). Технический паспорт дома представлял собой документ со следующей информацией: название района города, название улицы, номер дома, данные о владельце или жителях дома (фамилии, имена, год рождения и т.д.), год постройки дома, число квартир, число лестничных пролётов, количество жителей, число этажей, количество однокомнатных, двухкомнатных, трёхкомнатных и четырёхкомнатных квартир, площадь дома, площадь квартир, площадь каждой из комнат квартиры и т.д. В паспорт канализационной сети входила характеристика каждого колодца (количество труб, материал из которого они изготовлены, диаметр, глубина заложения), паспорт электросетей включал в себя данные о разрешённой и установленной мощности, величинах напряжения и сопротивлении контура, источнике питания, номере трансформатора, глубине прокладки. Теперь понятно, сколько информационных слоёв и подслоёв предстоит произвести разработчикам данной локальной географической информационной системы. Если к этому добавить, что в городе насчитываются десятки тысяч зданий и не одна тысяча линий подземных прокладок и их выходов (люков и колодцев), то можете себе представить, какую массивную и должным образом сконструированную по структуре базу данных должны создать программисты, чтобы, в конечном итоге, соответствующими программными средствами соединить её с заранее выстроенной электронной картой. Зато теперь муниципальная коммунальная служба в лице инженеров водоканалтреста или управления городских электросетей в любой момент времени сможет одним или несколькими кликами по клавишам персонального компьютера не только вывести на его экран сочетание интересующих его параметров и получить необходимую техническую информацию, а и выполнить соответствующее проектирование в части ремонта жилых зданий и инженерных городских сетей. В качестве иллюстрации ГИС может служить карта (рис. 55), созданная в цифровой форме представления данных и предназначенная для решения навигационных задач автомобильного транспорта и содержащая информацию об объектах местности, об организации дорожного движения, об объектах придорожной структуры и сервиса, адресную и другую информацию.

Итак, в общих чертах понятно, как функционирует географическая информационная система. Не затрагивая "программистских" тонкостей и нюансов, попробуем углубиться в эту совсем не простую систему, чтобы осознанно понять основной принцип её работы. Очевидно, что ГИС хранит информацию о реальном мире в виде набора тематических слоёв, которые объединены на основе географического положения. Поэтому, уточняя приведенное в начале главы определение профессора Райнда, сформулируем ГИС как компьютерную систему, позволяющую показывать необходимые данные на электронной карте на основе хранящихся в базе данных тематических слоёв. На таких электронных картах, в отличие от привычных бумажных, можно будет показать не только географические, а и математические, физические, технологические, экономические, политические, социальные, управленческие, демографические, статистические и множество других данных и атрибутов. ГИС как электронная карта нового поколения будет отражать не только количественные, а и качественные характеристики рассматриваемого объекта. Если ранее карта состояла на вооружении, в основном, геологов, геодезистов, военных, туристов, лётчиков и космонавтов, то теперь в удобной и наглядной форме ГИС смогут пользоваться менеджеры и бизнесмены, юристы и спортивные тренеры,

ttetObj

-u го

Полученный маршрут

Г" Показать объект

Длина

12900. S8

метры

Создать объект

ООО

X = 6161363 m Y = 7422063 m

1Г @12’747

Слисок объектов

N объекта

Название

Длина учас

N дуги

Узлы

1

16800825

АВТОМАГИСТРАЛИ

8621.44

3439

869 - 2324

2

16787309

ШОССЕ

603.04

2325

2324 - 2306

3

16787304

ШОССЕ

11.18

2307

2306 - 2304

4

16790092

УЛИЦЫ МАГИСТРА/

616.42

3730

2304 - 2322

5

16787308

ШОССЕ

458.01

2323

2322 - 2321

6

16800824

АВТОМАГИСТРАЛИ

1162.25

3393

2321 - 3365

7

16800823

УСОВЕРШЕНСТВОВ/

1428.23

3366

3365 - 2250

< Пуск | ? ^-3 | Д ELK терминал| QNetOb)

Рис. 55. Решение транспортной задачи с применением ГИС

С.Н. Ходоров. Геодезия - это очень просто

политики и экономисты, диспетчеры и транспортники и т.д. Если на обычной карте взгляд охватывал только информацию, содержащуюся, как правило, на одном из её листов, то ГИС содержит в себе завуалированную информацию, которая добывается порционно, а точнее, послойно. Причём один слой может включать в себя дорожную сеть, другой - водные ресурсы, третий - парки и скверы, четвёртый - леса, пятый - театры и кинотеатры, шестой - магазины и т.д. Примеры такого расслоения показаны на рис. 56 и рис. 57.

Каждый слой можно рассматривать как по отдельности, так и в их определённом сочетании. ГИС позволяет, с одной стороны, дифференцировать (разделять) интересующие нас данные, а с другой стороны, интегрировать (обобщать) пространственную (географическую) информацию, осмысленно и целенаправленно добавляя к ней любые другие всевозможные виды информации.

Географические информационные системы, которые по сути являются одним из параметров технологической революции в электронной сфере, позволили превратить далеко не всеми читаемую карту в универсальное мониторное табло, которое отражает, если и не всё многообразие окружающего мира, то подавляющее число его атрибутов. Именно поэтому ГИС нашли широкое применение в экологии и природопользовании, в земельном кадастре и демографии, социологии и

мир

Полученная карта

национального парка Ufwn Да Мау риал (Канада) ? Agriculture

CfeartiJ',

Regeneration

?i Dtcidjout Fcrotl

? Forest

Conidarou* Forest

Wetland* Hydrology

Рис. 56. Послойное представление информации в ГИС

политологии. Особое место занимает ГИС в управлении различными процессами, например, управление городским хозяйством, управление дорожным движением, транспортными потоками и маршрутами и т.д. Незаменимы ГИС в планировании и проектировании объектов различного профиля и назначения, включая тактическое и стратегическое планирование военных операций. Большое значение имеет ГИС при прогнозировании чрезвычайных ситуаций техногенного характера (землетрясения, наводнения, ураганы). Итак, географические информационные системы - это широкоформатное электронное окно, открывающее нам многообразные признаки, показатели и свойства окружающего мира на фоне нашей голубой планеты.

