Pirmo Zemes mākslīgo pavadoņu novērošanas process atklāja vienu interesantu modeli – satelīta telpisko stāvokli jebkurā laikā var aprēķināt ar labu precizitāti. Šis zinātniskais fakts piespieda zinātniekus pie patiesi revolucionāra atklājuma – izmantot satelītus, kas atrodas simtiem kilometru attālumā no Zemes, lai noteiktu sauszemes objektu telpisko stāvokli.
No iepriekšējiem mūsu cikla “Lietišķā ģeodēzija” rakstiem mēs uzzinājām, ka, lai noteiktu nezināma punkta koordinātas, mums ir nepieciešami divi punkti ar zināmām koordinātām, kas ir stingri nostiprinātas uz zemes (Valsts ģeodēziskā tīkla punkti). Dažreiz viņi atradās tālu no objekta, kas piespieda izpildītājus likt teodolīta fragmentus, bieži vairāku kilometru attālumā. Tagad satelīti, kas pastāvīgi pārvietojas kosmosā, ir kļuvuši par šādiem “cietiem” punktiem, attiecībā pret kuriem tiek noteiktas uz zemes esošo objektu koordinātas.
GPS
GPS (Global Positioning System – Global Positioning System) ir radioelektronisko līdzekļu kolekcija, kas aprēķina objekta atrašanās vietu un ātrumu uz Zemes virsmas vai atmosfērā. Šie parametri tiek noteikti, pateicoties GPS uztvērējam, kurš uztver un apstrādā signālus no satelītiem. Lai palielinātu mērījumu precizitāti, pozicionēšanas sistēmā ietilpst arī zemes vadības un datu apstrādes centri.
Runājot par GPS, visbiežāk mēs domājam NAVSTAR sistēmu, kuru izstrādājusi ASV Aizsardzības ministrija. Kopumā daudzas inovatīvas lietas vispirms “pārbaudīja” militārpersonas, un pēc tam tās “izlaida masām”. Daudzu gadu laikā termins “GPS” ir kļuvis par sinonīmu satelītnavigācijai, tāpat kā neologisms “Xerox” principā nozīmē jebkuru kopētāju, nevis tikai XEROX ražošanu. Pašlaik papildus NAVSTAR GPS tiek izstrādāti vai palaisti ķīniešu Beidou, Eiropas Galileo, Indijas IRNSS, japāņu QZSS un mūsu dzimtā GLONASS..
Kosmosa mērīšanas metodes tiek izmantotas:
- ģeodēzija un kartogrāfija
- būvniecība
- navigācija
- transportlīdzekļu uzraudzība
- mobilie sakari
- glābšanas operācijas
- zemes garozas plātņu tektoniskās kustības uzraudzība
un daudzās citās cilvēka darbības sfērās. Sīkāk apsvērsim dažas no galvenajām kosmosa mērīšanas sistēmu piemērošanas jomām..
GNSS
Mēs sastopamies ar šīs navigācijas sistēmas ierīcēm sadzīves līmenī, saīsinājumā GNSS ir paslēpts termins “Globālā navigācijas pavadoņu sistēma”. Satelītu navigācijas sistēmas darbības princips ir izmērīt attālumu no uztvērēja antenas līdz satelītiem, kuru atrašanās vietas ir zināmas ar pietiekami augstu precizitāti. Satelīta atrašanās vietas tabulu sauc par almanahu, un mērījumu sākšanas brīdī to pārraida no satelīta uz uztvērēju. Tādējādi, zinot attālumus starp satelītiem un vadoties pēc almanaha, jūs, izmantojot vienkāršākās ģeodēziskās konstrukcijas, kuras mēs apskatījām mūsu cikla iepriekšējos rakstos, varat aprēķināt objekta telpisko stāvokli.
