Сегодня в любой точке на Земле и в околоземном пространстве, в любое время суток прибор GPS обеспечивает решение любых задач, требующих определения местоположения и параметров движения.
Система GPS, созданная США за 12 млрд. долл., состоит из 24 космических спутников и сети специальных наземных станций слежения, обеспечивающих регулярное определение параметров движения спутников и коррекцию бортовой информации об их орбитах.
Космические спутники непрерывно передают радиосигналы, создавая тем самым вокруг земного шара "информационное поле". GPS-приемник улавливает сигналы и путем измерения дальностей до нескольких космических спутников определяет координаты. При этом спутники играют роль прецизионных опорных точек. Расстояние до спутника определяется путем измерения времени прохождения радиосигнала от спутника до GPS-приемника.
Кроме определения трех текущих координат (долгота, широта и высота над уровнем моря) GPS обеспечивает:
Сегодня эксплуатируется спутниковая навигационная система (СНС) NAVSTAR, развернутая Министерством обороны США и введенная в эксплуатацию в 1988 году. Эксплуатацию этой СНС, включая сеть контрольных станций, ведет МО США. Но ею разрешено пользоваться бесплатно всем гражданским организациям, правда, только с ограничением по точности определения координат (так называемый селективный доступ). Это обеспечивается путем зашумления радионавигационного сигнала используемого для измерений. Для точных измерений используется специальный дифференциальный метод.
Число областей применения GPS-средств велико. Их можно систематизировать по содержанию основных задач.
Землеустроительные задачи, картография и координирование строительных объектов относятся к такой группе приложений, как измерение Земли и ее поверхности. Здесь могут использоваться не только отдельные приемники, но и целые измерительно-вычислительные комплексы, точность измерений которыми доходит до долей сантиметра.
На основе сочетания возможностей GPS и других технических средств создаются информационно-измерительные системы, позволяющие получать новые качества в решении старых задач.
GPS-приемник становится миниатюрным и дешевым и, вероятно, в ближайшее время может стать новым "бытовым прибором", таким же привычным, как телефон.
GPS позволяет "присвоить" уникальный адрес буквально каждому квадратному метру поверхности Земли, а это означает, что человек престанет теряться и метаться в поисках нужного объекта.
Области применения GPS-средств в дорожном хозяйстве
В зависимости от точности необходимых данных, использование GPS в дорожном хозяйстве может вестись в следующих направлениях: навигация, топография, геодезические работы.
Использование GPS-оборудования для навигации
Традиционно первой является область навигации подвижных объектов. Ей соответствуют GPS-приемники навигационного класса, определяющие местоположение с погрешностью не хуже нескольких десятков метров. За исключением специальных задач, это - очень высокая точность навигации. Эти приемники используются на автомобилях, речных, морских и воздушных судах, на космических аппаратах и при перемещениях пешком. Общим для всех подвижных объектов является наличие скорости их движения по отношению к земной поверхности и традиционный набор штурманских задач. Прежде, чем начать движение по маршруту, т.е. подняться в воздух, отплыть из гавани или отправиться в путь на автомобиле, штурман экипажа осуществляет детальную проработку предстоящего маршрута. Он делает прокладку маршрута по карте, определяет все контрольные путевые точки, проводит расчет необходимой скорости движения и графика ее изменения по различным отрезкам пути, расчет продолжительности движения и времени прибытия, запаса горючего. А так же определяет многие другие элементы предстоящего маршрута, которые он будет контролировать и корректировать в процессе полета, плавания или поездки.
Помимо указанных выше основных задач современные GPS-приемники навигационного класса в полуавтоматическом режиме выполняют также всю штурманскую работу, как по "предполетной подготовке", так и в "полете". В зависимости от назначения приемника его встроенный компьютер решает значительное количество сервисных задач. Таких, как:
" хранение и выдача информации об условиях навигации самолетов и судов кораблей в окрестностях мировых морских портов и аэропортов (обновляемые магнитные карты);
" связь по стандартным интерфейсам с внешним оборудованием и вычислительными средствами и, в частности, работа в среде различных навигационных и информационных комплексов;
" накопление во внутренней памяти приемника массивов данных измерений для проведения различного рода статистических обработок;
" выполнение значительного количества вспомогательных операций, обеспечивающих оперативный контроль за работой систем приемника в меняющихся условиях приема спутниковых сигналов;
" дружественный интерфейс с оператором.
Наличие скорости движения накладывает ряд специфических требований, которые учитываются при схемном проектировании приемников. Например, навигационные приемники авиационного назначения должны быть достаточно быстродействующими, чтобы не отставать в определении текущих координат и скорости от самого объекта и не создавать дополнительных "динамических" погрешностей.
