Спутниковые технологии сбора данных для ГИС. Глобальная спутниковая навигационная система ГЛОНАСС

Считается, что используемая в GPS система координат WGS84 (World Geodetic System 1984), созданная в бывшем Картографическом управлении министерства обороны США, близка по точностным параметрам к ITRF. Взаимное положение пунктов в ПЗ-90  определяется с погрешностью около 30 см [14].

• Существующие приемные устройства

 

Приемные устройства, составляющие подсистему аппаратуры пользователей, на сегодняшний день, достигли высокого совершенства. Особенно широкое практическое распространение получили приемники GPS. Их выпуском в настоящее время в мире занимаются более 50 фирм. В России известны фирмы из США (Magellan, Trimble, Ashtech, Garmin, Leica), Франции (Se-rcel), Швеции (Geotronics) и др. В настоящее время работают приемные устройства, одновременно использующие спутники GPS и ГЛОНАСС. Так, к примеру, новый приемник GG24 Ashtech имеет 12 каналов для наблюдений спутников каждой системы [10].

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.

 
Рисунок 32. Портативные приемные устройства подсистемы аппаратуры пользователей спутниковых систем по-зиционирования GARMIN GPSmap 60C и 60CS

 
Рисунок 33. Стационарный интегрированный картплоттер / эхолот GARMIN GPSmap 376C

Приемники геодезического класса можно разделить на два основных типа:

• точные фазовые приемники семейства 4000 и 4600, применяемые в геодезии, геодинамике, позволяющие определять координаты с максимальной точностью до 5 мм; 
• приемники для картографии и ГИС семейства РathFinder, позволяющие определять координаты с максимальной точностью до 10 см.

Приемники первого типа применяются в основном для создания геодезических сетей, служащих координатной основой цифровых карт, обычно используются на начальном этапе, например для привязки аэрофотоснимков перед их трансформированием, сканированием и векторизацией. Также точные приемники могут быть задействованы в том случае, когда цифровая карта территории разорвана на отдельные фрагменты (планшеты) и в процессе ее «сшивки» ошибки по краям достигают значительных величин. В большинстве случаев основной причиной этих ошибок является различие координатных систем на различных планшетах или ошибки, внесенные полевыми геодезическими измерениями. С помощью точных GPS приемников серии 4000 и 4600, определяющих координаты с сантиметровой точностью, вся оцифрованная территория может быть в сжатые сроки покрыта плотной сетью связанных пунктов, жестко посаженной на исходную геодезическую основу. Практически все инструментальные геоинформационные системы, используемые в России, имеют встроенный аппарат для «сшивания» планшетов и устранения ошибок при введении жесткой координатной основы. Методика работы с GPS-приемниками заключается в полевых измерениях (полностью автоматизированных) и обработке данных в камеральных условиях, с окончательным результатом в виде файла, содержащего каталог координат определяемых пунктов всистеме исходного каталога [15].

Приемники второго типа могут применяться для сбора данных в уже существующие ГИС в целях внесений оперативных изменений и дополнений в базы данных. Методика съемки предусматривает работу с тремя типами объектов: точечными (деревья, столбы, колодцы, углы строений, заборов и пр.), линейными (лесные просеки, дороги, ЛЭП, трубопроводы и пр.), площадными (таксационные выделы, лесосеки, гари, строения, земельные участки, сельскохозяйственные наделы и пр.). В процессе измерений объект «привязывается» кместной системе координат с точностью до 50 см, что удовлетворяет требованиям масштаба 1:5000. Координаты точечных объектов могут быть определены в местной системе с точностью до 10 см.

РathFinder позволяет произвести обработку «сырых» измерений, полученных в поле, трансформировать их в требуемую систему координат и преобразовать выходной файл в формат наиболее популярных ГИС (АRС/INFO, Map-info, САDdy и пр.), или форматы DXF и DWG. Таким образом, измерения, сделанные в поле, преобразуются в цифровую форму и могут быть наложены на имеющуюся цифровую карту данной территории. Метод позволяет полностью исключить трудоемкие этапы создания цифровой карты, имеющие место при традиционных геодезических измерениях (длительные полевые работы, обработка результатов, рисовка планшета, дигитализация или векторизация сканированного изображения). Семейство РathFinder позволяет использовать неограниченное количество передвижных приемников с одним базовым (неподвижным), причем радиус действия базового приемника может составлять до 200 км.

