Введение в основы системы GPS

1. Как работает GPS
2. Компоненты GPS картографических систем
3. Дифференциальная коррекция
4. Применение GPS

Система Глобального Позиционирования (GPS или Global Positioning System) является спутниковой и работает под управлением Министерства Обороны США. Система является глобальной, всепогодной и обеспечивает возможность получения точных координат и времени 24 часа в сутки.

1. Как работает GPS

Основы системы GPS можно разбить на пять основных подпунктов:

1.  Спутниковая трилатерация –  основа системы.
2.  Спутниковая дальнометрия – измерение расстояний до спутников.
3.  Точная временная привязка – зачем нужно согласовывать часы в приёмнике и на спутнике и для чего требуется 4-й космический аппарат.
4.  Расположение спутников – определение точного положения спутников в космосе.
5.  Коррекция ошибок – учёт ошибок вносимых задержками в тропосфере и ионосфере.

1.1. Спутниковая трилатерация

1.2.  Спутниковая дальнометрия

Расстояние до спутников определяется по измерениям времени прохождения радиосигнала от космического аппарата до приёмника умноженным на скорость света. Для того, чтобы определить время распространения сигнала, нам необходимо знать когда он покинул спутник.

Для этого на спутнике и в приёмнике  одновременно генерируется одинаковый Псевдослучайный Код*

* - Каждый спутник GPS передаёт два радиосигнала: на частоте L1=1575.42 МГц и L2=1227.60 МГц. Сигнал L1 имеет два дальномерных кода с псевдослучайным шумом (PRN), P-код и C/A код. «Точный» или P-код может быть зашифрован для военных целей. «Грубый» или C/A код не зашифрован. Сигнал L2 модулируется только с P-кодом. Большинство гражданских пользователей используют C/A код при работе с GPS системами. Некоторые приёмники Trimble геодезического класса работают с P-кодом.

Приёмник проверяет входящий сигнал со спутника и определяет когда он генерировал такой же код. Полученная разница, умноженная на скорость света (~ 300000 км/с) даёт искомое расстояние.

Использование кода позволяет приёмнику определить временную задержку в любое время. Кроме того, спутники могут излучать сигнал на одной и той же частоте, так как каждый спутник идентифицируется по своему Псевдослучайному коду (PRN или PseudoRandom Number code).

1.3.  Точная временная привязка

	Как видно  из сказанного выше, вычисления напрямую зависят от точности хода часов. Код должен генерироваться на спутнике и приёмнике в одно и то же время. На спутниках установлены атомные часы, имеющие точность около одной наносекунды. Однако это слишком дорого, чтобы устанавливать такие часы в каждый GPS приёмник, поэтому измерения от четвёртого спутника используются для устранения ошибок хода часов приёмника. Эти измерения можно использовать для устранения ошибок, которые возникают, если часы на спутнике и в приёмнике не синхронизированы. Для наглядности, иллюстрации, приведённые ниже, рассматривают ситуацию на плоскости, так как только три спутника необходимо для вычисления местоположения объекта.
	Если часы на спутнике  и в приёмнике имеют одинаковую точность хода, то точное местоположение может быть найдено по измерениям расстояния до двух спутников. Если получены измерения с трёх спутников и все часы точные, то круг, описанный радиус-вектором от третьего спутника, будет пересекаться как показано на рисунке. Однако, если часы в приёмнике спешат на 1 секунду, то картина будет выглядеть следующим образом. Если сделать замер до третьего спутника, то полученный радиус-вектор не пересечётся с двумя другими как показано на рисунке.
	Когда GPS приёмник  получает серию измерений, которые не пересекаются в одной точке, то компьютер в приёмнике начинает вычитать (или добавлять) время методом последовательных итерации до тех пор, пока не сведёт все измерения к одной точке. После этого вычисляется поправка и делается соответствующее уравнивание. Если вам требуется третье измерение, то необходим четвёртый спутник для устранения ошибок хода часов в приёмнике. Таким образом, при работе в поле вам необходимо иметь минимум четыре спутника, чтобы определить трёхмерные координаты объекта.

1.4.   Расположение спутников

Система NAVSTAR имеет 24 рабочих  спутника с орбитальным периодом в 12 часов на высоте примерно 20200 км от поверхности Земли. В шести различных плоскостях имеющих наклон к экватору в 55° , расположено по 4 спутника. Указанная высота необходима для обеспечения стабильности орбитального движения спутников и уменьшения фактора влияния сопротивления атмосферы.