Естественно, что объекты различаются по диапазонам скоростей движения и интенсивности маневров. А их штурманам необходим несколько различный набор сервисных задач. Поэтому разрабатываются и находят широкое применение штурманские GPS-приемники для самолетов и вертолетов, кораблей и наземного транспорта. С их применением безопасность движения и достоверность и точность решения навигационных задач существенно возрастают.
Для региональных съемок мелких и средних масштабов (1:100 000, 1:50 000), движения по заданным маршрутам и поиска пунктов в режиме навигации подвижных объектов (самолеты, корабли, космические аппараты, автомобили и т.д.) предназначен специальный класс портативных GPS приемников.
Точность пространственных координат, получаемых почти сразу после включения, составляет около 100 метров, а со специальной функцией осреднения результатов в неподвижном положении повышается до 30 метров.
Оператору достаточно нажать кнопку включения и последовательно выводить на экран или текущие координаты в выбранной системе, или навигационную информацию для выхода на любую из путевых точек в различных маршрутах, которые можно задать заранее с карты или из каталога. При этом можно выводить на экран азимуты и расстояния до них, а также курсовые отклонения и даже расчетное время прибытия.
Использование GPS-оборудования для топографии (приборы дециметрового-метрового уровня точности)
Для сбора точных ГИС данных и картографических работ среднего класса точности предназначено оборудование дециметрового-метрового уровня точности. Использование новейших GPS технологий в сочетании с мощными накопителями данных и программным обеспечением позволяет получать точные результаты съемки, которые эффективно используются при геофизических и гидрографических изысканиях, в дорожном строительстве, при прокладке и обследовании коммуникаций, в лесном и сельском хозяйстве, для создания и обновления ГИС.
С помощью топографических GPS-приборов обеспечивается точность определения координат объектов в диапазоне от 5 метров до 30 сантиметров каждую секунду измерений даже в движении, что позволяет существенно увеличить число точек съемки при создании карт в масштабе от 1:2000 и мельче. При ответственных работах используется специальный режим повышенной точности. Кроме трехмерных координат GPS-приемники позволяют сохранять и развернутые описания объектов съемки из заранее подготовленных словарей. Координаты объектов можно получать как в принятых Государственных Системах, так и в любых местных системах координат.
При оснащении комплекта GPS-приборов специальным радиоканалом для передачи поправок высокая точность съемки становится возможной и в реальном масштабе времени. Это позволяет решать задачи по выносу объектов в натуру, выполнить точную навигацию или поиск пунктов. С помощью ГИС или информационной программы эту работу можно выполнить наглядно сразу на экране компьютера по электронным картам-подложкам.
Использование GPS геодезического класса (миллиметровый-сантиметровый уровень точности)
Весьма обширной областью применения GPS-средств и методов является ЗЕМЛЕМЕРИЕ в самом широком понимании этого слова.
В настоящее время GPS приемники этого класса получили сертификаты Госстандарта и широко используются в геодезии, геофизике, для топографии и земельного кадастра, для выноса проектов в натуру, при геодинамических и гидрографических исследованиях.
Важнейшей особенностью подавляющего большинства этих проблем является требование исключительной точности определения координат, моментов времени и временных интервалов. Здесь счет погрешностям идет на доли метра и доли сантиметра при измеряемых расстояниях в десятки километров.
Наиболее мощные приемники геодезического класса представляют собой не отдельные приемники, а целые измерительно-вычислительные станции и комплексы. Они снабжены и линиями радиосвязи, и внешними компьютерами, и разветвленными программами постпроцессорной, так называемой камеральной обработки данных, накопленных во время полевых измерений.
В связи с растущей стоимостью земли и потребностью в соответствующих природных ресурсах, большие надежды возлагаются на специалистов, решения которых позволят лучше организовать управление этими средствами. Такие инструменты, как компьютерные Геоинформационные Системы и системы управления ресурсами обеспечивают механизм записи, хранения и поиска больших объемов географических данных.
Однако, до тех пор, пока этот обширный объем связанной с землей информации не будет основан на единой исходной системе координат, он может оказаться бесполезным, так как отдельные части не будут сочетаться одна с другой. Любая информация, которая относится к положению объекта в реальном мире, является, по существу, географической. Необходимо задать общую географическую основу, на которой может базироваться информация о местоположении объектов и связать ее с информацией различных типов (т.е. данные о владении землей, о природных ресурсах и политических границах).
GPS оказывается наиболее эффективным, точным и дешевым средством создания такой основы. Любой из широко распространенных методов GPS съемки можно использовать для своевременного создания и обслуживания данных в географически привязанной базе данных, такой как ГИС.
В начало