Obsah článku
Proces pozorování prvních umělých satelitů Země odhalil jeden zajímavý vzorec – prostorovou polohu satelitu lze vypočítat s dobrou přesností kdykoli v čase. Tato vědecká skutečnost vedla vědce k skutečně revolučnímu objevu – používat satelity umístěné stovky kilometrů od Země k určení prostorové polohy pozemských objektů..
Z předchozích článků našeho cyklu „Aplikovaná geodézie“ jsme se dozvěděli, že ke stanovení souřadnic neznámého bodu potřebujeme dva body se známými souřadnicemi, které jsou pevně fixovány na zemi (body Státní geodetické sítě). Někdy byli daleko od subjektu, který nutil umělce položit teodolitové pasáže, často několik kilometrů. Nyní se satelity neustále se pohybující ve vesmíru staly takovými „tvrdými“ body, vůči nimž jsou určeny souřadnice objektů na zemi.
GPS
GPS (Global Positioning System – Global Positioning System) je soubor elektronických prostředků, které vypočítávají umístění a rychlost objektu na zemském povrchu nebo v atmosféře. Tyto parametry jsou určeny díky přijímači GPS, který přijímá a zpracovává signály ze satelitů. Aby se zvýšila přesnost měření, polohovací systém zahrnuje také pozemní řídicí a zpracovatelská centra.
Pokud jde o GPS, nejčastěji máme na mysli systém NAVSTAR, vyvinutý na příkaz ministerstva obrany USA. Obecně bylo mnoho inovativních věcí nejprve „vyzkoušeno“ armádou a poté byly „uvolněny masám“. Po mnoho let se pojem „GPS“ stal synonymem pro satelitní navigaci, stejně jako neologismus „Xerox“ v zásadě znamená jakýkoli kopírovací stroj, nejen výrobu XEROXu. V současné době se kromě NAVSTAR GPS vyvíjí nebo uvádí na trh čínský Beidou, evropský Galileo, indický IRNSS, japonský QZSS a náš rodný GLONASS..
Metody měření prostoru se používají pro:
- geodézie a kartografie
- konstrukce
- navigace
- monitorování vozidel
- mobilní komunikace
- záchranné operace
- sledování tektonického pohybu zemských kůrových desek
a v mnoha dalších oblastech lidské činnosti. Podívejme se podrobněji na některé z hlavních oblastí aplikace systémů pro měření prostoru..
GNSS
Narazíme na zařízení tohoto navigačního systému na úrovni domácnosti, pod zkratkou GNSS je skrytý pojem „Globální navigační satelitní systém“. Princip činnosti družicového navigačního systému spočívá v měření vzdálenosti od antény přijímače k satelitům, jejichž polohy jsou známy s dostatečně vysokou přesností. Tabulka satelitů se nazývá almanach a je přenášena v okamžiku zahájení měření ze satelitu do přijímače. Díky poznání vzdáleností mezi satelity a vedení almanachem můžete pomocí nejjednodušších geodetických konstrukcí, které jsme zvažovali v předchozích článcích našeho cyklu, vypočítat prostorovou polohu objektu..
Způsob měření vzdálenosti od satelitu k přijímači je založen na stanovení rychlosti přenosu rádiových vln. Aby bylo možné měření, satelity vysílají přesné časové signály, synchronizované s vysoce přesnými atomovými hodinami. Na začátku provozu je systémový čas přijímače synchronizován se satelitním časem a další měření jsou založena na rozdílu mezi časem emise signálu a časem jeho příjmu. Na základě těchto dat vypočítá navigační zařízení prostorovou polohu pozemní antény a rychlost, průběh a další parametry objektu jsou odvozeny od počáteční polohy přijímače. Jak si pravděpodobně pamatujete ze svého středoškolského kurzu fyziky, rychlost rádiových vln se rovná rychlosti světla, takže si dokážete představit, jaká je celková přesnost systému určujícího vzdálenost v milisekundách.
Anténa GNSS / GPS
Proč v některých případech dostáváme dostatečně přesnou lokalizační hodnotu a v některých případech není hodnota zcela správná? Ne každý přijímač má zabudované atomové hodiny, aby bylo možné synchronizovat a určit polohu s přijatelnou přesností, je nutné přijímat signál současně z nejméně tří satelitů. Síla přijímaného signálu je ovlivněna gravitačním polem Země, překážkami ve formě stromů, domů, odrazenými (fantomovými) signály, atmosférickou interferencí a řadou dalších důvodů. Vzhledem k tomu, že není možné umístit vysílače s vysokým výkonem na satelit, získáte nejpřesnější polohu v otevřených prostorech s jasným horizontem.
Nyní, milý čtenáři, který má smartphone s vestavěným přijímačem GPS, spěcháme vás zklamat – nemůžete požádat o otevření geodetické společnosti. Je to proto, že kapesní přijímač používá k výpočtu polohy metodu zvanou absolutní. Při současném sledování 4 satelitů může přesnost určování polohy dosáhnout 8 metrů, což je dostačující pro navigační měření. Pro geodézii se používá metoda relativního měření, při které se používají alespoň dva přijímače. Jeden z nich je nastaven na bod se známými souřadnicemi (tzv. „Základna“) a druhý je použit ke stanovení souřadnic neznámých bodů. Když dva přijímače spolupracují, přesnost měření se zvyšuje 100krát a my už můžeme získat souřadnice s centimetrovou přesností, což je dostačující pro geodetické potřeby.
GPS pro geodetické práce
Pro použití systémů pro pozorování vesmíru pro topografickou práci se používá několik metod, které se liší v přesnosti získaných hodnot a času stráveném jejich získáním..