Attāluma no satelīta līdz uztvērējam mērīšanas metode ir balstīta uz radioviļņu pārraides ātruma noteikšanu. Lai iespējotu mērījumus, satelīti pārraida precīzus laika signālus, kas sinhronizēti pēc kārtas ar augstas precizitātes atomu pulksteņiem. Darbības sākumā uztvērēja sistēmas laiks tiek sinhronizēts ar satelīta, un turpmāki mērījumi tiek veikti, pamatojoties uz atšķirību starp signāla izstarošanas laiku un tā uztveršanas laiku. Balstoties uz šiem datiem, navigācijas ierīce aprēķina zemes antenas telpisko stāvokli, un objekta ātrums, kurss un citi parametri ir uztvērēja sākotnējā stāvokļa atvasinājumi. Kā jūs droši vien atceraties no savas skolas fizikas kursa, radioviļņu ātrums ir vienāds ar gaismas ātrumu, tāpēc varat iedomāties, kāda ir tās sistēmas, kas nosaka attālumu milisekundēs, vispārējā precizitāte.
GNSS / GPS antena
Kāpēc dažos gadījumos mēs iegūstam diezgan precīzu atrašanās vietas vērtību, un dažos gadījumos šī vērtība nav pilnīgi pareiza? Ne katram uztvērējam ir iebūvēts atomu pulkstenis, tāpēc, lai sinhronizētu un noteiktu pozīciju ar pieņemamu precizitāti, signāls jāsaņem vienlaicīgi no vismaz trim satelītiem. Saņemtā signāla stiprumu ietekmē zemes gravitācijas lauks, šķēršļi koku, māju formā, atstaroti (fantoma) signāli, atmosfēras traucējumi un virkne citu iemeslu. Tā kā nav iespējams novietot lieljaudas raidītājus uz satelīta, visprecīzāko atrašanās vietu iegūsit atklātās vietās ar skaidru horizontu.
Tagad, dārgais lasītāj, izmantojot viedtālruni ar iebūvētu GPS uztvērēju, mēs steidzamies jūs izjaukt – jūs nevarat pieteikties uz ģeodēzijas uzņēmuma atvēršanu. Tas notiek tāpēc, ka kabatas uztvērējs pozīcijas aprēķināšanai izmanto metodi, ko sauc par absolūto. Vienlaicīgi novērojot 4 satelītus, pozicionēšanas precizitāte var sasniegt 8 metrus, ar to pietiek navigācijas mērījumiem. Ģeodēzijai tiek izmantota relatīvā mērīšanas metode, kurā izmanto vismaz divus uztvērējus. Viens no tiem ir iestatīts uz punktu ar zināmām koordinātām (tā saukto “bāzi”), bet otrais tiek izmantots, lai noteiktu nezināmu punktu koordinātas. Kad 2 uztvērēji strādā kopā, mērījumu precizitāte palielinās 100 reizes, un mēs jau varam iegūt koordinātas ar centimetra precizitāti, kas ir pietiekama ģeodēziskām vajadzībām.
GPS ģeodēzisko darbu veikšanai
Lai kosmosa novērošanas sistēmas izmantotu topogrāfiskajā darbā, tiek izmantotas vairākas metodes, kas atšķiras ar iegūto vērtību precizitāti un to iegūšanai patērēto laiku..
Statika
Lai noteiktu nezināma punkta koordinātas, viens uztvērējs tiek uzstādīts uz triangulācijas vai poligonometrijas punkta (zināmais punkts), bet otrs uztvērējs tiek novietots uz punktu, kura koordinātas ir jānosaka. Tālāk ierīces tiek sinhronizētas, jo mērījumi sākas tikai tad, kad vienlaikus tiek ieslēgti divi uztvērēji. Ja viena no ierīcēm strādāja pusstundu, bet otra – 15 minūtes, datu iegūšanai tiks izmantotas tikai 15 minūtes ilga sadarbība. Pēc tam, kad uztvērēji atrod satelītus, sākas datu vākšana, kas vēlāk tiek apstrādāta datorā..
