Назначение и порядок использования для таможенных целей, Таможенная система

Выдержка из текста работы

Цель работы — обобщении и анализе информационных материалов по принципам построения и функционирования аэрокосмических съемочных систем и глобальных спутниковых навигационных систем позиционирования для целей городского кадастра.

В процессе работы поставленные задачи решались с применением методов: описательной статистики, аналитического, экономико-математического, графического, программного.

В результате исследования раскрыта роль аэрокосмической съемки при решении задач городского кадастра, проанализированы задачи, решаемые с помощью аэрокосмических снимков, состояние и перспективы развития аэрокосмических съемочных систем.

Область применения: в практике работы кадастрового инженера.

Выпускная работа выполнена мной самостоятельно. Все использованные в работе материалы и концепции из опубликованной научной литературы из других источников имеют ссылки на них.

Маринов В.Н. Подпись студента

ВВЕДЕНИЕ

Роль аэрокосмической съемки при решении задач городского кадастра на современном этапе возрастает. Это обусловлено оперативностью получения метрической и смысловой информации об изучаемой территории; объективностью и документальностью этой информации, так как при съемке регистрируется фактическое состояние объектов на земной поверхности; экономической эффективностью получения информации по материалам аэрокосмических съемок; возможностью регулярных наблюдений (особенно по материалам космических съемок) за изменениями, происходящими на изучаемой территории, и оперативного внесения изменений обстановки, которые важны и значимы на уровне муниципалитета. Вместе с тем решение задач городского кадастра должно базироваться на достоверной информации об участках местности и их площадях, рельефе местности, учете инфраструктуры объекта, состояния природных и природно-антропогенных ландшафтов.

Спутниковая геодезия — это самый радикальный способ качественно, дешево и быстро удовлетворить нарастающий спрос на определение координат объектов. Высокий спрос на космическую информацию обусловлен бурным развитием вычислительной техники, а также совершенствованием геоинформационных систем, основным источником данных для которых служат результаты дистанционного зондирования. Насущная потребность в материалах космической съемки стала причиной появления целой плеяды съемочных аппаратов со сверхвысоким пространственным разрешением. Точность географической привязки и детальность получаемых изображений позволили формировать на их основе карты и планы крупного масштаба, что ранее было возможно только с использованием аэросъемки.

Основные преимущества перед классическими геодезическими способами определения координат — простота обслуживания, доступность, высокая точность, независимость от погоды, высокая производительность, практически исключаются ошибки, так называемый «человеческий фактор». К тому же на территории Российской Федерации много отдалённых и труднодоступных мест, где довольно затруднительно производить геодезические работы с применением традиционных приборов (тахеометров, теодолитов, нивелиров и т. д.). Эту проблему также можно решить с применением глобальных навигационных спутниковых систем. Основу этого высокотехнологичного производства составляют сегодня две спутниковые группировки: американская GPS (Global Positioning System) и российская ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система).

Объектом исследования являются информационные материалы аэрокосмических съемочных систем.

Предметом работы — совершенствование существующего процесса применения глобальных спутниковых навигационных систем позиционирования для городских территорий.

Цель данной выпускной квалификационной работы заключается в обобщении и анализе информационных материалов по принципам построения и функционирования аэрокосмических съемочных систем и глобальных спутниковых навигационных систем позиционирования, и вопросам их комплексного применения для целей городского кадастра.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

· исследование теоретических и методологических вопросов аэрокосмической съемки при решении задач городского кадастра;

· рассмотрение общих сведений о глобальных спутниковых навигационных системах позиционирования, а также вопросов их использования на современном этапе;

· проведение анализ комплексного использования аэрофотоснимков и GPS — технологий для целей городского кадастра

· на основе теоретических положений разработать предложения по совершенствованию процесса применения глобальной навигационной спутниковой системы для городских территорий.

Теоретическую основу выпускной квалификационной работы составили Законы Российской Федерации, Указы Президента, Постановления Правительства Российской Федерации, нормативно-правовые акты Федерального агентства кадастра объектов недвижимости, цифровые карты, каталоги геодезических координат опорных точек и др.

Различного рода навигационные алгоритмы были рассмотрены в работах Бажинова И.К., Бартенева В.А., Болдина В.А., Дишеля В.Д., Дмитриева П.П., Иванова Н.Е., Красилыцикова М.Н., Малышева В.В., Перова А.И., Почукаева В.Н., Романова Л.М., Салищева В.А., Тюбалина В.В., Харисова В.Н., Чернявского Г.М., Шебшаевича B.C., Ярлыкова М.С. и ряда других авторов. В этих работах были исследованы вопросы навигации с использованием систем GPS или ГЛОНАСС.

Теоретическое значение выпускной квалификационной работы заключается в том, что решаемая в работе проблема осуществления высокоточной навигации авиационного потребителя по цифровой карте отражает практическую потребность улучшения качества навигационного обслуживания для целей городского кадастра.

Выпускная квалификационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка используемых источников и приложения.

1. РОЛЬ АЭРОКОСМИЧЕСКОЙ СЪЕМКИ ПРИ РЕШЕНИИ ЗАДАЧ ГОРОДСКОГО КАДАСТРА

1.1 Задачи, решаемые с помощью аэрокосмических снимков в целях городского кадастра

Решение задач городского кадастра должно базироваться на достоверной информации об участках местности и их площадях, рельефе местности, учете инфраструктуры объекта, состояния природных и природно-антропогенных ландшафтов. Актуальную и многоцелевую информацию об условиях местности можно получить различными методами, в том числе путем аэрокосмических съемок.

Аэросъемка и космическая съемка — это получение изображений земной поверхности с летательных аппаратов. На воздушных или космических летательных аппаратах устанавливается специальная съемочная аппаратура, с помощью которой регистрируется отраженное объектами или их собственное излучение [1];

В результате регистрации излучения получается изображение, которое может быть представлено в виде фотографических снимков или цифровой записи на магнитном носителе.

Общая схема аэрокосмических съемок показана на рис.1.

Рисунок 1 — Схема получения первично видеоинформации.

При съемке в отраженных лучах радиационный поток проходит путь от источника излучения до объекта через атмосферу, где проходят его геометрические и, что наиболее важно, энергетические изменения.

В результате взаимодействия с объектом часть радиационного потока отражается в пространство. Отраженный от объектов радиолокационный поток имеет иной спектральный состав, поляризацию и энергию. Характер изменений зависит от химических и физических свойств снимаемых объектов. Поэтому отраженный поток электромагнитного излучения несет сведения о свойствах этих объектов.

На пути от объекта до съемочного устройства отраженное или собственное излучение подвергается искажающим воздействиям атмосферы. Излучение радиодиапазона искажается радиомагнитными помехами.

В съемочных системах происходит регистрация электромагнитного излучения. В качестве приемников излучения служат фотографические пленки, фотоэлектрические и термоэлектрические элементы. Если съемка выполняется с помощью радиосъемочной аппаратуры, то для приема излучения используются антенны.

Материалы съемки поступают на пункты приема. Здесь выполняется фотохимическая обработка фотопленки, изготовляются контактные снимки, визуализируются и тиражируются изображения, передаются по радиоканалу, оценивается качество материалов съемок и передаются потребителю.

Аэрокосмические средства и методы получения информации о местности, объектах и процессах в значительной мере восполняют недостатки контактного способа сбора информации, а в некоторых случаях полностью заменяют его. Некоторые задачи, особенно поискового характера, можно решить только с помощью аэрокосмических съемок.[2];

Неслучайно, аэрокосмическая съемка получила широкое распространение в земельном кадастре, землеустройстве, экологическом мониторинге территорий, сельском хозяйстве, гражданском строительстве, контроле за прибрежными зонами, лесном хозяйстве, картировании, поисках и разведке полезных ископаемых, освоении неиспользованных земель, контроле за ресурсами, почвоведении, топографическом моделировании и др.

Широкое и повсеместное внедрение дистанционных методов позволяет говорить об актуальности рассмотрения вопроса об использовании материалов аэрокосмических съемок в целях городского кадастра.

Аэрокосмические снимки, а также результаты их обработки имеют ряд преимуществ, благодаря которым их применяют для решения многочисленных задач:

— оперативность получения метрической и смысловой информации об изучаемой территории;

— объективность и документальность этой информации, так как при съемке регистрируется фактическое состояние объектов на земной поверхности;

— экономическая эффективность получения информации по материалам аэрокосмических съемок;

— возможность регулярных наблюдений (особенно по материалам космических съемок) за изменениями, происходящими на изучаемой территории.

Основной задачей, решаемой с помощью материалов аэрокосмической съемки в целях городского кадастра является создание базовых карт и планов состояния и использования земель и на их основе получение различных тематических карт, одним из перспективных способов использования снимков, особенно космических, является их применение как одного из видов исходных данных для подготовки градостроительной документации. Таким образом, применение высокодетальных космических снимков при разработке градостроительной документации, особенно документов территориального планирования и зонирования, позволяет, даже при использовании исходных устаревших карт, получить точные и качественные данные, провести корректирование границ территорий и снизить затраты на разработку и последующее корректирование градостроительной документации.[14] Информацию о земельном участке можно получить на публичной кадастровой карте в виде простой схемы либо используя подложку космических снимков.

Рисунок 2 — Фрагмент публичной кадастровой карты г.Вологды.

Базовые карты и планы составляются на территории сельских и городских поселений, районов, а также на регионы. Масштаб их зависит от требуемой точности метрических данных и информационной нагрузки, необходимой при решении поставленной задачи. Базовый планово-картографический материал отражает специфику природных особенностей и хозяйственного развития изучаемых территорий. Тематические карты создаются для более детального отображения специальной информации. Базовые карты и планы составляются в сжатые сроки и на них показывается современное состояние компонентов природно-ресурсного и социально-экономического комплексов. Такие карты называются оперативными или дежурными.

Базовые и тематические карты и планы служат:

— для межевания, инвентаризации и кадастровой оценки земель различного назначения;

— оценки эффективности использования земель городских территорий и других направлений;

— обеспечения получения оперативной земельно-кадастровой информации;

— проектирования перспективного развития территорий поселений, городов, промышленных зон, добычи природных ресурсов и т.п.;

— выполнения проектно-изыскательских работ при проектировании инженерных коммуникаций. Для подобных целей также используют первичные модели. На аэрокосмические снимки, фотосхемы и ортофотопланы могут быть нанесены проектные направления трубопроводов, линий электропередачи и других линейных объектов [4];

— реконструкции и развития дорожной сети;

— выявления и оценки состояния подземных коммуникаций, трубопроводов, линий электропередач, зон подтопления и т. п. При этом информацию получают по материалам нефотографических съемок (тепловых, радиолокационных, лазерных);

— информационного обеспечения планирования и управления земельными ресурсами;

— решения экономических и правовых вопросов, связанных с обеспечением межведомственного взаимодействия при формировании объектов недвижимости, регистрации прав на них и получении сведений об их использовании и состоянии;

— информационной поддержки рынка земли и недвижимости и др.

Развитие фотограмметрии в значительной степени определяется прогрессом вычислительной техники. С повышением мощности вычислительных машин фотограмметрические приборы эволюционировали от механических к аналитическим, от аналитических к цифровым фотограмметрическим станциям (ЦФС). В последние годы наметился переход от получения изображений традиционными пленочными камерами с последующим сканированием негативов к непосредственному получению цифровых снимков в полете.

