1. Глобальные системы местоопределения

Общие сведения

GPS (GLOBAL POSITIONING SYSTEM) – это глобальная система местоопредиления, позволяющая по сигналам своих спутников определять координаты объекта, на котором установлен приемоиндикатор (GPS – приемник), высоту над уровнем моря, точное время, а также направление и скорость его движения.

Любую глобальную позиционную систему составляют три «сегмента»:

- Космический;

- Наземный (управления);

- Пользовательский (потребителей):

Космический сегмент, т.е «созвездие» искусственных спутников Земли (в спутниковой системе NAVSTAR около 30 спутников), непрерывно излучающих радиоволны, при помощи которых пользователям системы передаётся информация и GPS–приемник определяет свое местоположение.

Спутники GPS играют роль подвижных опорных точек, положение которых в космическом пространстве с высокой точностью и для любого момента времени определяется наземным сегментом.

Наземный сегмент (сегмент управления), состоящий из наземных станций слежения за спутниками системы, объединенных в общую сеть.

Пользовательский сегмент (сегмент потребителей), к которому относятся все находящиеся в эксплуатации индивидуальные GPS–приемники, способные принимать сигналы со спутников и по принятой информации вычислять свое местоположение.

Система состоит из 32 х спутников (24 работающих, 8 резервных) вращающихся вокруг земли по 6 точно определенным орбитам. Спутники постоянно движутся со скоростью около 3 км/сек, совершая два полных оборота вокруг планеты менее чем за 24 часа. Постоянно в любой точке Земли над горизонтом находится от 4 до 8 спутников GPS. Они передают, с определенным интервалом времени, сигналы, которые улавливаются специальными приемниками – GPS навигаторами. Сигнал спутника содержит информацию о номере спутника и точном времени отправки сигнала. Спутники используют высокоточные атомные часы, а в процессор навигатора заложена информация, где и в какое время каждый спутник должен находиться (альманах). Сопоставляя время прохождения сигнала и местоположение спутников, навигатор определяет свои точные координаты.

Вращающиеся на высоте 20 000 км спутники имеют такие орбиты, чтобы в любой точке планеты принимался сигнал минимум с 5 спутников

Каждый космический аппарат периодически посылает на Землю сигналы, в которых содержится информация о времени отправки сигнала и о точных координатах спутника. GPS–приемник вычисляет разницу во времени между посылкой и получением радиосигнала. Умножив полученное значение на скорость распространения радиоволн, устройство находит свое расстояние до спутника. Если бы измерения выполнялись с идеальной точностью, GPS–приемнику хватило бы данных от трех спутников, чтобы вычислить свои координаты на поверхности Земли. Нужная точка находилась бы на пересечении трех сфер, центры которых совпадают с местом нахождения спутников, и поверхности Земли. Из–за того, что в измерениях имеется погрешность, для повышения точности используют данные не менее чем от четырех навигационных спутников. Чем больше данных от разных спутников использует в расчетах своего положения GPS–приемник, тем выше точность найденных координат.

Каждую миллисекунду спутники передают на Землю:

– Свой статус (сообщение об исправности или неисправности);

– Текущую дату;

– Текущее время;

– Данные альманаха – информацию о том, в каком месте небесной сферы должен находиться каждый спутник в любое момент времени в течение суток, т.е. орбитальные данные всех спутников;

– Свое точное местоположение.

Так как скорость распространения радиосигналов постоянна и равна скорости света, расстояние до спутников определяется по задержке времени приема сообщения GPS–приемником относительно времени отправки сообщения с борта спутника.

Основные функции GPS – приёмника:

– Определение местоположения в географических и прямоугольных координатах, а так же абсолютной высоты точки;

– Отметка местоположения (запоминание путевых точек);

– Осуществление навигации на любую из запомненных точек;

– Создание маршрутов движения и проведение навигации по ним;

– Отображение карты местности.

Применительно к практическим задачам, с которыми сталкиваются пользователи глобальной позиционной системы, наиболее распространёнными являются системы WGS 84 (World Geodetic System, американская система 1984 года) и ПЗ 90 (Параметры Земли 90, отечественная система 1990 года), а так же Система Координат СК 42 (СК–42) профессора Красовского.

Система NAVSTAR (Navigation System with Time and Ranging) базируется на системе координат, имеющей название WGS84 (World Geodetic System) — всемирная геодезическая система, принятая в 1984 году. Большая полуось эллипсоида GRS80, применяющегося в такой системе, имеет длину 6 378 137 м, а малая полуось – 6 356 752,31 м.

