Глобалните навигационни спътникови системи за определяне на местоположение и тяхното използване за планиране на терени в селското стопанство



страница4/7
Дата06.02.2018
Размер1.37 Mb.
#55621
1   2   3   4   5   6   7

1.12. Диференциални подсистеми

Точността на измерванията нараства с използването на данни от навигационните диференциални подсистеми, когато не се изисква много висока точност на позиционирането.

Съществуват диференциални подсистеми от континентален, широкозонов мащаб като: WAAS (Северна Америка), EGNOS (Европа), MSAS (Япония) за SBAS позициониране (Сателитно базирани допълващи спътникови навигационни системи), а така също и регионални и локални подсистеми, които могат да осигурят дециметрова точност.

WAAS (Wide Area Augmentation System) – американската диференциална подсистема, покриваща Северна Америка и Севрния Атлантик. Тази система включва наземни контролни станции, наблюдаващи състоянието на GPS сигнала от спътниците. С тях се провеждат двучестотни измервания на псевдоразстоянията за всички навигационни спътници в системата. Информацията се предава на главната станция, където се обработва, определят се диференциалните поправки – ефемереидните данни, времевите скали, параметрите на йоносферния модел и др., след което чрез предавателни станции тези данни се предават на геостационарни космически апарати, а те предават GPS-подобен сигнал към потребителите в диапазона на честота L1, което увеличава точността и надежността на навигационните определения с допълнителни измервания и диференциални поправки.

EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System) e европейската диференциална подсистема, изпълняваща аналогични на WAAS функции. В основата на тази система са геостационарни спътници, препредаващи навигационен сигнал съответстващ на този, предаван по честота L1 за GPS. EGNOS е предвиден за съвместна работа със системите на ГЛОНАСС, GPS и Galileo.

MSAS (Multi-Transport Satellite based Augmentation System) е многофункционална японска диференциална система. Нейните функции са аналогични на WAAS и EGNOS. Тя осигурява диференциални поправки в Япония и Тихия океан между Азия и Америка. Космическите апарати на тази система са многофункционални.

Много приемници от геодезическия клас са създадени така, че при необходимост могат да ползват данните от тези диференциални подсистеми. WAAS, MSAS и EGNOS изпозват стандарта RTCA DO-229 на Радио-техническата комисия по аеронафтика на САЩ, който е съвместим с всички съвременни приемници, които могат да изчислят RTCA данните без допълнително оборудване за разлика от необходимостта на такова за RTCM.

Регионалните и локалните диференциални подсистеми имат по-малък радиус на действие, състоят се от по-малко контролно-коректиращи станции и геостационарни спътници предаващи на потребителя диференциални поправки. Те са предназначени предимно за осигуряване на навигацията в региона. Използването на такива диференциални подсистеми може да осигури дециметрова точност при измерванията. В европейските страни, в това число и в България, са създадени подсистеми, формиращи диференциални поправки. Диференциални подсистеми със спътников сегмент са изградили компании като: Fugo Group, Thales Company (LandStar-DGPS), National Research Council в Канада и др.

В Западна и Източна Европа спътниковата диференциална подсистема OmniSTAR на компанията Fugo Group предава RTK поправки за измервания и определения с достатъчна точност в съответствие със стандарта RTCM SC104. Приемникът трябва да бъде оборудван със специален декодер за получаване и обработка на данните.Тази система се базира на мрежа от диференциални станции и геостационарни спътници, ретранслиращи получените от станциите диференциални поправки, което позволява при провеждането на полеви дейности за целите на поземления кадастър да се работи с приемници без да се организира базова станция на точка с известни координати [10].

Освен чрез геостационарна спътникова система диференциалните поправки могат да бъдат предавани на дълги и средни радиовълни в диапазона на честоти 100-600 kHz, на голямо разстояние във формат RTCM SC104. Диференциалните поправки могат да бъдат предавани от морски или авиационен маяк на честоти 283-315 kHz и 2559415 kHz, мобилна мрежова връзка (GSM, GPRS) в диапазона на честота 450, 900, 1800 MHz.

SBAS GEO (геостационарни спътници) за разлика от GNSS спътниците нямат на борда си генератори на сигнали, но са с оборудване за транслиране на сигнали, обработени на Земята и предадени към тях. SBAS сигнали могат да получават и обработват само снабдените с такава технология и съответстващи канали приемници.