В последнее время можно отметить устойчивый интерес к данным дистанционного зондирования поверхности Земли. Правда, зачастую, при внимании к этой теме имеют в виду космическую съемку. Между тем имеются и постоянно развиваются мощные технологические средства аэросъемки, которые исторически были созданы гораздо ранее чем средства космической съемки и по прежнему продолжают прочно занимать значительную часть рынка. Связано это с тем, что дистанционные системы космического базирования не всегда обеспечивают необходимую детальность, а иногда оперативность, кроме того следует учитывать жесткие требования к условиям проведения космических наблюдений [30].

В последнее время доступ к аэрокосмическим снимкам стал значительно легче, и техника дистанционного зондирования Земли все шире применяется в Российской экономике.

В настоящее время в качестве авиационных съемочных систем применяются: традиционные аэрофотоаппараты; воздушные лазерные сканеры; цифровые аэрофотоаппараты; аэросъемочные комплексы гиперспектральной съемки.

Отечественные аэрофотоаппараты (АФА) с фокусными расстояниями: 350, 200, 140, 100, 70 миллиметров — это надежные и простые устройства, дающие хорошие результаты при выполнении аэрофотосъемки.

Основным недостатком АФА является малый формат кадра 18х18 см, что приводит при одинаковых параметрах съемки к увеличению съемочного времени и количества отснятых кадров.

Полученные в полете снимки после проявки сканируются на высокоточных фотограмметрических сканерах с разрешением, как правило, не хуже 15 мкм. Учитывая размеры негатива 23Ч23 см (или 18Ч18 см), в результате получаются цифровые изображения размером ~15000Ч15000 пикселей, или более 200 мегапикселей. К сожалению, в настоящее время промышленность не производит светочувствительные матрицы на приборах с зарядовой связью (ПЗС) таких размеров. Это приводит к появлению специальных приемов при производстве цифровых аэрофотокамер.

В зависимости от формата различают: цифровые камеры среднего формата, цифровые камеры на ПЗС линейках, цифровые камеры «большого» формата на ПЗС матрицах [27].

Простейшим выходом из технологического ограничения на размер светочувствительной матрицы при производстве цифровой аэрофотокамеры является производство камер с максимально возможными по числу элементов матрицами на базе существующих решений.

Таким путем пошла фирма Applanix с камерой DSS (Digital Sensor System). Эта камера имеет ПЗС матрицу размером 4092 x 4077 пикселей и оснащена 80 гигабайтным диском для хранения снимков (плюс 2 сменных 80 гигабайтных диска). Близкой по характеристикам является камера DiMAC (Digital Modular Aerial Camera) с матрицей 5440 x 4080 пикселей. Эти камеры основаны на известных и хорошо проверенных технологиях фирм KODAK, ROLLEI, PHASE ONE, Applanix и других, снабжаются при поставке системами планирования полетом, системами позиционирования POS/AV. Эти камеры позиционируются производителями как устройства для съемок линейных и небольших по размерам площадных объектов.

Интересным способом получения цифровых изображений большого размера является использование светочувствительной линейки, а не матрицы. Этот способ широко используется при съемке из космоса. Фирма Leica применила этот способ в цифровой камере ADS40.

Рисунок 3 — Цифровая камера ADS 40

За объективом камеры ADS40 расположены 7 ПЗС линеек — 3 панхроматические, направленные вперед, назад и в надир, и 4 линейки, снимающие в красном, синем, зеленом и ближнем инфракрасном диапазонах. Линейки имеют размер 12000 пикселей. В отличие от матричных камер, в ADS40, изображение получается за счет сканирования (движения) над местностью. Получаемые сканирующей системой изображения геометрически существенно отличаются как от кадровых систем, так и от космических сканерных систем. Значительные механические возмущения движения носителя, вибрация приводят к необходимости геометрической коррекции изображения перед фотограмметрической обработкой. Отметим, что близкие подходы использованы в цифровых камерах ЦТК-140 и ЦМК-70, разработанных АНО «Космос-НТ» и ИКИ РАН [20].

При использовании цифровых снимков в ЦФС отсутствует необходимость в процедуре опознавания координатных меток и проведении внутреннего ориентирования, т.к. цифровые аэрофотоснимки уже фактически содержат в себе параметры внутреннего ориентирования.

В настоящее время в качестве воздушных лазерных сканеров широко используется семейство аэросъемочных систем лазерного картографирования класса ALTM. Они обладают следующими возможностями:

- фиксация интенсивности отраженного сигнала (возможность работы в ночное время);

- регистрация до 4 отражений одного посланного импульса (возможность разделения верха растительности и поверхности земли);

- самая высокая производительность из коммерчески доступных на сегодняшний день систем лазерного картографирования (например, производительность авиационного лазерного локатора ALTM 3100 — до 1000 кв.км. за один рабочий день);

- интегрируемость с цифровыми камерами, гиперспектральными сенсорами, регистраторами формы волны импульса для получения новых комплексных типов данных;

- возможность использования с приемниками GPS и GPS/GLONASS различных производителей;

- наличие согласованной схемы установки на отечественные летательные аппараты;

- адаптация к российским условиям;

- высокая экономическая эффективность использования в тех условиях, когда применение других методов крайне затруднительно, невозможно или ограничено сезонными факторами (безориентирная местность, сплошная листва, очень «плоский» рельеф и т.д.);

- высокопроизводительное программное обеспечение для предварительной обработки лидарных данных DASHMap со встроенным 3D просмотром для визуализации и вывода XYZI данных;

- навигационное программное обеспечение ALTM-NAV с возможностью использования цифровых моделей рельефа (ЦМР) при планировании, отображением в реальном времени снимаемой территории, с прямым экспортом результатов в Googletm Earth и другие приложения[10]

Осенью 2008 года компания Optech анонсировала ALTM ORION — новый авиационный лазерный сканер, наиболее компактный и легкий на сегодняшний момент (общий объем менее 0,03 куб.м, вес 27кг), с характерными для технологий iFLEX™ компании Optech высокой точностью и производительностью.

Авиационные лазерные сканеры применяются для:

- крупномасштабного топографического картографирования площадных и линейных объектов в масштабах 1:500, 1: 1000, 1:2000 и мельче.

- создания цифровых моделей сложных инженерных объектов, нефтепроводов и газопроводов, технологических площадок, зданий и сооружений и т.п., мониторинг их состояния.

- землеустроительных работ (получение истинного рельефа (поверхность земли) — даже под кронами деревьев (в лесу), построение ЦМР);

- оценки объемов горной выработки, снежной массы, прогнозирования лавинной опасности и т.п.

- мониторинга процессов эрозии береговой линии, прогнозирования зон затопления и т.п.

- обследования ЛЭП и других объектов сетевого хозяйства (в том числе — электрических подстанций), создания 3-х мерных моделей ЛЭП и других объектов в полосе отчуждения, оценки состояния растительности, определения мест возможных замыканий, изготовления фотокарт полосы отчуждения;

- проектирования, строительства и реконструкции линейных и площадных объектов;

- инвентаризации постановки на учет объектов земельно-имущественного комплекса;

- картографирования городских территорий, создания 3-х мерных моделей рельефа, зданий и сооружений, объектов гидрографии и др., моделирования перспективного развития, проектирования и строительства новых объектов, создания ГИС и т.п.;

- выполнения изысканий вдоль трасс проектируемых автомобильных и железных дорог, их строительства и реконструкции, определения объемов земляных работ, технико-экономической экспертизы проектов, кадастра.

- таксации леса, определения объема биомассы, количества деревьев, их распределения по породам и высотам и т.п.

- быстрой и безопасной съемки заповедных территорий;

- экологических исследований, в том числе — мониторинга чрезвычайных ситуаций и др.

- проведения аэротопографических съемок в безориентированной местности (полностью заснеженные территории,тундра, пустыни, песчаные пляжи).

Существуют различные аэросъемоные комплексы, типовым представителем которых является гиперспектральный авиационный сканер CASI-550 производства канадской компании ITRES. Он представляет собой второе поколение сенсоров этого типа, работает в видимом и ближнем ИК диапазонах (VNIR) и входит в набор авиационных сенсоров дистанционного зондирования, включающий гиперспектральные сканеры видимого и ближнего ИК-диапазона ( VNIR), коротковолнового ИК-диапазона (SWIR), средневолнового ИК-диапазона (MWIR) и теплового ИК-диапазона (TIR).

Гиперспектральный авиационный сканер CASI-550 предназначен для дистанционного обследования земной поверхности с борта летательного аппарата путем измерения интенсивности отраженного излучения в заданном спектральном диапазоне (видимый, ближний ИК). Каждый пиксель полученного изображения содержит одновременно как пространственную, так и спектральную информацию об обследуемой сцене.

Данный тип сканера позволяет обнаруживать объекты по их физико-химическому составу, в том числе идентифицировать:

· виды землепользования

· состояние растительного покрова (оценивать содержание хлорофила, наличие коричневого пигмента листьев, вегетационный индекс LAI)

· геологическую структуру и типы минералов

· химический состав пленки загрязнения на поверхности воды и т.п.

Сенсор сканера содержит в себе фоточувствительную матрицу эффективного размера 550 х 288 пикселей. Входной поток излучения разлагается на компоненты по длине волны. Для каждого диапазона длин волн отведены определенные строки матрицы. Эти данные оцифровываются и записываются на жесткий диск. Диск устанавливается в единый блок питания, накопления информации и управления. Для пространственной привязки данных съемки используется инерциально-навигационная система NovAtel SPAN FSAS или Applanix POS AV. При совместной послеполетной обработке данных инерциально-навигационной части системы и сенсора — каждый пиксель изображения получает свои географические координаты для дальнейшего использования, например в ГИС. [9]

На данный момент времени для проведения аэросъемочных работ используют различные виды летательных аппаратов:

· самолеты;

· вертолеты;

· парапланы;

· дирижабли и др.

До недавнего времени аэрофотосъемка была исключительным уделом большой авиации. Последние годы внесли заметные коррективы в такое положение вещей. С появлением надежной аппаратуры радиоуправления и небольших по весу автоматических фотокамер, снабженных виндерами — устройствами для моторной перемоткой пленки, все чаще стала появляться информация об использовании для аэрофотосъемки летающих моделей. На сегодняшний день существуют не только малогабаритные и легкие фотоаппараты, но и видеокамеры со вполне приемлемыми габаритно-весовыми характеристиками. На нескольких последних авиасалонах и выставках вооружений появилось немало специализированных комплексов для фото-видео разведки, разработанных на базе авиамоделей. Очень серьезно разработкой таких комплексов занимаются в Израиле, где они уже сейчас используются для патрулирования дорог вместо традиционных вертолетов.