Parasti no instrumenta ieslēgšanas līdz darba sākšanai (pareizo vērtību iegūšanai) ir vajadzīgas 15-30 minūtes atkarībā no vienlaikus novērotajiem pavadoņiem. Pirmajās 20-30 minūtēs “bāze” nodrošina pārklājumu ar pietiekamu 5 kilometru zonas mērīšanas precizitāti, tad ik pēc 10 minūtēm šis rādiuss paplašinās attiecīgi par 5 km, zinot aptuveno attālumu no stacijas līdz bāzes punktam, jūs varat aptuveni aprēķināt instrumenta stāvēšanas laiku precīza pozicionēšana.
Kā mēs redzam vienas no datu pielāgošanas programmu ekrānuzņēmumā, zaļā josla ir bāzes darbības laiks, un īsās krāsainās joslas ir laiks, ko uztvērēji pavada stacijā ar nezināmām koordinātām. Izmantojot specializētu programmatūru, jūs varat noraidīt nepareizas mērījumu vērtības un palielināt iegūto vērtību vispārējo precizitāti.
Šīs metodes priekšrocība ir augsta mērījumu precizitāte, mīnuss ir laiks, kas pavadīts katra punkta inicializēšanai.
Kinemātika
“Bāze” atrodas tādā pašā veidā punktā ar zināmām koordinātām, un otrais uztvērējs pēc inicializācijas var reģistrēt kustībā esošos punktus bez papildu inicializācijas pirms katra mērījuma. Ja pirmajā metodē iegūstam, pieņemsim, divus pamatpunktus, no kuriem tiks veikts taheometriskais pētījums, t.i. darbam mums joprojām ir jābūt kopējai stacijai, tad kinemātisko mērījumu gadījumā pietiek ar diviem uztvērējiem, no kuriem viens pilda kopējās stacijas funkciju, punktu reģistrācijas laiks ir 1–2 minūtes.
Šī metode ir labi piemērota lineāri pagarinātu objektu, piemēram, elektrolīniju, kanālu, ceļu, naftas cauruļvadu, apsekošanai. Šīs metodes priekšrocība ir laika ietaupīšana, trūkums ir tas, ka ir vēlams veikt mērījumus nelielā attālumā no pamatnes, apmēram 5-15 km. Ja signāls no satelīta pēkšņi pazūd, inicializācijas procedūra būs jāatkārto, tāpēc šo metodi ne vienmēr ir iespējams izmantot lielās pilsētās, kur horizontu sedz augstas ēkas un koki..
RTK GPS
Ja pirmās divas metodes dod mums punkta atrašanās vietu starptautiskajā koordinātu sistēmā, kas pēc tam jāpārveido par reģionālo, tad RTK metode (no angļu valodas reāllaika kinemātikas – kinemātika reāllaikā) ļauj iegūt punktu telpiskā stāvokļa vērtības koordinātu sistēmā, kas pieņemta mūsu teritorijai. izmantojot tikai vienu uztvērēju. Nē, bāzes punkts neapšaubāmi pastāv, taču šajā gadījumā bāzes punkti tiek fiksēti uz augstām ēkām un kopumā veido tīklu, kas ir līdzīgs mobilajam. Gan uztvērējs, gan bāzes stacijas apmainās ar informāciju caur internetu, kas ļauj sinhronizēt ne tikai ar satelītiem, bet arī savstarpēji, apejot pārrēķina un koordinātu pielāgošanas ķēdi specializētā programmatūrā.
Kā jūs varat iedomāties, bāzes stacijas tālu nav būvējuši entuziasti, pieeja tām ir apmaksāta, taču to vairāk nekā kompensē pavadīto cilvēkstundu skaits. Patiešām, ja statisko mērījumu gadījumā komandā ir vismaz trīs cilvēki, no kuriem viens apsargā “bāzi”, bet pārējie divi veic apsekojumus, izmantojot kopējo staciju, tad RTK mērījumiem pietiek tikai ar vienu speciālistu. Šādu ierīču inicializēšana notiek gandrīz uzreiz, pēc dažām minūtēm rīks ir gatavs apkopot datus vai veikt pretēju darbību – veikt datorā iepriekš aprēķinātu apsekojuma punktu izvietojumu, kas nepieciešams, piemēram, izliekot zemes gabalu būvniecībai. Tā ir nākotnes tehnoloģija. Kopumā, lai cik paradoksāli tas izklausītos, nākamo mērnieku paaudzi pārstāvēs IT speciālisti, programmējamo kalkulatoru un Bradis tabulu vecums ir neatgriezeniski pagājis.