За успешното завършване на полевите работи с GPS е необходимо операторът да има определени знания за основните координатни системи, тъй като при работа с координати, които могат да бъдат в различни системи, е необходимо те да бъдат трансформирани в единна система, защото координатите на една и съща точка в различни системи се различават и се получават значителни грешки при едновременното използване на различни координатни системи.



1.13. Координатни системи и спътникови методи на позициониране

Координатните системи са резултат от стремежа да се опише видимата повърхност, в това число моретата и океаните, равнините, планинските склонове и върхове. Физическата (топографската) повърхност на Земята образува фигура с неправилна и сложна форма.

В науките за Земята, за да бъдат изследвани и приложени точни и верни формулировки е необходимо да се използва определена математически изчистена фигура за формата и размерите на Земята. Във връзка с това се използва геометрична фигура, представляваща Земята в най-общ вид, като се изследват и изучават несъответствията на физическата повърхност на Земята с тази фигура.

През 1873 година германският физик И.Б. Листинг предлага за описанието на формата на Земята понятието „геоид“ (от гръцки „гео“ – земя и „ейдос“ – вид). В този смисъл трактовката на формата на Земята в обобщен вид може да бъде обяснена като „земеподобна“ предвид несъвършенствата на геоида. Математическите модели могат да бъдат близки до описваната повърхност, но не представляват точна нейна проекция.

Геоидът може да бъде определен като тяло, ограничено от повърхнина, съвпадаща с нивото на водата на океаните, мислено продължена под сушата, като това ниво се приема за нулево според Европейската геодезическа референтна система (EUREF), която е дефинирана точно по Световната геодезическа система GRS-80.

Геоидът има сложна форма. Тази форма не се поддава на математическо описание. Поради това при изучаване на физическата повърхност на Земята, се построява спомагателна повърхност, наречена квазигеоид. Формата на тази повърхност се определя спрямо повърхността на геоида по астрономически, геодезически и гравиметрични данни. На териториите на моретата и океаните квазигеоида съвпада с повърхността на геоида, а на сушата се отклонява от него в рамките на няколко метра.

Нютон през 18в., определяйки размерите на Земята доказва нейната полярната сплеснатост и въвежда формата “ротационен елипсоид”. За геофизични приложения се приема тази форма на Земята.

Математичната фигура, която описва най-добре реалната форма на Земята е елипсоид. Тя се получава, когато се завърта елипса около неподвижна ос. IRE (International Reference Ellipsoid) e най-доброто решение за формата на Земята, изработен на базата на сателитни наблюдения.

За създаването на координатни системи геоидът се апроксимира във въртящ се елипсоид около собствената си малка ос. За такъв елипсоид се приема Земята и върху него се нанасят координати, тъй като той е математически правилно тяло и по координатите на точките на елипсоида може чрез формули с различна точност да се пресметне разстоянието между тях и посоката на движение от една точка към друга.

В зависимост от поставената задача, необходимата точност и размера на обхванатата територия, като фигури на Земята могат да се използват различни нейни модели (апроксимации):

• физическа повърхност (фактическа фигура на Земята);

• геоид (квазигеоид);

• елипсоид;

• сфера;


• плоскост.

Земният елипсоид характеризира фигурата и размерите на Земята и служи за изчисляване на дължини, площи, геодезическа ширина, дължина, азимути, за създаването на картографски проекции и др. При дребномащабни картографски проекти и в много други случаи фигурата на елипсоид се заменя със сфера [18].

Земният елипсоид (World ellipsoid) апроксимира Земята като цяло, а Референтният елипсоид (reference ellipsoid) е елипсоид приет за обработка на измервания и създаването на системи за геодезически координати. Разликите между геоида и елипсоида се оценяват по три показатели:

• отклонение на малката ос на елипсоида от средното положение на оста на въртене на Земята;

• отклонение на центъра на елипсоида от центъра на тежестта на Земята;

• превишение на елипсоида над геоида.