Использование лазернолокационных методов съемки предполагает получение геопространственных данных двух основных видов: собственно данных лазернолокационной съемки (другое название «облако лазерных точек») и цифровых аэрофотоснимков. Последние по своему информационному содержанию и методике использования мало отличаются от традиционных аэрофотоснимков, получаемых с помощью традиционных пленочных камер. Конечно, использование цифровой аэрофотосъемочной техники позволяет добиться значительно более высокого фотографического и фотограмметрического качества, а также существенно сократить длительность технологического цикла производства топографических материалов. Однако роль лазернолокационных данных в рассматриваемом методе создания и обновления топографических карт и планов существенно отличается от традиционной. Первичные лазернолокационные данные, получаемые в ходе аэросъемочной фазы, классифицируются с использованием автоматических или полуавтоматических методов по морфологическому признаку [15].

Аэросъемочные работы могут проводиться различными подходами:

1. паралелльный сбор геопространственных данных

2. последовательный сбор геопространственных данных

Как именно осуществляется сбор данных, параллельно или последовательно, не имеет принципиального значения.

Технология, методология и инструментальная база проведения аэросъемки за последние 10 лет претерпели существенные, часто революционные, изменения.

Цифровые аэрофотосъемочные системы продолжают активно развиваться и все больше внедряются в аэрофототопографическую практику.

Поэтому важнейшим направлением в развитии авиационных съемочных систем является усовершенствование цифровых аэрофотоаппаратов, улучшение их качественных характеристик.

Перспективами развития авиационных съемочных систем являются:

· повышение разрешающей способности аэросъемочных средств;

· ПЗС — структура с большим количеством элементов;

· Создание низкоуровневых систем, то есть съемка может проводиться при малых уровнях освещенности — сумерки и ночь.

Наиболее перспективными становятся те сегменты рынка космических услуг, которые ближе всего к массовому потребителю, ведь именно здесь реализуется главное преимущество космических технологий — глобальность и возможность многопрофильного применения данных.

Ранее созданные системы, ориентированные на централизованное обслуживание крупных, преимущественно государственных заказчиков информации, не соответствуют происходящим изменениям потребительского рынка. В связи с этим все возрастающие надежды возлагаются на перспективные коммерческие системы на базе малых космических аппаратов. В конкурентной гонке разработчиков космических систем к настоящему времени достигнуто улучшение разрешающей способности до 1 м и менее, сокращение сроков разработки и переход к созданию малых КА. Повышение пространственного разрешения и точности географической привязки космических снимков позволяет получать карты и планы масштаба до 1 : 2500 на уровне аэрофотосъемки [23].

Высокая востребованность космической съемки привела к тому, что в настоящее время этот сегмент рынка все активнее осваивается компаниями с частным капиталом. Это характерно не только для США, где поддержка частного бизнеса и передача ему ряда функций по получению данных в интересах государственных органов стала государственной политикой, но и в таких странах, как Израиль, Франция, Индия. Стоит отметить эффективную схему взаимодействия государства и рынка, отработанную в США. Коммерческие спутники обеспечивают информацией государственные структуры на основе гарантированных контрактов. При этом часть ресурса (около 50%) компании операторы используют для продажи космических изображений сверхвысокого разрешения на мировом рынке [1]. К сожалению, в России политика использования космических систем не сформирована, а большой бизнес не считает эту отрасль областью своих интересов, хотя от неё зависит информационная безопасность страны.

В связи с ростом доступности космических снимков высокого разрешения (1 м и менее) в мире идет передел и развитие рынка кадастровых систем, база данных которых еще 10 лет тому назад почти целиком обеспечивалась аэрофотосъемкой. В настоящее время, доля аэрофотосъемки повсюду значительно уменьшилась.

Современными космическими съемочными системами высокого разрешения являются: съемочная система IKONOS; съемочная система QuickBird; съемочная система Монитор-Э; съемочная система Ресурс ДК.

Спутник IKONOS запущен 24 сентября 1999 года на синхронно-солнечную орбиту с периодом обращения 98 минут на высоту приблизительно 680 километров. Время прохождения одной и той же территории 10:30 ежедневно. Спутник IKONOS может обеспечивать съемку заданной местности с периодом в 1 день.

Система IKONOS обеспечивает динамический диапазон данных 11 бит. Так как сенсоры системы могут обеспечивать 1-метровые панхроматические и 4-метровые мультиспектральные снимки с отклонением от надира до 60 градусов по любому азимуту, то стерео возможности обеспечиваются как вдоль, так и поперек траектории

Стерео возможности системы IKONOS обеспечиваются тремя особенностями: возможность наклонной съемки по любому азимуту, отношение (B/H) от 0.6 и более (сходное с аэроснимками) и высокое разрешение. Возможность наклонной съемки обеспечивает стереоскопическое изображение при съемке с различных орбит, как у системы SPOT-HRV, так же как и возможность стереосъемки вдоль траектории как у систем SPOT-HRS, JERS-1. Стереоснимки IKONOS распространяются как квази-эпиполярные, где оставлен только высотный параллакс. Доступ к описанию точной геометрической модели сенсора затруднен, поэтому для обработки как одиночных снимков, так и стереопар используется модель рациональных полиномиальных коэффициентов (Rational polynomial coefficients — RPC). В настоящее время предложены различные алгоритмы получения ЦМР по данным системы Ikonos. Существующие методы обработки стереопар системы Ikonos позволяют получать угловую точность 1-2 градуса и позиционную точность до 1 пиксела [19].

Спутник QuickBird-2 запущен в 2015г. предназначается для съемки поверхности Земли с разрешением 60 см в черно-белом режиме и 2,5 м в мультиспектральном режиме, что уже сравнимо с характеристиками снимков цифровых аэросъемочных комплексов.

Рисунок 4 — Спутник QuickBird

Для обработки как одиночных снимков, так и стереопар используется модель рациональных полиномиальных коэффициентов (Rational polynomial coefficients — RPC). Точность обработки одиночных снимков системой Photomod до 0.6м (СКО), система ENVI — до 1 м (СКО).

Монитор-Э создан Российским Космическим Агентством Роскосмос, на основе малых спутников, разработанных Государственным исследовательским центром имени Хруничева. Монитор-Э является первым спутником на основе модульной многоцелевой платформы «Яхта», предназначенной для использования в областях дистанционного зондирования, коммуникаций.

Рисунок 5 — Спутник Монитор-Э

Космический аппарат стабилизирован по трем осям платформы «Яхта» со стартовой массой 750 кг. Угловая точность позиционирования 0.1є, точность управления угловым дрейфом 0.001є/с. Две солнечные батареи вырабатывают до 1200 Вт. Космический аппарат способен перенацеливаться поперек траектории до ±30є от надира с использованием гироскопической системы, обеспечивая полосу обзора больше полосы захвата. Время жизни системы ориентации до 5 лет.

Космический аппарат имеет две камеры сканерного типа конструкции С.А. Зверева, Красногорск, Россия. Общий вес 420 кг и электропотребление 450 Вт. Камеры созданы с целью использовать панхроматическое и мультиспектральное изображения для широкого спектра применений, таких как сельское хозяйство, лесное хозяйство, контроль окружающей среды, геологическое картографирование, исследование природных ресурсов, управление в чрезвычайных ситуациях.

Ресурс-ДК1 — первый российский спутник дистанционного зондирования способный передавать снимки высокого разрешения (до 1 м) на наземные станции во время прохода над нами. Аппарат был разработан в ЦСКБ «Прогресс», Самара, Россия. Космический аппарат предназначен для мультиспектральной и спектрозональной съемки земной поверхности в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах.

Рисунок 6 — Спутник Ресурс -ДК

Аппарат стабилизирован по трем осям. Точность угловой ориентации 0.2 угловых минуты, точность стабилизации угловой скорости 0.005є/с. Время жизни до 3-х лет или более.

Космический аппарат имеет массу 6650 кг, высота 7.4 м, размах солнечных батарей 14 м. Ресурс-ДК1 может поворачиваться до ± 30є поперек траектории.

К современным космическим съемочным системам среднего разрешения относятся: космическая съемочная система SPOT, космическая съемочная система TERRA (платформа ASTER), космическая съемочная система ALOS, космическая съемочная система «Комета»

Спутники системы SPOT производят съемку Земли с 1986 года. В настоящее время работоспособны и запущены в 2013 и 2014 году спутники SPOT — 6 и 7.

SPOT 6, 7 — спутники дистанционного зондирования Земли являются продолжением французской серии спутников ДЗЗ, которые призваны заменить “морально устаревшие” космические аппараты SPOT 4 и 5.

SPOT 6 и 7 полностью идентичные и будут выполнять сьемку с пространственным разрешением 2 метров в панхроматическом режиме и 8 метров мультиспектральном режиме.

Спутники SPOT позиционированы на орбите таким образом, чтобы обеспечить получение снимков Земли, которые позволяют производить их сравнение, несмотря на дату их получения. Для спутников первого и второго поколения (SPOT 1,2,3,4,5) получение стереоизображения осуществляется при межвитковой съемке, что затрудняет использование процедур автоматизации построения цифровой модели рельефа (ЦМР). Получение стереопары на одном витке возможно для спутника SPOT — 5. Однако политика фирмы направлена на затруднение доступа к стереосъемке со спутника SPOT — 5. Кроме того, геометрия камер спутников серии SPOT существенно отличается от геометрии камер центральной проекции, что затрудняет их высокоточную обработку.

Платформа ASTER — результат сотрудничества между NASA и японским министерством экономики и торговли (METI), в сотрудничестве с научными и промышленными организациями двух стран. Платформа ASTER является следующим поколением инструментов дистанционного зондирования Земли сравнимых с инструментами Landsat Thematic Mapper, и японским сканером JERS-1. ASTER обеспечивает высокое спектральное разрешение в 14 диапазонах и обеспечивает стереоскопические возможности для создания ЦМР. Оборудование ASTER состоит из трех различных подсистем. Каждая подсистема работает в собственном спектральном диапазоне, имеет собственный телескоп(ы) и была построена различными японскими компаниями. ASTER имеет следующие подсистемы: Видимого и ближнего ИК диапазона — Visible and Near Infrared (VNIR), Коротковолнового ИК — Shortwave Infrared (SWIR), Теплового ИК — Thermal Infrared (TIR).

Подсистема VNIR работает в трех спектральных диапазонах в видимом и ближнем ИК, с разрешением 15 метров. Она состоит из двух телескопов — один надирный с детектором трех спектральных диапазонов и второй — смотрящий назад с одно-диапазонным детектором. Телескоп, направленный назад обеспечивает обзор цели в диапазоне 3 для стереонаблюдения. Поворот до 24 градусов поперек траектории обеспечивается поворотом всего телескопа. Разделение диапазонов обеспечивает наблюдение во всех трех диапазонах одновременно. Скорость передачи данных до 62 Мб/с при использовании всех четырех диапазонов.

Рисунок 7 — Подсистема VNIR

Подсистема SWIR работает в шести спектральных диапазонах в ближнем ИК через один телескоп, смотрящий в надир, и обеспечивающий разрешение 30 метров. Возможность наведения поперек траектории ( до 8550 км) обеспечивается поворотным зеркалом. Из-за большого размера комбинации фильтров/детекторов детекторы сильно разнесены, вызывая ошибку параллакса примерно в 0.5 пиксела на 900 метров высоты. Эта ошибка может быть скорректирована, если есть данные о высоте, например, ЦМР. Скорость генерации данных до 23 Мб/с.

