ГИС и глобальные системы позиционирования

ГИС оперируют координированными пространственно-временными данными. Наиболее современные определения координат основаны на использовании глобальных систем позиционирования (ГСП). Суть их работы заключается в следующем: летящие по строго заданным орбитам спутники, мгновенные координаты которых точно известны, непрерывно излучают радиосигналы, регистрируемые специальными спутниковыми приемниками на Земле. Это позволяет с помощью радиотехнических средств измерять расстояния (дальности) от приемника до спутников и определять местоположение приемника (его координаты), или находить вектор между двумя приемниками (разности координат их положения).

К основным задачам, решаемым спутниковыми системами, относят:

· развитие геодезических сетей, служащих основой для определения координат любых объектов;

· производство нивелирных работ, выполняемых вплоть до IIIи даже IIклассов точности;

· распространение единой высокоточной шкалы времени;

· исследование геодинамических процессов;

· мониторинг состояния окружающей среды;

· координатное обеспечение кадастровых, землеустроительных, сельскохозяйственных и других работ;

· координатное обеспечение полевых тематических съемок и инженерно-географических работ с помощью спутниковых приемников, соединенных со специализированным датчиком (эхолотом, анероидом, магнитометром, цифровой видеокамерой, аэрофотокамерой и др.);

· создание и обновление баз данных ГИС на основе комплексирования спутниковых приемников со специализированными полевыми компьютерами, цифровыми видеокамерами, электронными тахеометрами и инерциальными навигационными системами.

Интеграция ГСП и ГИС является особо важной. Рядом фирм выпускаются спутниковые приемники и программное обеспечение, специально ориентированное на сбор данных для ГИС. Наблюдатель, перемещаясь по местности с таким приемником, вводит в накопитель пространственные и атрибутивные данные. Они сохраняются в соответствующих форматах и могут быть выведены на экран в целях визуализации и контроля. Большинство GPS-приемников, предназначенных для ГИС, позволяет использовать цифровые данные из сети Интернет. Все большее внимание привлекает возможность комплексирования ГИС, ГСП и материалов дистанционного зондирования (ДЗ). Технологии ГСП и ДЗ весьма удачно дополняют друг друга.

Преимущества применения спутниковых методов позиционирования для ГИС в следующем:

· оперативность, всепогодность, оптимальная точность и эффективность; в отличие от традиционных геодезических методов не нужна видимость между определяемыми пунктами;

· глобальность — возможность получения данных в единой или во взаимосвязанных системах координат в любой точке Земли;

· четкая временная привязка данных;

· минимизация влияния человеческого фактора;

· цифровая форма записи;

· применение стандартных форматов записи;

· возможность классификации данных на стадии их полевого сбора;

· возможность сбора данных в различных картографических проекциях;

· сбор больших объемов данных.

Применение спутниковых методов позиционирования рассматривается как один из самых значительных прорывов в ГИС индустрии, позволяющих проводить привязку, сбор и обработку данных с невиданной ранее скоростью и качеством.

ГСП и их подсистемы.К концу XX в. в мире созданы две эксплуатационные спутниковые глобальные системы позиционирования, ознаменовавшие революционные изменения в геодезических измерениях. Это американская система Global Positioning System (GPS) и российская Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС). Их инженерно-техническая реализация потребовали немалых затрат и десятков лет напряженной работы.

В каждой системе выделяют по три главные подсистемы (сегменты): наземного контроля и управления (НКУ), созвездия космических аппаратов (КА) и аппаратуры пользователей (АП).

Подсистема НКУ состоит из станций слежения за КА, службы точного времени, главной станции с вычислительным центром и станций загрузки данных на борт спутников. Спутники проходят над контрольными пунктами дважды в сутки. Собранную на станциях слежения информацию об орбитах используют для прогнозирования координат спутников. После этого соответствующие данные загружают на борт каждого спутника.

Главная наземная станция GPS находится на базе ВВС Колорадо-Спрингс, другие ее наземные станции расположены на островах Вознесения, Диего-Гарсия, атолле Кваджалейн и на Гавайских островах.

НКУ ГЛОНАСС включает Центр управления системой (ЦУС), находящийся под Москвой, центральный синхронизатор (ЦС) с высокоточным стандартом частоты и времени для синхронизации системы и сеть станций слежения на территории России.

