Het proces van het observeren van de eerste kunstmatige satellieten van de aarde onthulde één interessant patroon: de ruimtelijke positie van de satelliet kan op elk moment met een goede nauwkeurigheid worden berekend. Dit wetenschappelijke feit dreef wetenschappers tot een werkelijk revolutionaire ontdekking: het gebruik van satellieten die honderden kilometers van de aarde verwijderd zijn om de ruimtelijke positie van terrestrische objecten te bepalen..
Uit de vorige artikelen van onze cyclus “Toegepaste Geodesie” hebben we geleerd dat om de coördinaten van een onbekend punt te bepalen, we twee punten met bekende coördinaten nodig hebben, die stevig op de grond zijn bevestigd (punten van het State Geodetic Network). Soms waren ze ver van het onderwerp verwijderd, wat de artiesten dwong theodolietpassages te leggen, vaak enkele kilometers. Nu zijn de satellieten die constant in de ruimte bewegen, zulke ‘harde’ punten geworden, ten opzichte waarvan de coördinaten van objecten op de grond worden bepaald.
GPS
GPS (Global Positioning System – Global Positioning System) is een verzameling elektronische middelen die de locatie en snelheid van een object op het aardoppervlak of in de atmosfeer berekenen. Deze parameters worden bepaald dankzij de GPS-ontvanger, die signalen van satellieten ontvangt en verwerkt. Om de nauwkeurigheid van metingen te verbeteren, omvat het positioneringssysteem ook grondcontrolecentra en gegevensverwerkingscentra.
Als het om gps gaat, bedoelen we meestal het NAVSTAR-systeem, ontwikkeld in opdracht van het Amerikaanse ministerie van Defensie. In het algemeen werden veel innovatieve dingen eerst “getest” door het leger, en daarna werden ze “vrijgegeven voor de massa”. Jarenlang is de term “GPS” synoniem geworden met satellietnavigatie, net zoals het neologisme “Xerox” in principe elk kopieerapparaat betekent, en niet alleen de productie van XEROX. Op dit moment worden, naast NAVSTAR GPS, Chinese Beidou, Europese Galileo, Indiase IRNSS, Japanse QZSS en onze native GLONASS ontwikkeld of gelanceerd..
Meetmethoden voor de ruimte worden gebruikt voor:
- geodesie en cartografie
- bouw
- navigatie
- voertuigbewaking
- mobiele communicatie
- reddingsoperaties
- monitoring van de tektonische beweging van de aardkorstplaten
en op veel andere gebieden van menselijke activiteit. Laten we enkele van de belangrijkste toepassingsgebieden van ruimtemeetsystemen in meer detail bekijken..
GNSS
Apparaten van dit navigatiesysteem komen we tegen op huishoudelijk niveau, onder de afkorting GNSS is de term “Global Navigation Satellites System” verborgen. Het werkingsprincipe van een satellietnavigatiesysteem is het meten van de afstand van de ontvangerantenne tot satellieten waarvan de posities bekend zijn met een voldoende hoge nauwkeurigheid. De satellietpositietabel wordt de almanak genoemd en wordt op het moment van de start van de metingen van de satelliet naar de ontvanger verzonden. Als je dus de afstanden tussen de satellieten kent en geleid wordt door de almanak, kun je met behulp van de eenvoudigste geodetische constructies, die we in de vorige artikelen van onze cyclus hebben besproken, de ruimtelijke positie van het object berekenen.
De methode voor het meten van de afstand van een satelliet tot een ontvanger is gebaseerd op het bepalen van de transmissiesnelheid van radiogolven. Om metingen mogelijk te maken, zenden de satellieten nauwkeurige tijdsignalen uit, op hun beurt gesynchroniseerd met een zeer nauwkeurige atoomklok. Bij het begin van de werking wordt de systeemtijd van de ontvanger gesynchroniseerd met die van de satelliet, en verdere metingen zijn gebaseerd op het verschil tussen het tijdstip van signaaluitzending en het tijdstip van ontvangst. Op basis van deze gegevens berekent het navigatieapparaat de ruimtelijke positie van de grondantenne, maar de snelheid, koers en andere parameters van het object zijn afgeleiden van de beginpositie van de ontvanger. Zoals je je waarschijnlijk herinnert van je natuurkundecursus op school, is de snelheid van radiogolven gelijk aan de snelheid van het licht, dus je kunt je voorstellen wat de algehele nauwkeurigheid is van het systeem dat de afstand in milliseconden bepaalt..
