Εφαρμοσμένη γεωδαισία. Τα βασικά των κοσμικών διαστάσεων

Το περιεχόμενο του άρθρου



Η διαδικασία παρατήρησης των πρώτων τεχνητών δορυφόρων της Γης αποκάλυψε ένα ενδιαφέρον μοτίβο – η χωρική θέση του δορυφόρου μπορεί να υπολογιστεί με καλή ακρίβεια ανά πάσα στιγμή. Αυτό το επιστημονικό γεγονός ώθησε τους επιστήμονες σε μια πραγματικά επαναστατική ανακάλυψη – να χρησιμοποιήσουν δορυφόρους που βρίσκονται εκατοντάδες χιλιόμετρα από τη Γη για να προσδιορίσουν τη χωρική θέση των επίγειων αντικειμένων..

Εφαρμοσμένη γεωδαισία. Τα βασικά των κοσμικών διαστάσεων

Από τα προηγούμενα άρθρα του κύκλου μας “Εφαρμοσμένη Γεωδαισία” μάθαμε ότι για να προσδιορίσουμε τις συντεταγμένες ενός άγνωστου σημείου, χρειαζόμαστε δύο σημεία με γνωστές συντεταγμένες, τα οποία είναι σταθερά σταθερά στο έδαφος (σημεία του Κρατικού Γεωδαιτικού Δικτύου). Μερικές φορές ήταν μακριά από το θέμα, γεγονός που ανάγκασε τους ερμηνευτές να βάλουν θεοδόλιχα περάσματα, συχνά αρκετά χιλιόμετρα. Τώρα, οι δορυφόροι που κινούνται συνεχώς στο διάστημα έχουν γίνει τόσο «σκληρά» σημεία, σε σχέση με τα οποία καθορίζονται οι συντεταγμένες των αντικειμένων στο έδαφος.

GPS

Το GPS (Global Positioning System – Global Positioning System) είναι μια συλλογή ηλεκτρονικών μέσων που υπολογίζουν τη θέση και την ταχύτητα ενός αντικειμένου στην επιφάνεια της Γης ή στην ατμόσφαιρα. Αυτές οι παράμετροι καθορίζονται χάρη στον δέκτη GPS, ο οποίος λαμβάνει και επεξεργάζεται σήματα από δορυφόρους. Για να βελτιωθεί η ακρίβεια της μέτρησης, το σύστημα εντοπισμού θέσης περιλαμβάνει επίσης κέντρα ελέγχου εδάφους και επεξεργασίας δεδομένων.

Όσον αφορά το GPS, συνήθως εννοούμε το σύστημα NAVSTAR, που αναπτύχθηκε με εντολή του Υπουργείου Άμυνας των ΗΠΑ. Σε γενικές γραμμές, πολλά καινοτόμα πράγματα πρώτα «δοκιμάστηκαν» από τον στρατό και στη συνέχεια «απελευθερώθηκαν στις μάζες». Για πολλά χρόνια ο όρος “GPS” έχει γίνει συνώνυμος με τη δορυφορική πλοήγηση, όπως ακριβώς και ο νεολισμός “Xerox” σημαίνει, κατ ‘αρχήν, οποιοδήποτε φωτοαντιγραφικό και όχι μόνο την παραγωγή του XEROX. Προς το παρόν, εκτός από το NAVSTAR GPS, το κινέζικο Beidou, το European Galileo, το Indian IRNSS, το ιαπωνικό QZSS και το εγγενές μας GLONASS αναπτύσσονται ή κυκλοφορούν..

Εφαρμοσμένη γεωδαισία. Τα βασικά των κοσμικών διαστάσεων

Οι μέθοδοι μέτρησης χώρου χρησιμοποιούνται για:

  • γεωδαισία και χαρτογραφία
  • κατασκευή
  • πλοήγηση
  • παρακολούθηση οχημάτων
  • κινητές επικοινωνίες
  • επιχειρήσεις διάσωσης
  • παρακολούθηση της τεκτονικής κίνησης των πλακών φλοιού της γης

και σε πολλούς άλλους τομείς της ανθρώπινης δραστηριότητας. Ας εξετάσουμε μερικούς από τους κύριους τομείς εφαρμογής συστημάτων μέτρησης χώρου με περισσότερες λεπτομέρειες..

