Геодезическая съемка

1.2.1 Применение GPS

Рынок GPS для коммерческого использования  может быть сегментирован по различным  потребностям покупателей во временной  и пространственной информации. Одной из первоначальных целей создания GPS было совершенствование навигации на военных кораблях и самолетах. Однако сегодня существуют десятки применений GPS, причем о новых приложениях сообщается ежемесячно в академических, экономических и общественных СМИ. Признание системы GPS в авиации, водном транспорте, строительстве, общественном транспорте, экстренных, геодезических, погодных, научных и правоохранительных службах, а также в сельском и лесном хозяйстве создали широкие возможности для рынка GPS.

1.2.1.1 Применение в геодезии

Применение GPS в глобальных масштабах  является мощным средством геодезии. Сюда включается мониторинг таких глобальных геодинамических явлений, как вращение Земли или тектоника плит. Очень  полезно совмещение (коллокация) пунктов GPS с пунктами РСДБ квазаров и лазерной дальнометрии ИСЗ.

Геодезисты давно желали измерять движение земной коры для разных научных  целей. Одним из применений GPS является предсказание землетрясений путем  измерения предшествующих им движений коры. GPS является идеальным средством для таких исследований, поскольку оборудование недорого, мобильно, обладает высокой точностью. Например, Национальная геодезическая служба (НГС) США регулярно выполняет наблюдения в ряде пунктов в восточной части США с использованием двухчастотных приемников. Тем самым можно судить о движении земной коры. Эту же информацию можно использовать при выборе места для крупных инженерных сооружений (атомных электростанций, водохранилищ), а также для построения высокоточной геодезической сети. Сеть НГС привязана к сети GPS приемников, размещенных в пунктах РСДБ. Подобные сети можно использовать для определения движения земной коры, как на континентах, так и на островах. Например, в Японии имеется постоянная сеть GPS станций, обеспечивающая мониторинг движения земной коры в почти реальном времени. Аналогичная сеть имеется в Австрии.

GPS является основным средством  точного измерения разностей  высот в реальном времени. Исследования  НГС показали, что повторные измерения  между стабильными и опускающимися пунктами дают точные величины опускания. В промышленности GPS применяется для измерения опускания прибрежных нефтяных платформ с помощью повторных съемок. Например, подобные ежемесячные измерения в Северном море показали, что отдельные платформы значительно изменяли свою высоту по отношению к остальным платформам. Это говорило о нестабильности некоторых участков коры. Для Голландии измерение высот пунктов жизненно важно, поскольку около 70% процентов ее территории находится ниже уровня моря.

GPS можно применить для создания  географических информационных  систем (ГИС) – компьютерных баз данных, отражающих географию региона. ГИС позволит быстро принимать решения по планированию, развитию, мониторингу инфраструктуры региона. Обычно создание ГИС начинают с создания файлов данных с картографической информацией. Данные содержат информацию о дорогах, зданиях, типе растительности и почвы, и т.д. Эту информацию можно вывести на экран в виде карт. GPS часто играет ключевую роль для наземного контроля при создании карт. С помощью GPS определяются координаты объектов, легко отождествляемых на фотоснимках, и эти объекты используются для контроля масштаба и ориентации карты. Можно добавлять в ГИС новые объекты, положения которых определены с помощью GPS.

1.2.1.2 Применение в транспорте

Оборудование, обеспечивающее контроль за перемещением автомобилей, людей  или животных, пользуется в настоящее  время повышенным спросом на рынке  высокотехнологичных устройств  спутниковой навигации. Особо часто  применяется GPS контроль, работающий при помощи спутниковой и сотовой связи и позволяющий осуществлять дистанционный контроль вне зависимости от расстояний.

Контроль автотранспорта используется особенно активно в бизнесе, связанном  с логистикой и дальними перевозками. Если раньше контроль транспорта мог осуществляться исключительно на месте, то в настоящее время он стал гораздо проще, и не требует привлечения дополнительного персонала, так как всю работу на себя берет GPS контроль автотранспорта, для которого требуется только наличие компьютера и специального оборудования, установленного на автомобиль. Поездки и грузоперевозки стали намного безопаснее, так как в любой момент местоположение транспорта можно определить и проконтролировать, придерживается ли конкретная машина маршрута или нет. Работает транспорт или нет. А если работает, то эффективность можно проверить посредством аналитических отчетов. Система контроля транспорта в дополнение к стандартным функциям имеет и дополнительные возможности: контролируется безопасность перевозок, в том числе посредством функции тревожной кнопки. Сигнал моментально поступит диспетчеру в систему мониторинга или на мобильный телефон. Диспетчер в свою очередь может дистанционно заблокировать двери, двигатель или иной подключенный механизм. Таким образом, контроль транспорта, осуществляемый с помощью системы GPS контроля – это активная возможность контроля автотранспорта, позволяющая не просто отслеживать местоположение машины, но и действовать сообразно непредвиденной ситуации.