Елипсоидът, за който тези три показателя са минимални се нарича общ земен елипсоид. Геодезическите референтни системи (geodetic reference system) определят параметрите на фигурата и размерите на Земята. Международните геодезически референтни системи се използват в световен мащаб и са свързани с Гринуичката правоъгълна координатна система и нейното начало в центъра на тежестта на Земята. Оста Z насочена към средата на Северния полюс, според препоръките на Международната служба за въртене на Земята IERS (International Earth Rotation Service), където е точката на Условния земен полюс CTP (Central Terrestrial Pole). Oста Х и Y, разположени в плоскостта на екватора, като оста Х е разположена и в плоскостта на средния Гринуички меридиан.

Международната служба за ротация на Земята и координатните системи (International Earth Rotation Service IERS) и Секцията за координатни системи (Terrestrial Reference Frame TRF) на Националния географски институт (Institut Geographique National) в Париж, са международните структури, които отговарят за дефинирането, реализацията и разпространението на Международната земна координатна система (ITRS) в съответствие с резолюциите на Международната асоциация по геодезия (International Association of Geodesy IAG).

GPS работи в международната референтна система WGS-84. Глобалната земна координатна система WGS-84 е въведена (дефинирана и реализирана) от Националната агенция за геопространствено разузнаване -National Geospatial Intelegence Agency (NGIA) и Министерство на отбраната (Department of Defense DoD) на Съединените щати. Точността на последователните реализации на WGS-84 e значителна [13]. Счита се, че нивото на глобалното съответствие между WGS-84 и ITRS е от порядъка на около 2 см. Началото на координатите на тази система е зафиксирано в центъра на тежестта на Земята с точност около 1 метър.

Нейните параметри практически съответстват на международната система GRS-80. От 1994 г. се използва уточнена версия – WGS-84 (G 730). В системата WGS-84 началната точка за отчитане на координатите е с център тежестта на Земята; оста Z на пространствената правоъгълна координатна система е паралелна по направлението на условния земен полюс; оста Х се определя в плоскостите на условния меридиан (паралелен на нулевия меридиан) и екватора; оста Y допълва координатната система до дясна. Началото и осевата проекция на тази координатна система съвпада с геометричния център и осите на елипсоида WGS-84.

Основният недостатък на координатна система WGS-84 е, че координатите на точките в тази система се изменят заради глобалните тектонични движения. Това изменение постепенно прави координатите в тези системи неподходящи за практически приложения. За да бъде преодолян този проблем Международната асоциация по геодезия IAG и CERGO (Central European Initiative Working Group on Science and Technology) решават през 1987 година да разработят нова Европейска геодезическа референтна система European Geodetic Reference Frame (EUREF) - ETRS, базирана на GPS измервания [13]. Тя унифицира националните референтни системи за геодезически измервания, картография, ГИС и навигация в Европа. EUREF покрива територията на Европа и осигурява мрежа с широк спектър на приложение: геодезия, картография, навигация и т.н. Програмата EUREF се координира от Международната асоциация по геодезия IAG [13].

Координатната система EUREF е приета като официална геодезическа референтна система в Европейския съюз [41]. Изградена е и функционира Перманентна мрежа European Permanent Network (EPN). Проектът EPN започва своята дейност през 1995 година и към момента се състои от повече от 150 перманентни станции в 32 европейски страни. Държавната GPS мрежа на Република България се базира на перманентните GPS станции от Европейската перманетна мрежа - EPN (European Permanent Network), съответно на Международната GNSS служба IGS (International GNSS Service).

В Русия GNSS ГЛОНАСС работи в система ПЗ-90 (Параметры Земли 1990 г.) В Руската федерация от 1995 г. Работи и референтна система СК-95. Координатните системи WGS-84 и ПЗ-90 са много близки една спрямо друга. Координатната система ПЗ-90 също е геоцентрична правоъгълна пространствена система с начало в центъра на тежестта на Земята. Остта Z е ориентирана към условния земен полюс, а остта Х към точката на пресичане на плоскостта на екватора и нулевия меридиан. През 2002 г. са получени в резултат на модернизацията на системата от параметри на Земята с обозначение ПЗ-90 (2002).

Съставна част на референтните системи са геодезическите опорни мрежи, фиксиращи точки от координатната система с твърди известни координати. Опорната мрежа в Европа се нарича EUREF (European Reference Frame), обединяваща в една система мрежите на европейските страни.