Рисунок 8 — Подсистема TIR

Подсистема TIR работает в пяти диапазонах в тепловом инфракрасном диапазоне через один, жестко зафиксированный телескоп с разрешением 90 метров. Максимальная скорость генерации данных — 4.2 Мб/с. Сканирующее зеркало работает в режиме сканирования и обеспечивает отклонение поперек траектории (до ± 8.55 градусов). В сканирующем режиме зеркало колеблется со скоростью примерно 7 Hz и данные собираются только в одном направлении.

Рисунок 9 — Подсистема TIR

Для получения стереоперекрытия используется подсистема VNIR, имеющая два независимых телескопа с минимальной дисторсией, направленных вперед и назад. Они используются для получения стереоснимков вдоль направления полета с углом 27.7 градуса и отношением B/H = 0.6. Два телескопа могут быть повернуты на 24 градуса для обеспечения поперечного стереоперекрытия с лучшим отношением B/H (до 1) и 5-дневным периодом посещения. Однако по различным научным, технологическим и коммерческим причинам обычно используется стереоперекрытие вдоль направления полета как для сиcтемы Ikonos, так и для системы ASTER. Точность обработки данных (СКО) может достигать 1 пиксел. При использовании опорных точек точность может составлять: при определении плановых координат (xy) 7 м, при определении высоты 13м.

ALOS — японский спутник дистанционного зондирования Земли разработан JAXA (Японское космическое агентство, Токио, бывшее NASDA) и создан корпорациями NEC, Toshiba, Mitsubishi Electric Corp (см. рис. 1.10). Целью разработки было создание оптических и микроволновых сенсоров, данные высокого разрешения с которых могут использоваться в таких приложениях, как картографирование, мониторинг окружающей среды и чрезвычайных ситуаций. Кроме того, сообщество потребителей должно иметь данные с разрешением, достаточным для создания карт масштаба 1:25000. Для этого нужны данные с горизонтальным разрешением 2.5 м и вертикальным разрешением 3-5 м. Мультиспектральные данные с горизонтальным разрешением необходимы для классификации. Мониторинг реального времени требует иметь возможность оперативного перенацеливания КА.

Кратковременная угловая стабильность ±0.00002є/0.37 мс (3у), долговременная угловая стабильность ±0.0002є/5 с (3у). Точность позиционирования ±0.0002є, точность определения координат КА ±1.0 м. The dual-frequency carrier-phase tracking GPS receiver of Toshiba Corp. is used for orbit determination.

На земле JAXA создало для КА ALOS систему PPDS (Precision Pointing and Geolocation Determination System) точного определения положения, которая обеспечивает определение положения с точностью 2.0є x 10-4, углов с точностью 1.4є x 10-4, и местоположения с точностью 3 ~ 7.5 м.

КА ALOS был запущен 24 января 2010 года японской ракетой-носителем H-IIA из космического центра Tanegashima, Япония.

Рисунок 10 — Спутник ALOS

Съемочная система включает три модуля: камеры PRISM и AVNIR-2, радар с синтезированной апертурой PALSAR.

PRISM (Panchromatic Remote-sensing Instrument for Stereo Mapping) — камера для получения стереоданных высокого разрешения (размер пиксела 2.5 м) для картографических приложений (получения ЦМР и т.п.). Инструмент является трехлинейным сканером с тремя независимыми оптическими системами для надира, вида вперед, вида назад для получения стерео перекрытия вдоль полета. Каждый из трех телескопов имеет трех зеркальную оптику (30 см апертура и 2 м фокусное расстояние) и несколько CCD детекторов для сканирования. Шесть или восемь матриц CCD (5000 пикселей каждая) физически расположены в фокальной плоскости телескопов. Из 40,000 пикселей каждого телескопа, 14,000 пикселей выбираются и передаются на приемную станцию. Таким образом, триплет изображений содержит три раза по 14,000 пикселей/линию. Надирный телескоп обеспечивает полосу съемки 70 км (28,000 выходных пикселей), каждый из вперед и назад смотрящих телескопов обеспечивает полосу 35 км (14,000 пикселей на диапазон). Передний и задний телескопы наклонены на ±23.8є от надира и обеспечивают отношение B/H=1 на высоте 692 km. Спектральный диапазон работы камеры 0.52-0.77 мкм. Оптика камеры PRISM смонтирована на оптической скамье с термостабилизацией ±3є C для минимизации дисторсии оптики [13].

AVNIR-2 (Advanced Visible and Near-Infrared Radiometer) — камера, созданная фирмой Mitsubishi Electric Corporation. Она предназначена для получения мультиспектральных данных высокого разрешения (10 м). Оптическая система выполнена по схеме «folding Schmidt». Телескоп имеет апертуру 24 см в диаметре и фокусное расстояние около 800 мм. Камера AVNIR-2 может быть отклонена на ±44є поперек полета для целей мониторинга чрезвычайных ситуаций. Матрица CCD детектора имеет 7000 пикселей в линейке. Камера может применяться для мониторинга региональной окружающей среды. Компрессия почти без потерь DPCM (дифференциальная импульсно-кодовая модуляция) с кодированием Хаффмана применяется для уменьшения потока данных со 160 Мбит/с до 120 Мбит/с.

Рисунок 11 — Съемка камерой ANVIR-2

Космическая съемочная система «Комета» предназначена для создания топографических и цифровых карт и включает в себя топографическую камеру ТК-350 и панорамную камеру высокого разрешения КВР-1000, вместе с датчиками для определения элементов внешнего ориентирования снимков в полете, образуют космическую картографическую систему, предназначенную. При этом фотокамера ТК-350 позволяет получать высокоточные стереопары, пригодные для построения фотограмметрических сетей и создания рельефа, а фотокамера КВР-1000 предназначена для получения снимков высокого разрешения, необходимых для дешифрирования объектов местности.

При создании камеры ТК -350 основное внимание было уделено увеличению базиса фотографирования и повышению точности снимков. В связи с этим был выбран прямоугольный формат, когда при съемке длинная сторона кадра располагается вдоль линии полета. Перекрытие 80% позволяет сделать отношение В/Н равным 1.1.

Рисунок 12 — Схема перекрытия снимков

Выравнивание фотопленки осуществляется путем ее прижима к выравнивающему стеклу прокатывающимися валиками, в момент экспонирования пленка удерживается на стекле вакуумным способом по периферии кадра. Учитывая высокую точность изготовления выравнивающего стекла, этот способ позволяет обеспечить среднюю квадратическую ошибку из-за невыравнивания фотопленки 1.5-2.0 мкм.

По всему полю кадра с дискретностью 10 мм на выравнивающем стекле нанесены контрольные и координатные кресты (всего 1305 крестов), координаты которых калиброваны со средней квадратической ошибкой 2.0-2.5 мкм. Это позволяет с максимально возможной точностью учитывать деформацию фотопленки.

При установке камеры в КА калибруется также стекло иллюминатора, измеряется состав газовой среды внутри КА, а в полёте измеряются фактические значения температуры и давления. Это позволяет учесть влияние иллюминатора, внутренней рефракции и внести поправки в фокусное расстояние камеры. В результате всех наземных калибровок и измерений в полёте суммарная средняя квадратическая ошибка снимков, полученных камерой ТК-350 составляет 5 мкм (рис.12).

При создании камеры КВР-1000 была выбрана конструктивная схема панорамного фотоаппарата, при которой высокий уровень разрешения, соответствующий центральной части поля зрения объектива, сохраняется по всему кадру и можно получить изображение широкой полосы местности.

Панорамная камера КВР-1000 обеспечивает разрешение на местности 2м при высоте съёмки 220 км и полосе захвата 160 км. Таким образом, площадь, покрываемую одним кадром ТК-350, покрывают 7 кадров КВР-1000 при совместном включении обеих камер.

Рисунок 13 — Обобщенная схема покрытия земного шара снимками ТК-350

Панорамная камера КВР-1000 обеспечивает получение высококачественных панорамных снимков, пригодных для изготовления крупномасштабных фотопланов и ортофотопланов. При этом необходимо использовать геометрическую модель панорамного изображения, учитывающую перечисленные калибровочные параметры. На настоящий момент накоплен огромный архив снимков, полученных в течение двадцати запусков системы «Комета». Данный архив покрывает большую часть земного шара.

1.2 Состояние и перспективы развития аэрокосмических съемочных систем

В зависимости от формата различают: цифровые камеры среднего формата, цифровые камеры на ПЗС линейках, цифровые камеры «большого» формата на ПЗС матрицах.

- фиксация интенсивности отраженного сигнала (возможность работы в ночное время);

- возможность использования с приемниками GPS и GPS/GLONASS различных производителей;

- наличие согласованной схемы установки на отечественные летательные аппараты;

- адаптация к российским условиям;

Авиационные лазерные сканеры применяются для:

- создания цифровых моделей сложных инженерных объектов, нефте- и газопроводов, технологических площадок, зданий и сооружений и т.п., мониторинг их состояния.

- оценки объемов горной выработки, снежной массы, прогнозирования лавинной опасности и т.п.

- мониторинга процессов эрозии береговой линии, прогнозирования зон затопления и т.п.

- проектирования, строительства и реконструкции линейных и площадных объектов;

- инвентаризации постановки на учет объектов земельно-имущественного комплекса;

- быстрой и безопасной съемки заповедных территорий;

- экологических исследований, в том числе — мониторинга чрезвычайных ситуаций и др.

· виды землепользования

· геологическую структуру и типы минералов

· химический состав пленки загрязнения на поверхности воды и т.п.

· самолеты;

· вертолеты;

· парапланы;

· дирижабли и др.

Аэросъемочные работы могут проводиться различными подходами:

3. паралелльный сбор геопространственных данных

4. последовательный сбор геопространственных данных

Как именно осуществляется сбор данных, параллельно или последовательно, не имеет принципиального значения.

Перспективами развития авиационных съемочных систем являются:

· повышение разрешающей способности аэросъемочных средств;

· ПЗС — структура с большим количеством элементов;

В настоящее время спрос на материалы космической съемки в мире растет за счет разведывательных военных ведомств, органов государственного управления и коммерческих потребителей. Увеличение спроса на космическую информацию обусловлено бурным развитием вычислительной техники, а также совершенствованием геоинформационных систем, для которых основным источником данных являются материалы космической съемки . Наиболее перспективными становятся те сегменты рынка космических услуг, которые ближе всего к массовому потребителю, ведь именно здесь реализуется главное преимущество космических технологий — глобальность и возможность многопрофильного применения данных [9].

Стереоснимки IKONOS распространяются как квази-эпиполярные, где оставлен только высотный параллакс. Доступ к описанию точной геометрической модели сенсора затруднен, поэтому для обработки как одиночных снимков, так и стереопар используется модель рациональных полиномиальных коэффициентов (Rational polynomial coefficients — RPC). В настоящее время предложены различные алгоритмы получения ЦМР по данным системы Ikonos. Существующие методы обработки стереопар системы Ikonos позволяют получать угловую точность 1-2 градуса и позиционную точность до 1 пиксела.

Спутник QuickBird-2 предназначается для съемки поверхности Земли с разрешением 60 см в черно-белом режиме и 2,5 м в мультиспектральном режиме, что уже сравнимо с характеристиками снимков цифровых аэросъемочных комплексов.