Министерство Обороны США (DoD) осуществляет непрерывное слежение за спутниками. На каждом спутнике расположено несколько высокоточных атомных часов и они непрерывно передают радиосигналы с собственным уникальным идентификационным кодом*. МО США имеет 4 станции слежения за спутниками, три станции связи и центр осуществляющий контроль и управление за всем наземным сегментом системы. Станции слежения непрерывно отслеживают спутники и передают данные в центр управления. В центре управления вычисляются уточнённые элементы  спутниковых орбит и коэффициенты поправок спутниковых шкал времени, после чего эти данные передаются по каналам станций связи на спутники по крайней мере один раз в сутки. *  – Каждый спутник GPS передаёт два радиосигнала: на частоте L1=1575.42 МГц и L2=1227.60 МГц. Сигнал L1 имеет два дальномерных кода с псевдослучайным шумом (PRN), P-код и C/A код. «Точный» или P-код может быть зашифрован для военных целей. «Грубый» или C/A код не зашифрован. Сигнал L2 модулируется только с P-кодом. Большинство гражданских пользователей используют C/A код при работе с GPS системами. Некоторые приёмники Trimble геодезического класса работают с P-кодом.

1.5.   Коррекция ошибок

Некоторые источники ошибок возникающих при работе GPS являются трудноустранимыми. Вычисления предполагают, что сигнал распространяется с непрерывной скоростью, которая равна скорости света. Однако в реальности всё гораздо сложнее. Скорость света является константой только в вакууме. Когда сигнал проходит через ионосферу (слой заряженных частиц на высоте 130-290 км) и тропосферу, его скорость распространения уменьшается, что приводит к ошибкам в измерения дальности. В современных GPS приёмниках используют всевозможные алгоритмы устранения этих задержек.

Иногда возникают ошибки в ходе атомных часов и орбитах спутников, но они обычно незначительны и тщательно отслеживаются со станций слежения.

Многолучёвая интерференция также вносит ошибки в определение местоположения с помощью GPS. Это происходит, когда сигнал отражается от объектов расположенных на земной поверхности, что создаёт заметную интерференцию с сигналами приходящими непосредственно со спутников. Специальная техника обработки сигнала и продуманная конструкция антенн позволяет свести к минимуму этот источник ошибок.

Раньше существовал ещё один источник ошибок – это Избирательный Доступ (Selective Availability или S/A), искусственное снижение точности спутникового сигнала вводимое МО США. Это приводило к тому, что точность полученных координат с помощью GPS снижалась до 100 метров. Однако 1 мая 2000 года по решению президента США «Избирательный Доступ» был отключен. Кроме того, S/A можно исключить, применяя технику дифференциальной коррекции (см. далее).

2.  Компоненты GPS картографических систем

Trimble Navigation Limited производит широкий спектр продуктов, разработанных специально для картографирования и ГИС приложений. Эти системы позволяют быстро и точно собирать данные для создания и обновления географических баз данных. Картографические продукты включают в себя GPS приёмники, накопители данных, и программное обеспечение. В этом разделе обсуждаются эти компоненты.

2.1. Приёмники

GPS приёмники могут вычислять положения с периодом менее одной секунды и обеспечивают точность от дециметров до 5 метров при работе в дифференциальном режиме измерений. Приёмники различаються по весу, размеру, объёму памяти для хранения данных и количеству каналов которые они используют для слежения за спутниками.

В то время как Вы стоите на одном месте или перемещаетесь, приёмник получает сигналы с GPS спутников и затем вычисляет Ваше местоположение. Результаты вычислений отображаются в виде координат на дисплее приёмника. GPS приёмники вычисляют также скорость и направление движения, позволяя решать навигационные задачи.

2.2.   Накопители данных

Накопители данных (контроллеры) – это портативные компьютеры, работающие под управлением специального программного обеспечения, предназначенного для сбора данных. Некоторые контроллеры записывают дополнительную информацию (например, атрибуты объектов) вместе с координатами, а другие сохраняют только координаты. Программное обеспечение выполняет контроль за установками GPS приёмника, самыми важными из которых являются интервал измерений и количество хранимых GPS данных.