Перейдём к рассмотрению ещё одной современной системы, которая называется навигационной. Многие слышали магическое трёхбуквенное сокращение GPS. Эта английская аббревиатура знакома сегодня едва ли не каждому школьнику. GPS - это революционное современное, если хотите, ультрамодное понятие не только в навигации, ориентировании и в пространственном функционировании, но и новая страница во взаимодействии человека в заданной координатной системе. GPS - это, в конце концов, поворотный, переломный пункт в истории развития как теории, так и практики геодезической науки. С лёгким сожалением должен констатировать, что с появлением GPS некоторые каноны классической геодезии, связанные с технологией измерений и методикой их математической обработки, в одночасье ушли в небытие. С другой

Расчленение элементов информации в ГИС

Рис. 57. Расчленение элементов информации в ГИС

Участки учета населения Дороги

Автобусные маршруты Торговые центры ^Индустриальные районы стороны, GPS развернула устои геодезии, внеся эпохальные изменения в точностные и экономические параметры, характеризующие процесс измерений. Сколько научных статей в солидных сборниках, сколько толстых монографий и увесистых диссертаций было посвящено совершенствованию точности измерений, сколько разнообразных методик, методов и даже методологий было разработано учёными-геодезистами, чтобы свести к минимуму ошибки измерений. И вот явилась на свет революционная технология (почёт и уважение её создателям), которая позволила решить, если не все, то большинство затруднений в области традиционной геодезии.

Рассмотрим конкретный пример. Офицер военно-топографической службы получил задание выполнить привязку ракетной позиции (речь идёт о 70-х годах прошлого века). Не вдаваясь в тактические тонкости, в переводе на обиходный язык, это означало определить координаты места, откуда будет производиться пуск ракеты. Всё отмеченное происходило в рамках общевойсковых учений, и на выполнение боевой задачи было отведено 24 часа. Это в обстановке, приближённой к боевой, в повседневье на это уходило гораздо больше времени. Для выполнения поставленной задачи необходимо было проложить полигонометрический (теодолитный) ход, подобный, изображённому на рис. 52, который с обоих концов опирается на пару известных пунктов триангуляции. Только на рис. 52 ход состоит из 3 определяемых пунктов, а на конкретной местности, которая большей своей частью располагалось в лесу, пришлось наметить по просекам и тропинкам более 30 таких пунктов, один из которых закладывался в точке запуска ракеты. Это означало измерить более 30 углов и линий, которые в то время мерялись с помощью стальной 30-метровой ленты. Процессу измерений предшествовал поиск известных пунктов триангуляции, также надлежало выполнить рекогносцировку местности с тем, чтобы спроектировать местоположение определяемых пунктов и закрепить их на местности. В лесной труднопроходимой местности процесс измерений как углов, так и линий достаточно напряжённый, кропотливый, тяжёлый, а главное - ответственный. Ведь геодезисты, как и сапёры, не имеют права на ошибку, ибо в противном случае ракеты полетят не в ту сторону и не на то расстояние. Обработка измерений выполнялась не на компьютере, а на его прадедушке, механическом вычислительном устрой стве, называемом арифмометром (рис. 58).

Чтобы умножить, например, число 25 на 9, необходимо было на рычажках этого прибора установить множимое 25, а затем выполнить 9 полных полновесных оборотов механической ручкой этого чудо-прибора. Вы представляете, думаю, что не очень. Нынешнее поколение пользователей вычислительных средств привыкло к мониторам компьютеров, а не к механическим рычажкам арифмометра. Тем не менее, эти арифмометры имели место быть наяву, и именно с их помощью приходилось производить математическую обработку данных геодезических измерений. Теперь понятно, какую гигантскую работу пришлось произвести в процессе измерения 5-километрового полигонометрического хода, чтобы определить координаты точки ракетной позиции и при этом уложиться в 24 часа. Пересказ этого производственного эпизода преследовал единственную цель - показать, что сегодня для привязки той же ракетной позиции достаточно на джипе подъехать к точке привязки, установить на ней приёмник GPS и через несколько минут прочесть на экране этого приёмника координаты искомой точки. И это всё. Чувствуете разницу? Так что давайте разбираться с принципом работы этой замечательной навигационной системы под названием GPS .

Начнём с краткого исторического экскурса. Идея создания

Компьютер и арифмометр

Рис. 58. Компьютер и арифмометр

спутниковой навигации зародилась в конце 50-х годов прошлого столетия, когда в 1957 году в СССР был запущен первый искусственный спутник Земли. Более пятнадцати лет понадобилось, чтобы воплотить эту идею в жизнь. Сделали это в 1973 году специалисты Военно-Воздушных Сил США, которым удалось разработать систему спутниковой навигации, которую они назвали NAVSTAR (Navigation Satellite providing Time and Range), что означает "навигационная спутниковая система, обеспечивающая измерение времени и местоположения". Первый спутник, входящий в эту систему, которая позднее была переименована в GPS, был выведен на орбиту в 1974 году, а последний, 24-й спутник - в 1993 году. Это количество спутников дало возможность покрыть навигацией практически всю поверхность Земли. Понятно, что в начальный период GPS использовался только в военных целях Министерства обороны США, поскольку система GPS предоставила уникальную возможность точного наведения ракет на объекты, находящиеся как на земле, так и в воздушном пространстве. В 1983 году президент США Рональд Рейган разрешил использование GPS в гражданских целях, но при этом, во избежание применения системы в оборонных целях, сигнал, полученный со спутников гражданскими пользователями, искусственно искажался и, таким образом, занижалась точность определения местоположения путём введения специального секретного алгоритма. Поистине историческим стало в 2000 году решение президента США Билла Клинтона, который специальным распоряжением, по сути дела, рассекретил систему GPS, предоставив обычным пользователям всей планеты получать точные навигационные параметры своего местонахождения. С этого момента и по сегодняшний день как прогрессивное человечество, так и простые обыватели широко используют американскую навигационную систему GPS для повседневного определения местоположения различных объектов. Несмотря на то, что американская GPS не единственная спутниковая система в мире, она по праву занимает ведущее место в этой области.

Какие же ещё навигационные системы функционируют в космическом пространстве? Это, прежде всего, система GLONASS (ГЛОНАСС) - глобальная навигационная спутниковая система. Эта система, разработанная в СССР в начале 80-х годов прошлого века, сегодня находится в ведении Министерства обороны России. В 1995 году правительство России спе циальным постановлением открыло систему для гражданского применения и международного сотрудничества. В то же время в Российской Федерации на использование спутниковых приёмников глобального позиционирования введены ограничения: для их применения необходима специальная лицензия. К сожалению, из 24 запущенных спутников системы ГЛОНАСС ещё несколько лет назад далеко не все из них находились в надлежащем рабочем состоянии. На сегодняшний день усилиями правительства России ГЛОНАСС функционирует бесперебойно и надёжно и составляет конкуренцию GPS. Совместная работа этих двух систем значительно расширяет возможности глобального определения местоположения.

Нельзя не упомянуть об ещё одной спутниковой системе, которая носит название GALILEO (ГАЛИЛЕО). В настоящий момент этот европейский проект спутниковой навигации находится в стадии разработки, которую осуществляет European Space Agency (Европейское Космическое Агентство). В отличие от американской GPS и российской GLONASS система GALILEO не контролируется ни государственными, ни военными учреждениями. Ожидается, что ГАЛИЛЕО войдёт в строй в 2013 году, когда на орбиту будут выведены 30 спутников. Вполне вероятно, что в ближайшие годы космические просторы будут бороздить уже 78 спутников американской GPS, российской GLONASS и европейской GALILEO.