В нашей стране обычно пользуются картами, составленными в системе координат 1942 года. Она базируется на эллипсоиде, параметры которого определены по результатам геодезических и астрономических измерений для территории СССР, проведенных под руководством профессора Ф.Н.Красовского и введенных в практику в 1946 году. У эллипсоида Красовского величина большой полуоси равна 6 378 245 м, а малая полуось составляет 6 356 863 м. Размеры его полуосей превышают полуоси эллипсоида GRS80 больше, чем на 100 м.

Большинство карт, которые используются в России, построены на основе СК 42, т.е. представляют отображение земной поверхности с эллипсоида Красовского на плоскость карты, проведенное по математическим законам и методикам. В связи с этим происходит несовпадение геодезических координат, т.е. широты, долготы и высоты одной и той же точки на земной поверхности, определенных в системах WGS 84 и СК 42.

Широта, долгота и высота точки, определенные с помощью спутникового GPS – приемника системы NAVSTAR, по умолчанию вычисляющего их для эллипсоида WGS 84, должны быть пересчитаны в широту, долготу и высоту в CK 42. Для этого используется специальная функция встроенного (внутреннего) программного обеспечения. Она активизируется при выполнении операций по выбору пользовательских установок GPS – приемника. Для этого необходимо ввести в GPS – приемник пять "параметров пересчета", так называемые Uzer Map Datum – данные пользовательского эллипсоида, а именно:

– Смещения ∆Х(DX), ∆Y(DY) и ∆Z(DZ) центра СК 42 по отношению к центру WGS 84 соответственно по осям X, Y и Z (координаты центра СК 42 в системе осей WGS 84);

– Разность ∆А(DA) больших полуосей эллипсоидов WGS 84 и СК 42;

– Разность ∆F(DF) сжатий эллипсоидов WGS 84 и СК 42.

После этого ввода и его подтверждения GPS – приемник будет вычислять координаты точки в угловых градусах, минутах и секундах широты и долготы в СК 42 а высоту – в метрах по отношению к поверхности эллипсоида, т.е высотой над уровнем моря.

Указанные пять параметров приведены ниже:

DX= +24;

DY= -141;

DZ= -81;

DA= -108;

DF= 0,004808.

Пользовательские установки DATUM WGS 84 и СК 42 (параметров земного эллипсоида и сетки пользователя).

Перед применением пользователь должен "указать" спутниковому GPS – приемнику, в какой системе относимости (например, DATUM WGS 84 или СК 42) и в какой сетке координат (в каком формате) следует выводить на дисплей определяемые координаты места.

WGS 84 и другие вводятся из выпадающего меню по своему наименованию, т.к её данные уже есть в памяти GPS – приемника.

СК 42 должен быть выбран как User (пользовательский), т.е. определяемый путем ввода пользователем своих пяти параметров ∆Х, ∆У, ∆ Z, ∆А и ∆F.

Кроме этого, пользователь должен указать формат, в котором следует выводить координаты места (тип сетки координат). Это могут быть либо широтно–долготные координаты (в градусах минутах, секундах и десятых долях секунды), рассчитанные для WGS 84 или СК 42, либо прямоугольные координаты X и Y в системе Гаусса–Крюгера.

Для вывода в первом формате пользователю в соответствующем меню следует указать желательный формат (например – градусы, минуты, секунды).

Для вывода во втором – выбрать строку User Greed (пользовательская сетка координат) и ввести значение осевого меридиана, масштабный коэффициент и смещение по оси Y (по экватору).

В спутниковых GPS – приемниках пересчет широтно–долготных координат в прямоугольные и обратно выполняется с помощью специальной программы встроенного программного обеспечения, обращение к которой осуществляется из главного меню пользовательских настроек. Для этого в GPS – приемник должны быть введены значение осевого меридиана зоны (средняя долгота зоны), заменяющее собой номер зоны, равное её конечной долготе минус 3 градуса (7x6° – 3° = 39° – для 7 зоны) и масштабный коэффициент, равный для карт в проекции Гаусса–Крюгера единице (К=1,000000).

Широтно–долготная сетка координат удобна для координирования места на больших пространствах, при котором земную поверхность невозможно без заметных искажений углов, длин и площадей представить плоской картографической проекцией (изображением). Широтно–долготной сеткой, т.е географическими координатами пользуются пилоты самолётов и вертолётов, так как выполняют полёты на большие расстояния. На ограниченных же пространствах более привычна сетка прямоугольных координат, при помощи которой достижимо наглядное крупномасштабное изображение поверхности Земли с приемлемо малыми для решения практических задач искажениями углов, длин и площадей.

Определение номера зоны и значения осевого меридиана зоны.

Прямоугольная сетка координат Гаусса–Крюгера, которая используется в отечественных картах, строится для полосы земной поверхности, протяженностью в 6 угловых градусов по долготе и от экватора до северного и южного полюсов. Таким образом, по экватору располагаются 60 таких долготных зон со своими порядковыми номерами.