Географската координатна система работи с величините геофрафска ширина и географска дължина, съобразени с начален меридиан и екватора. Географската дължина се получава от ъгъла между плоскостите на началния меридиан и плоскостта на меридиана, преминаващ през определяема точка, измервана и в екваториалната плоскост – в ляво или дясно от началния меридиан т.е. дължината е западна или източна и е от 0 до 180° [46].

Правоъгълните координатни системи имат три перпендикулярни оси (X, Y, Z). Използват се за представяне на положението на точки в пространството, на повърхността или под земята. Ако началото (точката на пресичане на трите оси) на правоъгълната система е разположено в центъра на тежестта на Земята, то тази система се нарича геоцентрична, а когато началото е на апроксимиращ Земята елипсоид, тя се определя като референтна. Координатна система, при която началото се намира на повърхността на земята се нарича топоцентрична. Топоцентричните системи се използват за определяне на местоположението на точки на малка територия, в рамките на която могат да се пренебрегнат несъвършенствата във формата на Земята.

В геоцентричните системи координатната ос ОZ е насочена по остта на въртене на Земята, а в референтните – по малката ос на елипсоида странично от Северния полюс. Осите ОX и ОY лежат в плоскостта на екватора перпендикулярно една на друга.

Положението на спътниците в геоцентричната система на координатите се изчислява по елементите на Кеплеровата орбита (центърът на земната маса, космическият апарат, перигей, възходящ възел, направление към точката на пролетното равноденствие) и пространствената правоъгълна координатна система, която е въведена, за да може да се съвместяват данни от топографски и геодезически инженерни работи. Особеност на тези координати е, че те могат да бъдат наложени върху плоско изображение на земната повърхност, ако тя е изобразена в картографска проекция, при която повърхността на земния елипсоид върху плоскостта става по определени математически закони. Тези закони изразяват връзката между координатите на точките от картографираната повърхност в плоскост. В основата на такова отразяване върху картна проекция е развита система от геодезически координати, координатните линии на която са меридианите и паралелите. Линиите на меридианите върху картографираната повърхност се създават при сечението й на плоскости, преминаващи през остта на въртене на елипсоида, които също имат елипсоидна форма, а линиите на паралелите се получават чрез сечения на картографираната повърхност на плоскости, перпендикулярни на остта на въртене на елипсоида и имат вид на окръжности и също се създават по математически правила. Правоъгълната система на координати не се използва при картографиране на големи територии [46] .

В геодезията и топографията се използва проекцията на Гаус-Крюгер за плоски правоъгълни координати, която е равноъгълно изображение на повърхността на земния елипсоид върху плоскост, при което осевият меридиан се изобразява с права линия и запазен мащаб, екваториалната линия също е права, перпендикулярна на осевия меридиан, а всички останали меридиани и паралели са изобразени като огънати т.е. криви линии [46].

При използването на Гаусова проекция началото на координатната система е пресечната точка на екватора с някой от меридианите, наречен основен за конкретната система. Този меридиан е абсцисата X (север) на системата. Ординатата Y започва от остта Х – на изток положителна (растяща), на запад отрицателна (намаляваща). За да не се получават за Y отрицателни величини, общо прието е към стойностите на Y да се прибавя константата 500 000, т.е. вместо от 0, стойностите на ординатата Y да започват от 500 000. Повърхността на земния елипсоид се разделя условно с меридиани на зони съответстващи на 6° по дължина, като средният меридиан на зоната се нарича осев.

Цялата повърхност на Земята се разделя на 60 зони, като за начало е приет Гринуичкия меридиан (0°). През всяка зона от Северния до Южния полюс преминава праволинеен осев меридиан на зоната. Номерацията на зоните върви от запад на изток с начало от Гринуичкия меридиан. В границите на всяка зона може да се използва самостоятелно плоска координатна система, като осите X и Y се разполагат по осевия меридиан на зоната и екватора. Третата координата – абсолютната височина се измерва, като се отчита от средното ниво на Балтийско море. Всяка зона е покрита с т.нар. километрови мрежи за работа с плоски координати, която се изобразява на топографските карти. Тази система позволява да се получават практически точни координати върху големи участъци от земната повърхност.