Накопители данных различаются по размерам, весу и типу записываемых данных, возможностям выдерживать неблагоприятные условия окружающей среды и количеству информации, которую можно записать на них. Некоторые накопители данных должны быть соединены с отдельным GPS приёмником, а другие интегрированы с приёмниками в одном корпусе.

2.3.   Программное обеспечение

Каждая GPS картографическая система поставляется с программным обеспечением для обработки. После возвращения с полевых работ Вы можете выгрузить координаты и вспомогательную информацию с вашего накопителя данных на компьютер. После этого программа позволяет повысить точность данных используя специальный метод обработки данных, под названием дифференциальная коррекция. Этот метод будет обсуждаться в главе 3.

Программное обеспечение выполняет визуализацию ваших GPS данных. Некоторые программы позволяют осуществлять редактирование данных, так что можно манипулировать, уравнивать и удалять координаты и атрибуты данных. Некоторые программы обеспечивают возможность вывода полученных материалов на печать (плоттер, принтер и т.д.). Программное обеспечение различается по количеству возможностей редактирования и экспорта данных.

GPS системы помогают при сборе информации о географических объектах и атрибутивной информации для ввода в ГИС или другие базы данных. Программное обеспечение обработки GPS данных экспортирует ваши результаты в ГИС программы, где они могут быть объединены с информацией из других источников для дальнейшей обработки и анализа.

3.  Дифференциальная коррекция

Дифференциальная коррекция – это метод, который значительно увеличивает точность собираемых GPS данных. В этом случае используется приёмник, расположенный в точке с известными координатами (базовая станция), а второй приёмник собирает данные в точках с неизвестными координатами (передвижной приёмник).

Данные, полученные в точке с известными координатами, используются для определения ошибок содержащихся в спутниковом сигнале. Затем информация с базовой станции совместно обрабатывается с данными передвижного приёмника, вместе с учётом ошибок содержащихся в спутниковом сигнале, что позволяет устранить ошибки в координатах полученных на передвижном приёмнике. Вам необходимо знать координаты вашей базовой станции как можно точнее, так как точность, получаемая в результате дифференциальной коррекции, напрямую зависит от точности координат базовой станции.

Существует два метода выполнения дифференциальной коррекции, в реальном времени и в постобработке. Ниже мы рассмотрим их более подробно.

3.1.   Дифференциальная коррекция в реальном времени

При работе методом дифференциального GPS в реальном времени, базовая станция вычисляет и передаёт (посредством радиосвязи) ошибки для каждого спутника, в то время как он собирает данные. Эти коррекции, принимаемые передвижным приёмником, используются для уточнения определяемого местоположения. В результате мы можем видеть на экране приёмника дифференциально скорректированные координаты.

Это может быть полезно, когда вам необходимо знать где Вы находитесь непосредственно в поле. Эти скорректированные положения могут быть сохранены в файл на накопителе. Поправки, передаваемые в реальном времени, обычно используют формат в соответствии с рекомендациями RTCM SC-104. Все современные картографические продукты компании Trimble могут выполнять дифференциальную коррекцию в реальном времени.

3.2.   Дифференциальная коррекция в постобработке

При работе методом дифференциального GPS в постобработке, базовая станция записывает ошибки для каждого спутника прямо в компьютерный файл. Передвижной приёмник также записывает свои данные в компьютерный файл. После возвращения из поля, два файла обрабатываются вместе с помощью специального программного обеспечения, и на выходе получается дифференциально скорректированный файл данных передвижного приёмника. Все GPS картографические системы Trimble включают в себя программу для выполнения дифференциальной коррекции в постобработке.

Одной из замечательных особенностей картографических систем Trimble, является возможность использования дифференциальной коррекции, как в реальном времени, так и в постобработке. Если, во время работы в режиме реального времени, радиосвязь прервётся (например, Вы удалитесь от базовой станции на слишком большое расстояние), то приёмник продолжит записывать нескорректированные данные которые могут быть в дальнейшем обработаны с помощью дифференциальной коррекции в постобработке.

4.   Применение GPS

Картографические системы Trimble используются в различных областях. С помощью них можно создавать и обновлять базы данных ГИС для различных дисциплин. В частности они нашли широкое применение в сфере природных ресурсов, развития инфраструктуры и контроля городского хозяйства, сельском хозяйстве и социальных науках. Положение, время и дополнительную информацию можно собирать, двигаясь по суше, воде и воздуху над интересующим вас местоположением.