Спутниковый мониторинг автотранспорта. GPS контроль транспорта позволяет отображать точные координаты автомобиля на электронной карте, осуществлять контроль расхода топлива и профилактику таких нарушений, как нарушение скоростного режима, левые рейсы, незапланированные простои, отклонения от маршрута и т.д.

1.2.2 Выбор места GPS наблюдений. Определение положения пункта. Статические и кинематические методы наблюдений

Определение координат одного пункта называется "абсолютным определением положения" пункта. Оно выполняется с помощью одного приемника, который измеряет кодовые дальности до спутников (обычно четырех и более). Определение координат одного пункта относительно известных координат другого пункта называется "относительным определением положения" пункта. Оно выполняется с помощью двух приемников на двух пунктах, которые одновременно измеряют кодовые дальности или фазы несущей до одних и тех же спутников. Точность определения выше, чем в абсолютном методе, так как задействованы наблюдения с двух пунктов. Обычно приемник, установленный в пункте с известными координатами, является стационарным во время наблюдений. Строго говоря, термин "относительный" употребляется в случае наблюдений фазы несущей, а в случае наблюдений кодовой дальности используется термин "дифференциальный". Абсолютный метод используется в навигации, а относительный в геодезической съемке.

 Термин "статический" означает выполнение наблюдений с помощью неподвижного приемника, а "кинематический" - с помощью движущегося приемника. Временная потеря сигнала не так страшна для статического метода, как для кинематического. Статическое абсолютное определение положения полезно, если нужна невысокая точность (от 5 м до 10 м), за сравнительно короткий интервал времени наблюдений. Кинематическое абсолютное определение положения используется для определения траектории транспортного средства в пространстве и времени с точностью от 10 м до 100 м (навигация, гравиметрия самолета, наземная гравитационная съемка на транспорте).

 Статическое относительное определение положения по наблюдениям фазы несущей в настоящее время является наиболее используемым геодезистами методом, и по-другому данный метод называется "статической съемкой". Принцип основан на определении вектора между двумя неподвижными приемниками. Вектор часто называют "линией базы" или просто "линией" из-за сходства с триангуляционными линиями баз. Рекомендуется вместо термина "линия" использовать слово "база", более распространенное в странах СНГ. Различают "однобазовое" и "многобазовое" определения, причем последний термин применяют, если число пунктов превышает два. При статической съемке достижима относительная точность от 10^-6 до 10^-7, что эквивалентно миллиметровой точности для баз длиной до нескольких километров.

Кинематическое относительное определение положения выполняется по одновременным наблюдениям на одном неподвижном и одном движущемся приемниках. Метод применяется там же, где и кинематическое абсолютное определение положения, но достигается более высокая точность. Точность в дифференциальном (по кодовым дальностям) определении находится на метровом уровне, а в относительном (по фазам несущей) методе достижима сантиметровая точность.

"Полукинематический" метод,  или метод "остановки и движения" (Stop and Go), является комбинацией статического и кинематического относительных определений положения. В этом методе движение приемника чередуется с остановками в заданных пунктах. Наблюдения ведутся постоянно, но во время остановок накапливаются эпохи измерений и, соответственно, повышается точность определений. Метод часто называют просто "кинематической съемкой".

"Псевдокинематический" или "прерывистый  статический" метод определения  положения предполагает, что на  интересующих пунктах наблюдения  выполняют еще один раз (примерно  через час после первого посещения пункта). Это делается для того, чтобы облегчить разрешение неоднозначности и получить более высокую точность. В основном эти цели достигаются вследствие изменения конфигурации сети спутников. При этом не требуется поддержания непрерывности сигнала между посещениями станции, и приемник во время движения можно даже отключать.

"Быстростатические" методы  используют комбинации псевдодальностей  и фаз несущей с целью выполнить  быструю инициализацию (то есть  разрешить неоднозначность) в  статическом режиме. В этом случае требуются измерения как кода, так и фазы несущей, на обеих частотах. Наблюдения в течение 5 - 10 минут могут дать относительную точность 10^-6.