Територията на България се обхваща от 2 триградусови и 2 шестградусови зони. По тези разчети, основните меридиани на триградусовите зони са меридианите с дължина Lo = 24° (24-ти меридиан) и Lo = 27° (27-ми меридиан). Основните меридиани на шестградусовите зони са съответно: Lo = 21° (21-ви меридиан) и Lo = 27° (27-ми меридиан)[29].

UTM (Universal Transverse Mercator) е известно наименование на гаусова проекция, която се реализира само по 6°-ови зони с мащаб по основния меридиан Мo = 0,9996. Номерата на двете шестградусови зони, в които попада територията на България се получават при разчети за 6°-те зони (UTM): № = (180+Lo+3)/6. където Lo е географската дължина на основния меридиан. За България: №21 = (180+21+3)/6 = 34; №27 = (180+27+3)/6 = 35. При получените по този начин номера на зоните към стойностите на ординатата Y остава само добавената константа 500 000. При това положение еднозначното определяне на местоположението на дадена точка по нейните X и Y координати, изисква указването и на съответната зона, в която попада точката [29].

Проекционните координати UTM се реализират като вид проекционно приложение на световната референтна система WGS-84. UTM e програмно реализирана във всички GPS-устройства. Реализираната във WGS-84 UTM координатна система изглежда по следния начин:

• рефернтна система WGS-84;

проекционна система UTM;

• 6°-ови зони, номерирани от меридиан L= 180° на изток по формулата: №= (180+Lo+3)/6;

• мащаб по основния меридиан m0 =0,9996;

• добавена стойност към ординатите +500000 метра [29].

Координатната система WGS-84, заедно с реализираната в нея проекционна система UTM, се въвежда у нас от началото на 90-те години на миналия век, заедно с началното разпространение на GPS-технологиите в България. Тя се въвежда без да подменя действуващите към момента национални системи. С навлизането на тези технологии възникват проблемите за създаване на “трансформационни ключове” за преход на националните геодезически референтни системи, като например Координатна система 1970 г. (КС 1970), която беше използвана в България за граждански цели и е нормативно определена като равнинна координатна система, в която страната е разделена на четири зони: К3 - северозападна, К5 - югоизточна, К7 - североизточна и К9 – югозападна. КС 1970 г. се използваше доскоро в издаването на скици, проекти и други документи от общинските администрации, службите по кадастър и общинските служби по земеделие.

В практиката се утвърди използването на координатна система WGS-84 (UTM), в чиято зона 35 цялата страна може да се събере с минимални грешки (западната част от България под 24-тия меридиан попада в зона 34). Трябва да се има предвид, че след трансформацията на координатите на поземлен имот между координатна система 1970 година в координатна система WGS-84 (UTM) изчислената площ може да се различава до 0.3 % според формата и местоположението на имота. Например имот с площ 100 дка в КС 1970 г. след трансформацията във WGS-84 (UTM) се оказва с площ между 99.7 дка и 100.3 дка. Най-големите разлики в площите ще са на имоти в Западна България, защото попадат извън зона 35N.

Земеделските стопани, които извършват очертаване на обработваните от тях земи и ги предават в ОСЗ, или използват кадастрални данни от други системи, трябва да имат предвид следното:

• данните за физическите блокове са в КС WGS-84 (UTM) Зона 35;

• данните за кадастъра са в БГС 2005.;

• данните с очертанията на блоковете земеделска земя, които стопанинът декларира, трябва да бъдат в КС WGS-84 (B,L) или WGS-84 (UTM) Зона 35;

• картите, които се изготвят в резултат на споразуменията за ползване, трябва да бъдат в КС WGS-84 (UTM) Зона 35.

Поради многообразието на координатни системи, за практически цели често се налага трансформиране на координати от една система в друга. Това е сложен математически проблем и за решаването му се използват специализирани софтуерни продукти, които е възможно да работят с различна точност. Новата координатна и височинна системи в България е регламентирана с Постановление на Министерски съвет № 153 от 29 юли 2010 година е „Българска геодезическа система 2005“. Свързани с използването на GNSS системи в България и регламентиращи използването на гедезически сателитни приемници и работата с тях са нормативни документи като: Наредба № 2 от 30 юли 2010 г. за дефиниране, реализация и поддържане на Българската геодезическа система; Инструкция РД-02-20-25 от 20 септември 2012 г. за определяне на геодезически точки с помощта на глобални навигационни спътникови системи и Инструкция ПД-02-20-12 от 3 август 2012 г. за преобразуване на съществуващите геодезически и картографски материали и данни в БГС 2005 [13]. С геодезическата координатна система се определят положенията на точки на повърхността на елипсоида, също върху плоскост (двумерни) и в пространството (тримерни).

