Как спутниковые системы упрощают жизнь геодезиста. Часть 1, история развития

Ни для кого не является секретом, что освоение человеком космоса сильно повлияло на его жизнь. И это влияние можно увидеть не только в научной среде, но и в обычной жизни. 

Для большинства людей все видимые изменения которые принесли в их жизнь спутниковые системы начинают и заканчиваются их использованием в навигаторах. Но в настоящее время спутниковые системы проникли во многие области жизни. И одними из первых кто начал применять глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) были геодезисты.

Но сначала немного истории

Человечество ещё с давних времен озабоченно способом определения своего местоположения и первые навигационные задачи решались при помощи астрономических наблюдений как на суше, так и на море. Один из старейших приборов который принимался для данных целей была астролябия (со времен древней Греции), квадрант (примерно 13-14 век) и применяющийся даже сейчас в морском деле секстант.

Но геодезии требовались более точные методы получения и передачи координат. И одним из самых ранних методов передачи координат на дальние расстояния был метод построения триангуляционных сетей (расстояние между пунктами порядка 20км). Первые работы по развитию подобных сетей России начались в Санкт-Петербурге в сентябре 1809г. Этим было положено начало созданию более точной, чем прежде астрономо-геодезической основы топографических съемок. Подобный метод на наше время считается очень трудоемким и затратным.

Данная методика применялась и для создания государственных геодезических сетей (ГГС). В нашей стране работы по созданию ГГС начались в 1925 году и лишь к 1972 году удалось полностью ее закончить обеспечив координатами практически всю территорию нашей страны.

И уже давно человечество использует и другой способ определения координат — астрономическая навигация.

Но данный метод для создания геодезических сетей еще более затратен. Большинство фундаментальных пунктов создавалось на базе действующих астрономических обсерваторий, или координаты на них определялись при помощи астрономических теодолитов.

И первые спутниковые системы были основаны на методах астрономических наблюдений.

Одними из первых спутниковых систем, в задачи которых входило создание мировой сети спутниковой триангуляции, были запущенные в 60 годы PAGEOS от НАСА и советская «Сфера». Принцип работы этих систем был похож между собой хотя спутники существенно отличались. 

Pageos представлял собой сферу из тонкой (0,0127 мм) алюминированной полимерной плёнки диаметром 31 метр. Данный спутник наблюдался из 46 наземных станций. Что позволило получить обще земную сеть координат с точностью порядка 5 метров.

 «Сфера» представлял собой аппарат цилиндрической формы, имел неориентированные солнечные батареи и систему импульсной световой сигнализации с мощной лампой-вспышкой. А также был оснащён геодезической аппаратурой совмещенной с аппаратурой командно-измерительной радио линии.

Были построены астрономо-геодезические пункты (АГП) с башенкой для размещения  фото-астрономических установок (ФАУ) для оптической локации этих спутников. ФАУ фотографировала на пленку звездное небо по целеуказаниям, а на снимках можно было среди звезд разыскать их.

Эти спутниковые системы создавались для решения научных и военных задач. И именно они заложили основы современных глобальных навигационных спутниковых систем. 

Развитие сетей ГНСС

GPS

На данный момент старейший действующий навигационной спутниковой системой является GPS которая создавалась министерство обороны США для вполне конкретных целей. Морская навигация, более точная навигационная аппаратура для летательных аппаратов. Первый навигационный спутник был запущен 78 году на 4 года раньше советского ГЛОНАСС. Гражданское применение GPS первоначально не предполагалось, но уже 83г. система стала доступна всем пользователям, и в целях препятствия её военному использованию в работу спутника были внесены алгоритмы округляющие определение местоположения до 100 метров для гражданских пользователей.

К этому времени уже были созданы переносные принимающих антенны, которые позволяли получать координаты точек. 

Но по факту до 1994 года GPS работала в условно тестовом режиме, именно в марте этого было завершено формирование созвездия из 24 спутников. А в 2000 году отключены алгоритмы для гражданских пользователей, таким образом, точность определения выросла. Это послужило толчком к активному освоению GPS и увеличило охват пользователей.