GNSS

Αντιμετωπίζουμε συσκευές αυτού του συστήματος πλοήγησης σε επίπεδο νοικοκυριού, κάτω από τη συντομογραφία GNSS ο όρος «Σύστημα δορυφόρων παγκόσμιας πλοήγησης» είναι κρυμμένος. Η αρχή της λειτουργίας ενός δορυφορικού συστήματος πλοήγησης είναι η μέτρηση της απόστασης από την κεραία του δέκτη έως τους δορυφόρους, οι θέσεις των οποίων είναι γνωστές με αρκετά υψηλή ακρίβεια. Ο δορυφορικός πίνακας θέσης ονομάζεται almanac και μεταδίδεται τη στιγμή της έναρξης των μετρήσεων από τον δορυφόρο στον δέκτη. Έτσι, γνωρίζοντας τις αποστάσεις μεταξύ των δορυφόρων και καθοδηγούμενοι από το αλμανάκ, μπορείτε, χρησιμοποιώντας τις απλούστερες γεωδαιτικές κατασκευές, τις οποίες εξετάσαμε στα προηγούμενα άρθρα του κύκλου μας, να υπολογίσετε τη χωρική θέση του αντικειμένου.

Η μέθοδος μέτρησης της απόστασης από δορυφόρο σε δέκτη βασίζεται στον προσδιορισμό της ταχύτητας μετάδοσης ραδιοκυμάτων. Για να επιτρέψουν τις μετρήσεις, οι δορυφόροι μεταδίδουν ακριβή σήματα χρόνου, συγχρονισμένα με τη σειρά τους με ένα ατομικό ρολόι υψηλής ακρίβειας. Στην αρχή της λειτουργίας, ο χρόνος συστήματος του δέκτη συγχρονίζεται με τον δορυφόρο και οι περαιτέρω μετρήσεις βασίζονται στη διαφορά μεταξύ του χρόνου εκπομπής σήματος και του χρόνου λήψης του. Με βάση αυτά τα δεδομένα, η συσκευή πλοήγησης υπολογίζει τη χωρική θέση της επίγειας κεραίας και η ταχύτητα του αντικειμένου, η πορεία και άλλες παράμετροι είναι παράγωγα της αρχικής θέσης του δέκτη. Όπως πιθανώς θυμάστε από το μάθημα φυσικής του γυμνασίου, η ταχύτητα των ραδιοκυμάτων είναι ίση με την ταχύτητα του φωτός, οπότε μπορείτε να φανταστείτε ποια είναι η συνολική ακρίβεια του συστήματος που καθορίζει την απόσταση σε χιλιοστά του δευτερολέπτου.

Εφαρμοσμένη γεωδαισία. Τα βασικά των κοσμικών διαστάσεων Κεραία GNSS / GPS

Γιατί, σε ορισμένες περιπτώσεις, λαμβάνουμε μια αρκετά ακριβή τιμή τοποθεσίας και, σε ορισμένες περιπτώσεις, η τιμή δεν είναι απολύτως σωστή; Δεν έχει κάθε δέκτης ένα ενσωματωμένο ατομικό ρολόι, επομένως για συγχρονισμό και τοποθέτηση με αποδεκτή ακρίβεια, είναι απαραίτητο να λαμβάνετε ένα σήμα ταυτόχρονα από τουλάχιστον τρεις δορυφόρους. Η ισχύς του λαμβανόμενου σήματος επηρεάζεται από το βαρυτικό πεδίο της γης, τα εμπόδια με τη μορφή δέντρων, σπιτιών, ανακλώμενων (φανταστικών) σημάτων, ατμοσφαιρικών παρεμβολών και πολλών άλλων λόγων. Δεδομένου ότι είναι αδύνατο να τοποθετήσετε πομπούς υψηλής ισχύος στον δορυφόρο, θα έχετε την πιο ακριβή τοποθεσία σε ανοιχτούς χώρους με καθαρό ορίζοντα.