Спутники системы SPOT производят съемку Земли с 1986 года. В настоящее время работоспособны спутники SPOT — 1, — 2 и — 4. Спутник SPOT — 3, прекратил съемку в ноябре 1996 года по техническим причинам. Группировка спутников была увеличена в мае 2002 года запуском спутника SPOT — 5

Спутники SPOT позиционированы на орбите таким образом, чтобы обеспечить получение снимков Земли, которые позволяют производить их сравнение, несмотря на дату их получения. Для спутников первого и второго поколения (SPOT 1,2,3,4) получение стереоизображения осуществляется при межвитковой съемке, что затрудняет использование процедур автоматизации построения цифровой модели рельефа (ЦМР). Получение стереопары на одном витке возможно для спутника SPOT — 5. Однако политика фирмы направлена на затруднение доступа к стереосъемке со спутника SPOT — 5. Кроме того, геометрия камер спутников серии SPOT существенно отличается от геометрии камер центральной проекции, что затрудняет их высокоточную обработку.

ALOS — японский спутник дистанционного зондирования Земли разработан JAXA (Японское космическое агентство, Токио, бывшее NASDA) и создан корпорациями NEC, Toshiba, Mitsubishi Electric Corp (см. рис. 1.23). Целью разработки было создание оптических и микроволновых сенсоров, данные высокого разрешения с которых могут использоваться в таких приложениях, как картографирование, мониторинг окружающей среды и чрезвычайных ситуаций. Кроме того, сообщество потребителей должно иметь данные с разрешением, достаточным для создания карт масштаба 1:25000. Для этого нужны данные с горизонтальным разрешением 2.5 м и вертикальным разрешением 3-5 м. Мультиспектральные данные с горизонтальным разрешением необходимы для классификации. Мониторинг реального времени требует иметь возможность оперативного перенацеливания КА.

КА ALOS был запущен 24 января 2006 года японской ракетой-носителем H-IIA из космического центра Tanegashima, Япония.

Съемочная система включает три модуля: камеры PRISM и AVNIR-2, радар с синтезированной апертурой PALSAR.

Среди последних разработок следует отметить китайских конструкторов. Навигационная китайская система Бэйдоу (BDS) начала свою работу в Китае, а также некоторых других странах Азиатско-Тихоокеанского региона. Специалисты отмечают, что точность позиционирования BDS для гражданских нужд не превышает 10 метров, а точность измерения скорости составляет 0,2 метра в секунду. Ошибка в передаче времени от спутника находится в пределах 50 наносекунд (миллиардных долей секунды). В итоге общая точность и функциональные возможности системы сравнивают с американской навигационной системой GPS.

В ближайшее время начнется работа по гармонизации технических стандартов навигационно-информационных систем на основе ГЛОНАСС и BeiDou в рамках совместных трансграничных проектов, прежде всего китайского аналога системы «ЭРА-ГЛОНАСС». Гармонизация стандартов откроет широкие возможности для совместных коммерческих проектов в сфере навигации, управления, автомобильного, авиационного и водного транспорта.

Также среди основных направлений сотрудничества — развитие микроэлектроники и создание навигационных приемников ГЛОНАСС/BeiDou. На основе этих приемников возможно производство уже готовых изделий для различных применений — персональных трекеров, автомобильных терминалов, потребительских товаров разного назначения.

Таким образом, роль аэрокосмической съемки при решении задач городского кадастра на современном этапе возрастает. Это обусловлено оперативностью получения метрической и смысловой информации об изучаемой территории; объективностью и документальностью этой информации, так как при съемке регистрируется фактическое состояние объектов на земной поверхности; экономической эффективностью получения информации по материалам аэрокосмических съемок; возможностью регулярных наблюдений (особенно по материалам космических съемок) за изменениями, происходящими на изучаемой территории, и оперативного внесения изменений обстановки, которые важны и значимы на уровне муниципалитета [12].

Современные космические съемочные системы обеспечивают съемку поверхности Земли с разрешением 0,6 — 1 м в черно-белом режиме и 2,5 — 4 м в мультиспектральном режиме, в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах длин волн. Совершенствование данных систем предполагается за счет расширения спектрального диапазона съемки, повышения разрешающей способности и спектральной чувствительности приемников излучения.

Существующие авиационные съемочные системы базируются на применении традиционных аэрофотоаппаратов, воздушных лазерных сканеров, цифровых аэрофотоаппаратов, аэросъемочных комплексов гиперспектральной съемки. Совершенствование данных систем предполагается за счет повышения разрешающей способности и спектральной чувствительности.

2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЛОБАЛЬНЫХ СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ НА СОВРЕМЕННОМ ЭТАПЕ

2.1 Общие сведения о глобальной навигационной спутниковой системе

Анализ существующего аппаратного обеспечения показывает, что традиционные способы и средства съемки в геодезии, в том числе и при производстве работ по межеванию, обеспечивают требуемую точность только относительно небольших объектов. Однако если объект занимает большую площадь или протяжённость, то точность снижается. Применение теодолитов и тахеометров иногда является затруднительным, если объект находится в труднодоступном месте или далеко от пунктов государственной геодезической сети. В этом случае добиться поставленной цели помогают средства глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС).

Развитие космической техники в последние годы дало возможность подняться на новую ступень при решении различного рода задач. При судовождении, управлении полетом самолета или космического аппарата, геодезии, мониторинге разных движущихся объектов требуется знание положения потребителя в пространстве, его скорости. В 90-е годы были развернуты среднеорбитальные навигационные спутниковые системы (НСС), позволившие удовлетворить существовавшие на то время потребности в качестве глобального навигационного обслуживания: в США — это система GPS, а в России — ГЛОНАСС. Но существует ряд задач, которые требуют более высокого качества навигационного обслуживания как по точности, так и по характеру навигации, то есть по типу предоставляемой информации о положении потребителя. Так, для захода на посадку самолета по I категории необходимая точность навигации в плоскости — 4-8 м, а по высоте — 2-8 м.

Для обеспечения повышенной точности навигации обычно применяется дифференциальная коррекция. Очевидно, что для обеспечения дифференциального режима для большого региона — например, для стран Европы, США, России -количество базовых станций, формирующих дифференциальные поправки, достигает огромной величины. Поэтому был предложен другой подход. Суть его заключается в том, что передача корректирующих дифференциальных поправок осуществляется при помощи геостационарных спутников. Примерами широкозонных дифференциальных систем являются американская система WAAS и две системы, — японская MSAS, европейские EGNOS и Galileo. Система WAAS прошла тестирование и запущена в эксплуатацию в 2003 г. В настоящее время их 5 в том числе и Российская СДКМ обеспечивает улучшение характеристик ГЛОНАСС и GPS

Можно констатировать тот факт, что в настоящее время существует объективная потребность в дальнейшем повышении качества навигационного обслуживания. Качество навигационного обслуживания может совершенствоваться по следующим направлениям:

Первое направление — это разработка навигационных GPS-алгоритмов, уменьшающих влияние селективного доступа. Это даст возможность повысить точность в случае применения селективного доступа без привлечения дополнительного оборудования.

Второе направление связано с совместным использованием навигационных систем GPS и ГЛОНАСС. Интерес к задаче комплексирования GPS и ГЛОНАСС измерений объясняется возможностью дальнейшего совершенствования алгоритмического обеспечения в направлении повышения качества навигационного обслуживания, в том числе в рамках создания программного обеспечения для проекта GNSS. Необходимо заметить, что совместное использование GPS и ГЛОНАСС систем существенно улучшает точность навигации в случае, если в системе GPS применяется селективный доступ.

Следующее направление в области повышения качества навигационного обслуживания относится к дифференциальной коррекции. И если для локальной дифференциальной коррекции, применяемой уже около десяти лет, существует и различные навигационные станции, и оборудование для передачи дифференциальных поправок, и соответствующее программное обеспечение, то для широкозонных дифференциальных систем в силу новизны является актуальным разработка соответствующего алгоритмическо-программного обеспечения.

Рассмотрим состав и принципы использование ГНСС на современном этапе.

В околоземном пространстве развернута сеть искусственных спутников Земли (ИСЗ) (см. рис. 2.1), равномерно “покрывающих” всю земную поверхность). Орбиты ИСЗ вычисляются с очень высокой точностью, поэтому в любой момент времени известны координаты каждого спутника. Радиопередатчики спутников непрерывно излучают сигналы в направлении Земли. Эти сигналы принимаются GPS-приемником, находящемся в некоторой точке земной поверхности, координаты которой нужно определить. [8]

Рисунок 14 — GPS спутник

Некоторые понятия, используемые в дипломной работе:

— Глобальная навигационная спутниковая система — система радионавигационных искусственных спутников Земли, службы контроля и управления и приёмников спутниковых радиосигналов, обеспечивающая координатно-временные определения на земной поверхности и в околоземном пространстве.

— Спутниковые определения — определения пространственных координат точки с использованием глобальных навигационных спутниковых систем.

— Наблюдения спутников — приём радиосигналов от спутников глобальной навигационной системы (далее — спутников).

— Спутниковый приёмник — аппаратно-программный комплекс для наблюдения спутников.

— Приём — последовательность выполняемых с приёмников действий по получению данных наблюдений спутников, включающая установку режима регистрации данных, проведение регистрации и вывод приёмника из режима регистрации данных.

— Сеанс — одновременное выполнение приёмов несколькими приёмниками.

— Базовая станция — приёмник, служащий для выполнения приёма на точке, относительно которой производят спутниковые определения в данном сеансе.

— Подвижная станция — приёмник, служащий для выполнения приёма на точке, местоположение которой определяется в данном сеансе.

— Определение линии — выполнение сеанса на двух пунктах. [9]

ГЛОНАСС — это наша отечественная система спутников времён СССР, которая после полного развёртывания будет включать 24 спутника на высоте 19100 км. Она предназначается для определения точного положения и скорости движения объекта, расположенного в любой точке земного шара. В законченном виде система ГЛОНАСС должна будет состоять из 24 спутников. Сейчас на орбите находятся 27 спутников, но только 23 из них находятся в рабочем состоянии. Для полноценной эксплуатации системы требуется 1,5 млрд рублей в год.

Основное назначение — беспечение навигационной информацией и сигналами точного времени военных и гражданских наземных, морских, воздушных и космических потребителей.

С 1996 года по предложению Правительства Российской Федерации Международная организация гражданской авиации и Международная морская организации используют систему ГЛОНАСС вместе с системой GPS (США) в качестве международных.

С 1 января 2015 г. введена в промышленную эксплуатацию государственная автоматизированная информационная система экстренного реагирования при авариях «ЭРА-ГЛОНАСС». Единственным исполнителем работ по созданию и внедрению системы с 2012 г. выступало Некоммерческое партнерство «ГЛОНАСС».

С 1 января 2016 г. оператором системы «ЭРА-ГЛОНАСС» будет выступать Акционерное общество «ГЛОНАСС» со 100-процентным государственным участием. В соответствии с федеральным законом основные задачи АО «ГЛОНАСС» — обеспечение работы «ЭРА-ГЛОНАСС», а также коммерциализация инфраструктуры системы за счет ее использования в интересах государственных и коммерческих заказчиков, привлечение внебюджетных инвестиций для развития системы. НП «ГЛОНАСС» является уникальной B2B и B2G площадкой.