Несмотря на наличие в мире трёх навигационных спутниковых систем, будем рассматривать именно GPS как наиболее эффективную и широко применяемую во всём мире. Итак, что же такое это магическое GPS? Прежде всего, расшифруем, наконец, эту аббревиатуру. На английском наречии это будет звучать как Global Positioning System, что в русском дословном переводе, будет звучать: глобальная позиционная система или система глобального позиционирования. Почему глобальная? Да потому, что эта система, позволяет определить координаты точки в любой точке земного пространства. Почему позиционная? Синонимом слова позиция является слово местоположение. Это удачно отражает главную цель системы - определить (позиционировать) место нахождения отыскиваемой точки на земной поверхности. И, наконец, слово система подразумевает, что в понятие GPS входит сочетание нескольких взаимоувязанных элементов. Эти элементы, называемые сегментами, подразделяются на космический, уп равляющий и пользовательский (рис. 59). Космический сегмент, являющийся основным, состоит из 24 навигационных космических аппаратов (спутников), которые двигаются по 6 круговым орбитам на высоте около 20 000 км и наклонены к плоскости экватора под углом 55°.

Управляющий (контрольный) сегмент управляет спутниками, по сути контролируя их функционирование в космическом пространстве. Задачей этого сегмента является отслеживание спутников и обеспечение их данными о параметрах орбит и времени. На практике управляющий сегмент представляет собой пять наземных станций, четыре из которых исполняют функцию слежения, т.е. управления спутниками, а пятая станция наделена полномочиями контроля. В реальности первые четыре станции постоянно получают данные со спутников и передают эту информацию на пятую, контрольную станцию, которая, с учётом соответствующей корректировки, отправляет принятые данные обратно спутникам. Пользовательский сегмент это, по большому счёту, вы, уважаемые коллеги, при условии, конечно, что у вас в руках имеется приёмник GPS, а ещё это геодезисты, геологи, военные, пилоты, штурманы, туристы, охотники, объединяемые одним словом - пользова

лись 59. Сегменты GPS

тели, имеющие непреодолимое желание определить своё местоположение.

Всё это предисловие к объяснению принципа работы рассматриваемой глобальной системы позиционирования GPS. Безусловно, все рассмотренные нами сегменты GPS изобилуют сложными радиотехническими, информационными, вычислительными и микроэлектронными устройствами, являющимися продуктами современных высоких технологий. Несмотря на это принцип, на котором основано действие GPS, достаточно прост: местоположение объекта на земной поверхности определяется путём измерения расстояний от этого объекта до исходных точек. В качестве исходных точек выступают искусственные спутники Земли, излучающие радиосигналы, которые пользователь принимает на специальный приёмник. Возникает вполне правомерный вопрос, каким образом становятся известны координаты спутников. В специальном центре управляющего сегмента на основе уточнённых элементов орбит и коэффициентов поправок спутниковых часов составляется так называемый альманах, в который входят вычисленные путём непростых расчётов по законам небесной механики, теоретической астрономии и высшей геодезии координаты спутников. Методика этих расчётов выходит за пределы курса, но надо запомнить, что эти координаты

Обратная линейная засечка

Рис. 60. Обратная линейная засечка

передаются по каналам станций связи на спутники. Здесь важно понять, что спутники выполняют роль точно координированных точек отсчёта. А если так, то принцип определения местоположения точки базируется на хорошо известной в геодезии простой обратной линейной засечке. Придадим отмеченному понятию геометрическую интерпретацию.

Представьте командира танка, которому необходимо определить по имеющейся у него карте своё местоположение. Для этого необходимо сориентировать карту, например по компасу, затем выбрать на местности, по меньшей мере, три хорошо видимых предмета, которые чётко опознаются на карте (рис. 60).

В нашем случае это будут дом, отдельно стоящее дерево и ветряная мельница. Далее направляют обычную линейку или, лучше сказать, визируют линейкой таким образом, чтобы условный знак дома на карте и настоящий дом на местности находились на одном направлении. После выполнения этой несложной процедуры вдоль линейки прочерчивают линию и, не меняя ориентировки карты, т.е. не сдвигая её, поочерёдно направляют ту же линейку на дерево и на мельницу, после чего снова проводят линии. Точка пересечения трёх построенных направлений на карте и будет являть собой место стояния искомого танка.

Обратимся снова к нашим спутникам, являющимся основной составляющей GPS. Спутники, придерживаясь вышеприведенной аналогии, будут представляться как известные ориентиры: дом, дерево и мельница. Рассмотрим три варианта получения сигнала от спутников. В первом из них мы получи-

О&ъект где-то на поверхности сферы

ли сигнал только от одного спутника (рис. 61).

Предположим, что расстояние А от спутника, находящегося в центре сферы, до приёмника GPS пользователя известно. Тогда этот пользователь может, по сути дела, находиться в любой точке этой воображаемой сферы, радиус которой равен А.

Во втором случае сделаем допущение, что на орбите появился ещё один спутник. Расстояние от него до пользователя составит величину В. Область нахождения пользователя с приёмником GPS сейчас будет определяться окружностью, полученной в результате пересечения сферы радиусом А со сферой, отдалённой от спутника принятым расстоянием (радиусом) В. В этой опции пользователь, вероятно, будет размещаться в какой-нибудь точке, находящейся на окружности, заштрихованной на рис. 62. Выделим, наконец, ещё одну версию, когда на небосклоне возникнет третий спутник, который отдалён от пользователя на расстояние С. Из рис. 63 следует, что удалось свести возможное местоположение пользователя приёмником GPS до двух точек. Не вызывает сомнения, что эти две точки получаются в результате пересечения новой сферы, радиусом, равным С, с окружностью, образованной сферами радиусами А и В. Одна из этих двух точек пересечения рассматриваемых сфер, сформированных тремя различными дистанциями от пользователя до спутников, не при-

Объект где-то на окружности

надлежит земной поверхности, где должен располагаться приёмник GPS: она, как правило, находится либо выше Земли, либо внутри её тела, что не соответствует реалиям. Поэтому эта точка отбрасывается, а компьютерные устройства приёмников GPS автоматически определяют истинную точку, в которой находится этот приёмник.

Итак, не вызывает сомнения, что определение местоположения пользователя GPS определяется решением обратной засечки, геометрический смысл которой был продемонстрирован выше. Чтобы сказанное стало совсем понятным, осталось только окутать его в математическую оболочку. Таким образом, исходными данными являются известные пространственные координаты ХА, YA, ZA, Хв, YB, ZB, Хс, Yc, Хстрёх спутников А, В, С и известные расстояния SA, SB, Sc от места нахождения приемника (пользователя) до этих спутников. Необходимо определить координаты Хм, YM, ZM точки М, в которой находится пользователь с приёмником GPS. Суть обратной засечки в нашем случае состоит в том, что наш приёмник "засекает” спутники, местоположение которых известно в любой заданный момент времени. В реальности не пользователь засекает спутники, а наоборот спутники посылают радиосигналы на приёмник. Но в любом случае пересечение сигналов от трёх спутников однозначно определяет местоположение

Объект на одной из двух точек

земля

пользователя на Земле. Покажем это.