Τώρα, αγαπητέ αναγνώστη, που διαθέτει smartphone με ενσωματωμένο δέκτη GPS, βιάζουμε να σας απογοητεύσουμε – δεν μπορείτε να κάνετε αίτηση για να ανοίξετε μια εταιρεία γεωδαιτικής. Αυτό συμβαίνει επειδή ο δέκτης τσέπης χρησιμοποιεί μια μέθοδο που ονομάζεται απόλυτη για τον υπολογισμό της θέσης. Με την ταυτόχρονη παρατήρηση 4 δορυφόρων, η ακρίβεια τοποθέτησης μπορεί να φτάσει τα 8 μέτρα, κάτι που αρκεί για μετρήσεις πλοήγησης. Για τη γεωδαισία, χρησιμοποιείται μια σχετική μέθοδος μέτρησης, στην οποία χρησιμοποιούνται τουλάχιστον δύο δέκτες. Ένα από αυτά ορίζεται σε ένα σημείο με γνωστές συντεταγμένες (η λεγόμενη “βάση”) και το δεύτερο χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό των συντεταγμένων άγνωστων σημείων. Όταν συνεργάζονται 2 δέκτες, η ακρίβεια μέτρησης αυξάνεται 100 φορές και μπορούμε ήδη να έχουμε συντεταγμένες με ακρίβεια εκατοστόμετρου, η οποία επαρκεί για γεωδαιτικές ανάγκες.

GPS για γεωδαιτικές εργασίες

Για τη χρήση συστημάτων παρατήρησης χώρου για τοπογραφική εργασία, χρησιμοποιούνται διάφορες μέθοδοι, οι οποίες διαφέρουν ως προς την ακρίβεια των ληφθέντων τιμών και το χρόνο που αφιερώνεται για την απόκτησή τους..

Στατική

Για τον προσδιορισμό των συντεταγμένων ενός άγνωστου σημείου, ένας δέκτης εγκαθίσταται στο σημείο τριγωνισμού ή πολυγωνομετρίας (γνωστό σημείο) και ο άλλος δέκτης τοποθετείται στο σημείο του οποίου οι συντεταγμένες πρόκειται να καθοριστούν. Επιπλέον, οι συσκευές αρχικοποιούνται συγχρόνως, επειδή οι μετρήσεις ξεκινούν μόνο όταν δύο δέκτες ενεργοποιούνται ταυτόχρονα. Εάν μία από τις συσκευές λειτούργησε για μισή ώρα και η άλλη για 15 λεπτά, θα χρησιμοποιηθούν μόνο 15 λεπτά συνεργασίας για τη λήψη δεδομένων. Αφού οι δέκτες εντοπίσουν τους δορυφόρους, ξεκινά η συλλογή δεδομένων, οι οποίες στη συνέχεια υποβάλλονται σε επεξεργασία σε έναν υπολογιστή..

Εφαρμοσμένη γεωδαισία. Τα βασικά των κοσμικών διαστάσεων

Συνήθως χρειάζονται 15-30 λεπτά από την ενεργοποίηση του οργάνου έως την έναρξη της εργασίας (λήψη των σωστών τιμών), ανάλογα με τους δορυφόρους που παρατηρούνται ταυτόχρονα. Στα πρώτα 20-30 λεπτά, η “βάση” παρέχει κάλυψη με επαρκή ακρίβεια μέτρησης της ζώνης 5 χιλιομέτρων και, στη συνέχεια, κάθε 10 λεπτά αυτή η ακτίνα επεκτείνεται κατά 5 χιλιόμετρα, αντίστοιχα, γνωρίζοντας την κατά προσέγγιση απόσταση από το σταθμό έως το σημείο βάσης, μπορείτε να υπολογίσετε περίπου τον χρόνο παραμονής του οργάνου για ακριβής τοποθέτηση.

Όπως μπορούμε να δούμε στο στιγμιότυπο οθόνης ενός από τα προγράμματα προσαρμογής δεδομένων, η πράσινη γραμμή είναι ο βασικός χρόνος λειτουργίας και οι κοντές ράβδοι είναι ο χρόνος που αφιερώνουν οι δέκτες στο σταθμό με άγνωστες συντεταγμένες. Χρησιμοποιώντας εξειδικευμένο λογισμικό, μπορείτε να απορρίψετε εσφαλμένες τιμές μέτρησης και να αυξήσετε τη συνολική ακρίβεια των ληφθέντων τιμών.