4.1.  Природные ресурсы

Специалисты, работающие в области природных ресурсов, такие как, геологи, географы, лесники и биологи использую GPS картографические системы для записи GPS положений и дополнительной информации об объектах. Например, лесники в качестве дополнительной информации могут регистрировать возраст, состояние, количество и тип леса. Они могут также проводить съёмку территорий подлежащих вырубке или посадке. Биологи имеют возможность регистрировать ареалы расселения диких животных, маршруты их миграций, численность популяций и другую информацию.

GPS помогает при сборе данных о типах почв, которые в комбинации с трёхмерными моделями территорий позволяют выделить отдельные слои и аспекты для предсказания областей, требующих специального управления. Кроме того, GPS можно использовать для картографирования местоположения колодцев и других источников воды; записи размеров озёр и их состояния; регистрации ареалов распространения рыбы и диких животных; изменений береговой линии, полевых угодий и климатических зон.

4.2. Городское хозяйство

Приложения в сфере городского хозяйства кар  тографических систем Trimble включают в себя контроль транспортных потоков и инфраструктуры коммунального хозяйства. Улицы и проспекты могут быть оцифрованы при перемещении по этим объектам с одновременной записью GPS координат. Состояние дорог, опасные, требующие ремонта участки, вводятся в виде дополнительной информации для последующего использования в программах инвентаризации и ГИС.

GPS оказывается крайне эффективным при съёмке канализационных, газовых и водных трубопроводах, а также электрических и телефонных линий. Такие объекты как, крышки колодца и пожарные гидранты картографируются как точки с соответствующей атрибутивной информацией.
Аварийные машины и ремонтные бригады могут использовать GPS для навигации непосредственно к месту аварии коммуникаций. Время их прибытия и отправления точно регистрируется, вместе с их комментариями и планом выполнения сервисных работ.

Кроме того, с помощью GPS можно выполнять съёмку земельных участков, участков проведения строительных работ, объектов улиц и заводов, расположенных в черте города.

4.3.  Использование GPS в сельском хозяйстве

GPS картографические системы помогают описывать особенности участков полей находящихся в интенсивном сельскохозяйственном применении. Вы можете точно связать такие характеристики как микроклимат, тип почвы, участки урожая, повреждённые насекомыми или болезнями, объём собираемой продукции и т. п. с их местоположением.

Положение трактора или самолёта может быть использовано совместно с данными о типе почвы для выполнения более экономного расхода удобрений или химических распылителей. Это напрямую снижает стоимость затрат на удобрения и уменьшает загрязнение природных водных источников этими веществами.

Технология GPS оказывает агрономам существенную помощь в создании баз данных, после анализа которых можно оценить эффект влияния различных методик проведения сельскохозяйственных работ на сбор выращенной продукции.

4.4.   Применение в сфере социальных наук

Археологи и историки могут использовать картографические GPS системы для навигации и регистрации раскопок и исторических мест. Когда желаемая точка маршрута найдена, в базу данных ГИС записываются исчерпывающие данные по объекту, что позволяет в дальнейшем полностью восстановить картину на определённый момент времени.

В качестве примера, можно привести исследования выполненные антропологами в джунглях Венесуэлы. Учёные исследовали «белые пятна» в джунглях и использовали картографические GPS системы для регистрации мест проживания неизвестных местных племён. Местоположения и сопутствующие данные об уровне культурного развития, которые были собраны, помогли в дальнейшем правительственным органам Венесуэлы создать резервации, чтобы сохранить в неприкосновенности уникальный быт местных племён.

4.5.   Другие области применения

Картографические GPS системы можно использовать в любых приложениях требующих точной временной привязки, положений и другой атрибутивной информации. Конечный результат не ограничивается выводом на карту. Положения объектов и маркеры времени могут быть также переданы в программные пакеты, которым необходима информация для всевозможного моделирования, например создания цифровых моделей местности (ЦММ).

Навигационные возможности систем могут оказать неоценимую помощь в поиске и спасении людей, в работе милиции и пожарных, а также геодезистам при экстренном поиске определённого местоположения.

Установив картографический GPS приёмник на самолёт или вертолёт, Вы сможете создать оперативный план границ участков с большой площадью, например, горящего леса. GPS можно использовать для определения границ распространения пожара.