Не сочтите за труд, дорогие коллеги, снова вернуться в родную школу и вспомнить простую, но очень уж популярную формулу из курса аналитической геометрии, посредством которой вычисляется расстояние между двумя точками. Применительно к нашему случаю эта формула выразится следующими соотношениями:

SA=^ (Xm-Xa)2+(Ym-Ya)2+(Zm-Za)2, (102)

(xm-xb)2+(ym-yb)2+(zm-zb)2, (103)

SC=V“ (Xm-Xc)2+(Ym-Yc)2+(Zm-Zc)2. (104)

He составляет особых проблем и затруднений решить классическую систему трёх уравнений с тремя неизвестными, определив при этом пространственные координаты местоположения приёмника GPS в точке М.

Однако это далеко не всё. Возникает вопрос, а откуда нам известны расстояния SA, SB, Sc от приёмника до спутников.

Всё более чем просто. Где бы ни определялось расстояние, под землёй, на земле или в космосе, суть от этого не меняется: оно находится как произведение какой-нибудь скорости и времени. В нашей версии это скорость распространения радиоволн и время прохождения радиосигнала от спутника к приёмнику. В спутниковой навигации измеряются не координаты, как полагают некоторые пользователи, а именно время, все же остальные параметры вычисляются электронными и компьютерными устройствами. В сущности, в измерении времени прохождения радиосигнала и заложена сама идея GPS. Разумеется, время должно измеряться достаточно точно, и поэтому GPS предполагает суперточное измерение времени, основанное на атомном стандарте частоты. В соответствие с этим, на каждом из спутников установлено 4 комплекта атомных часов, отсчитывающих время с наносекундной точностью. Наносекунда - это 10'9 секунды, т.е. 0,000000001 сек. или миллиардная часть секунды. Тут погрешность в 0,01 секунды вносит ошибку в расстояние всего-навсего в 3 000 км, а погрешность в одну наносекунду искажает расстояние на 30 см, что для геодезических целей просто недопустимо. Стоимость бортовых спутниковых атомных часов чрезвычайно дорога и составляет 100 000 долларов. Поэтому устанавливать такие атомные часы в каждом пользовательском приёмнике является непозволительной роскошью и вряд ли представляется рациональным и целесообразным. При таком повороте событий число пользователей приёмников GPS исчислялось бы крайне ограниченным контингентом, банковский счёт которых выражается астрономическими цифрами. Исходя из этого, приёмники GPS оборудуются не атомными, а простыми кварцевыми часами. Но при этом в огромной степени ухудшается точность измерения времени. Что же делать? Был найден простой и в то же время оригинальный выход из этой, казалось бы, тупиковой ситуации. Суть его состоит в том, что если, как мы уже знаем, три точных измерения времени (по трём спутникам) однозначно определяют положение точки в трёхмерном пространстве, то четыре неточных измерения (по четырём спутникам) позволяют исключить относительное смещение шкалы времени приёмника. Что же это за смещение шкалы времени? Дело в том, что при измерении времени прохождения радиосигнала появляется проблема точного выделения момента времени, когда этот сигнал вышел из спутника. Для этого спутники и приёмники синхронизируют так, чтобы они генерировали один и тот же код точно в одно и то же время. Как же это работает? Да не так уж и сложно. Следует сравнить два кода: код, принятый со спутника, и код, сгенерированный приёмником. Сдвиг одного кода относительно другого и будет соответствовать времени прохождения сигнала от спутника до приёмника. Теперь возвращаемся к нашим спутникам, чтобы разобраться, в чём преимущество четырёх спутников над тремя и что они улучшают в плане измерения времени. Поскольку расстояние является функцией измеренного времени, то, поверьте, ничего не случится, если будем дальности от приёмников до спутников выражать не километрами, а секундами. В нереальной ситуации, когда и спутники, и приёмники снабжены атомными часами и промежуток времени измеряется предельно точно, нам вполне хватило бы приёма радиосигнала от трёх спутников. Но в действительности часы в приёмниках не такие совершенные, как на спутниках. Предположим, что часы в приёмниках запаздывают на одну секунду. Что же произойдёт в этой, можно сказать, катастрофической ситуации? Не вызывает сомнения, что ошибка в одну секунду в перерасчёте на расстояние вызовет в его определе нии громадную погрешность, и, самое главное, местоположение приёмника, равно как и его пользователя, будет определено неправильно. В геометрической интерпретации три окружности, радиусы которых образованы ошибочными расстояниями (их называют "псевдодальностями") до трёх спутников, не пересекутся в одной точке. Но оказывается не всё так страшно, и предсказываемую катастрофу в определении местоположения можно избежать. На самом деле, когда часы приёмника запаздывают или спешат, т.е. наши окружности не пересекаются в одной точке, то компьютер, вмонтированный в этот приёмник, фиксирует этот прискорбный факт. Программное обеспечение этого компьютера позволяет выявить, насколько отстают или спешат часы в приёмнике и ввести (отнять или прибавить) в измеренные "псевдодальности" (в ошибочно измеренные интервалы времени) одну и ту же поправку. В нашем случае, при запаздывании часов в приёмнике на одну секунду, необходимо вычесть эту секунду (поправку) от каждого измеренного времени. Вышеозначенный всесильный компьютер, по сути дела, корректирует (исправляет) время во всех измерениях до тех пор, пока не обнаружит, что наши окружности пересекутся в одной точке. Осталось только разобраться, каким образом компьютер определяет эту точку пересечения. Для этого снова обратимся к аналитической геометрии. Преобразуем полученные нами формулы (102), (103) и (104) с учётом появления на горизонте четвёртого спутника, не забывая при этом, что расстояние определяется как скорость, умноженная на время. Тогда будем иметь следующие соотношения:

V(tA±At) = ^ (xm-Xa)2+(Ym-Ya)2+(Zm-Za)2, (105) v(tB±At)=V (Xm-Xb)2+(Ym-Yb)2+(Zm-Zb)2, (106) V(tc±At) = >f (Xm-Xc)2+(Ym-Yc)2+(Zm-Zc)2, (107) V(tD±At) = V~ (Xm-Xd)2+(Ym-Yd)2+(Zm-Zd)2. (108)

В приведенных формулах V - скорость распространения радиоволн; t - ошибочное время (псевдодальности) прохождения сигнала от спутника до приёмника; At - поправка за ошибочный отсчёт времени; (^ + At) - исправленное (точное) вре мя прохождения радиосигнала. Известными величинами здесь по-прежнему будут являться координаты Хд, YA, ZA, Хв, YB, ZB, Хс, Yc, Zc, XD, Yd, Zd четырёх рассматриваемых спутников и ошибочное время прохождения сигнала от спутников до приёмника tA, tB, tc, tD. Неизвестные параметры представлены координатами местоположения приёмника Хм, YM, ZM и поправкой At, которую мы вводим в неправильно измеренное время. Уравнения (105)—(108) представляют собой алгебраическую классику, когда число уравнений (у нас их четыре) совпадает с числом неизвестных. Решая эту систему, в которую входят данные, полученные с четырёх спутников, мы находим не только координаты местоположения приёмника (это можно было определить и с помощью трёх спутников), а и точное время прохождения радиосигнала от спутников до приёмника, что позволяет, в конечном итоге, безошибочно определить координаты отыскиваемого местоположения.