В 2016 г. НП «ГЛОНАСС» планирует принимать самое активное участие в деятельности трех рабочих групп НТИ: АвтоНэт (беспилотный автотранспорт), АэроНэт (беспилотные летательные аппараты), МариНэт (беспилотный водный транспорт). Партнерство готово предоставить свои компетенции и опыт, в первую очередь, в части организации обсуждений в форматах B&G и B&B концепций развития, необходимых мер господдержки и пилотных проектов, разработки проектов нормативных актов и организации их публичного обсуждения, разработки проектов технических регламентов, национальных и межгосударственных стандартов и организации их публичного обсуждения, организации работ по поддержке программ экспорта и международной кооперации.

Одно из важнейших направлений деятельности НП «ГЛОНАСС» — поддержка экспорта технологий ГЛОНАСС, развитие международного сотрудничества и кооперации в сфере навигационной деятельности. Партнерство ведет активное взаимодействие с Северной Промышленной Корпорацией Китая (NORINCO) в области навигационных приемников и проектов трансграничных перевозок. Совместно с китайской госкорпорацией НП «ГЛОНАСС» создает совместное предприятие для разработки, производства и сбыта чипсета «ГЛОНАСС-BeiDou» под брендом BG-Star. Совместно разработанная современная и конкурентоспособная на мировом рынке линейка навигационных приемников ГЛОНАСС/BeiDou станет основой создания устройств и систем различного назначения для использования в России, КНР и экспорта на глобальный рынок [3].

Система Глобального Позиционирования (Global Positioning System — GPS) — спутниковая система определения местонахождения подвижных объектов.

Система GPS создана министерством обороны США и позволяет с точностью до 2 м определять в любой точке земного шара место нахождения неподвижного либо движущегося объекта на земле, в воздухе и на море в трех измерениях с очень высокой точностью. Более того, GPS сообщает скорость передвижения объекта. Эта система позволяет оснастить речные и морские суда, автомобили, самолеты электронными картами, на которых показывается место нахождения объекта и кратчайший (либо наиболее удобный) путь к пункту назначения. GPS используется также для составления географических карт и в задачах геодезии. Система широко используется и гражданскими абонентами.

Система создана в спутниковой сети, образованной спутниками связи, вращающимися вокруг земли по высоким орбитам. В 1995 г. сеть имела 24 спутника, сейчас 31. Для вхождения в GPS каждый абонент должен иметь небольшое устройство. Последнее в бытовом варианте имеет размер, равный портсигару, что позволяет носить его в кармане костюма. Устройство с высокой точностью показывает три координаты объекта, находящегося в любой точке планеты.

Одним из важнейших компонентов устройства являются атомные часы, способные измерять время с точностью до наносекунды. Сигналы устройства синхронизируются с приемо-передатчиками спутников связи.

В приемнике измеряется время распространения сигнала от ИСЗ и вычисляется дальность “спутник-приемник” (радиосигнал, как известно, распространяется со скоростью света). Поскольку для определения местоположения точки нужно знать три координаты (плоские координаты X, Y и высоту H), то в приемнике должны быть измерены расстояния до трех различных ИСЗ. Очевидно, при таком методе радионавигации (он называется беззапросным) точное определение времени распространения сигнала возможно лишь при наличии синхронизации временных шкал спутника и приемника.

Поэтому в состав аппаратуры ИСЗ и приемника входят эталонные часы (стандарты частоты), причем точность спутникового эталона времени исключительно высока (долговременная относительная стабильность частоты обеспечивается на уровне 10-13 — 10-15 за сутки). Бортовые часы всех ИСЗ синхронизированы и привязаны к так называемому “системному времени”. Эталон времени GPS- приемника менее точен, чтобы чрезмерно не повышать его стоимость. Этот эталон должен обеспечивать только кратковременную стабильность частоты — в течение процедуры измерений. [10]

На практике в измерениях времени всегда присутствует ошибка, обусловленная несовпадением шкал времени ИСЗ и приемника. По этой причине в приемнике вычисляется искаженное значение дальности до спутника или “псевдодальность”. Измерения расстояний до всех ИСЗ, с которыми в данный момент работает приемник, происходит одновременно. Следовательно, для всех измерений величину временного несоответствия можно считать постоянной. С математической точки зрения это эквивалентно тому, что неизвестными являются не только координаты X,Y и H, но и поправка часов приемника Dt.

Для их определения необходимо выполнить измерения псевдодальностей не до трех, а до четырех спутников. В результате обработки этих измерений в приемнике вычисляются координаты (X, Y и H) и точное время. Если приемник установлен на движущемся объекте и наряду с псевдодальностями измеряет доплеровские сдвиги частот радиосигналов, то может быть вычислена и скорость объекта.

Таким образом, для выполнения необходимых навигационных определений надо обеспечить постоянную видимость с нее, как минимум, четырех спутников. После полного развертывания созвездия ИСЗ в любой точке Земли могут быть видны от 5 до 12 спутников в произвольный момент времени. Современные GPS-приемники имеют от 5 до 12 каналов, т.е. могут одновременно принимать сигналы от такого количества ИСЗ. Избыточные измерения (сверх четырех) позволяют повысить точность определения координат и обеспечить непрерывность решения навигационной задачи. [4]

2.2 Состав глобальной навигационной спутниковой сети

В состав глобальной навигационной спутниковой сети входят:

— сеть наземных станций слежения и управления (сегмент контроля и управления);

— созвездие ИСЗ (космический сегмент);

— собственно GPS-приемники (аппаратура потребителей).

Сегмент контроля и управления. Это комплекс наземных средств, обеспечивающих непрерывные наблюдения и контроль над работой всей системы. Одна из составляющих этого сегмента — равномерно расположенная на поверхности Земли, в том числе и в России, космическая геодезическая сеть. Содержит главную станцию управления (авиабаза Фалькон в шт. Колорадо), пять станций слежения, расположенных на американских военных базах на Гавайских островах, островах Вознесения, Диего — Гарсия, Кваджелейн и Колорадо- Спрингс и три станции закладки: острова Вознесения, Диего — Гарсия, Кваджелейн (см. рис. 14). Кроме того, имеется сеть государственных и частных станций слежения за ИСЗ, которые выполняют наблюдения для уточнения параметров атмосферы и траекторий движения спутников. [11]

Рисунок 15 — Наземные станции слежения за спутниками

Собираемая информация обрабатывается в суперкомпьютерах и периодически передается на спутники для корректировки орбит и обновления навигационного сообщения.

Космический сегмент. На орбите находится более трех десятков спутников, которые вращаются под определенным наклоном к плоскости экватора. Спутники расположены так, что в любой момент над головой наблюдателя их не менее трех. Точно синхронизированные передатчики каждого спутника передают пакеты данных, содержащие информацию о номере спутника, времени, параметры различных поправок и некоторую другую информацию.

Положение плоскости орбиты относительно экваториальной плоскости характеризуют: долгота восходящего узла Щ, аргумент перигея щ и угол i наклона плоскости орбиты к плоскости экватора. Например, для системы GPS: щ = 80°, i = 55°.

Радиусы орбит — около 26 тыс. км, а период обращения — половина звездных суток (примерно 11 ч. 58 мин.). На борту каждого спутника имеется 4 стандарта частоты (два цезиевых и два рубидиевых — для целей резервирования), солнечные батареи, двигатели корректировки орбит, приемо-передающая аппаратура, компьютер.

Положение навигационного искусственного спутника земли на орбите описывает радиус-вектор р (см. рис. 2.3), который определяют по формуле:

р = Р/(1 + е cosх), (2.1)

где Р= а(1 — е²);

е — эксцентриситет орбита;

х — истинная аномалия (выражается в градусной мере).

При невозмущённом движении НИСЗ названные параметры Щ, i, щ, р и е постоянны и не меняются при движении спутника по орбите. При этом истинная аномалия и характеризует положение спутника на орбите в определенный момент времени, называемый «эпохой».

Пространственное положение НИСЗ характеризуют его «бортовые эфемериды», включающие в себя пространственные прямоугольные координаты НИСЗ (в системе координат WGS-84 для GPS и в системе ПЗ-90 для ГЛОНАСС) на определенный момент времени t_K (на определенную эпоху).[4]

Бортовые эфемериды вырабатываются в результате обработки измерений, выполняемых сегментом контроля и управления. По результатам соответствующих измерений бортовые эфемериды загружаются на НИСЗ несколько раз в сутки. При этом влияние погрешностей эфемерид (неточность определения параметров орбит, непрогнозируемые смещения НИСЗ и др.) на точность абсолютного положения определяемых пунктов не превышает для системы ГЛОНАСС — 9,2 м, системы GPS — 1 м.

Принцип определения местоположения с помощью глобальной навигационной спутниковой системы предусматривает измерение расстояний (дальностей) между искусственными спутниками Земли и фазовым центром антенны приёмника спутниковых сигналов, установленного на определяемой точке местности. [12]

С целью реализации данного принципа каждый НИСЗ излучает радиосигналы, структура которых для системы GPS показана на рисунке 16.

Рисунок 16 — Структура НИСЗ

Передающая аппаратура спутника излучает синусоидальные сигналы на двух несущих частотах: L1=1575,42 МГц и L2=1227,6 МГц. Перед этим сигналы модулируются так называемыми псевдослучайными цифровыми последовательностями (точнее, эта процедура называется фазовой манипуляцией). Псевдослучайный код — это излучаемый спутниками шумоподобный непрерывный радиосигнал, состоящий из кодовых последовательностей логических нулей и единиц. Причем частота L1 модулируется двумя видами кодов: C/A-кодом (код свободного доступа) и P-кодом (код санкционированного доступа), а частота L2- только P-кодом. Кроме того, обе несущие частоты дополнительно кодируются навигационным сообщением, в котором содержатся данные об орбитах ИСЗ, информация о параметрах атмосферы, поправки системного времени.

Кодирование излучаемого спутником радиосигнала преследует несколько целей:

— обеспечение возможности синхронизации сигналов ИСЗ и приемника;

— создание наилучших условий различения сигнала в аппаратуре приемника на фоне шумов (доказано, что псевдослучайные коды обладают такими свойствами);

— реализация режима ограниченного доступа к GPS, когда высокоточные измерения возможны лишь при санкционированном использовании системы.

Код свободного доступа C/A (Coarse Acquisition) имеет частоту следования импульсов (иначе называемых “чипами”) 1,023 МГц и период повторения 0,001 сек., поэтому его декодирование в приемнике осуществляется достаточно просто. Однако точность автономных измерений расстояний с его помощью невысока.

Защищенный код P (Protected) характеризуется частотой следования импульсов 10,23 МГц и периодом повторения 7 суток. Кроме того, раз в неделю происходит смена этого кода на всех спутниках. Поэтому до недавнего времени измерения по P-коду могли выполнять только пользователи, получившие разрешение Министерства обороны США.

Американское оборонное ведомство предприняло меры дополнительной защиты P-кода: в любой момент без предупреждения может быть включен режим AS (Anti Spoofing). При этом выполняется дополнительное кодирование P-кода, и он превращается в Y-код. Расшифровка Y-кода возможна только аппаратно, с использованием специальной микросхемы (криптографического ключа), которая устанавливается в GPS- приемнике.

