Контрольная работа по «Инженерная геодезия»

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Контрольная работа по предмету: «Инженерная геодезия»

 

 

Вариант №3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г.Самара 2012 г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

№	Вопрос	№ Варианта
		3
1	Какой масштаб является более мелким?	1:200 1:1000
	Ответ	1:1000
2	Расстояние между двумя пунктами на местности, м	300
	Масштаб плана	1:10000
	Каково соответствующее расстояние на плане, см?	3
3	Масштаб карты	1:1000
	Расстояние между двумя пунктами на карте, см	3,0
	Каково соответствующее расстояние на местности, м?	30
4	Абсолютная высота точки А, м	610
	Отсчет по рейке, установленной  в точке А, м	1,7
	Отсчет по рейке, установленной  в точке B, м	0,5
	Какова абсолютная высота точки В, м, определяемая путем нивелирования из «середины»	611,2
5	Дать письменное определение понятию	Трасса
6	Дать развернутый письменный ответ  на следующий вопрос из перечня вопросов к зачету:	23

 

 

 

Пояснения:

 

1. Численный масштаб, например 1:100 000, указывает, что одной единице длинны на карте или плане соответствует столько-то единиц на местности, т.е. знаменатель дроби показывает во сколько раз горизонтальные линии на местности уменьшены при их изображении на плане или карте. Причем чем мельче будет изображение одного и того же объекта на бумаге, тем масштаб называют более мелким.

          Таким  образом, более мелким масштаб  будет тогда, когда число в  знаменателе масштаба будет больше.

 

     Отсюда правильный  ответ в этом вопросе 1:1000.

 

2. Если расстояние между двумя пунктами на местности 300 м, а масштаб плана 1:10000, то соответствующее расстояние на плане будет 0,03 м (уменьшено в 10000 раз). Или, в сантиметрах, 3 см.

 

3. Отрезок в 3 см на карте масштаба 1:1000 на местности будет в 1000 раз больше, т.е. 3000 см или 30 м.

 

4. При нивелировании «из середины», превышение передней точки над задней равно «отсчету назад» минус «отсчет вперед». Таким образом, абсолютная высота точки B:

 

H_В = H_А + (h_А – h_В),

 

где H_А - абсолютная высота точки A, h_А и h_В – отсчеты по рейкам, установленным в точках A и B соответственно. Отсюда абсолютная высота точки B будет равна 611,2 м.

 

5. Трасса – осевая линия линейного сооружения большой протяженности, закрепленная на местности.

 

6. В этом задании отвечаем на вопрос № 23 из «Перечня вопросов к зачету по курсу Инженерная геодезия», а именно: «Системы глобального спутникового позиционирования (системы GPS и ГЛОНАСС). Базовые принципы и возможности».

 

Спутниковая система навигации— комплексная  электронно-техническая система, состоящая из совокупности наземного и космического оборудования, предназначенная для определения местоположения (географических координат и высоты), а также параметров движения (скорости и направления движения и т. д.) для наземных, водных и воздушных объектов.

Основные элементы спутниковой  системы навигации:

Орбитальная группировка, состоящая  из нескольких (от 2 до 30) спутников, излучающих специальные радиосигналы; Наземная система управления и контроля, включающая блоки измерения текущего положения спутников и передачи на них полученной информации для корректировки информации об орбитах;

Приёмное клиентское оборудование («спутниковых навигаторов»), используемое для определения координат;

Дополнительные опции: информационная радиосистема для передачи пользователям поправок, позволяющих значительно повысить точность определения координат.

 

Принцип работы: Принцип работы спутниковых  систем навигации основан на измерении  расстояния от антенны на объекте (координаты которого необходимо получить) до спутников, положение которых известно с большой точностью. Таблица положений всех спутников называется альманахом, которым должен располагать любой спутниковый приёмник до начала измерений. Обычно приёмник сохраняет альманах в памяти со времени последнего выключения и если он не устарел — мгновенно использует его. Каждый спутник передаёт в своём сигнале весь альманах. Таким образом, зная расстояния до нескольких спутников системы, с помощью обычных геометрических построений, на основе альманаха, можно вычислить положение объекта в пространстве. Метод измерения расстояния от спутника до антенны приёмника основан на определённости скорости распространения радиоволн. Каждый спутник навигационной системы излучает сигналы точного времени, на основе атомных часов, находящихся на спутнике. При работе спутникового приёмника его часы синхронизируются с системным временем и при дальнейшем приёме сигналов вычисляется задержка между временем излучения, содержащимся в самом сигнале, и временем приёма сигнала. Располагая этой информацией, навигационный приёмник вычисляет координаты антенны. Для получения информации о скорости большинство навигационных приёмников используют эффект Доплера. Дополнительно накапливая и обрабатывая эти данные за определённый промежуток времени, становится возможным вычислить такие параметры движения, как скорость (текущую, максимальную, среднюю), пройденный путь и т. д. В реальности работа системы происходит значительно сложнее.