Необходимо учитывать, что, с одной стороны, координаты точки М: Хм, YM, ZM получены в WGS-84 системе отсчёта в прямоугольной пространственной (трёхмерной) геоцентрической (начало отсчёта - центр Земли) системе координат (см. главу II) . При этом X, Y - оси эллипсоида лежат в экваториальной плоскости, а ось Z - лежит перпендикулярно X, Y осям и проходит через географический северный полюс. С другой стороны, в GPS-практике позиция всё той же точки М пересчитывается в эллипсоидальные координаты, параметрами которых являются широта ср и долгота %, а также высота h. По большому счёту, как, впрочем, и по малому, координаты точек земной поверхности приурочены к принятому в данной стране локальному (референц) эллипсоиду. Поэтому программное обеспечение GPS-аппаратуры, в конечном итоге, перевычисляет координаты в системе всемирной системы WGS-84 в плоские координаты х, у системы координат данного государства. Что же касается эллипсоидальной высоты h, полученной из спутниковых измерений, то следует помнить, что это - высота точки земной поверхности, отсчитанной по перпендикуляру от поверхности эллипсоида, заданного в системе WGS-84. В то же время, в реальной практике высоты, называемые ортометрическими, измеряются по отвесной линии от геоида, т.е. относительно среднего уровня моря. Отвесная линия к геоиду и перпендикуляр к эллипсоиду не совпадают. Из рис. 2 (глава 1) понятно, что общепринятая в геодезии и картографии ортометрическая высота может быть получена как разность между эллипсоидальной высотой и превышением геоида над эллипсоидом (ондуляци-ей). Не вдаваясь в комментарии, которые не входят в наш вводный курс, отметим только, что ондуляции рассчитываются по специальной методике посредством модели геоида. Зная ондуляции и полученные, с помощью спутниковых измерений, эллипсоидальные высоты, без труда переходим к таким родным и привычным для нас, обозначенным на всех топографических картах ортометрическим высотам.

До сих пор, коллеги, мы говорили о глобальной системе позиционирования GPS в глобальном, т.е. всеобъемлющем аспекте. Сейчас введём некую простую классификацию этой системы, разделив приёмники GPS на навигационные и геодезические. Навигационные приёмники - это устройства, устанавливаемые в автомобилях и мобильных телефонах, на самолётах, кораблях, и просто приёмники индивидуального пользования, размещённые в руке пользователя. В принципе, навигационные GPS предназначены не то чтобы для бытового, а, скажем, для повседневного хозяйственного использования для определения местоположения индивидуума. Например, с помощью GPS-навигатора автомобилист перемещается из известной ему точки А в неизвестную точку В, турист точно определяет своё местоположение в горах, а рыбак безошибочно находит речную протоку, где в прошлый раз у него был удачный лов. Навигационные приёмники обеспечивают устойчивое определение текущих координат с точностью до десятков метров (10 м-30 м) в течение нескольких секунд, они просты в эксплуатации и портативны. Такие приёмники недорогие (средняя стоимость их не превышает 100 долларов) и поэтому доступны для среднестатистического покупателя.

Считаю своим долгом напомнить вам, уважаемые дамы и господа, что мы находимся не в туристском походе, не на рыбалке, не за рулём шикарного внедорожника, а, образно выражаясь, в геодезическом пространстве. И ещё позвольте, коллеги, ещё раз акцентировать ваше внимание на то, что, книгу, которую вы заканчиваете читать, изучать или, если хотите, штудировать, красной нитью пронизывает идея создания топографической карты. Именно поэтому необходимо принять к сведению, что в геодезических работах GPS-измерениями определяются координаты и высоты ситуационных точек местности для целей картографирования территории. Понятно, что здесь нас ни в коей мере не устроят навигационные приёмники, которые определяют координаты, в лучшем случае, с метровой точностью, и нам, вероятно, понадобятся приёмники, позволяющие производить более точные измерения. Такие приёмники существуют, и их принято называть геодезическими. Эти приёмники имеют более сложную конструкцию, наворочены системой непростых радиоэлектронных устройств и цена их составляет уже не сотню долларов, а десятки тысяч зеленоватых американских купюр.

Существуют два основных режима определения координат с использованием GPS-аппаратуры: абсолютный (автономный) и относительный. Совсем не хочется, коллеги, вводить вас в непростые теоретические дебри спутниковой измерительной методологии, но познакомить с режимами действия пользовательских приёмников я просто обязан. Поэтому делаем глубокий вдох, приводим мозговые извилины в рабочее состояние и начинаем вникать в суть спутниковых измерений. В несколько упрощённом изложении технология абсолютного и относительного режимов измерения сводится к числу пунктов (точек), над которыми устанавливаются спутниковые приёмники, а значит и к количеству этих приёмников. Если абсолютный режим предполагает использование одного пункта, на котором помещается один приёмник, то относительный режим подразумевает уже применение нескольких спутниковых приёмников, один из которых устанавливается на геодезическом пункте с известными координатами. Прежде чем разобраться, как получаются координаты местоположения в этих двух режимах, необходимо ввести два новых термина: кодовый и фазовый способы измерений. Что такое код? Более благозвучными синонимами этого понятия являются слова: правило, адрес или шифр. В нашем случае под кодом мы будем понимать спутниковый сигнал, в котором зашифровано местоположение спутника, т.е. координаты его нахождения. По сути дела, это даже не координаты, а расстояние от спутника до приёмника, а ещё точнее, время прохождения этого сигнала от того же спутника до антенны пользователя. На практике это выглядит следующим образом: кодовый сигнал содержит передаваемую каждые шесть секунд, так называемую, временную метку. Называется она временной потому, что на этой метке подписано время, когда сигнал покидает спутник. Приёмник, в свою очередь, воспринимает посланный сигнал, распознавая спутник, считывает временную метку и, таким образом, определяет время прохождения сигнала от спутника до приёмника. Что происходит дальше, уже известно: по измеренному времени компьютерное устройство вычисляет расстояния до спутников, а на их основе - координаты определяемой точки. К сожалению, когда кодовый радиосигнал проходит через ионосферу (слой заряженных частиц на высоте от 120 до 200 км), а затем через атмосферу, которая формирует все климатические изменения, он получает значительные искажения. Эти малоприятные факторы вносят погрешности в измеренное время, и, как следствие, координаты местоположения определяются с точностью десятков метров. На основании вышеизложенного подчеркнём, что именно кодовый способ приёма спутникового сигнала является принципиальной и неотъемлемой частью абсолютного режима GPS-из-мерений, который используется в навигационных приёмниках, и поэтому точность определяемого местоположения относительно невысока, хотя, с другой стороны, вполне приемлема для поставленных целей.