В каждой спутниковой системе подсистемы КА содержат по 24 основных работающих и по несколько резервных спутников. Спутники равномерно распределены в околоземном пространстве на высотах около 20 тыс. км. На каждом спутнике установлены солнечные батареи питания, двигатели корректировки орбит, атомные эталоны частоты — времени, аппаратура для приема и передачи радиосигналов. Благодаря атомным эталонам частоты — времени генерируемые на спутниках электромагнитные колебания обладают весьма высокой стабильностью. Это чрезвычайно важно, так как все способы измерения дальностей основаны на определениях времени прохождения электромагнитной волны от спутника до приемника.

Для измерения дальностей передатчики на всех спутниках излучают радиоволны на двух частотах, обозначаемых L1 и L2. Две частоты нужны для того, чтобы исключить из измерений существенные временные задержки, возникающие при прохождении радиоволн через ионосферу. В GPS все спутники работают на одинаковых частотах, при этом частоте L1 соответствует длина волны 19,0 см, а частоте L2 — длина волны 24,4 см. В ГЛОНАСС значения несущих частот L1 и L2 у каждого спутника свои, а соответствующие им длины волн близки к 19 и 24 см.

Основу подсистемы аппаратуры пользователей (АП) составляет спутниковый приемник. Аппаратура спутника и спутниковый приемник образуют радиодальномер. Приемник принимает радиоволны, передаваемые спутником, и сравнивает их с электрическими колебаниями, выработанными в самом приемнике. В результате получают время распространения радиоволны, а затем и дальность от приемника до космического аппарата. Дальности определяют двумя методами: кодовым (стандартная точность) и фазовым (наиболее точные измерения). Кроме этого в приемник передается так называемое навигационное сообщение, несущее необходимую для определения координат информацию.

Спутниковые приемники достигли высокого совершенства. Созданы приемники, ориентированные как на использование только спутников одной системы, главным образом GPS, так и на одновременное использование спутников GPS и ГЛОНАСС. Точность определения координат зависит от числа видимых КА. Использование спутниковых группировок двух систем позволяет увеличить количество видимых спутников и повысить точность определений координат примерно в 1,5 раза. В городских условиях, особенно при наличии множества высотных зданий, одна система не в состоянии обеспечить непрерывные измерения в течение длительного времени. Применение комплекса ГЛОНАСС/GPS практически позволяет удвоить продолжительность производительного времени по сравнению со временем использования только спутников GPS.

Все современные спутниковые приемники являются многоканальными с числом каналов от 6 и более. Каждый канал следит за своим спутником. При измерениях проблемой является срыв сигналов на трассах распространения радиоволн из-за таких препятствий, как рельеф, покрытые листвой деревья, здания и другие сооружения. Чем больше каналов, тем легче преодолеть эти трудности и найти необходимое количество видимых спутников.

По конструктивным особенностям различают:

• приемники односистемные, ориентированные на прием сигналов одной системы — либо GPS, либо ГЛОНАСС;

• приемники двухсистемные, принимающие сигналы спутников ГЛОНАСС и GPS;

• приемники одночастотные, работающие только на частоте L1;

• приемники двухчастотные, выполняющие измерения на частотах L1 и L2;

• кодовые приемники, работающие только с дальномерными кодами;

• фазово-кодовые приемники, применяющие дальномерные коды и фазовые измерения.

Кодовые приемники легки, компактны, умещаются на ладони. В одном корпусе совмещены все блоки (антенна, приемник, источник питания). С их помощью можно определить не только пространственное положение, но и вычислить скорость и направление движения. Приемники выдают координаты в различных форматах (широты, долготы, высоты, плоские координаты в разных проекциях). Они способны накапливать и хранить результаты измерений. Пользователь снимает отсчеты по подсвечиваемому экрану, определяет расстояние, азимут, время прибытия к цели и др. На их экранах можно видеть карту маршрута и свое положение на ней. Кодовые приемники становятся основными приборами местоопределения в географических, геологических и других полевых работах.

Фазово-кодовые приемники малогабаритны, обычно оснащены отдельной антенной, имеют мощные накопители данных. Все они снабжены портами для интеграции с другой аппаратурой, их питание осуществляется в основном от аккумуляторов. Нередко клавиатура с дисплеем установлена на вспомогательном устройстве — контроллере. Контроллер пользователь держит в руке и при измерениях вводит необходимые команды и данные, например такие, как имя точки, высота антенны, атрибуты объекта местности и др.