ГЛОНАСС 

Параллельно с GPS шло развитие и советской системы Глонасс. Вывод первого искусственного спутника ГЛОНАСС под названием «Ураган» произошел в октябре 1982 года.

К 1991 в состав системы на двух орбитальных плоскостях входило 12 работающих КА. А уже 14 декабря 1995 года спутниковая группировка была развёрнута до штатного состава — 24 спутника.

Но из-за недостаточного финансирования, малого срока службы аппаратов и ряда других причин, к началу 2000-х работающих спутников осталось лишь 6. И было принято решение о развитии и модернизации системы. И к 2010г количество спутников на орбите стало достаточно для покрытия всей Земли. 

GALILEO 

ГАЛИЛЕО создается Европейским Союзом для обеспечения независимости стран членов в сфере координатно-временного и навигационного обеспечения.

Первые спутник данной системы был запущен в 2005 году. Его основная задача состояла в оценке точностных характеристик навигационных радиосигналов ГАЛИЛЕО во всех частотных диапазонах. 

И уже к 2016 году произошло развёртывание системы, на тот момент на орбите было 6 КА. 

BeiDou

Название данной системы для большинства людей звучит совсем не знакомо и если о GPS и ГЛОНАСС знают все, о GALILEO тоже знает достаточно людей, то услышать о BeiDou в СМИ можно редко. 

BeiDou (BDS) – это основная система спутниковой навигации в Китае, которая находится под управлением CNSA (китайская космическая администрация). 

Первоначально система развивалась как региональный и обеспечивала нужды китайских военных. И до 2008 года ей могли пользоваться только военные и гос. организации. 

В 2000 году было запущено два геостационарных спутника.  А к 2015 году система насчитывала уже 35 спутников. 

На данный момент BeiDou можно считать глобальной навигационной системой которая способна обеспечить покрытие всей планеты. 

Использование ГНСС в геодезие

Как можно увидеть что в период с 2000 по 2010 по всему миру шло развитие спутниковых систем и именно в этот период ГНСС системы стали захватывать рынок геодезических измерений.  А в некоторых видах работ и того раньше. 

Так уже к середине 90-х основным способом построения и поддержания в актуальном состоянии астрономо-геодезической сети (АГС) стали спутниковые измерения при помощи ГНСС оборудования.

Разделяют: 

Постоянно действующие пункты — подобные пункты оснащаются оборудованием, позволяющим определять метеопараметры и изменения наклона антенны, а также иным дополнительным оборудованием, включая лазерные дальномеры (для контроля орбиты спутников). 

Периодически определяемый пункт — оборудование на данном пункте может размещаться только на определенное время

Кроме сетей АГС в эти годы ГНСС активно внедрялись в нефтегазовой области хозяйства, даже с учетом цены примерно 12000$ за одну приемную антенну и 35000$ за полный комплект с ПО. Фактически уже тогда они вытеснили все другие виды измерений и это абсолютно понятно. Практически все трубопроводы проходят по труднодоступным районах и работы по их картографированию возможны только в короткие промежутки времени, когда существует возможность до них добраться. И проведение работ оптическими приборами может достаточно сильно затянутся.  Кроме того из-за большой протяженности возникают проблемы связанные с переходами в разные картографические зоны, а ГНСС позволяет избавиться от этих проблем.

И так по нарастающей ГНСС системы стали проникать в более низовые виды работ. Особенно когда стоимость приемников начала падать (сейчас существуют приемники с ценой в районе 200тыс. руб).

Так на смену, достаточно трудоемкому процессу создания и сгущения опорной сети от государственных геодезических сети, пришли статические спутниковые измерения  непосредственно на опорных точках. Что позволило очень сильно ускорить провидение всех геодезических работ.

В настоящее время большое распространение начинает получать топографическая съемка при помощи ГНСС приемников, но на данный момент этот способ имеет ряд ограничений. Так в городских условиях в застроенных районах существенно падает точность измерений, и точность может падать до метровых ошибок. Зато при проведении съемки полевых районов она очень удобна. 

 В настоящее время, кроме непосредственных измерений, ГНСС применяется для автоматизации строительной техники, что также позволяет снизить трудоемкость работ при сопровождении строительства.

Источник: ИАЦ