Statika
Pro určení souřadnic neznámého bodu je jeden přijímač nainstalován v bodě triangulace nebo polygonometrie (známý bod) a druhý přijímač je umístěn v bodě, jehož souřadnice mají být určeny. Dále jsou zařízení synchronně inicializována, protože měření začínají pouze tehdy, když jsou dva přijímače zapnuty současně. Pokud jedno ze zařízení pracovalo půl hodiny a druhé 15 minut, pro získání dat se použije pouze 15 minut spolupráce. Poté, co přijímače naleznou satelity, začne sběr dat, které jsou následně zpracovány v počítači..
Obvykle trvá 15 až 30 minut od zapnutí přístroje do zahájení práce (získání správných hodnot), v závislosti na současně pozorovaných satelitech. V prvních 20–30 minutách poskytuje „základna“ pokrytí s dostatečnou přesností měření v 5kilometrové zóně, poté se každých 10 minut tento poloměr zvětšuje o 5 km, přičemž s přihlédnutím k přibližné vzdálenosti od stanice k základnímu bodu můžete zhruba vypočítat dobu stoje přístroje pro přesné umístění.
Jak je vidět na snímku jednoho z programů pro úpravu dat, zelený pruh je základní provozní čas a krátké barevné pruhy jsou čas, který přijímače přijímají na stanici s neznámými souřadnicemi. Pomocí specializovaného softwaru můžete odmítnout nesprávné hodnoty měření a zvýšit celkovou přesnost získaných hodnot.
Výhodou této metody je vysoká přesnost měření, mínus je čas strávený inicializací každého bodu.
Kinematika
„Základna“ je umístěna stejným způsobem v bodě se známými souřadnicemi a druhý přijímač může po inicializaci zaregistrovat body v pohybu bez další inicializace před každým měřením. Pokud v první metodě získáme dva základní body, z nichž bude proveden tacheometrický průzkum, tj. pro práci stále potřebujeme totální stanici, pak v případě kinematických měření stačí dva přijímače, z nichž jeden vykonává funkci totální stanice, čas registrace bodu je 1–2 minuty.
Tato metoda je velmi vhodná pro mapování lineárně rozšířených objektů, jako jsou vedení, kanály, silnice, ropovody atd. Výhodou této metody je úspora času, nevýhodou je, že je žádoucí provádět měření v krátké vzdálenosti od základny, asi 5–15 km. Pokud signál ze satelitu najednou zmizí, bude muset být inicializační postup opakován, takže tuto metodu nelze vždy použít ve velkých městech, kde vysoké budovy a stromy pokrývají horizont.
RTK GPS
Pokud nám první dvě metody dají pozici bodu v mezinárodním souřadnicovém systému, který je pak třeba převést na regionální, pak nám metoda RTK (z anglické kinematiky v reálném čase – kinematika v reálném čase) umožňuje získat hodnoty prostorové polohy bodů v souřadném systému přijatém pro naši oblast. pomocí pouze jednoho přijímače. Ne, základní bod nepochybně existuje, ale v tomto případě jsou základní body fixovány na vysokých budovách a společně tvoří síť podobnou mobilní. Přijímač i základnové stanice si vyměňují informace přes internet, což jim umožňuje synchronizovat nejen satelity, ale také navzájem, obejít řetězec přepočtu a úpravy souřadnic ve specializovaném softwaru.
Jak víte, základnové stanice zdaleka nejsou budovány nadšenci, přístup k nim je placený, ale je to více než splaceno počtem strávených osobohodin. Pokud se v případě statických měření tým skládá z nejméně tří lidí, z nichž jeden hlídá „základnu“ a další dva provádějí průzkumy s využitím totální stanice, pak pro měření RTK stačí pouze jeden specialista. K inicializaci takových zařízení dochází téměř okamžitě, po několika minutách je nástroj připraven sbírat data nebo provádět opačnou akci – provést vytyčení bodů průzkumu vypočítaných předem na počítači, což je nutné například při sestavování stavebního pozemku. To je technologie budoucnosti. Obecně, bez ohledu na to, jak paradoxní to zní, příští generaci inspektorů budou reprezentovat IT specialisté, věk programovatelných kalkulaček a Bradisových stolů je neodvolatelně pryč.
GPS vs GLONASS
K určení souřadnic NAVSTAR GPS a GLONASS se používá 21 aktivních satelitů a tři náhradní satelity, které rotují na kruhových orbitálních rovinách a tyto letadla v systému GPS jsou třikrát více než v GLONASS. Satelity jsou vybaveny solárními panely a létají více než 20 km nad zemským povrchem. Taková vzdálenost od planety a počet satelitů umožňuje současné pozorování alespoň 4 satelitů prakticky kdekoli na světě. Čas úplné revoluce kolem Země – 12 kosmických hodin.
V systému GPS všechny satelity vysílají signál na dvou identických frekvencích a každé zařízení vysílá svůj vlastní individuální kód, který umožňuje identifikaci satelitů. GLONASS má stejný kód pro všechny satelity, vysílání se také provádí ve dvou pásmech. Jak vidíte, parametry systémů jsou zhruba stejné, takže kdo je lepší?
Pokud GPS poskytuje dostatečnou přesnost při určování souřadnic po celém světě, GLONASS je „naostřen“ na ruskou realitu, což mu teoreticky umožňuje přesněji určit prostorovou polohu bodů na zemi v naší zemi. Ruský polohovací systém nezávisí na náladě „strýce Sama“, který během vojenských konfliktů úmyslně snížil přesnost měření a částečně kódoval signál. V každém případě GPS a GLONASS nejsou konkurenty, ale nějakým způsobem spojenci, takže má smysl kupovat přijímače, které současně podporují dva systémy, přesnost z toho bude těžit pouze..
Co je hlavním obsahem této knihy o aplikované geodézii a jaké konkrétní informace a dimenze kosmu zde jsou probírány?