Геодезическа координатна система, свързана с референтен елипсоид, разпространена на територията на на континент или държави се определя като референтна геодезическа система. Геодезическите координатни системи включват: параметрите на елипсоида в качеството му на координатна повърхност; височината на геоида над елипсоида в началната точка на геодезическата мрежа на държавата и изходните геодезически ширина и дължина на началната точка, азимут от началната точка към ориентировъчна точка от геодезическата мрежа, които са определящи за континентална или държавна референтна система. Геодезическите координати се обозначават съответно: с В – геодезическата ширина, L – дължина и Н – височина. Геодезическата височина Н се отчита от точка на земната повърхност по нормалата до повърхността на елипсоида [44].

Космическите технологии при изучаването на действителната повърхност на Земята позволяват определяне на положението на коя да е точка от повърхността, спрямо приета координатна система. При съществуващите различни видове координатни системи изборът зависи от конкретното им приложение и режим на определяне на координатите.

В GNSS приемниците може да се избира от предварително зададени режими за определяне на координати:

• 3D Overdetermined;

• Manual 3D;

• Manual 2D;

• Auto 2D/3D.

За работа в режим 3D Overdetermined е необходимо наличието на 5 и повече спътници над хоризонта и планирано допустимо значение на PDOP. GPS приемникът получава пространствени координати от спътниците с най-добра пространствена конфигурация. С измерванията от множество спътници се повишава контролът върху точността на определеното местоположение.

За работа в режим Manual 3D също е важно спътниците да са повече от 4. Приемникът получава пространствени координати от спътниците с най-добра пространствена конфигурация. Наблюденията се спират, ако количеството спътници, с които се работи падне под допустимите 4 спътника. Режимите 3D Overdetermined и Manual 3D осигуряват максимално ниво на точност при определяне на пространствените координати при използването им в кинематичен режим на работа.

Ако се използва Manual 2D е необходимо наличието на три спътника. Приемникът изчислява ширината и дължината на основата на известна, въведена от оператора височина на точката. Тази височина остава фиксирана даже по време на движение. Ако височината не е определена от оператора се използва последната изчислена височина от приемника. Използването на този режим е необходимо само в случай, че операторът знае и може да въведе правилната височина, но ако височината не е точна се отчитат координати с грешка, неприемлива за теренни специализирани измервания.

В режим на работа с координати Auto 2D/3D приемникът изчислява пространствените координати в 3D, когато това е възможно. Ако значението на PDOP превишава пределно допустимото число за измерванията или за наблюдение са достъпни само три спътника, приемникът преминава в режим на работа за определяне на планови координати. При смяната на работния режим на координатите от 3D в 2D приемникът използва последното измерване на височина, измерена в 3D.

Режимът Auto 2D/3D осигурява записването на координатите в паметта на приемника, дори когато над хоризонта се виждат само три спътника. Но плановите координати получени в режим 2D са по-неточни, отколкото тези в режим 3D. Възможно е при постобработката 2D координатите да бъдат преизчислени на основата на въвеждането на точни данни за височините, което води до увеличаване на точността на координатите. Не се препоръчва работа в режим 2D за получаване на координати, заради проблема с получаването на данни за височината. Ако височината е зададена неправилно, то и ширината и дължината на координатите се определят с голяма грешка и тази грешка не може да бъде изключена при постобработката и с използването на диференциални корекции, тъй като една от величините е фиксирана и въведена на ръка. Операторът може да знае каква е височината, която се отнася към средното морско равнище т.е. надморската височина на точката, но GPS апаратурата получава височината спрямо елипсоида WGS-84, a не надморската височина, като разликите са големи. Алгоритмите за преизчисляване на височини от WGS-84 към географски надморски височини имат допустима грешка от един до 5 метра и повече.




Сподели с приятели:
1   2   3   4   5   6   7




©obuch.info 2024
отнасят до администрацията

    Начална страница