GPS-координирование в геодезии

Спутниковые приемники давно стали неотъемлемой частью технического оснащения для геодезических изысканий и кадастровой деятельности. Чтобы понимать их пользу и оптимально использовать, важно разобраться в назначении такого оборудования и его технических особенностях. В этом материале мы рассмотрим принцип работы GPS-приемников (ГЛОНАСС функционирует по аналогичной схеме). Уточним их роль в геодезии, а также главные отличия профессиональных геодезических приборов от обычных GPS-модулей в смартфонах и бытовых навигаторах.

Что из себя представляет GPS?

Система GPS — это глобальная навигационная система, название которой расшифровывается как Global Positioning System, то есть «Глобальная система позиционирования». Проект создавался для нужд американских военных, но спустя годы технологии стали доступны в гражданской сфере и нашли массу разнообразных применений. Сейчас GPS-привязка прочно вошла в повседневную жизнь, и многие просто не обращали внимания на этот технический прогресс. Ведь в обиходе навигаторами пользуются давно, и заметили, что это очень необходимая вещь только тогда, когда местами она перестала работать из-за глушилок или других подобных систем. Основу работы системы обеспечивают три главных звена:

1. Космический сегмент — 24 спутника системы NAVSTAR, первый из которых был выведен на орбиту в 1978 году. Для резервирования в системе присутствует еще пара запасных аппаратов, которые готовы заменить нерабочие спутники. Каждый спутник оборудован передатчиком, работающим на двух частотах (1575,42 МГц и 1227,6 МГц), и атомными часами, благодаря которым время на всех спутниках строго синхронизировано. Такой уровень синхронизации позволяет обеспечивать высокую точность позиционирования на всей планете.
2. Наземные станции слежения — основная «невидимая» часть инфраструктуры, отвечающая за управление и корректировку орбит спутников и синхронизацию всей системы. Именно эти центры позволяют поддерживать корректность и точность системы.
3. Пользовательские приемники — очень разнообразные устройства, от простых навигаторов до сложных геодезических приборов. Их задача — принять данные со спутников, обработать их и предоставить пользователю координаты точки. Для наглядности часто приводят сравнение: спутник — это антенна, передающая сигнал, а приемник — аналогично радиоприемнику. Он «ловит волну» и интерпретирует ее в понятную нам информацию о местоположении.

Суть других систем глобального позиционирования(таких как GALILEO, GLONASS) также очень похожи на GPS. Они работают на других частотах, летают на других высотах и т.д. Суть не меняется. Более того — большинство геодезических и гражданских приемников работает одновременно с разными системами. Это говорит об их унификации между собой. Такой подход позволяет сильно увеличить точность позиционирования и уменьшить время получения фиксированного решения.

 Задача GPS измерений в геодезии

Сфера применения GPS в профессиональной среде очень широка. Вот лишь некоторые примеры:

• Глобальные мониторинговые задачи — например, наблюдения за тектоническими процессами и перемещением плит. Стоя на движущейся плите, нельзя с помощью обычных приборов оценить ее движение. А с помощью спутниковых наблюдений — можно.
• Построение и восстановление съемочных и опорных сетей — при помощи приемников определяется точное расположение опорных пунктов, которые в дальнейшем становятся базой при строительстве или других геодезических работах..
• Топографическая съемка и разбивка — при устойчивом сигнале можно сразу выполнять съемки разных масштабов или выносить проекты в натуру, обходя этап закладки дополнительных точек.
• Кадастровые работы — определение для межевания и закрепление в натуре координат границ земельных участков чаще всего производится именно при помощи геодезических GPS-приемников в привязке к пунктам государственной геодезической сети (ГГС).

Принцип работы GPS приемников

Для определения положения приемнику требуется сигнал минимум от трёх спутников (широта и долгота) или четырёх, если нужна также высота. Это правило абсолютно для всех типов спутниковых приемников. Чем больше спутников «видит» антенна устройства, тем быстрее и точнее получится определить координаты. Многие профессиональные приемники поддерживают не только GPS, но и ГЛОНАСС, Galileo, а иногда также китайскую Compass или Beidou. С распространением всех этих систем в наших условиях можно отслеживать до 60 спутников одновременно, что значительно увеличивает точность.