По специализации приемники могут быть ориентированы на решение следующих задач:

• сбор данных для ГИС;

• создание геодезических сетей и выполнение топографических съемок;

• решение навигационных задач;

• обеспечение служб пожарных, милиции, скорой медицинской помощи, перевозки грузов, мобильной связи и т. п.

В GPS все спутники работают на одних и тех же частотах, но каждый имеет свой код – разделение сигналов кодовое. В ГЛОНАСС каждый спутник имеет свои частоты, но у всех одинаковые коды – разделение сигналов частотное.

Навигационное сообщение.Спутники ГСП передают в приемники навигационные сообщения, которые несут телеметрические данные, информацию о времени, метки времени, так называемые эфемериды и альманах. По меткам времени на Земле сверяются временные шкалы спутников с государственными эталонами, и соответствующие поправки дважды в сутки закладываются на борт каждого спутника. По меткам времени синхронизируются измерения и в приемниках пользователей. Эфемериды — данные, содержащие информацию, позволяющую определить с высокой точностью текущие координаты конкретного спутника. Альманах — сборник менее точных данных обо всех спутниках — содержит сведения об их местоположении, времени восхода и захода, высотах над горизонтом и азимутах направлений на них. Альманах нужен для планирования измерений. Точные сведения, касающиеся конкретного спутника, передаются только этим спутником. Информация альманаха транслируется всеми спутниками.

Навигационное сообщение передается на несущих волнах L1 и L2. Структура распределения данных в навигационных сообщениях различна в GPS и в ГЛОНАСС. Так, в GPS метки времени повторяются каждые 6 с, все сообщение длится 12,5 мин, а в ГЛОНАСС — метки времени следуют каждые 2 с, все сообщение — 2,5 мин.

Координатное обеспечение.GPS и ГЛОНАСС работают в гринвичской пространственной прямоугольной геоцентрической системе координат. Начало координат расположено в центре масс

Геоцентрические координаты GPS и ГЛОНАСС установлены независимо. GPS действует в координатах WGS-84 (World Geodetic System, 1984), а ГЛОНАСС — в координатах ПЗ-90 (Параметры Земли, 1990). Каждая система закреплена координатами пунктов своей космической геодезической сети и использует свой эллипсоид.

Позиционирование— это широко распространенный термин. Позиционирование — определение с помощью спутников ГСП параметров пространственно-временного состояния объектов, таких как координаты объекта наблюдения, вектор скорости его движения, разности координат двух объектов, точное время наблюдения. Частными случаями этого действия являются: местоопределение — нахождение координат пункта установки антенны спутникового приемника, и определение пространственного вектора – нахождение разностей координат двух пунктов, на которых установлены антенны спутниковых приемников. Рассмотрим некоторые способы позиционирования. Способы местоопределения:

• автономный;

• дифференциальный.

Способы определения пространственного вектора:

• статический;

• кинематический.

В позиционировании важным является понятие эпохи. Эпоха — опорная точка на шкале времени, фиксированный момент начала одновременного приема спутниковыми приемниками сигналов всех отслеживаемых спутников глобальной системы позиционирования.

Перспективы дальнейшего развития ГСП. Вперспективе в GPS и в ГЛОНАСС все далъномерные коды будут передаваться на обеих частотах — L1 и L2, что повысит точность измерений на гражданском коде. Для повышения надежности позиционирования и безопасности полетов в авиации будет введена третья частота L5 с длиной волны 25,5 см, в результате чего появятся новые возможности разрешения неоднозначности фазовых измерений.

В 1999 г. Европейский парламент поддержал решение Европейского космического агентства (ESA) о создании нового поколения системы спутникового позиционирования. Система получила название Galileo и будет включать 30 спутников (3 — в резерве), расположенных на высоте 23 200 км. С учетом спутников GPS и ГЛОНАСС в распоряжении пользователей окажется около восьми десятков космических аппаратов, покрывающих весь земной шар. Планируется, что Galileo начнет передавать первые сигналы в 2005 г., а через три года вся система будет готова к работе. В 2010 г. годовой мировой рынок для Galileo достигнет предположительно 40 млрд долл.