Εφαρμοσμένη γεωδαισία. Τα βασικά των κοσμικών διαστάσεων

Το πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι η υψηλή ακρίβεια μέτρησης, το μείον είναι ο χρόνος που αφιερώνεται στην προετοιμασία κάθε σημείου.

Κινηματική

Η “βάση” βρίσκεται με τον ίδιο τρόπο σε ένα σημείο με γνωστές συντεταγμένες, και ο δεύτερος δέκτης, μετά την αρχικοποίηση, μπορεί να καταγράψει σημεία σε κίνηση χωρίς επιπλέον αρχικοποίηση πριν από κάθε μέτρηση. Εάν στην πρώτη μέθοδο έχουμε, ας υποθέσουμε, δύο βασικά σημεία από τα οποία θα διεξαχθεί η ταχομετρική έρευνα, δηλαδή για δουλειά πρέπει ακόμη να έχουμε ένα ταχύμετρο, τότε στην περίπτωση κινηματικών μετρήσεων, αρκούν δύο δέκτες, ένας εκ των οποίων χρησιμεύει ως ταχύμετρο, ο χρόνος εγγραφής σημείου είναι 1-2 λεπτά.

Εφαρμοσμένη γεωδαισία. Τα βασικά των κοσμικών διαστάσεων

Αυτή η μέθοδος είναι κατάλληλη για την έρευνα γραμμικά εκτεταμένων αντικειμένων όπως ηλεκτροφόρα καλώδια, κανάλια, δρόμους, αγωγούς πετρελαίου κ.λπ. Το πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι η εξοικονόμηση χρόνου, το μειονέκτημα είναι ότι είναι επιθυμητό να πραγματοποιούνται μετρήσεις σε μικρή απόσταση από τη βάση, περίπου 5-15 χλμ. Εάν το σήμα από τον δορυφόρο εξαφανιστεί ξαφνικά, η διαδικασία αρχικοποίησης θα πρέπει να επαναληφθεί, οπότε αυτή η μέθοδος δεν είναι πάντα δυνατή σε μεγάλες πόλεις όπου ψηλά κτίρια και δέντρα καλύπτουν τον ορίζοντα.

RTK GPS

Εάν οι δύο πρώτες μέθοδοι μας δώσουν τη θέση ενός σημείου στο διεθνές σύστημα συντεταγμένων, το οποίο στη συνέχεια πρέπει να μετατραπεί σε περιφερειακό, τότε η μέθοδος RTK (από το English Real Time Kinematic – kinematic σε πραγματικό χρόνο) μας επιτρέπει να λάβουμε τις τιμές της χωρικής θέσης των σημείων στο σύστημα συντεταγμένων που υιοθετήθηκε για την περιοχή μας χρησιμοποιώντας μόνο έναν δέκτη. Όχι, το σημείο βάσης υπάρχει αναμφίβολα, αλλά σε αυτήν την περίπτωση τα σημεία βάσης είναι σταθερά σε ψηλά κτίρια και μαζί σχηματίζουν ένα δίκτυο, παρόμοιο με ένα κινητό. Τόσο ο δέκτης όσο και οι σταθμοί βάσης ανταλλάσσουν πληροφορίες μέσω του Διαδικτύου, το οποίο τους επιτρέπει να συγχρονίζονται όχι μόνο με δορυφόρους, αλλά και μεταξύ τους, παρακάμπτοντας την αλυσίδα του επανυπολογισμού και της προσαρμογής των συντεταγμένων σε εξειδικευμένο λογισμικό.