Решение геодезических задач требует значительно более высоких точностей определения координат местоположения. Для получения сантиметровой и даже, в определённых случаях, миллиметровой точности на помощь приходит фазовый способ, который получил ещё название способа высокоточных измерений. Слово фаза ассоциируется с понятиями: момент, время или полоса. Применительно к GPS фазу колебания спутникового сигнала можно рассматривать как величину, можно сказать, полосу, которая показывает, какая часть колебания прошла с начала процесса, т.е. с момента исхода сигнала от спутника. Измеряемой величиной здесь является мгновенная разность фаз между сигналом спутника и сигналом генератора приёмника, т.е., по сути дела, измеряется не столько время распространения сигнала, сколько, на самом деле, сдвиг фаз колебаний несущей частоты, излучаемой спутником за это время. Разностный фазовый способ измерения спутникового сигнала приурочен именно к относительному режиму, под которым понимается определение местоположения одного (неизвестного) пункта относительно другого (известного) исходного пункта. В сущности, названный относительный режим, предполагающий одновременную установку двух приёмников на этих пунктах, базируется на упомянутом фазовом способе, который позволяет, в конечном итоге, получить с точностью не менее 1 см разность координат базового вектора, направленного отрезка между исходным и неизвестным пунктом. Понятно, что по полученному приращению координат компьютер легко определит координаты неизвестного пункта. В противовес сказанному, точность координат при кодовом способе, который составляет основу абсолютного режима работы приёмника, в лучшем случае может составлять несколько метров. Чтобы окончательно не запутаться в приведенной терминологии, настоятельно рекомендуется запомнить два следующих мнемонических трафарета: абсолютный режим - кодовый способ - навигация и относительный режим - фазовый способ - геодезия.

Тут необходимо коснуться терминологии и ввести ещё два новых определения. Дело в том, что в относительном режиме позиционирования различают два метода спутниковых измерений: статический и кинематический. Сущность этих методов станет понятной, если перевести смысл этих слов с греческого языка: статика означает "неподвижный", а кинематика, наоборот, - "движущийся". В этом, собственно, и заключается принцип измерений в соответствии с этими методами. Если при статических измерениях участвующие в сеансе приёмники находятся в неподвижном состоянии, то при кинематических измерениях один из приёмников (referenc-приёмник) постоянно находится на исходном (известном) пункте, а второй (rover-приёмник) - находится в движении, т.е. перемещается с одного неизвестного пункта на другой. Статический метод измерений применяется в геодезии в основном при измерениях, требующих высокой точности получения координат. При этом используются точные геодезические приёмники, а сами измерения выполняются на исходном и определяемых пунктах фазовым способом (по фазе несущей частоты спутникового сигнала). В статических определениях могут использоваться несколько известных (базовых) пунктов. Например, при наличии четырёх приёмников GPS, два из них устанавливаются на двух геодезических пунктах, координаты которых известны с высокой степенью точности, а оставшиеся два приёмника - на определяемых (неизвестных) пунктах. Измерения на базовых и определяемых пунктах должны выполняться в одно и то же время, сам процесс измерений в зависимости от требуемой точности занимает несколько часов. При этом приёмники, которые тщательно центрируются над точкой, координаты которой они определяют, принимают сигналы от пяти и более спутников. Измерения производят в несколько приёмов и продолжаются до тех пор, пока число спутников и геометрия их расположения (эти характеристики просматриваются геодезистом на дисплее приёмника) не обеспечат требуемую точность позиционирования. В свою очередь, кинематический метод позволяет получать координаты точек в короткие промежутки времени. При этом вначале статическим методом определяют координаты первой точки. Таким образом, происходит привязка подвижного приёмника к базовому: этот процесс называется инициализацией. Затем, не прерывая измерений, передвижной приёмник устанавливают поочерёдно на вторую, третью, четвёртую и т.д. точки, координаты которых хотят определить.

Чтобы не запутаться в дебрях словообразований (методы, способы, режимы) и лучше понять технологию относительного режима позиционирования, рассмотрим, так называемый (опять не могу обойтись без нового термина), дифференциальный регламент измерений посредством GPS, который приурочен как к статическому, так и к кинематическому методам спутниковых измерений.

Каким образом реализуются на практике дифференциальные измерения, нам поможет разобраться рис. 64. На нём под индексами 1, 2, 3, 4 изображены спутники, 5 - геодезический (базовый) пункт с известными координатами, на котором устанавливается контрольный приёмник, 6 - переносной приём-

ник пользователя (в нашем случае, геодезиста, который перемещает его от одного неизвестного пункта к другому), 7 -канал связи. Как же происходит процесс измерений? По сути дела, "умный" компьютер контрольного приёмника в пункте 5 сравнивает координаты, полученные по измерениям со спутников 1, 2, 3, 4, с известными координатами этого же исходного пункта 5. По результатам сравнения координат контрольный приёмник формирует поправки, которые по каналу связи 7 попадают в передвижной приёмник, находящийся, в данном случае, в пункте 6, координаты которого определяются уже с учётом этих поправок. Почему измерения называются дифференциальными? Как известно, в переводе с латинского слово differentia означает не что иное, как разность. На самом деле, именно разности измеренных расстояний до спутников с расстояниями, вычисленных по известным координатам спутников и исходного пункта 5, и образовывают указанную выше поправку, которую мы и называем дифференциальной. Почему же дифференциальный регламент спутниковых измерений получил столь широкое распространение? Да потому, что, к примеру, при геодезических работах инженерного назначения, расстояния между пунктами 5 и 6 небольшие и, как правило, не превышают одного километра. Не вызывает сомнения, что это расстояние 5-6 ничтожно мало по сравнению с расстояниями от пунктов 5 и 6 до, например, спутника 3 (рис. 63), которые составляют более 20 000 км. Очевидно, что при фактическом равенстве расстояний 3-5 и 3-6, погрешности (они могут быть значительными) их измерений будут практически одинаковы. В соответствии с вышеизложенным при вычислении дифференциальной поправки как разности расстояний, разности погрешностей, входящие в эти расстояния, будут равны нулю. Таким образом, дифференциальные измерения будут свободны, по крайней мере, от систематических ошибок, сопровождающих эти измерения. Именно в этом состоит сущность и достоинство дифференциального регламента спутниковых измерений.