В прямоугольной системе координаты места указываются номером долготной зоны (1,2,3 и т.д. до 60), а внутри зоны расстоянием в метрах от её осевого меридиана (прямоугольная координата Y) и расстоянием в метрах от экватора к северу или югу (прямоугольная координата X).

Эти координаты имеют силу только в пределах долготной зоны, заданной своим номером (1,2,3 и т.д до 60), т.е в каждой из 60 зон своя система координат.

Для работы с GPS – приемником необходимо ввести значение осевого меридиана соответствующей зоны.

Осевые меридианы зон имеют значения: 3, 9, 15,21, 27, 33, 39, 45 и т.д. Москва, например, находится между 36 и 42 градусами восточной долготы, т.е. в седьмой долготной зоне. Средняя долгота в этом случае равна:

7x6° – 3° = 39° градусов восточной долготы, где

первая цифра 7 – номер зоны,

6° – ширина зоны (в градусах),

3° – половина ширины зоны (расстояние от начального (конечного) меридиана до центра зоны – осевого меридиана).

Кроме того, в том же подменю вводятся параметры:

Условное смещение на Восток = +7500000 метров, где

7 – номер зоны (Москва и Московская область),

500 000 м. – условное смещение на Восток.

Условное смещение на Север = 0, 0 метров (для северного полушария).

Их введением в расчетный алгоритм GPS – приемника достигается сдвиг начала прямоугольных координат от средней долготы (осевого меридиана зоны) к начальной долготе зоны и, тем самым, исключение из применения отрицательных значений координаты Y.

Определение номера зоны и значения осевого меридиана зоны по сборной таблице топографических карт.

Номер зоны и значение осевого меридиана можно определить по сборной таблице или общегеографической карте.

Например, Челябинск находится между 60 и 66 меридианом, т.е осевой меридиан этой зоны будет иметь значение 63°.

Номер географической зоны для Челябинска можно определить по номеру колонны (41), отняв число 30:

41 – 30 = 11, т.е. номер зоны будет 11 (по таблице поправок для крупных областей России).

*В моделях типа GPS map 60 CSx ввод номера зоны в 1 разряд значения смещения на Восток предусмотрен только от 1 до 9 зоны включительно. («Установка поправок для работы GPS–приёмника в системе координат Красовского 1942 года СК–42 (российские топографические карты) раздела 2 «Настройки и порядок работы с GPS–приёмником».

Определение номера зоны и значения осевого меридиана зоны по листу топографической карты.

Номер зоны так же можно определить по листу топографической карты, на котором он указывается слева от вертикальной линии километровой сетки:

Пример 1: лист топографической карты расположен в 7–ой географической зоне (7318, где 7 – номер зоны).

Для того, чтобы определить значение осевого меридиана, необходимо произвести следующие вычисления:

7x6° – 3° = 39° градусов восточной долготы, где

7 – номер зоны,

6° – ширина зоны (в градусах),

3° – половина ширины зоны (расстояние от начального (конечного) меридиана до центра зоны – осевого меридиана).

Пример 2: лист топографической карты расположен во 2–ой географической зоне (2419, где 2 – номер зоны).

Осевой меридиан будет иметь значение 9°:

2x6° – 3° = 9° градусов восточной долготы, где

2 – номер зоны,

6° – ширина зоны (в градусах).

Определение номера зоны непосредственно при помощи GPS – приёмника.

Номер зоны можно определить непосредственно при помощи GPS – приёмника. Для этого необходимо выбрать формат координат, как «широтно–долготный» («Форматирование основных величин»). В этом случае на дисплее буду выдаваться географические координаты в системе СК–42. Далее по значению долготы (Е – восточная долгота) определяют номер зоны и значение осевого меридиана (таблица).

Пример: GPS – приёмник определяет долготу текущего местоположения Е 037° 41.885' (градусы, минуты, тысячные минут).

Для определения номера зоны необходимо произвести следующие вычисления:

37° : 6° = 6,16 , т.е точка располагается в границах 7–ой зоны (между цифрами 6 и 7), где

37° – долгота данного местоположения, определяемая по GPS – приёмнику,

6° – ширина зоны.

Далее рассчитывается значение осевого меридиана 8–ой зоны.

7x6° – 3° = 39° градусов восточной долготы, где

7 – номер зоны,

6° – ширина зоны (в градусах),

3° – половина ширины зоны (расстояние от начального (конечного) меридиана до центра зоны – осевого меридиана).

Таким образом, точка расположена в 7–ой зоне, осевой меридиан зоны имеет значение 39° градусов восточной долготы. Эти данные необходимо внести в GPS – приёмник.