Global Positioning System (GPS) – это спутниковая  навигационная система, состоящая из работающих в единой сети 24 спутников, находящихся на 6 орбитах высотой около 20 200 км над поверхностью Земли. Спутники постоянно движутся со скоростью около 3 км/сек, совершая два полных оборота вокруг планеты менее, чем за 24 часа.

    Спутниковая система  GPS известна также под другим  названием – NAVSTAR. Очевидно, рассказ  о GPS был бы неполным без  сведений о самих спутниках:  Первый GPS-спутник был запущен  в феврале 1978 г. Каждый спутник  весит более 900 кг и имеет  размер около 5 м (с раскрытыми солнечными батареями). Мощность радиопередатчика – не более 50 ватт. Каждый спутник передает сигналы на 3-х частотах. Гражданские GPS-приемники используют частоту “L1”, равную 1575.42 МГц.

Каждый спутник рассчитан на работу примерно в течение 10 лет

    Орбиты спутников располагаются  примерно между 60 градусами северной  и южной широты. Этим достигается  то, что сигнал, хотя бы от некоторых  спутников может приниматься  повсеместно в любое время.  Даже на полюсах можно “увидеть”  спутники – правда, они не будут пролетать прямо над головой. Это, конечно, повлияет на геометрию и , следовательно, на точность – но лишь немного.

    В основе работы системы  GPS лежит: 

- спутниковая трилатерация (на  ней базируется работа системы);

- спутниковая дальнометрия (измерение расстояний до спутников);

- точная временная привязка (высокоточная  синхронизация отсчета времени  в системе спутники-приемники);

- точное положение спутников  в космосе;

- коррекция ошибок, вносимых задержкой  радиосигнала спутника в ионосфере и тропосфере.

    Спутниковая трилатерация  предполагает, что точные координаты  любой точки на поверхности  Земли могут быть вычислены  путем измерений расстояний от  группы спутников до искомой  точки, если их положение в  космосе известно. В этом случае  спутники являются пунктами с известными координатами. Предположим, что расстояние от одного спутника известно, и вокруг него можно описать сферу заданного радиуса. Если известно также расстояние до второго спутника, то определяемое местоположение будет расположено где-то в круге, задаваемом пересечением двух сфер. Третий спутник определяет две точки на окружности. Четвертый спутник позволяет окончательно точно определить местоположение точки. Таким образом, зная расстояние до четырех спутников, можно вычислить координаты определяемой точки.

    Расстояние до спутников  определяется по измерениям времени  прохождения радиосигнала от  космического аппарата до приемника,  умноженным на скорость света.  Для того чтобы определить время распространения сигнала, нам необходимо знать, когда он был передан со спутника. Для этого на спутнике и в приемнике одновременно генерируется одинаковый псевдослучайный код. Каждый спутник системы GPS передает 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 частоты L2 модулируется только с P-кодом.

    Какую же информацию  передает GPS-спутник? Его сигнал  содержит так называемый “псевдослучайный  код” (PRN - pseudo-random code), эфимерис (ephimeris) и  альманах (almanach). Псевдослучайный код  служит для идентификации передающего  спутника. Все они пронумерованы от 1 до 32 и этот номер показывается на экране GPS-приемника во время его работы. Почему же количество PRN-номеров больше, чем число спутников (24)? Это облегчает обслуживание GPS-сети: новый спутник может быть запущен, проверен и введен в эксплуатацию еще до того, как старый выйдет из строя. Такому спутнику просто будет присвоен новый номер ( от 1 до 32). Данные эфимериса, постоянно передаваемые каждым спутником, содержат такую важную информацию, как состояние спутника ( рабочее или нерабочее), текущая дата и время. Без этого Ваш GPS-приемник не знал бы, в частности, какой сегодня день и сколько сейчас времени. Помимо этого, как мы увидим далее, эта часть сигнала крайне важна для определения местоположения. Данные альманаха говорят о том, где в течение дня должны находиться все GPS-спутники. Каждый из них передает альманах, содержащий параметры своей орбиты, а также всех других спутников системы.