Кроме того, для снижения точности определения координат несанкционированными пользователями предусмотрен так называемый “режим выборочного доступа” SA (Selective Availability). При включении этого режима в навигационное сообщение намеренно вводится ложная информация о поправках к системному времени и орбитах ИСЗ, что приводит к снижению точности навигационных определений примерно в 3 раза.

Поскольку P- код передается на двух частотах (L1 и L2), а C/A-код — на одной (L1), в GPS-приемниках, работающих по P-коду, частично компенсируется ошибка задержки сигнала в ионосфере, которая зависит от частоты сигнала. Точность автономного определения расстояния по P- коду примерно на порядок выше, чем по C/A-коду. [13]

Потребительский сегмент. В аппаратуре потребителя (GPS-приемнике) принимаемый сигнал декодируется, то есть из него выделяются кодовые последовательности C/A либо C/A и P, а также служебная информация. Полученный код сравнивается с аналогичным кодом, который генерирует сам GPS-приемник, что позволяет определить задержку распространения сигнала от спутника и таким образом вычислить псевдодальность. После захвата сигнала спутника аппаратура приемника переводится в режим слежения, то есть в БПС поддерживается синхронизм между принимаемым и опорным сигналами. Процедура синхронизации может выполняться:

— по C/A-коду (одночастотный кодовый приемник),

— по Р — коду (двухчастотный кодовый приемник),

— по C/A-коду и фазе несущего сигнала (одночастотный фазовый приемник),

— по Р — коду и фазе несущего сигнала (двухчастотный фазовый приемник).

Обработку сигналов выполняют с целью выработки необходимой потребителям информации (пространственно-временных координат, направления и скорости, пространственной ориентации и т.д.). Упрощенная структурная схема приемной аппаратуры (приемника спутниковых сигналов) показана на рисунке 17.

Приемное устройство выполняет функции супергетеродинного приемника, а также первичную обработку сигналов. Соответствующие сигналы поступают в блок поиска и измерения. После завершения поиска происходит захват сигнала, который поступает в вычислительный блок. По указаниям оператора (наблюдателя) результаты соответствующей обработки, как правило, могут быть отражены на дисплее.

Рисунок 17 — Упрощенная структурная схема приемной аппаратуры

Обычно выделяют три модификации приемников. Приемники первого класса предназначены для быстрых навигационных определений координат. Такие приемники удобно использовать при рекогносцировке, выносе в натуру и съемке объектов с небольшой точностью. Приемники второго класса предназначены для определения положения движущихся объектов. Наконец, приемники третьего класса, как правило, относятся к приемникам геодезического назначения. В них имеется многоканальный блок, осуществляющий слежение одновременно за сигналами нескольких ИСЗ (до 12 и более). Внутренняя память приемника до 100 Мб и более. Приемники оснащены портами для интеграции с другой аппаратурой, в том числе ПЭВМ. Значительный практический интерес представляют собой совмещенные GPS/ГЛОНАСС приёмники. [14] В общем случае приемники геодезического назначения выполняют следующие функции:

— генерация местной шкалы времени (местных эталонных колебаний);

— поиск, усиление и разделение сигналов, принадлежащих различным ИСЗ;

— фильтрация сигналов;

— выделение из сигналов меток времени и псевдослучайных последовательностей;

— слежение за частотой, фазой, кодовыми сигналами, измерение псевдодальностей до каждого НИСЗ;

— прием установочных параметров и маркеров, фиксирующих внешние события;

— выполнение различных оперативных расчетов; выдача в форме индикации на дисплее контроллера соответствующей информации об установочных указаниях и параметрах, результаты измерений, например в форме геодезических координат, о наличии и состоянии участвующих в радиосеансе НИСЗ и др.;

— прием поправок (при помощи специального радиоканала) в псевдодальности от внешнего передающего устройства;

— передачу результатов спутниковых наблюдений на другие радиоприемные устройства, в том числе — телефоны сотовой связи; хранение принятой информации.

Конструктивно приемники, как правило, выполнены в виде отдельных или совмещенных блоков, которые содержат антенное устройство, контроллер (мини-ЭВМ с клавиатурой) и аккумуляторы. С помощью контроллера (встроенного или присоединяемого к приемнику), пользователь может управлять и контролировать процесс спутниковых наблюдений. Часто приемники имеют встроенный радиомодем, с помощью которого в реальном масштабе времени можно передать или принять по каналам связи необходимую информацию. К ней относятся, например результаты измерений, выполненные на определяемой точке, а также результаты соответствующих расчетов по этим измерениям, выполненным в специальном удаленном от места проведения измерений вычислительном центре. [15]

Общий вид приемника спутниковых сигналов, включающего антенное устройство, собственно приемник и контроллер показан на рисунке 18. [16]

Рисунок 18 — Приёмник спутниковых сигналов:

1 — антенна; 2 — контроллер; 3 — электронный блок

Помимо приёмника в комплект входят и другие вспомогательные устройства, без которых работа будет довольно затруднена:

— штативы, трегеры, стойки быстрого развёртывания;

— сменные аккумуляторные батареи;

— осветительные приборы (для работы в тёмное время суток);

— рулетка;

— сторожки, колья, гвозди, топор и др. [9]

По условиям организации работ могут быть необходимы также устройства хранения, передачи и обработки информации — PC-карты, дискеты, полевой компьютер (ноутбук), кроме того, — зарядное устройство и приспособление для зарядки аккумуляторов.

Выбор конкретного типа приемника спутниковых сигналов для проведения земельно-кадастровых геодезических работ прежде всего зависит от необходимой точности определения положения объектов. Например, при создании и развитии опорной межевой сети первого класса (ОМС1) спутниковые приемники, помимо кодовых сигналов, должны принимать сигналы навигационных искусственных спутников земли на частотах L1 и L2. При развитии сети второго класса (ОМС2), а также при межевании земельных участков разрешается использование одночастотных приемников, работающих, помимо кодовых сигналов, только на частое L1.

Рассмотрев вышесказанное, можно сказать, что глобальная навигационная спутниковая система представляет собой совокупность трёх сегментов: сегмента контроля и управления, космического и потребительского сегментов. Эффективность выполнения работ с применением ГНСС достигается за счёт анализа каждого из сегментов с учётом современных тенденций и технологий.

2.3 Методы определения местоположения объектов

Дифференциальный метод GPS. Наиболее эффективным средством исключения ошибок является дифференциальный способ наблюдений — DGPS (Differential GPS). Его суть состоит в выполнении измерений двумя приемниками: один устанавливается в определяемой точке, а другой — в точке с известными координатами — базовой (контрольной) станции. [17]

Поскольку расстояние от ИСЗ до приемников значительно больше расстояния между самими приемниками, то считают, что условия приема сигналов обоими приемниками практически одинаковы. А, следовательно, величины ошибок также будут близки. В режиме DGPS измеряют не абсолютные координаты первого приемника, а его положение относительно базового (вектор базы). Использование дифференциального режима позволяет практически полностью исключить влияние режима SA и довести точность кодовых измерений до десятков сантиметров, а фазовых — до единиц миллиметров. Наилучшие показатели имеют фазовые двухчастотные приемники. Они отличаются от фазовых одночастотных более высокой точностью, более широким диапазоном измеряемых векторов баз и большей скоростью и устойчивостью измерений. Однако современные технологические достижения позволяют одночастотным фазовым приемникам по характеристикам приблизиться к двухчастотным.

В основе дифференциального метода лежит относительное постоянство во времени и пространстве некоторых элементарных погрешностей, участвующих в формировании общей погрешности измерений абсолютного положения определяемых точек. Основные слабо меняющиеся погрешности следующие: синхронизация шкал времени НИСЗ и приемника спутниковых сигналов; эфемерид НИСЗ, а также погрешности, обусловленные влиянием непостоянства характеристик ионосферы и тропосферы по трассе распространения сигнала от НИСЗ.

Структурная схема дифференциальной подсистемы, включающая базовую станцию (БС) и устанавливаемый в определяемой точке и дополненный специальными устройствами приемник спутниковых сигналов, показана на рисунке 19. В качестве базовой станции используют геодезический пункт с известными с заданной точностью координатами (система координат ГНСС). Центром такого пункта часто является закрепленная на крыше здания антенна приемника спутниковых сигналов. При этом координаты Xст., Y_ст., Z_ст. центра пункта соотносят к положению фазового центра антенны.

Рисунок 19- Структурная схема дифференциальной подсистемы

Сигналы навигационных искусственных спутников земли, одновременно «видимых» на БС и определяемой точке, воспринимаются соответствующими приемниками. В дальнейшем на базовой геодезической станции соответствующие сигналы поступают в блок формирования корректирующей информации. Основное назначение данного блока — вычисление корректирующих поправок и формирование кадра корректирующей информации, который по каналу связи с базовой станции передается в приемник спутниковых сигналов, установленный на определяемом пункте. Переданными таким образом поправками корректируют результаты спутниковых наблюдений, выполненных на определяемой точке, и по этим данным вычисляются ее координаты (для этого используют соответствующий вычислительный блок).

При вычислении окончательных координат определяемой точки используют, как правило, метод коррекции координат и метод корректировки навигационных параметров.

Метод коррекции координат предполагает, что корректируют вычисленные координаты определяемой точки по спутниковым наблюдениям одного и того же созвездия НИСЗ. При этом, корректирующую информацию получают, сопоставляя действительные координаты базовой станции Xст., Y_ст., Z_ст. с координатами этой станции, вычисленными по результатам спутниковых наблюдений, проводимых одновременно на БС и определяемой точке.

Данный метод сравнительно прост, так как не меняет основной алгоритм спутниковых определений, но ему свойственен существенный недостаток — ограничение дальности действия.

Идея дифференциального метода, основанного на коррекции навигационных параметров, заключается в том, чтобы передать на определяемую точку набор поправок к измерениям по всем НИСЗ, которые потенциально могут быть использованы при спутниковых наблюдениях на определяемой точке. На базовой станции измеряют псевдодальности до всех «видимых» НИСЗ и вычисляют ее измеренные координаты, а затем и измеренные дальности (по измеренным координатам базовой станции и координатам НИСЗ). В дальнейшем, разности между измеренными псевдодальностями и соответствующими вычисленными значениями дальностей (корректирующая информация) передают по каналу связи на определяемую точку, на которой при обработке корректирующей информации выбирается оптимальное созвездие НИСЗ. Измеренные в определяемой точке псевдодальности корректируют с помощью поправок, относящихся к используемым НИСЗ, по формуле

D(t) = р(t) + Дро + (d(Дp_o)/dt)(t- t₀), (2.2)

где D(t) — скорректированное в момент времени t значение дальности от определяемой точки до соответствующего НИСЗ; р(t) — псевдодальность, измеренная в момент времени t, Др₀ — поправка к псевдодальности, вычисленная на базовой станции в момент времени t; d(Дp_o)/dt- поправка, характеризующая скорость изменения поправки Др₀; t — шкала времени приемника; t₀— время по шкале времени НИСЗ.