Принцип определения координат приемника достаточно прост. Они получаются методом обратных засечек от передатчиков спутников. Обо всем по порядку. Передатчик и приемник имеют высокоточные часы. В спутнике они атомные с погрешностью 10¯9 секунды/год. В геодезических приемниках часы попроще, но тоже гораздо точнее наручных. Передатчик высылает кодированный сигнал с данными о времени передачи, своей орбите и координатах и многое другое. Сигнал со скоростью света достигает приемника и обрабатывается им. Время передачи и приема различается на незначительную величину, но именно по этим данным можно определить расстояние до спутника. Поэтому и часы должны быть очень точными. Расстояние есть скорость помноженная на время. Перемножив скорость света и время прохождения сигнала и определяется псевдодальность до спутника. И так происходит со всеми спутниковыми сигналами.

Получается, что в каждый момент времени приемник получает одновременно сигналы от нескольких спутников и определяет свое местоположение относительно них. Понятно, что спутники постоянно движутся по разным орбитам, и приемник не стоит на месте. Учет этих и других факторов ложится на вычислительную мощь приемника и наземных центров управления системой.

Этот принцип един и для геодезических и для любых других гражданских приемников (навигаторы в телефонах, часах и т.д). Но отличия все же есть, и они достаточно критичны. Иначе любой бы смог с помощью телефона проводить геодезические работы.

Разница в GPS приемниках геодезических и обычных

Важно понимать разницу в «начинке» и принципах работы профессиональных геодезических устройств и обычных навигаторов:

• Обычные GPS-приемники на телефонах и навигаторах работают только с открытым, так называемым «грубым» кодом, в который заложена преднамеренная небольшая ошибка (это ограничение, введенное производителем по соображениям безопасности и коммерции). Для получения точной частоты необходим специальный дешифратор, обычно очень дорогой.
• Бытовые GPS-устройства определяют свое абсолютное положение и работают автономно — точность может быть в пределах 20 метров и более.

• Геодезические приемники чаще всего используются в паре: базовая станция (на известной точке) и перемещаемый ровер (на измеряемых точках) одновременно получают сигналы от одних и тех же спутников. Если вычисление идет не только от спутников, но и относительно базы, то координаты можно узнать с точностью до 1–2 см. Базовые станции сейчас предоставляют несколько организаций. Все это, естественно, за деньги. И нужно это только геодезистам.
• Правильный выбор и расчет пунктов ГГС критично важен для высокоточных работ, ведь многие старые пункты утрачены или требуют уточнения координат. Обычно используется сразу несколько пунктов и дополнительное уравнивание для повышения надежности итогового результата. Базовые станции можно ставить самому на известные пункты ГГС. Но сейчас данные с баз предоставляют несколько организаций на возмездной основе. Местоположение их уже уравнено и ими сразу можно пользоваться в реальном времени. Для простого обывателя все эти функции недоступны.

Различаются и цена, и габариты, и требования к питанию: геодезические приемники многократно дороже и больше по размеру, чем бытовые аналоги. Все просто — в угоду размеру и стоимости обычные смартфоны не могут решать геодезические задачи.

Методы геодезических измерений GPS приемниками

Обычно работают минимум двумя приемниками: базовый на известной точке и второй — на определяемых позициях. Различают несколько методик:

• Статический способ — обеспечивает максимальную точность, но требует длительных (1 час и более) измерений. Применяется для создания опорных сетей. Координаты получают после последующей обработки данных.
• Быстростатический — примерно 15–20 минут на каждой точке. Используется для сгущения сетей.
• Кинематический Stop-and-Go — позволяет быстро проводить съемки с точностью до 1–2 см. Расчет координат происходит сразу же, на месте.
• Непрерывный кинематический метод — когда приемник постоянно в движении; используется при трассировании дорог, коммуникаций и т.д., точность 10–15 см.
• RTK (реальное время) — передача поправок базовой станции для вычислений «на ходу» за секунды, быстро и очень точно. Применяется особенно активно в крупных агломерациях.

Как видно — методы отличаются временем непрерывного нахождения приемника на определяемом пункте. Чем дольше — тем точнее.

Стоимость работ с использованием GPS приемников

GPS измерения включаются в состав большинства инженерно-изыскательских  и кадастровых работ, поэтому и стоимость  измерений прописывается в смете на данный вид работ. То есть эти измерения являются одним из этапов проведения топографической съемки, межевания и т.д.

Как отдельный вид- GPS определение координат пунктов проводится для создания опорных сетей, для разных строительных и не только нужд. Стоимость определения местоположения спутниковым методом можно узнать в составе других видов работ по кнопке ниже.