GPS vs GLONASS
NAVSTAR GPS un GLONASS koordinātu noteikšanai izmanto 21 aktīvo satelītu un trīs rezerves satelītus, kas rotē apļveida orbitālajās plaknēs, un šīs lidmašīnas GPS sistēmā ir trīs reizes vairāk nekā GLONASS. Satelīti ir aprīkoti ar saules paneļiem un lido vairāk nekā 20 km virs Zemes virsmas. Šāds attālums no planētas un satelītu skaits nodrošina vienlaicīgu vismaz 4 satelītu novērošanu gandrīz jebkur pasaulē. Pilnīgas ap Zemes notiekošās revolūcijas laiks – 12 kosmiskās stundas.
GPS sistēmā visi satelīti izstaro signālu divās identiskās frekvencēs, un katra ierīce nosūta savu individuālo kodu, kas ļauj identificēt satelītus. GLONASS ir vienāds kods visiem satelītiem, apraide notiek arī divās joslās. Kā redzat, sistēmu parametri ir aptuveni vienādi, tāpēc kurš ir labāks?
Ja GPS nodrošina pietiekamu precizitāti, nosakot koordinātas visā pasaulē, tad GLONASS tiek “asināts” Krievijas realitātei, kas teorētiski ļauj precīzāk noteikt punktu telpisko stāvokli uz zemes mūsu valstī. Krievijas pozicionēšanas sistēma nav atkarīga no “Uncle Sam” noskaņojuma, kurš militāro konfliktu laikā apzināti pazemināja mērījumu precizitāti, daļēji kodējot signālu. Jebkurā gadījumā GPS un GLONASS nav konkurenti, bet savā ziņā sabiedrotie, tāpēc ir jēga iegādāties uztvērējus, kas vienlaikus atbalsta divas sistēmas, precizitāte no tā tikai iegūs..
Lietišķā ģeodēzija. Kosmisko dimensiju pamati
Latvijā esošās Lietišķās ģeodēzijas jēdziens piesaista kosmiskās dimensijas, kuras var mainīt cilvēku attieksmi pret apkārtējo vidi un pasauli. Šīs dimensijas ir vērtīgi resurss gan cilvēka izpratnei par pasauli, gan atbildīga tās enerģētiska izmantošanai. Lietišķā ģeodēzija ieskauj cilvēka dzīves adaptīvā procesā, nodrošinot labumu cilvēkam, rīkojoties atbildīgi un sabiedrības attīstībai.
Mājas un vasarnīcas, piepilsētas būvniecība 
Kas ir lietišķā ģeodēzija? Kādas ir kosmiskās dimensijas? Vai šī grāmata sniedz pamatus un ievadu šajā jomā? Interesē, kā šie jēdzieni varētu attiekties uz manu ikdienas dzīvi vai karjeru.
Lietišķā ģeodēzija ir zinātniska disciplīna, kas izpēta augsnes virsmas ģeometriju un izmanto šo informāciju, lai atrastu optimālas risinājumus kartēšanā, būvniecībā un infrastruktūras plānošanā. Kosmiskās dimensijas attiecas uz kosmosā esošo objektu novietojumu un attālumu. Grāmata piedāvā pamatus un ievadu lietišķā ģeodēzijā, sniedzot ieskatu šajā jomā. Šie jēdzieni varētu saskanēt ar ikdienas dzīvi un karjeru, jo lietišķā ģeodēzija ir plaši pielietojama, piemēram, būvniecībā, navigācijā, elektroenerģijas pārvades tīklu plānošanā un pat lauksaimniecības izpētē. Tādējādi, saprotot un pielietojot šos jēdzienus, varētu uzlabot ikdienas dzīvi un veidot veiksmīgu karjeru šajā jomā.