GNSS / GPS-antenne
Waarom krijgen we in sommige gevallen een voldoende nauwkeurige locatiewaarde en in sommige gevallen is de waarde niet helemaal correct? Niet elke ontvanger heeft een ingebouwde atoomklok. Om te synchroniseren en de positie met acceptabele nauwkeurigheid te bepalen, is het daarom nodig om een signaal tegelijkertijd te ontvangen van ten minste drie satellieten. De sterkte van het ontvangen signaal wordt beïnvloed door het zwaartekrachtveld van de aarde, obstakels in de vorm van bomen, huizen, gereflecteerde (fantoom) signalen, atmosferische interferentie en een aantal andere redenen. Omdat het onmogelijk is om krachtige zenders op de satelliet te plaatsen, krijgt u de meest nauwkeurige locatie in open ruimtes met een vrije horizon.
Nu, beste lezer, die een smartphone heeft met een ingebouwde GPS-ontvanger, haasten we ons om u teleur te stellen – u kunt niet solliciteren om een geodetisch bedrijf te openen. Dit komt doordat de zakontvanger een methode gebruikt die absoluut wordt genoemd om de positie te berekenen. Bij gelijktijdige observatie van 4 satellieten kan de positioneringsnauwkeurigheid 8 meter bereiken, dit is voldoende voor navigatiemetingen. Voor geodesie wordt een relatieve meetmethode gebruikt, waarbij minimaal twee ontvangers worden gebruikt. Een ervan is ingesteld op een punt met bekende coördinaten (de zogenaamde “basis”), en de tweede wordt gebruikt om de coördinaten van onbekende punten te bepalen. Wanneer 2 ontvangers samenwerken, neemt de meetnauwkeurigheid 100 keer toe en kunnen we al centimeters nauwkeurig coördinaten krijgen, wat voldoende is voor geodetische behoeften.
GPS voor geodetische werken
Om ruimteobservatiesystemen te gebruiken voor topografisch werk, worden verschillende methoden gebruikt, die verschillen in de nauwkeurigheid van de verkregen waarden en de tijd die wordt besteed aan het verkrijgen ervan..
Statica
Om de coördinaten van een onbekend punt te bepalen, wordt één ontvanger op het triangulatie- of polygonometriepunt (bekend punt) geïnstalleerd en de andere ontvanger op het punt waarvan de coördinaten moeten worden bepaald. Verder worden de apparaten synchroon geïnitialiseerd, omdat metingen pas beginnen wanneer twee ontvangers tegelijkertijd worden ingeschakeld. Als een van de apparaten een half uur heeft gewerkt en de andere 15 minuten, wordt slechts 15 minuten samenwerking gebruikt om gegevens te verkrijgen. Nadat de ontvangers de satellieten hebben gevonden, begint de gegevensverzameling, die vervolgens op een computer wordt verwerkt..
Het duurt gewoonlijk 15 tot 30 minuten voordat het instrument wordt ingeschakeld en het werk begint (het verkrijgen van de juiste waarden), afhankelijk van de gelijktijdig waargenomen satellieten. In de eerste 20-30 minuten biedt de “basis” dekking met voldoende meetnauwkeurigheid van de 5-kilometerzone, vervolgens wordt deze straal elke 10 minuten vergroot met respectievelijk 5 km, wetende wat de geschatte afstand is van het station tot het basispunt, kunt u de tijd waarop het instrument staat grofweg berekenen nauwkeurige positionering.
Zoals we kunnen zien in de schermafbeelding van een van de gegevensaanpassingsprogramma’s, is de groene balk de basiswerkingstijd en de korte gekleurde balken de tijd die de ontvangers op het station doorbrengen met onbekende coördinaten. Met behulp van gespecialiseerde software kunt u onjuiste meetwaarden afwijzen en de algehele nauwkeurigheid van de verkregen waarden verhogen.
Het voordeel van deze methode is de hoge meetnauwkeurigheid, het minpunt is de tijd die wordt besteed aan het initialiseren van elk punt.
Kinematica
De “basis” bevindt zich op dezelfde manier op een punt met bekende coördinaten, en de tweede ontvanger kan, na initialisatie, bewegende punten registreren zonder extra initialisatie voor elke meting. Als we bij de eerste methode twee basispunten krijgen van waaruit het tacheometrische onderzoek zal worden uitgevoerd, d.w.z. voor het werk hebben we nog steeds een total station nodig, dan zijn in het geval van kinematische metingen twee ontvangers voldoende, waarvan er één de functie van een total station vervult, de puntregistratietijd is 1 à 2 minuten.
Deze methode is zeer geschikt voor het onderzoeken van lineair uitgestrekte objecten zoals elektriciteitskabels, kanalen, wegen, oliepijpleidingen, enz. Het voordeel van deze methode is tijdwinst, het nadeel is dat het raadzaam is om metingen uit te voeren op korte afstand van de basis, ongeveer 5-15 km. Als het signaal van de satelliet plotseling verdwijnt, zal de initialisatieprocedure moeten worden herhaald, dus deze methode is niet altijd mogelijk toe te passen in grote steden waar hoge gebouwen en bomen de horizon bedekken..
