Понятие о спутниковых системах позиционирования

Значительную роль в развитии современной геодезии и определении параметров пространственного положения объектов, в том числе совершенствование определения координат сыграло создание в 1990-х гг. глобальных систем позиционирования: в США – Global PositioningSystem (GPS) и в России – глобальной навигационной спутниковой системы (ГЛОНАСС).

Понятие «позиционирование» означает реализацию возможных способов использования данной системы для определения параметров пространственного положения объектов наблюдения, т. е. определение трехмерных координат объекта, его вектора скорости и направления.

Системы спутникового позиционирования представляют собой всепогодную навигационную систему космического базирования, которая позволяет в глобальных масштабах определять текущее местоположение и скорость воздушных, морских и сухопутных транспортных средств, а также осуществлять точную координацию времени, т. к. все способы измерения расстояний основаны на определениях времени прохождения волны от спутника до приемника. Системы координат и времени неразрывно связаны. Их совокупность представляет собой систему отсчета. Создание этой системы и ее практическую реализацию называют координатно-временным обеспечением при проведении разнообразных геодезических работ.

Основу GPS составляют 24 спутника, которые непрерывно излучают радиосигналы, принимаемыеGPS – приемниками. Высота орбит спутников составляет 20183 км, орбитальный период равен 11 ч. 58 мин., плоскости орбит имеют разную ориентацию в пространстве. Вырабатываемые на спутниках электромагнитные волны с частотами f1= 1575,42 МНz и    f2=1227,60 МНz и соответствующими длинами λ1=19,0 и  λ2=24,4 см принимаются GPS – приемниками.

В системах глобального позиционирования спутники выполняют роль геодезических опорных пунктов. Каждый спутник имеет по четыре атомных эталонов частоты и времени, приборы для приема и передачи радиосигналов, бортовую компьютерную аппаратуру. Пространственное положение спутников в геодезической системе координат известно для каждого момента времени. Радиосигналы всех спутников синхронизированы по времени с точностью 1·10-12 секунды с помощью бортовых атомных часов.

Данные о конкретных параметрах орбиты каждого спутника вводятся в память компьютеров GPS – приемников. Ими также принимаются данные о небольших отклонениях спутников от заданных орбит, которые поступают в виде радиосигналов с самих спутников с целью введения поправок в определение расстояний от антенны приемника до наблюдаемого спутника в данный момент времени.

Чтобы увеличить точность определения координат сигналы спутников принимают методом базовой станции. Для этого используются 2 комплекта GPS – приемников: один устанавливается над геодезическим пунктом с известными координатами, другой – над определяемым пунктом местности.

Координаты определяются в глобальной геоцентрической системе WGS–84. За начало координат принимается центр масс Земли, определенный с точностью 1 м. Координатные оси  ориентированы относительно экватора и плоскости меридиана Гринвича (рис. 7.3 )

Ось Z совпадает со средней осью вращения Земли и направлена на север. Ось X направлена от центра масс Земли к точке пересечения плоскости экватора с плоскостью нулевого меридиана определенного Междуна­родным бюро времени (BIH-Bureau International de I’Heure) на основе координат, принятых для пунктов ВIH. Ось Y расположена в лоскости экватора  под  углом 90˚ к востоку от оси Х и завершает правостороннюю ортогональную систему координат с началом в центре масс Земли.

По данным геодезических спутников в табл. 7.2 приведены основные геометрические параметры земного эллипсоида, принятые для системы  координат WGS–84.

В ГЛОНАССе также 24 основных и 3 резервных спутника. В 1982 г. выведены на орбиты первые спутники серии КОСМОС. С января 1996 г. ГЛОНАСС развернута полностью и действует в координатной системе параметры Земли 1990 г. (ПЗ–90). Система ПЗ–90 предназначена для решения различных прикладных задач, в т. ч. геодезического обеспечения навигационных комплексов и систем ГЛОНАСС. ПЗ–90 включает основные геодезические постоянные, т. е. характеристики геоцентрической системы координат, в том числе параметры общего земного эллипсоида, координаты пунктов космической геодезической сети (КГС), закрепляющие эту систему, элементы связи с референц-системами координат; планетарные модели нормального аномального гравитационного поля Земли.

Система координат ПЗ–90 является геоцентрической прямоугольной пространственной системой с началом координат в центре масс Земли. Ось Z направлена к Условному Земному полюсу, как определено рекомендациями Международной службы вращения Земли (IERS), а ось Х – в точку пересечения плоскости экватора и нулевого меридиана, установленного Международным бюро времени, ось Y дополняет систему ПЗ–90 до правосторонней ортогональной системы координат.

Реализация этой системы осуществляется через координаты пунктов КГС. Пункты наземного комплекса управления системой ГЛОНАСС совмещены с пунктами КГС.

Геометрические параметры эллипсоидов для различных систем координат представлены в табл. 7.2.

Таблица 7.2

Средние квадратичные ошибки отнесения системы координат ПЗ–90 к центру масс Земли составляют 1–2 м, взаимное положение пунктов в системе ПЗ–90 оценивается около 0,3 м при  среднем расстоянии между соседними пунктами сети до 10000 км (или в относительной мере – около единицы 7-го знака).

В настоящее время функционируют приемные устройства, одновременно использующие системыGPS и ГЛОНАСС. Обе системы имеют сходные параметры: близкие несущие частоты, общность конструкций кодовых сигналов, использующих фазовую манипуляцию, близость высот и наклонений орбит и периодов обращения.

В 2005 г. начнет функционировать европейская система нового поколения спутникового позиционирования Galileo. Ее работу будут обеспечивать 30 основных и 3 резервных спутника, расположенных на высоте 23 200 км в трех орбитальных плоскостях, наклоненных на 56° к плоскости экватора. С учетом спутников GPS и ГЛОНАСС в распоряжении пользователей будет более 80 космических аппаратов, охватывающих весь земной шар.

Преимущество спутниковых систем позиционирования перед традиционными способами определения координат: глобальность, всепогодность, оптимальная точность, быстрота получения данных, минимальные затраты при построении государственных геодезических сетей и сетей сгущений.