    Как видно из вышесказанного, вычисления напрямую зависят  от точности хода часов на  спутниках и в приемниках. Код должен генерироваться на спутнике и в приемнике строго в одно и то же время. На спутниках установлены атомные часы, имеющие точность около одной наносекунды. Однако это решение является слишком дорогим, чтобы использовать его в приемниках GPS. Поэтому для устранения ошибок хода часов приемника используются результаты измерения сигналов от четвертого спутника. Их можно использовать для устранения ошибок, которые возникают, если часы на спутнике и в приемнике не синхронизированы

 

4. Принцип работы системы ГЛОНАСС

 

    Полная орбитальная группировка  (ОГ) в СРНС (спутниковая радионавигационная  система) ГЛОНАСС должна содержать  24 штатных Космических Аппарата  – спутников,  на круговых орбитах  на высоте 19100км., в трех орбитальных  плоскостях по восемь спутников в каждой. Управление орбитальным сегментом ГЛОНАСС осуществляет наземный комплекс управления. Он включает в себя Центр управления системой (г. Краснознаменск, Московская область) и сеть станций слежения и управления, рассредоточенных по территории России. Наземный комплекс управления осуществляет сбор, накопление и обработку траекторной и телеметрической информации обо всех спутниках системы, формирование и выдачу на каждый спутник команд управления и навигационной информации, а также контроль качества функционирования системы в целом. Управление спутниками ГЛОНАСС осуществляется в автоматизированном режиме. ГЛОНАСС является государственной системой, которая разрабатывалась как система двойного использования, предназначенная для нужд Министерства обороны и гражданских потребителей. По новому, корректированному, проекту программы ГЛОНАСС спутниковая группировка системы будет состоять из 30 космических аппаратов, часть из которых будет находиться в рабочем резерве. На сегоднешний момент, при доведении количества действующих спутников до восемнадцати, на территории России обеспечивается практически 100%-ная непрерывная навигация. На остальной части земного шара при этом перерывы в навигации могут достигать полутора часов. Практически непрерывная навигация по всей территории Земли обеспечивается при полной орбитальной группировке из двадцати четырёх действующих спутников.

    Принцип определения  координат аналогичен американской  системе NAVSTAR (GPS). Разница состоит  только в том, что в системе ГЛОНАСС применяется разделение сигналов по частотам (FDMA), которые излучают искусственные спутники – это означает, что каждый спутник работает на своей персональной частоте, в диапазоне частот L1 1602,56 — 1615,5  МГц и L2 1246,44 — 1256,5 МГц. А система спутниковой навигации GPS применяет принцип СDMA – кодовое деление сигналов, и все спутники системы работают на только одной частоте L1 1575,42 МГц и L2 1227,6 МГц. Как и в системе GPS диапазон L1 – для гражданского применения, диапазон L2 используется для нужд военной навигации. Так же есть различия в построении космической группировки спутников, ГЛОНАСС имеет преимущества на высоких широтах, а GPS — на средних.

    В системе ГЛОНАСС  спутники непрерывно излучают  навигационные сигналы двух типов:  навигационный сигнал стандартной точности (СТ) в диапазоне L1 (1,6 ГГц) и навигационный сигнал высокой точности (ВТ) в диапазонах L1 и L2 (1,2 ГГц). Информация, предоставляемая навигационным сигналом для гражданского применения, доступна всем потребителям на постоянной и глобальной основе и обеспечивает, при использовании приемников ГЛОНАСС возможность определения:

- горизонтальных координат с  точностью 50-70 м (вероятность 99,7%);

- вертикальных координат с точностью  70 м (вероятность 99,7%);

- составляющих вектора скорости с точностью 15 см/с (вероятность 99,7%)

- точного времени с точностью  0,7 мкс (вероятность 99,7 %).

    Эти точности можно  значительно улучшить, если использовать  дифференциальный метод навигации  и/или дополнительные специальные  методы измерений. Сигнал ВТ предназначен, в основном, для потребителей МО РФ , и его несанкционированное использование не рекомендуется. Вопрос о предоставлении сигнала ВТ гражданским потребителям находится в стадии рассмотрения.

    Как и в системе  GPS, радиосигналы верхнего диапазона частот спутников ГЛОНАСС состоят из двух сдвинутых на 90 градусов фазоманипулированных сигналов открытого дальномерного сигнала и дальномерного сигнала высокой точности, доступного ограниченному кругу потребителей. Узкополосный сигнал открытого дальномерного кода модулируется также служебной навигационной информацией. В настоящее время сигналы нижнего диапазона предназначены только для передачи высокоточного кода, однако, перспективные спутники ГЛОНАСС-М, в нижнем диапазоне частот будут излучать и сигналы открытого дальномерного кода, что позволит всем категориям пользователей осуществлять ионосферную коррекцию.