Как показала наша практика, наиболее популярный представитель семейства РathFinder – 8 или 12 канальный приемник РroXR, весьма удобен вполевых условиях и при работе под пологом леса (рис. 33).

Координатное обеспечение. ГЛОНАСС работает 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.

Геоцентрические координаты. ГЛОНАСС – в координатах ПЗ-90 (Параметры Земли, 1990). У эллипсоида ПЗ-90 большая полуось а = 6 378 136 м, а сжатие α = 1/298,257 839 303.

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.

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[4,C.105].

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 3 Перспективы развития спутниковых технологий позиционирования в геоинформационных приложениях

 

Наиболее перспективным направлением GPS-технологий и их приложений в ГИС, геодезии и картографии в целом можно считать дифференциальное позиционирование – DGPS, позволяющее повысить точность навигационных определений до 0.5 м непосредственно в лесу.

Для нормального функционирования системы DGPS необходимо наличие на территории России базовых станций, транслирующих дифференциальные поправки и создающих так называемое дифференциальное поле. В этом случае пользователь GPS-приемников для ГИС может получать необходимую точность измерений без последующей обработки, используя всего лишь один приемник (экономя до 50% средств). Используя новые программно-аппаратные средства фирмы ТRIMBLE, можно с помощью системы DGPS производить съемку для ГИС непосредственно в лесу с наложением данных на готовую цифровую карту местности с одновременным введением необходимых условных знаков, обозначений названий, атрибутов и описаний объектов, привязанных к местной системе коорди нат с точностью до полуметра. Подобную возможность предоставляет программно-аппаратный комплекс Аspen GPS, представляющий собой полевой защищенный компьютер типа РеnВооk, использующий для ввода информации клавиатуру или световое перо, что наиболее удобно в полевых условиях, и GPS-приемник (РroХL или РСМСIA-карта). Для приема дифференциальных поправок используется радиомодем.

В сентябре 2005 года ТRIMBLE анонсировал выпуск модифицированных приемников РгоХR. Этот приемник представляет собой усовершенствованную модель приемника РгоХL с одним важным дополнением: вместo GPS-антенны в новом приемнике используется совмещенная антенна для приема сигналов GPS-спутников и NavBeakon для приема дифференциальных поправок от базовых дифференциальных станций, вещающих в диапазоне средних волн [3,C.205].

Важнейшее направление развития GPS-технологий в геодезии, картографии и ГИС – цифровая воздушная фото-, видео- и лазерная съемка с использованием GPS-приемников для определения координат съемочной камеры в процессе полета. Как уже отмечалось выше, данная методика съемки местности позволяет практически в полете получать цифровую модель местности в растровом виде с привязкой к местной системе координат. Подобная технология цифровой съемки местности позволяет получать изображение с разрешениием до 5–15 см и полностью исключить несколько трудоемких этапов создания карт, присущих традиционной аэрофотосъемке и, следовательно, получить существенную экономическую выгоду (Медведев, 2003).

Это основные направления дальнейшего развития новых методов геодезии, картографии и ГИС, в которых технологии глобального спутникового позиционирования могут найти самое широкое использование применительно к решению целого ряда задач мониторинга природных систем и техногенных объектов уже в самом ближайшем будущем

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-при-емников, 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[3,C.207].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

Глобальная спутниковая радионавигационная система «ГЛОНАСС» является советским и российским аналогом американской спутниковой системы «GPS» В ходе своего долгого развития она переживала множество проблем, которые были связаны с финансированием разработки, а также в техническом плане. Долго длилась ситуация с недостатком спутниковых единиц в космической группировке из-за короткого периода эксплуатации космических аппаратов. Недостаточность денежных средств, выделяемых на навигационную спутниковую систему, мешала создать нормальный интервал производства и вывода спутников в околоземную орбиту, поэтому их количество оставалось очень низким около 15 лет. Сейчас стали выделяться большие финансовые средства на дальнейшую разработку отечественной технологии.

Таким образом, из всего выше сказанного можно выделить следующие преимущества применения спутниковых методов позиционирования для ГИС:

• 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.