"Безостановочные (On-The-Fly)" методы  позволяют выполнить инициализацию  в кинематическом режиме, а не в статическом. Этот метод с использованием кодовых данных позволяет определять положения движущихся объектов с дециметровой и даже с сантиметровой точностью, если неоднозначности разрешены.

1.2.3 Выбор метода наблюдений

Выбор метода GPS съемки зависит от требований проекта, главным образом, к точности определения положений. При использовании одного приемника имеет смысл лишь определение координат одного пункта – "абсолютное определение положения" пункта. При этом не следует забывать, что неограниченный доступ возможен лишь к коду C/A, и что точность может быть искусственно ухудшена включением режима выборочного доступа (SA – Selective Availability). Более точный P-код в случае режима антиимитации (AS – Anti-Spoofing) или засекречивания P-кода доступен лишь пользователям, имеющим на это разрешение. При использовании двух или большего числа приемников, один из пунктов служит корректирующей станцией, и на втором пункте достижимы более высокие точности. В дифференциальном режиме наблюдаются кодовые псевдодальности одновременно до четырех (обычно) или более спутников. Корректирующая станция вычисляет действительные поправки к наблюденным кодовым псевдодальностям. Эти поправки затем передаются различными средствами связи на неизвестные пункты, приводя к уточнению независимо вычисленных положений. Поскольку P-кодовые приемники обеспечивают точность кодовых дальностей на метровом уровне, с помощью дифференциального метода достижима субметровая точность определения положения. Следовательно, можно строить сети ниже третьего класса. Преимуществом метода кодовой псевдодальности является его нечувствительность к скачкам фазы и, до некоторой степени, к препятствиям около пункта. Значит, в лесных районах деревья оказывают на кодовые наблюдения меньше влияния, чем на измерения фазы несущей.

В настоящее время геодезические  точности достижимы лишь при использовании  измерений фаз несущей, выполненных  в режиме относительного определения  положений. Обработка вектора базы требует, чтобы фазы наблюдались  одновременно на обоих концах базы. Следовательно, относительное определение положения было раньше возможно лишь в последующей обработке наблюдений. Недавно были сделаны успешные попытки передачи результатов наблюдений на коротких базах в реальном времени, что дало возможность в реальном времени вычислять вектор базы.

Метод статической съемки является наиболее используемым, поскольку единственным основным требованием является относительное  отсутствие препятствий для обзора неба на пунктах. Обычно для статической  съемки нужно 60 - 120 минут наблюдений. Однако, этот метод включает в себя использующий более короткие интервалы наблюдений (например, 10 минут) метод "широкой полосы (wide-line)" или метод быстростатической съемки, основанный на быстром разрешении неоднозначности. Для длинных баз (> 50 км) обнаружение скачков фаз и разрешение неоднозначностей усложняется. В таких случаях может быть полезным использование дополнительных приемников в окрестностях обоих пунктов базы. Неоднозначности определяются для коротких баз и затем используются для определения неоднозначностей на длинных базах. Эта процедура называется "добавочным расширением (boot-strapping)". Обычно статическая съемка используется при государственных, областных и местных контрольных съемках, при фотоконтрольных съемках, при исследовании деформаций и границ плит.

Метод кинематической съемки является наиболее производительным в том  смысле, что за наименьшее время  можно определить положения наибольшего  числа пунктов. Тогда как в  статическом методе GPS требуется, чтобы спутники перемещались по небу, в кинематическом методе этого не требуется. Поэтому для кинематического метода является полезным предлагаемое совместное с GPS использование геостационарных спутников. Кинематическая съемка требует проведения тщательной рекогносцировки на местности, поскольку не только пункты остановок и неподвижные пункты, но и трасса между пунктами, по которой движется приемник, должны быть свободны от препятствий. Кинематический метод требует непрерывного сигнала от четырех или более спутников в течение всей съемки. На практике это означает, что движущийся приемник не может проезжать под деревом или близко к столбу. Метод наиболее подходит широким открытым местностям с малым количеством препятствий, а также и для пригородов, где не слишком много больших деревьев нависает над дорогой. С помощью этого метода можно определять положение приемника, размещенного на наземном транспорте, движущемся по данному району по пересекающимся линиям. Трехмерные координаты этого приемника можно определить с высокой точностью (несколько сантиметров), так что возможно подготовить точную топографическую карту этого района.