Вернёмся к уже упомянутому кинематическому методу GPS-измерений. Обратим внимание, что все рассмотренные до сих пор методики спутниковых измерений предполагали их постобработку. Приставка "пост" означает, что вычисление координат определяемых пунктов осуществляется уже после производства измерений в камеральных (офисных) условиях.

Сейчас к слову "кинематика" добавим выражение "реальное время" или, как говорят современные "юзеры" (компьютерные пользователи) "онлайн". Это позволит познакомиться с ещё одной спутниковой технологией, которая предоставит возможность получить координаты определяемой точки на дисплее приёмника прямо в поле, например, через пять секунд после начала измерения с точностью в несколько сантиметров. Совокупность приёмов и методов получения точных координат, определяющих эту технологию, называется RTK (Real Time Kinematic), что в дословном переводе означает, как уже было сказано, "кинематика в реальном времени". В практической реализации принцип измерений посредством RTK достаточно прост (рис. 65).

Один из приёмников (referenc) устанавливается на точке с известными координатами. Такая точка называется базовой станцией. Дальнейший процесс происходит в соответствии с ранее описанным дифференциальным регламентом спутниковых измерений: базовый приёмник передаёт поправки в координаты, определяемые передвижным (мобильным) приёмником (rover) в измеряемых точках местности, посредством средств связи, в частности радиомодема или мобильного (сотового) телефона. Следует принять к сведению, что зачастую точки с известными координатами могут располагаться на значительном расстоянии от измеряемых точек, а с увеличением расстояния между referenc и rover, точность измерений существенно снижается. Выше говорилось о том, что дифференциальные измерения позволяют скомпенсировать или, по крайней мере, свести к минимуму погрешности, которые входят в измерения, поступающие в базовый и передвижной приём-

Принцип работы RTK

Рис. 65. Принцип работы RTK

ники. Это происходит, однако, только при условии близкого расположения точек, в которых находятся эти приёмники. С точки зрения экономии финансовых средств сегодня на вооружении практикующего геодезиста находятся не два приёмника (referenc и rover), а один. Современная концепция спутниковых измерений, выполняемых в реальном времени, позволяет это сделать. Эта концепция предполагает при производстве RTK-измерений использовать сеть постоянных (базовых) станций GPS. Что же представляет собой постоянно действующая станция? Конечно же, это не столь же массивное сооружение, как железнодорожная, автобусная или электростанция. На самом деле, постоянная станция занимает площадь не более одного квадратного метра и представляет собой жёстко закреплённую спутниковую антенну и приёмник, который посредством спутников непрерывно определяет свои координаты. Несколько одновременно работающих постоянных станций практически ежесекундно и, разумеется, круглосуточно определяют своё положение одна относительно другой и образуют своеобразную виртуальную сеть. Все постоянные станции, входящие в эту сеть, безостановочно транслируют сигналы (измерения), полученные от каждого из спутников, на центральный пункт управления, называемый сервером (рис. 66). Огромный поток спутниковой информации, принятый сервером от базовых станций, тщательно анализируется, подвергается совместной обработке и позволяет оценить качество измерений.

В сущности, принцип работы постоянных (базовых) станций заключается в возможности их управления из единого

вычислительного центра. Главным фактором здесь является покрытие значительной территории корректирующей информацией, необходимой для точного определения координат определяемых пунктов геодезической сети или ситуационных и рельефных точек для картографирования местности в реальном времени. Смысл этой коррекции заключается в том, что rover-приёмник, установленный наточке, координаты которой необходимо определить, передаёт на сервер данные о своём местоположении на основе полученных им спутниковых сигналов. Сервер в свою очередь посредством соответствующего программного обеспечения автоматически переключает rover-приёмник на ближайшую к нему базовую станцию для приёма поправок в координаты, которые этот приёмник ранее получил на основе измеренных дальностей до спутников. Связь rover-приёмника с сервером осуществляется с помощью радиомодема, мобильной телефонной связи или интернета. Для получения координат определяемых точек с точностью 2-3 см необходимо, чтобы расстояние между базовыми станциями не превышало 70 км, а расстояние между базовой станцией и определяемой точкой, на которой установлен rover-приемник, составляло менее 10 км. В заключение отметим, что во всём мире за полученный сервис, за оказанные услуги принято платить. В нашем случае услугой считается предоставление пользователю (геодезисту) возможности практически мгновенно получить на rover-приёмнике точные координаты интересующей его точки, не вкладывая средства для покупки оборудования для собственной базовой станции.

Итак, в заключительной главе детально разобрана концепция и принципы функционирования географической информационной системы (GIS) и глобальной позиционной системы (GPS). Следует подчеркнуть, что современные GPS-техноло-гии предоставили геодезистам возможность осуществлять картографирование территории новыми, фантастическими методами. Одним из таких эффективных методов является спутниковая кинематическая топографическая съёмка в режиме реального времени RTK. Произошло невероятное: в результате производства такой съёмки появилась возможность прямо в полевых условиях с точностью в несколько сантиметров получать координаты и высоты точек местности, которые мы, в конечном итоге, хотим показать на карте. Ещё совсем недавно при создании опорных геодезических сетей строили высокие сооружения (сигналы и пирамиды) с целью создания видимости между измеряемыми пунктами, чтобы, в конце-концов, по довольно непростой программе произвести измерения. Затраты на постройку этих пунктов намного превышали стоимость самих измерений. Топографическая съёмка, которая производилась с указанных выше пунктов геодезической опоры, также предусматривала видимость между этими пунктами и точкой ситуации, в которой помещались рейка или отражатель, и на которые наводилась зрительная труба теодолита или электронного тахеометра. С появлением спутниковых технологий кропотливый процесс создания прямой видимости между измеряемыми точками совсем не обязателен. Само собой разумеется, что канул в Лету и сложный, очень трудоёмкий процесс астрономических определений. А зачем, когда в несравненно более короткое время посредством GPS-измерений можно получить те же самые астрономические широту, долготу и азимут. Методы спутниковой геодезии позволили в предельно сжатые сроки выполнять суперточные измерения и, как следствие этого, производительность измерений повысилась как минимум на порядок, т.е. в десять раз и примерно на такой же порядок снизилась трудоёмкость работ.

Топографическая RTK-съёмка

Рис. 67. Топографическая RTK-съёмка

Ведь для производства RTK-съёмки, выполняемой в реальном времени, достаточно установить, как уже отмечалось, rover-приёмник с радиомодемом на съёмочную точку (рис. 67) и в течение нескольких секунд получить на контроллере спутникового прибора точные координаты этой точки.

