Современная геодезия

       Аналогичные принципы используются и в диапазоне  радиоволн. Это так называемая радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой (РСДБ). Такой интерферометр состоит из двух разнесенных на очень большое расстояние (до тысяч километров) радиотелескопов, которые принимают и записывают радиоизлучение от одного и того же внегалактического квазара. Обе записи получаются идентичными, но сдвинутыми по времени: расстояния от квазара до каждого из радиотелескопов различны. Эти записи сводятся в корреляторе, позволяющем менять задержку одного сигнала относительно другого. Когда длительность задержки становится равна величине временного сдвига между записями, сигнал на выходе коррелятора достигает максимума. А так как из-за вращения Земли разность расстояний до квазара, а следовательно, и задержка периодически изменяются, возникает "частота интерференции", которая тоже может быть измерена. По измеренным величинам длина базы (расстояние между радиотелескопами) и направление на квазар определяются с очень высокой точностью (порядка 3 сантиметров и до 0,001 угловой секунды соответственно). Метод РСДБ весьма перспективен при изучении многих геофизических и геодинамических явлений.

       Электроника позволила автоматизировать и угловые  измерения. Электронный теодолит представляет собой устройство, которое преобразует  в электрические сигналы угловые  величины, записанные в виде системы  непрозрачных штрихов или кодовых  дорожек на стеклянном диске. Диск просвечивается световым лучом; при повороте теодолита на фотоприемнике создается сигнал в двоичном коде, который после расшифровки выводится на табло в цифровом виде.

       Объединение электронного теодолита, малогабаритного  фазового светодальномера и микрокомпьютера в единую конструкцию позволило создать электронный тахеометр-прибор, позволяющий выполнять как угловые, так и линейные измерения с их обработкой в полевых условиях. В зарубежной литературе такие приборы получили название Total Station (универсальная станция). Их точность доходит до 0,5 угловой секунды и 2 миллиметров + 2 мм/км, а дальность действия - до 5 километров.

       Внедрение лазерной техники в геодезию привело, в частности, к разработке остроумного  метода нивелирования "лазерной плоскостью" (системы Laserplane). Ярко-красный луч вертикально расположенного лазера падает на вращающуюся призму, создающую развертку луча в горизонтальной плоскости. Это позволяет брать отсчет по световому пятну на рейке, поставленной в любом направлении от лазера. Такой способ не дает высокой точности, но отличается быстротой и обеспечивает работу по неограниченному числу реек, что удобно для многих работ по высотной съемке. Для точных измерений сконструирован цифровой нивелир, работающий по кодированной рейке. Код несет информацию о высоте любого места рейки относительно ее "нуля". Изображение преобразуется в электрический сигнал, и при работе по двум рейкам автоматически определяется превышение между точками их установки.

       Лазерный  луч представляет собой и почти  идеально прямую опорную линию в  пространстве, относительно которой  можно производить измерения  при точном монтаже оборудования, строительных работах и пр.

       За  последние двадцать лет произошел  новый качественный скачок, который  можно назвать второй революцией в геодезии. Появились глобальные спутниковые системы,кардинально изменившие ситуацию в геодезии и навигации. Они позволяют сразу же, без всяких предварительных измерений, определять координаты любых точек на поверхности Земли и находить расстояние между ними с высокой точностью.

       Подобных  систем сейчас две: разработанная в  США система GPS (Global Positioning System - глобальная система определения местоположения) и отечественная система ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система). Как GPS, так и ГЛОНАСС построены, в общем, по одному и тому же принципу, хотя и различаются в некоторых деталях. Аналогичные системы, только попроще, используются в специализированной автомобильной аппаратуре (см. "Наука и жизнь" N 11, 2001 г.).

       Космический комплекс представляет собой систему  из двадцати четырех спутников, размещенных: в GPS - в шести орбитальных плоскостях, развернутых через 60њ по долготе; в системе ГЛОНАСС - в трех плоскостях через 120њ на высоте порядка 20 тысяч  километров. Это позволяет постоянно  наблюдать в любой точке земного  шара не менее четырех спутников  каждой системы. На всех спутниках имеются  стандарты частоты с долговременной стабильностью порядка 10-12 - 10-13. Спутники излучают радиоволны на двух частотах (с длинами волн порядка 20 сантиметров), которые "несут" сложные кодированные сигналы.

       Наземный  комплекс системы определяет координаты спутников и передает их на борт, где они закладываются в сигнал, посылаемый на Землю, синхронизирует спутниковые "часы" и сверяет их с наземной опорной шкалой времени. Для этого  на центральной станции имеется водородный стандарт частоты со стабильностью 10-14, что соответствует уходу на 0,3 секунды за миллион лет.

       Сигналы со спутников принимает и обрабатывает аппаратура в пункте измерения. Приемники  могут работать в двух режимах, получивших название кодовых и фазовых измерений. Кодовые измерения называют также  абсолютными, так как сразу определяют координаты пункта в геоцентрической  системе координат. Делается это  следующим образом. Радиоволны, излучаемые со спутника, модулируются по фазе так  называемым дальномерным кодом, и такой  же код вырабатывается в приемнике. (Предусмотрены два кода - "грубый", доступный для всех, и "точный", доступ к которому должен быть санкционирован.) Путем сравнения этих двух кодовых  сигналов определяют время распространения  сигнала от спутника до приемника  с учетом разности показаний их часов  относительно опорного времени. Если одновременно измерить расстояния до четырех спутников, получится система из четырех  уравнений с четырьмя неизвестными - три координаты и разность во времени, решением которой и находят искомые  координаты.

       Режим кодовых измерений дает "навигационную" точность - порядка нескольких десятков метров. Чтобы ее повысить, используют два приемника. Один устанавливают  на пункте с известными координатами, определяют в нем разности измеренных и вычисленных ("эталонных") величин  и передают их на подвижной приемник для исправления измерений. Такой  способ сводит ошибку к величине до одного метра.

       Для геодезических целей применяют  гораздо более точный режим фазовых  измерений, при которых определяют не время распространения сигнала  от спутника до приемника, а сдвиг  фазы несущей частоты, излучаемой спутником. Выполняют их с двумя разнесенными приемниками и определяют разности их координат, по которым можно вычислить  расстояние между приемниками с  точностью до миллиметров. А если один из них поместить в точку  с известными координатами, что обычно и делается, то можно легко получить и абсолютные координаты второго  приемника на сантиметровом уровне точности.

       Основная  задача здесь, как и в наземных фазовых дальномерах, - точное определение  целого числа длин волн, "уложившихся" на трассе спутник - приемник. Это то самое число N, о котором говорилось выше, но в данном случае оно намного больше и определять его гораздо сложнее. Поскольку расстояние до спутника равно примерно 20 тысячам километров, а длина волны - около 20 сантиметров, число длин волн N получается порядка миллиона; измерить же его нужно совершенно точно: ошибка на единицу даст отклонение по дальности на 20 сантиметров. Сейчас разработано несколько способов решения этой задачи, но именно с ней чаще всего связаны сбои в работе системы.

       К настоящему времени в разных странах  разработано очень много типов GPS-приемников, различающихся по своим возможностям. По сути дела, большинство геодезических задач может быть решено при использовании двух основных измерительных средств: глобальной спутниковой системы и электронного тахеометра. Добавление к ним спутниковых лазерных дальномеров, аппаратуры РСДБ и оптических интерферометров образует мощный арсенал геодезической измерительной техники ХХI века.