Εφαρμοσμένη γεωδαισία. Τα βασικά των κοσμικών διαστάσεων

Όπως καταλαβαίνετε, οι σταθμοί βάσης απέχουν πολύ από την οικοδόμηση των ενθουσιωδών, η πρόσβαση σε αυτούς πληρώνεται, αλλά είναι κάτι παραπάνω από αποπληρωμή από τον αριθμό των ανθρωποωρών. Πράγματι, εάν στην περίπτωση των στατικών μετρήσεων, η ομάδα αποτελείται από τουλάχιστον τρία άτομα, ένα εκ των οποίων φρουρεί τη “βάση” και τα άλλα δύο πραγματοποιούν έρευνες χρησιμοποιώντας έναν συνολικό σταθμό, τότε μόνο ένας ειδικός αρκεί για μετρήσεις RTK. Η αρχικοποίηση τέτοιων συσκευών πραγματοποιείται σχεδόν αμέσως, μετά από λίγα λεπτά το εργαλείο είναι έτοιμο να συλλέξει δεδομένα ή να εκτελέσει την αντίθετη ενέργεια – για να πραγματοποιήσει το διάφραγμα των σημείων έρευνας που υπολογίστηκαν εκ των προτέρων σε έναν υπολογιστή, κάτι που είναι απαραίτητο, για παράδειγμα, όταν σχεδιάζεται ένα οικόπεδο για κατασκευή. Αυτή είναι η τεχνολογία του μέλλοντος. Σε γενικές γραμμές, ανεξάρτητα από το πόσο παράδοξο ακούγεται, η επόμενη γενιά επιθεωρητών θα εκπροσωπείται από ειδικούς πληροφορικής, η ηλικία των προγραμματιζόμενων αριθμομηχανών και των πινάκων Bradis έχει πάει αμετάκλητα.

GPS εναντίον GLONASS

Για τον προσδιορισμό των συντεταγμένων των NAVSTAR GPS και GLONASS, χρησιμοποιούνται 21 ενεργοί δορυφόροι και τρεις εφεδρικοί δορυφόροι, περιστρεφόμενοι σε κυκλικά τροχιακά επίπεδα και αυτά τα επίπεδα στο σύστημα GPS είναι τρεις φορές περισσότερα από ό, τι στο GLONASS. Οι δορυφόροι είναι εξοπλισμένοι με ηλιακούς συλλέκτες και πετούν πάνω από 20 χλμ. Πάνω από την επιφάνεια της Γης. Μια τέτοια απόσταση από τον πλανήτη και ο αριθμός των δορυφόρων προβλέπουν την ταυτόχρονη παρατήρηση τουλάχιστον 4 δορυφόρων σχεδόν οπουδήποτε στον κόσμο. Ώρα μιας πλήρους επανάστασης γύρω από τη Γη – 12 κοσμικές ώρες.

Εφαρμοσμένη γεωδαισία. Τα βασικά των κοσμικών διαστάσεων

Στο σύστημα GPS, όλοι οι δορυφόροι εκπέμπουν σήμα σε δύο ίδιες συχνότητες και κάθε συσκευή στέλνει τον δικό της ατομικό κωδικό που επιτρέπει την αναγνώριση των δορυφόρων. Το GLONASS έχει τον ίδιο κωδικό για όλους τους δορυφόρους, η μετάδοση πραγματοποιείται επίσης σε δύο ζώνες. Όπως μπορείτε να δείτε, οι παράμετροι των συστημάτων είναι σχεδόν ίδιες, οπότε ποιος είναι καλύτερος?

Εάν το GPS παρέχει επαρκή ακρίβεια στον προσδιορισμό των συντεταγμένων σε όλο τον κόσμο, τότε το GLONASS “ακονίζεται” για τις ρωσικές πραγματικότητες, κάτι το οποίο θεωρητικά του επιτρέπει να προσδιορίζει με μεγαλύτερη ακρίβεια τη χωρική θέση των σημείων στο έδαφος στη χώρα μας. Το ρωσικό σύστημα εντοπισμού θέσης δεν εξαρτάται από τη διάθεση του “θείου Σαμ”, ο οποίος, κατά τη διάρκεια στρατιωτικών συγκρούσεων, μείωσε σκόπιμα την ακρίβεια της μέτρησης, κωδικοποιώντας εν μέρει το σήμα. Σε κάθε περίπτωση, το GPS και το GLONASS δεν είναι ανταγωνιστές, αλλά κατά κάποιο τρόπο σύμμαχοι, επομένως είναι λογικό να αποκτήσουν δέκτες που ταυτόχρονα υποστηρίζουν δύο συστήματα, η ακρίβεια θα ωφεληθεί μόνο από αυτό..

Βαθμολογήστε το άρθρο
( No ratings yet )
Κοινοποίηση σε φίλους
Συμβουλές για οποιοδήποτε θέμα από ειδικούς
Πρόσθεσε ένα σχόλιο

Κάνοντας κλικ στο κουμπί "Υποβολή σχολίου", αποδέχομαι την επεξεργασία προσωπικών δεδομένων και αποδέχομαι την πολιτική απορρήτου