Системы позиционирования

ГИС оперируют координированными пространственно-временны-ми данными. Наиболее современные определения координат основаны на использовании глобальных систем позиционирования(ГСП) [2].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 III и II классов 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. 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.

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 потребовала немалых затрат и десятков лет напряженной работы.

Каждая система состоит из трех главных подсистем: наземного контроля и управления (НКУ), космических аппаратов и аппаратуры пользователей.

Координатное обеспечение. GPS и ГЛОНАСС работают в грин­вичской пространственной прямоугольной геоцентрической си­стеме координат. Начало координат расположено в центре масс Земли. Ось Z направлена по Условному земному полюсу (СТР – Conventional Terrestrial Pole) и соответствует некоторому фиксированному среднему положению оси вращения. Это обусловлено тем, что земная ось вращения со временем перемещается в теле Земли и относительно звезд. Условный земной полюс в России называют Международным условным началом. Ось Х лежит на пересечении экватора с плоскостью гринвичского меридиана, ось Y в плоскости экватора дополняет систему координат до правой.

Система координат устанавливается по высокоточным измерениям и закрепляется пунктами космической геодезической сети. Спутниками ГСП эта сеть с поверхности Земли продолжена в космическое пространство. Передача координат идет по цепочке: пункты на Земле, спутники ГСП, приемники пользователей. Точность координат и их неизменность во времени определяются прежде всего качеством геодезической сети. Чтобы повысить точность, измерения ведутся не только со станций слежения НКУ, но и с пунктов геодезических сетей. Для этого используют пункты Международной GPS геодинамической службы GS (International GPS Geodynamics Service). К концу XX в. в мире имелось около 200 пунктов IGS, на которых приемниками GPS велись непрерывные измерения.

Геоцентрические координаты GPS и ГЛОНАСС установлены неза-висимо. 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. У эллипсоида WGS-84 большая полуось а = 6 378 137 м, сжатие α = 1/298,257 223 563. У эллипсоида ПЗ-90 большая полуось а = 6 378 136 м, а сжатие α = 1/298,257 839 303. Поэтому координаты одних и тех же точек в пространствах указанных систем будут различаться. Их различия обычно не выходят за пределы 10 м.

Постановлением Правительства РФ от 28 июля 2000 г. для обес­печения орбитальных полетов и решения навигационных задач установлена единая геоцентрическая система координат ПЗ-90.

При необходимости прямоугольные геоцентрические координаты X, Y, Z пересчитывают в геодезические широты, долготы и высоты. Однако следует иметь в виду, что эти координаты будут получены относительно того эллипсоида, которым пользуется ГСП. Так, в случае GPS они вычисляются для земного эллипсоида WGS-84, а в случае ГЛОНАСС – для эллипсоида ПЗ-90.

Геодезические широты и долготы в свою очередь могут быть переведены в плоские прямоугольные координаты. В РФ их вычисляют на плоскости в проекции Гаусса-Крюгера для эллипсоида Красовского в системе координат 1995 г. (СК-95). Эта система упомянутым выше постановлением введена для геодезических и картографических работ России.

Геодезические высоты должны быть пересчитаны в используемые в Российской Федерации нормальные высоты. Нормальные высоты отсчитывают от квазигеоида. Для их нахождения по результатам спутникового позиционирования необходимо располагать высотами квазигеоида. Практически для определения нормальных высот измерения должны производиться как над новыми пунктами, так и над теми, для которых нормальные высоты уже известны. При обработке это поможет определить нормальные высоты всех вновь определенных пунктов.

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.

Автономное местоопределение. При автономном способе пользователь работает с одним приемником и определяет свое местонахождение независимо от каких-либо других измерений. Местонахождение определяется пространственной линейной засечкой. Дальности измеряются кодовым методом. Геометрическая сущность засечки заключается в следующем. Если с некоторого пункта, положение которого в пространстве предстоит определить, измерить дальности до трех спутников и из них как из центров этими расстояниями как радиусами провести три сферы, то сферы в пространстве пересекутся в двух точках, при этом одна из этих точек будет искомым пунктом.

Таким образом, для определения трех координат (X, Y, Z) надо располагать тремя сферами. Это трехмерный случай местоопределения (3D). Однако в пространственной линейной засечке одной из сфер может быть земная сфера. Тогда будут определены только две координаты – широта и долгота на земной сфере, проходящей через пункт наблюдения. Это двухмерный случай местоопределения (2D).

При дифференциальном местоопределении используются два приемника, один из которых работает на пункте с известными координатами (базовая станция). Сравнением известных координат с определяемыми приемником находятся дифференциальные поправки в координаты второго приемника.