Конечно, не всегда процесс спутниковых измерений проходит идеально. Иногда в полосе приёма спутниковых сигналов нет необходимого количества спутников, порой геометрия расположения спутников не удовлетворяет требованиям нормативных документов, случаются радиопомехи, препятствующие прохождению информации, исходящей от радиомодема. Однако все названные факторы не влияют на качество измерений, поскольку вовремя выявляются и, в конечном итоге, могут только задержать их выполнение на непродолжительное время. Существенным недостатком GPS-измерений считается невозможность производства спутниковой съёмки в условиях плотной городской застройки. Тут имеют место ограничения свободного обзора той части небосвода, где в момент измерения находятся наблюдаемые спутники, и количество спутников, от которых принимает сигналы приёмник, недостаточно для качественного измерения. Кроме того, приёмник GPS, установленный на городской улице, окружают каменные и бетонные здания и сооружения, густолиственные кроны деревьев, столбы линий связи и электропередач и т.д. и т.п. Перечисленное является препятствием для прохождения спутниковых сигналов и фактически экранирует их, тем самым существенно затрудняя производство координатных определений при спутниковой топографической съёмке. Выходом является комбинированный метод топографической съёмки (рис. 68), предусматривающий рациональное сочетание

Комбинированная спутниковая съёмка

Рис. 68. Комбинированная спутниковая съёмка

спутниковых методов с конвенциональными.

Под конвенциональными измерениями с применением электронных тахеометров подразумевается полярный метод съёмки, которому уделено в этой книге достаточно внимания, и который, справедливости ради, ещё никто не отменял. Суть комбинированного метода заключается в том, что даже в стеснённых условиях большого города практически всегда можно найти место, в котором откроется часть небесной сферы, достаточной для того, чтобы приёмник GPS принял сигналы от необходимого количества спутников. Именно в таких местах и закладываются опорные пункты (станции) СТ 1, СТ2, СТЗ (рис. 68), координаты и высоты которых определяются методами GPS-измерений, а не методом полигонометрии. Затем на этих точках вместо GPS-приёмника устанавливается электронный тахеометр, зрительная труба которого наводится на съёмочные точки 1, 2, 3, 4, 5, 6, координаты и высоты которых получают в соответствии, по уже изученному нами в VI главе, полярному методу топографической съёмки.

Заключение

Итак, уважаемые дамы и господа, разрешите поздравить вас с прибытием нашего виртуального геодезического поезда к месту назначения. На всём пути его следования мы с вами благополучно проехали все станции, каждая из которых открывала нам тайны и секреты геодезической науки в общем и этапы и пути создания топографической карты в частности. По мере неторопливого движения нашего поезда каждая страница этой книги постепенно и ненавязчиво вводила вас, дорогие читатели, в не приземлённую, а, скорее, в самую земную профессию, в увлекательную и романтическую специальность, называемую геодезия. Профессия создаётся не сама по себе, её генерируют люди, работающие в ней, и в то же время профессия формирует людей и закладывает в них цельное, свойственное данной специальности мировоззрение. Может быть, совсем не случайно, будучи в молодости геодезистами и землемерами, Джордж Вашингтон, Томас Джефферсон и Авраам Линкольн стали президентами США, а Леонид Брежнев занимал высший в советской иерархии пост Генерального секретаря Центрального комитета коммунистической партии Советского Союза. Ведь не секрет, что превалирующими чертами геодезиста являются аналитический склад ума и логическое мышление, организаторские способности и коммуникабельность, ответственность и исполнительность. Этот список необходимых качеств, которыми должен обладать инженер-геодезист, могут продолжить слова моего учителя доктора технических наук, профессора А. В. Буткевича: "Кого привлекает романтика далёких путешествий, открытие земель, где не ступала нога человека, теоретические выводы и сложные расчёты, кто интересуется астрономией и движением небесных светил, строением Земли и непростыми процессами, происходящими в её недрах, кто не боится ни жары, ни холода, ни гор, ни пустынь, ни физики, ни математики, ни дифференциалов, ни интегралов, кто хорошо ориентируется по карте на местности, умеет плавать и скакать верхом на лошади, владеет оружием, водит автомобиль, - только те смогут освоить нелёгкую, но такую нужную народному хозяйству специальность инженера-геодезиста". Ещё один мой учитель, доктор технических наук, профессор А. Л. Островский в своей книге "Моя жизнь в геодезии" писал "я люблю свою профессию, прежде всего за её многогранность, которая заключается в том, что геодезист, отработав определённое время на лоне природы в горах и пустынях, в лесах и в тундре, переходит к вычислительной обработке результатов своих измерений и вычерчиванию и составлению карт в уже кабинетных условиях. И как только надоедает вычислять и чертить, приходит время снова ехать в поле, к солнцу, ветрам, к речкам и озёрам. Снова новые встречи, новые знакомства, новые впечатления. Таким разнообразием в выполняемой повседневной работе не может похвастаться ни один инженер. Например, инженер-механик дни, месяцы, годы находится в одном и том же заводском цеху, и только в свободное от работы время встречается с природой и другими людьми".

Во время моего обучения в университете каждый учебный год завершался двухмесячной геодезической практикой. По завершению трудового дня, в течение которого осваивалась непростая наука реальных измерений с помощью различных геодезических и астрономических приборов, на лесной полянке пламенел яркий костёр, символизирующий романтичность и возвышенность людей, ступивших на тропу первопроходцев и изыскателей. Конечно же, в полуночной тишине звучали переливчатые гитарные аккорды, под которые мы пели нашу песню:

Когда пылает костёр горячий, Для песен мало так нужных слов, Мы беспокойный народ бродячий Геодезистов-полевиков.

О нас не пишут стихи, поэмы И даже песни не пропоют. Споёмте сами, ведь мы не немы, Про наш нелёгкий, но нужный труд.

Относительно поэмы, упомянутой в песне. Откровенно говоря, хотел я написать гимн геодезии, вместо этого у меня получилась книга, последнюю страницу которой вы, дорогие друзья, закроете через несколько мгновений. Возможно, что указанную поэму вы ощущаете между строк моего геодезического трактата, который я писал с большой любовью к гео дезической науке и глубоким уважением к вам, дорогие коллеги. А называл я вас коллегами не только потому, что по ходу моего повествования мы вместе с вами прикоснулись к науке, называемой геодезией. Ведь коллеги - это не только товарищи по учёбе, а прежде всего сослуживцы, сотрудники, люди одной профессии. Именно поэтому я надеюсь, что немалая часть читателей, которые добрались до этой страницы, непременно захотят от азов геодезической науки, изложенных в этой книге, проникнуть на её сияющие вершины и, как следствие этого, дописать геодезическую поэму, в которой я не поставил точку. Творческих и созидательных успехов вам, уважаемые коллеги, на геодезическом поприще!

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >