Доклад: Геотроника: новая жизнь древней науки
Подобных систем сейчас две: разработанная в США система GPS (Global Positioning System - глобальная система определения местоположения) и отечественная система ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система). Как GPS, так и ГЛОНАСС построены, в общем, по одному и тому же принципу, хотя и различаются в некоторых деталях. Аналогичные системы, только попроще, используются в специализированной автомобильной аппаратуре (см. "Наука и жизнь" N 11, 2001 г.).
Космический комплекс представляет собой систему из двадцати четырех спутников, размещенных: в GPS - в шести орбитальных плоскостях, развернутых через 60њ по долготе; в системе ГЛОНАСС - в трех плоскостях через 120њ на высоте порядка 20 тысяч километров. Это позволяет постоянно наблюдать в любой точке земного шара не менее четырех спутников каждой системы. На всех спутниках имеются стандарты частоты с долговременной стабильностью порядка 10-12 - 10-13. Спутники излучают радиоволны на двух частотах (с длинами волн порядка 20 сантиметров), которые "несут" сложные кодированные сигналы.
Наземный комплекс системы определяет координаты спутников и передает их на борт, где они закладываются в сигнал, посылаемый на Землю, синхронизирует спутниковые "часы" и сверяет их с наземной опорной шкалой времени. Для этого на центральной станции имеется водородный стандарт частоты со стабильностью 10-14, что соответствует уходу на 0,3 секунды за миллион лет.
Сигналы со спутников принимает и обрабатывает аппаратура в пункте измерения. Приемники могут работать в двух режимах, получивших название кодовых и фазовых измерений. Кодовые измерения называют также абсолютными, так как сразу определяют координаты пункта в геоцентрической системе координат. Делается это следующим образом. Радиоволны, излучаемые со спутника, модулируются по фазе так называемым дальномерным кодом, и такой же код вырабатывается в приемнике. (Предусмотрены два кода - "грубый", доступный для всех, и "точный", доступ к которому должен быть санкционирован.) Путем сравнения этих двух кодовых сигналов определяют время распространения сигнала от спутника до приемника с учетом разности показаний их часов относительно опорного времени. Если одновременно измерить расстояния до четырех спутников, получится система из четырех уравнений с четырьмя неизвестными - три координаты и разность во времени, решением которой и находят искомые координаты.
Режим кодовых измерений дает "навигационную" точность - порядка нескольких десятков метров. Чтобы ее повысить, используют два приемника. Один устанавливают на пункте с известными координатами, определяют в нем разности измеренных и вычисленных ("эталонных") величин и передают их на подвижной приемник для исправления измерений. Такой способ сводит ошибку к величине до одного метра.
Для геодезических целей применяют гораздо более точный режим фазовых измерений, при которых определяют не время распространения сигнала от спутника до приемника, а сдвиг фазы несущей частоты, излучаемой спутником. Выполняют их с двумя разнесенными приемниками и определяют разности их координат, по которым можно вычислить расстояние между приемниками с точностью до миллиметров. А если один из них поместить в точку с известными координатами, что обычно и делается, то можно легко получить и абсолютные координаты второго приемника на сантиметровом уровне точности.
Основная задача здесь, как и в наземных фазовых дальномерах, - точное определение целого числа длин волн, "уложившихся" на трассе спутник - приемник. Это то самое число N, о котором говорилось выше, но в данном случае оно намного больше и определять его гораздо сложнее. Поскольку расстояние до спутника равно примерно 20 тысячам километров, а длина волны - около 20 сантиметров, число длин волн N получается порядка миллиона; измерить же его нужно совершенно точно: ошибка на единицу даст отклонение по дальности на 20 сантиметров. Сейчас разработано несколько способов решения этой задачи, но именно с ней чаще всего связаны сбои в работе системы.
К настоящему времени в разных странах разработано очень много типов GPS-приемников, различающихся по своим возможностям. По сути дела, большинство геодезических задач может быть решено при использовании двух основных измерительных средств: глобальной спутниковой системы и электронного тахеометра. Добавление к ним спутниковых лазерных дальномеров, аппаратуры РСДБ и оптических интерферометров образует мощный арсенал геодезической измерительной техники ХХI века.
Список литературы
А. ГОЛУБЕВ, доктор технических наук. Геотроника: новая жизнь древней науки