Angewandte Geodäsie. Die Grundlagen der kosmischen Dimensionen

Die Beobachtung der ersten kĂĽnstlichen Satelliten der Erde ergab ein interessantes Muster: Die räumliche Position des Satelliten kann zu jedem Zeitpunkt mit guter Genauigkeit berechnet werden. Diese wissenschaftliche Tatsache brachte die Wissenschaftler zu einer wahrhaft revolutionären Entdeckung – Satelliten zu verwenden, die sich Hunderte von Kilometern von der Erde entfernt befinden, um die räumliche Position terrestrischer Objekte zu bestimmen.

Angewandte Geodäsie. Die Grundlagen der kosmischen Dimensionen

Aus den vorherigen Artikeln unseres Zyklus „Angewandte Geodäsie“ haben wir gelernt, dass wir zur Bestimmung der Koordinaten eines unbekannten Punktes zwei Punkte mit bekannten Koordinaten benötigen, die starr auf dem Boden fixiert sind (Punkte des State Geodetic Network). Manchmal waren sie weit vom Thema entfernt, was die Darsteller zwang, Theodolitpassagen zu legen, oft mehrere Kilometer. Jetzt sind die Satelliten, die sich ständig im Weltraum bewegen, zu solchen „harten“ Punkten geworden, relativ zu denen die Koordinaten von Objekten auf dem Boden bestimmt werden.

GPS

GPS (Global Positioning System – Globales Positionierungssystem) ist eine Sammlung radioelektronischer Mittel, die den Standort und die Geschwindigkeit eines Objekts auf der Erdoberfläche oder in der Atmosphäre berechnen. Diese Parameter werden dank des GPS-Empfängers ermittelt, der Signale von Satelliten empfängt und verarbeitet. Um die Genauigkeit der Messungen zu verbessern, umfasst das Positionierungssystem auch Bodenkontroll- und Datenverarbeitungszentren.

Wenn es um GPS geht, meinen wir meistens das NAVSTAR-System, das im Auftrag des US-Verteidigungsministeriums entwickelt wurde. Im Allgemeinen wurden viele innovative Dinge zuerst vom Militär „getestet“ und dann „fĂĽr die Massen freigegeben“. Seit vielen Jahren ist der Begriff „GPS“ ein Synonym fĂĽr Satellitennavigation, so wie der Neologismus „Xerox“ im Prinzip jeden Kopierer und nicht nur die Produktion von XEROX bedeutet. Derzeit werden neben NAVSTAR GPS auch Chinese Beidou, European Galileo, Indian IRNSS, Japanese QZSS und unser einheimisches GLONASS entwickelt oder eingefĂĽhrt..

Angewandte Geodäsie. Die Grundlagen der kosmischen Dimensionen

Raummessmethoden werden verwendet fĂĽr:

  • Geodäsie und Kartographie
  • Konstruktion
  • Navigation
  • FahrzeugĂĽberwachung
  • Mobile Kommunikation
  • Rettungsaktionen
  • Ăśberwachung der tektonischen Bewegung der Erdkrustenplatten

und in vielen anderen Bereichen menschlicher Aktivität. Lassen Sie uns einige der Hauptanwendungsbereiche von Raummesssystemen genauer betrachten..

GNSS

Wir stoĂźen auf Geräte dieses Navigationssystems auf Haushaltsebene, unter der AbkĂĽrzung GNSS ist der Begriff „Global Navigation Satellites System“ verborgen. Das Funktionsprinzip eines Satellitennavigationssystems besteht darin, den Abstand von der Empfängerantenne zu Satelliten zu messen, deren Positionen mit einer ausreichend hohen Genauigkeit bekannt sind. Die Satellitenpositionstabelle wird als Almanach bezeichnet und zum Zeitpunkt des Beginns der Messungen vom Satelliten zum Empfänger ĂĽbertragen. Wenn man die Entfernungen zwischen den Satelliten kennt und sich vom Almanach leiten lässt, kann man mit den einfachsten geodätischen Konstruktionen, die wir in den vorherigen Artikeln unseres Zyklus berĂĽcksichtigt haben, die räumliche Position des Objekts berechnen.

Das Verfahren zum Messen der Entfernung von einem Satelliten zu einem Empfänger basiert auf der Bestimmung der Übertragungsgeschwindigkeit von Funkwellen. Um Messungen zu ermöglichen, senden die Satelliten präzise Zeitsignale, die wiederum mit einer hochpräzisen Atomuhr synchronisiert sind. Zu Beginn des Betriebs wird die Systemzeit des Empfängers mit der Satellitenzeit synchronisiert, und weitere Messungen basieren auf der Differenz zwischen der Zeit der Signalemission und der Zeit seines Empfangs. Basierend auf diesen Daten berechnet das Navigationsgerät die räumliche Position der terrestrischen Antenne, und die Geschwindigkeit, der Kurs und andere Parameter des Objekts sind Ableitungen der Anfangsposition des Empfängers. Wie Sie sich wahrscheinlich aus Ihrem Physikkurs an der High School erinnern, entspricht die Geschwindigkeit der Funkwellen der Lichtgeschwindigkeit. Sie können sich also vorstellen, wie genau das System ist, das die Entfernung in Millisekunden bestimmt.

Angewandte Geodäsie. Die Grundlagen der kosmischen Dimensionen GNSS / GPS-Antenne

Warum erhalten wir in einigen Fällen einen ausreichend genauen Standortwert, und in einigen Fällen ist der Wert nicht ganz korrekt? Nicht jeder Empfänger verfügt über eine integrierte Atomuhr. Für die Synchronisation und Positionierung mit akzeptabler Genauigkeit ist es daher erforderlich, gleichzeitig ein Signal von mindestens drei Satelliten zu empfangen. Die Stärke des empfangenen Signals wird durch das Gravitationsfeld der Erde, Hindernisse in Form von Bäumen, Häuser, reflektierte (Phantom-) Signale, atmosphärische Interferenzen und eine Reihe anderer Gründe beeinflusst. Da es unmöglich ist, Hochleistungssender auf dem Satelliten zu platzieren, erhalten Sie den genauesten Standort in offenen Räumen mit klarem Horizont.

Nun, lieber Leser, der ein Smartphone mit integriertem GPS-Empfänger hat, wir beeilen uns, Sie zu enttäuschen – Sie können sich nicht bewerben, um ein geodätisches Unternehmen zu eröffnen. Dies liegt daran, dass der Taschenempfänger eine Methode verwendet, die als absolut bezeichnet wird, um die Position zu berechnen. Bei gleichzeitiger Beobachtung von 4 Satelliten kann die Positioniergenauigkeit 8 Meter erreichen, was fĂĽr Navigationsmessungen ausreicht. FĂĽr die Geodäsie wird eine relative Messmethode verwendet, bei der mindestens zwei Empfänger verwendet werden. Einer von ihnen wird auf einen Punkt mit bekannten Koordinaten gesetzt (die sogenannte „Basis“), und der zweite wird verwendet, um die Koordinaten unbekannter Punkte zu bestimmen. Wenn zwei Empfänger zusammenarbeiten, erhöht sich die Messgenauigkeit um das 100-fache, und wir können bereits Koordinaten mit Zentimetergenauigkeit erhalten, was fĂĽr geodätische Anforderungen ausreicht.

GPS für geodätische Arbeiten

Um Raumbeobachtungssysteme fĂĽr topografische Arbeiten zu verwenden, werden verschiedene Methoden verwendet, die sich in der Genauigkeit der erhaltenen Werte und der dafĂĽr aufgewendeten Zeit unterscheiden..

Statik

Um die Koordinaten eines unbekannten Punktes zu bestimmen, wird ein Empfänger auf dem Triangulations- oder Polygonometriepunkt (bekannter Punkt) installiert, und der andere Empfänger wird auf dem Punkt platziert, dessen Koordinaten bestimmt werden sollen. Außerdem werden die Geräte synchron initialisiert, da die Messungen erst beginnen, wenn zwei Empfänger gleichzeitig eingeschaltet sind. Wenn eines der Geräte eine halbe Stunde und das andere 15 Minuten gearbeitet hat, werden nur 15 Minuten Zusammenarbeit verwendet, um Daten zu erhalten. Nachdem die Empfänger die Satelliten gefunden haben, beginnt die Datenerfassung, die anschließend auf einem Computer verarbeitet wird..

Angewandte Geodäsie. Die Grundlagen der kosmischen Dimensionen

Abhängig von den gleichzeitig beobachteten Satelliten dauert es normalerweise 15 bis 30 Minuten vom Einschalten des Instruments bis zum Beginn der Arbeit (Erhalten der richtigen Werte). In den ersten 20 bis 30 Minuten bietet die „Basis“ eine Abdeckung mit ausreichender Messgenauigkeit fĂĽr die 5-Kilometer-Zone. Dann erweitert sich dieser Radius alle 10 Minuten um jeweils 5 km. Wenn Sie die ungefähre Entfernung von der Station zum Basispunkt kennen, können Sie die Zeit, fĂĽr die das Instrument steht, grob berechnen präzise Positionierung.

Wie wir im Screenshot eines der Datenanpassungsprogramme sehen können, ist der grüne Balken die Basisbetriebszeit und die kurzen farbigen Balken die Zeit, die die Empfänger an der Station mit unbekannten Koordinaten verbringen. Mit einer speziellen Software können Sie falsche Messwerte ablehnen und die Gesamtgenauigkeit der erhaltenen Werte erhöhen.

Angewandte Geodäsie. Die Grundlagen der kosmischen Dimensionen

Der Vorteil dieser Methode ist die hohe Messgenauigkeit, das Minus ist die Zeit, die fĂĽr die Initialisierung jedes Punktes aufgewendet wird.

Kinematik

Die „Basis“ befindet sich auf die gleiche Weise an einem Punkt mit bekannten Koordinaten, und der zweite Empfänger kann nach der Initialisierung Bewegungspunkte ohne zusätzliche Initialisierung vor jeder Messung registrieren. Wenn wir bei der ersten Methode zwei Basispunkte erhalten, von denen aus die tacheometrische Vermessung durchgefĂĽhrt wird, d.h. FĂĽr die Arbeit benötigen wir noch eine Totalstation. Bei kinematischen Messungen reichen zwei Empfänger aus, von denen einer die Funktion einer Totalstation erfĂĽllt. Die Punktregistrierungszeit beträgt 1–2 Minuten.

Angewandte Geodäsie. Die Grundlagen der kosmischen Dimensionen

Diese Methode eignet sich gut zur Vermessung linear ausgedehnter Objekte wie Stromleitungen, Kanäle, Straßen, Ölpipelines usw. Der Vorteil dieser Methode ist die Zeitersparnis, der Nachteil ist, dass es ratsam ist, Messungen in kurzer Entfernung von der Basis, etwa 5-15 km, durchzuführen. Wenn das Signal vom Satelliten plötzlich verschwindet, muss der Initialisierungsvorgang wiederholt werden, sodass diese Methode in Großstädten, in denen hohe Gebäude und Bäume den Horizont bedecken, nicht immer angewendet werden kann.

RTK GPS

Wenn uns die ersten beiden Methoden die Position eines Punktes im internationalen Koordinatensystem geben, der dann in ein regionales umgewandelt werden muss, können wir mit der RTK-Methode (aus der englischen Echtzeitkinematik – Kinematik in Echtzeit) die Werte der räumlichen Position von Punkten im Koordinatensystem fĂĽr unser Gebiet ermitteln mit nur einem Empfänger. Nein, der Basispunkt existiert zweifellos, aber in diesem Fall sind die Basispunkte auf hohen Gebäuden fixiert und bilden zusammen ein Netzwerk, das einem mobilen ähnelt. Sowohl die Empfänger- als auch die Basisstation tauschen Informationen ĂĽber das Internet aus, wodurch sie nicht nur mit Satelliten, sondern auch untereinander synchronisieren können, wobei die Kette der Neuberechnung und Anpassung von Koordinaten in spezieller Software umgangen wird.

Angewandte Geodäsie. Die Grundlagen der kosmischen Dimensionen

Wie Sie verstehen, sind Basisstationen weit davon entfernt, von Enthusiasten gebaut zu werden. Der Zugang zu ihnen wird bezahlt, aber die Anzahl der aufgewendeten Arbeitsstunden wird mehr als zurĂĽckgezahlt. Wenn das Team bei statischen Messungen aus mindestens drei Personen besteht, von denen eine die „Basis“ bewacht und die anderen beiden Vermessungen mit einer Totalstation durchfĂĽhren, reicht nur ein Spezialist fĂĽr RTK-Messungen aus. Die Initialisierung solcher Geräte erfolgt fast augenblicklich. Nach wenigen Minuten ist das Tool bereit, Daten zu sammeln oder die entgegengesetzte Aktion auszufĂĽhren – um die Absteckung der im Voraus berechneten Vermessungspunkte auf einem Computer durchzufĂĽhren, was beispielsweise bei der Erstellung eines Bauplans erforderlich ist. Dies ist die Technologie der Zukunft. Unabhängig davon, wie paradox es klingt, wird die nächste Generation von Vermessungsingenieuren von IT-Spezialisten vertreten, das Zeitalter programmierbarer Taschenrechner und Bradis-Tabellen ist unwiderruflich vorbei.

GPS gegen GLONASS

Zur Bestimmung der Koordinaten von NAVSTAR GPS und GLONASS werden 21 aktive Satelliten und drei Ersatzsatelliten verwendet, die sich auf kreisförmigen Umlaufbahnebenen drehen. Diese Ebenen im GPS-System sind dreimal so hoch wie in GLONASS. Die Satelliten sind mit Sonnenkollektoren ausgestattet und fliegen mehr als 20 km ĂĽber der Erdoberfläche. Eine solche Entfernung vom Planeten und die Anzahl der Satelliten ermöglichen die gleichzeitige Beobachtung von mindestens 4 Satelliten praktisch ĂĽberall auf der Welt. Zeit einer vollständigen Revolution um die Erde – 12 kosmische Stunden.

Angewandte Geodäsie. Die Grundlagen der kosmischen Dimensionen

Im GPS-System senden alle Satelliten ein Signal mit zwei identischen Frequenzen aus, und jedes Gerät sendet seinen eigenen Code, mit dem die Satelliten identifiziert werden können. GLONASS hat für alle Satelliten den gleichen Code, die Ausstrahlung erfolgt ebenfalls in zwei Bändern. Wie Sie sehen können, sind die Parameter der Systeme ungefähr gleich, also wer ist besser?

Wenn GPS eine ausreichende Genauigkeit bei der Bestimmung von Koordinaten auf der ganzen Welt bietet, wird GLONASS fĂĽr die russischen Realitäten „geschärft“, wodurch es theoretisch möglich ist, die räumliche Position von Punkten auf dem Boden in unserem Land genauer zu bestimmen. Das russische Positionierungssystem hängt nicht von der Stimmung von „Uncle Sam“ ab, der während militärischer Konflikte die Messgenauigkeit absichtlich senkte und das Signal teilweise codierte. In jedem Fall sind GPS und GLONASS keine Konkurrenten, sondern in gewisser Weise VerbĂĽndete. Daher ist es sinnvoll, Empfänger zu kaufen, die gleichzeitig zwei Systeme unterstĂĽtzen. Die Genauigkeit wird nur davon profitieren..

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