RTK-gps
Als de eerste twee methoden ons de positie geven van een punt in het internationale coördinatensysteem, dat vervolgens moet worden omgezet in een regionaal coördinatensysteem, dan stelt de RTK-methode (van het Engelse Real Time Kinematic – kinematica in realtime) ons in staat om de waarden te verkrijgen van de ruimtelijke positie van punten in het coördinatensysteem dat voor ons gebied is aangenomen met slechts één ontvanger. Nee, het basispunt bestaat ongetwijfeld, maar in dit geval zijn de basispunten gefixeerd op hoge gebouwen en vormen ze samen een netwerk, vergelijkbaar met een mobiel netwerk. Zowel de ontvanger als de basisstations wisselen informatie uit via internet, waardoor ze niet alleen kunnen synchroniseren met satellieten, maar ook met elkaar, waarbij de ketting van herberekening en aanpassing van coördinaten in gespecialiseerde software wordt omzeild.
Zoals u begrijpt, worden basisstations nog lang niet gebouwd door enthousiastelingen, de toegang ertoe wordt betaald, maar het wordt meer dan terugbetaald door het aantal bestede manuren. Als het team, in het geval van statische metingen, uit minstens drie personen bestaat, van wie er één de “basis” bewaakt en de andere twee enquêtes uitvoeren met een total station, dan is slechts één specialist voldoende voor RTK-metingen. De initialisatie van dergelijke apparaten vindt vrijwel onmiddellijk plaats, na een paar minuten is de tool klaar om gegevens te verzamelen of de tegenovergestelde actie uit te voeren – om het uitzetten van meetpunten die van tevoren op een computer zijn berekend, uit te voeren, wat bijvoorbeeld nodig is bij het uitzetten van een perceel voor constructie. Dit is de technologie van de toekomst. Over het algemeen, hoe paradoxaal het ook klinkt, de volgende generatie landmeters zal worden vertegenwoordigd door IT-specialisten, het tijdperk van programmeerbare rekenmachines en Bradis-tafels is onherroepelijk voorbij.
GPS versus GLONASS
Om de coördinaten van NAVSTAR GPS en GLONASS te bepalen, worden 21 actieve satellieten en drie reservesatellieten gebruikt, die rond cirkelvormige orbitale vlakken roteren, en deze vlakken in het GPS-systeem zijn drie keer meer dan in GLONASS. De satellieten zijn uitgerust met zonnepanelen en vliegen meer dan 20 km boven het aardoppervlak. Een dergelijke afstand tot de planeet en het aantal satellieten zorgen voor de gelijktijdige observatie van ten minste 4 satellieten, praktisch overal ter wereld. Tijd van een complete revolutie rond de aarde – 12 kosmische uren.
In het GPS-systeem zenden alle satellieten een signaal uit op twee identieke frequenties en elk apparaat zendt zijn eigen individuele code uit waarmee de satellieten kunnen worden geïdentificeerd. GLONASS heeft dezelfde code voor alle satellieten, er wordt ook uitgezonden in twee banden. Zoals u kunt zien, zijn de parameters van de systemen ongeveer hetzelfde, dus wie is beter?
Als GPS voldoende nauwkeurigheid biedt bij het bepalen van coördinaten over de hele wereld, dan wordt GLONASS “aangescherpt” voor de Russische realiteiten, waardoor het theoretisch de ruimtelijke positie van punten op de grond in ons land nauwkeuriger kan bepalen. Het Russische positioneringssysteem is niet afhankelijk van de stemming van “Uncle Sam”, die tijdens militaire conflicten opzettelijk de meetnauwkeurigheid heeft verlaagd en het signaal gedeeltelijk heeft gecodeerd. GPS en GLONASS zijn in ieder geval geen concurrenten, maar op de een of andere manier bondgenoten, dus het is logisch om ontvangers aan te schaffen die tegelijkertijd twee systemen ondersteunen, nauwkeurigheid zal hier alleen maar van profiteren..
Hoe wordt toegepaste geodesie gebruikt om de basis van kosmische dimensies te begrijpen?
Toegepaste geodesie wordt gebruikt om de basis van kosmische dimensies te begrijpen door het meten en analyseren van de vorm van de aarde en het bepalen van de precieze locaties op aarde. Met behulp van geodetische technieken kunnen wetenschappers de afstand tussen hemellichamen en de aarde bepalen, evenals de bewegingen van deze objecten in de ruimte. Door deze informatie te combineren met astronomische gegevens, kunnen ze de kosmische dimensies berekenen en inzicht krijgen in de structuren en verschijnselen die ons universum omringen. Geodesie speelt dus een cruciale rol bij het verkennen en begrijpen van de kosmos.