В мире действуют различные дифференциальные подсистемы (ДПС), которые условно разделяют на локальные, региональные и глобальные. Локальные ДПС имеют зону действия 5…200 км от контрольной станции. Некоторые из них имеют геодезическое назначение и при дальности действия до 50 км обеспечивают точность определения абсолютного положения от 2 до 4,5 м. Зона действия региональных ДРС простирается до 2000 км. Данные дифференциальные подсистемы обычно имеют в своем составе несколько контрольных станций и для передачи корректирующей информации используют, как правило, геостационарные спутники.

Примером глобальной дифференциальной подсистемы служит система Omni STAR, которая использует распределенную по всему миру сеть контрольных станций для сбора информации со НИСЗ GPS. Собранные данные передаются в три центра управления, откуда транслируются на борт одного из семи геостационарных спутников. Каждый спутник в пределах своей рабочей зоны передает дифференциальные поправки. При этом пользователи данной системы получают эти поправки по специальной платной подписке.

Приемники спутниковых сигналов, предназначенные для определения месторасположения в дифференциальном режиме, принимают сигналы не менее чем четырех НИСЗ. Сеанс работы с каждым НИСЗ продолжается примерно 1 секунду. Для приема дифференциальных поправок спутниковые приемники имеют специальную антенну, приемное и вычислительные устройства, одно из которых вычисляет текущие значения скорректированных псевдодальностей, другое — решает по ним пространственную линейную засечку. Результаты решения в виде геодезических координат определяемой точки индицируются на табло и записываются в «память» приемника.

Статический метод (Static Positioning). Название метода означает, что приемники не перемещаются в течение всего наблюдательного интервала. Базовый приемник и приемник с неизвестными координатами одновременно выполняют наблюдения и записывают данные в течение 15 минут — 3 часов. Такая длительность сессии вызвана необходимостью определения целочисленной неоднозначности фаз в начале сессии. Этому способствует и заметное изменение со временем конфигурации спутниковой системы. Одночастотные приемники используются для измерения баз длиной до 10-15 км, а двухчастотные — для баз длиннее 15 км (преимущества двухчастотных приемников заключаются в возможности адекватного моделирования эффекта воздействия ионосферы, а также меньшей продолжительности наблюдений для достижения заданной точности). После завершения сеансов наблюдений данные, полученные каждым приемником, собираются вместе, вводятся в компьютер и обрабатываются с помощью специальных программ с целью определения неизвестных координат пунктов.

Точность метода при использовании фазовых наблюдений:

1) Для двухчастотных приемников:

a) в плане: 5 мм + 1 мм/км * D;

б) по высоте: 10 мм + 1 мм/км * D;

2) Для одночастотных приемников:

a) в плане: 5 мм + 1 мм/км * D — (при D < 10 км);

б) 5 мм + 2 мм/км * D — (при D > 10 км);

в) по высоте: 10 мм + 2 мм/км * D).

где D — измеряемое расстояние.

Данный метод используют для решения задач контроля национальных и континентальных геодезических сетей, мониторинга тектонических движений земной поверхности, наблюдения за состоянием дамб, фундаментов атомных электростанций и др. сооружений. [9]

Псевдостатический метод (Pseudo-Static Positioning). Отличается от статического тем, что обеспечивает более высокую производительность съемки за счет выполнения наблюдений в течение нескольких коротких сессий вместо одной длинной. Один приемник непрерывно наблюдает на базовом пункте. Перевозимый приемник после наблюдений в течение 5 — 10 минут на определяемом пункте выключается и перевозится на следующий определяемый пункт, где вновь включается на 5 -10 минут. Затем вновь выключается и перевозится на следующий пункт и т.д. Каждый определяемый пункт необходимо посетить еще раз на 5 минут через 1 час после первого посещения. Этот метод практически эквивалентен статическому, но вместо того, чтобы ожидать в течение 1 часа изменения конфигурации спутников, наблюдения проводятся в течение 5 минут, а следующие 5 минут наблюдаются одним часом позже, когда конфигурация существенно изменилась. Остающиеся 55 минут можно использовать для посещения дополнительных неизвестных пунктов. Точность получаемых результатов будет на уровне статического метода. Для наблюдений могут использоваться как одночастотные, так и двухчастотные приемники. Метод удобен, когда необходимо в течение короткого времени произвести точное измерение координат большого количества точек. Недостатком метода является необходимость точного планирования графика посещения пунктов.

Быстрый статический метод (Rapid Static Positioning). Этот метод был разработан в последние годы. Он позволил значительно увеличить производительность GPS съемки. Метод отличается от псевдостатического тем, что достаточно лишь одного посещения определяемых пунктов (в течение 5-10 минут — в зависимости от расстояния между опорным и определяемым пунктами). Поначалу, на этапе появления данного метода, для наблюдений подходили лишь двухчастотные Р-кодовые приемники. В настоящее время некоторые одночастотные приемники можно также использовать в быстром статическом режиме. [17]

Кинематический метод «стой-иди» (Stop-and-Go Kinematic Positioning). Метод позволяет получить положения пунктов так же быстро, как и в случае использования электронного тахеометра при решении топографических задач. Метод требует выполнения короткой процедуры инициализации с целью определения целочисленных неоднозначностей фаз. После этого опорный приемник продолжает непрерывно наблюдать на пункте с известными координатами, второй приемник перевозится (во включенном состоянии) на первый определяемый пункт, где вновь наблюдает 1 минуту. Затем он посещает все остальные определяемые пункты (лишь по одному разу).

Наиболее распространенными являются следующие процедуры инициализации:

— обмен антеннами, когда второй приемник находится на “пункте обмена” (знание его координат не обязательно), выбранном на расстоянии не более 10 м от опорного, выполняется наблюдение 4-8 эпох, затем приемники переставляются (без выключения), меняясь антеннами и наблюдают 4-8 эпох (до нескольких минут), а после происходит обратная процедура обмена антеннами и выполнение наблюдений для 4-8 эпох;

— стояние второго приемника в течение 1 минуты на втором пункте с известными координатами, причем этот второй пункт может быть на расстоянии не более 10 км от опорного пункта;

— статический метод, когда определяемый пункт выбирается на расстоянии не более 10 км от опорного пункта, а сеанс наблюдений имеет продолжительность не менее 30 минут.

Недостаток метода состоит в необходимости непрерывного (и даже во время движения) наблюдения не менее 4 спутников одновременно. Если число наблюдаемых спутников падает до трех хотя бы на миг, необходимо вернуться на последний успешно посещенный определяемый пункт или вновь провести процедуру инициализации. Во избежание этого лучше всего обеспечить возможность наблюдения одновременно пяти или более спутников. [18]

Точность метода при использовании фазовых наблюдений:

1) Для двухчастотных приемников (5 спутников и две эпохи (2 сек.) наблюдений):

a) в плане: 20 мм + 1 мм/км D;

b) по высоте: 20 мм + 2 мм/км D;

2) Для одночастотных приемников:

a) в плане: 20 мм + 2 мм/км D;

b) по высоте: 20 мм + 2 мм/км D.

Метод эффективен при выполнении топографической съемки, когда за короткое время необходимо определить координаты большого числа точек, при построении цифровых моделей рельефа, определении местоположения объектов местности, имеющих форму ломаной линии (трубопроводы, дороги и пр.).

Кинематический метод со статической инициализацией (Kinematic with Static Initialization). Метод очень похож на предыдущий. Точно так же на базовом пункте с известными координатами производится процедура инициализации, затем подвижный приемник перемещается в начальную точку маршрута движения и производит там наблюдения в течение нескольких минут. Далее подвижная платформа с приемником начинает движение по маршруту. GPS — измерения выполняются непрерывно во время движения с интервалом 1 сек. Точностные параметры метода те же, что и у «Stop-and-Go». Чаще всего применяется для получения координат линейных объектов типа дорог, рек и т.д. [9]

Кинематический метод с инициализацией «на ходу» (Kinematic with On — the Fly Initialization). Данный метод не требует для инициализации размещения подвижного приемника на базовой станции — эта процедура выполняется непосредственно при движении транспортного средства по маршруту. Кроме того, если по какой- либо причине произошел срыв наблюдений (например, из-за проезда под железнодорожным мостом), процесс инициализации производится вновь без остановки движения. Точностные параметры и сферы использования метода не отличаются от других кинематических методов. [20]

Реоккупация — метод, при котором наблюдение подвижной станцией на точке выполняют двумя приёмами продолжительностью не менее 10 минут каждый с интервалом между выполнением приёмов от 1 до 4 часов. Приёмы должны быть выполнены одним и тем же приёмом.

Таким образом, существующие ГНСС в составе GPS и ГЛОНАСС позволяют реализовать вышеперечисленные методы на практике. Однако сложно выделить среди всех методов тот, который является наиболее эффективным. Каждый метод эффективен в зависимости от того, для решения какой задачи он используется. Универсальным можно назвать дифференциальный метод, так как при его использовании исключаются большинство погрешностей, и обеспечивается наилучшая точность.

3. КОМПЛЕКСНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АЭРОФОТОСНИМКОВ И GPS — ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ГОРОДСКОГО КАДАСТРА

3.1 Создание с помощью глобальных спутниковых навигационных систем позиционирования координатной основы

Несмотря на развитие методов лазерной локации, одним из наиболее эффективных методов топографической съемки остается аэрофототопографический метод [1]. Это в полной мере относится к крупномасштабной топографической съемке, выполняемой в масштабах 1:5000, 1:2000, 1:1000, которые являются приоритетными для решения задач городского кадастра. Одним из главных условий осуществления топографической съемки, как и любой другой, является обеспечение ее координатной основой. В общем виде координатная основа представляет собой электронно-цифровой каталог координат пунктов опорной геодезической сети, центров проектирования аэрофотоснимков, полевых и камеральных планово-высотных опознаков. Каталог координат входит в базу данных соответствующей информационной системы, где он хранится, корректируется и дополняется.

Координатная основа создается в настоящее время как традиционными геодезическими, так и спутниковыми средствами и методами, а также путем их сочетания. При выполнении крупномасштабной аэрофототопографической съемки спутниковый метод создания координатной основы используется при:

— создании опорных и съемочных геодезических сетей;

— прокладке аэрофотосъемочных маршрутов;

— определении координат центров проектирования (КЦП) аэрофотоснимков;

— планово-высотной подготовке аэрофотоснимков.

Обобщенная схема создания и использования координатной основы крупномасштабной аэрофототопографической съемки приведена в приложении

Координатная основа создается применительно к используемому эллипсоиду: Красовского, ПЗ-90 (Параметры Земли — 1990 г.), WGS-84 (World Geodetic System-1984) и др. При создании координатной основы выбирается соответствующая система координат: геодезическая G(BLH) с координатами B, L, H; плоская прямоугольная P(xyz) с плановыми координатами x, y и высотами z (обычно z определяются независимо от плановых координат); пространственная прямоугольная S (XYZ) с координатами X, Y, Z и др.

Определение координат пунктов и точек, используемых для составления крупномасштабных топографических карт и планов возможно путем полевых измерений и камеральным методом. При полевых измерениях и последующей математической обработке определяются координаты:

— пунктов государственной геодезической сети на объекте;

— центров проектирования аэрофотоснимков;

— точек съемочных сетей;

— планово-высотных опознаков на аэрофотоснимках;

— некоторых объектов местности (углов зданий и сооружений, колодцев и других контурных точек).

Получение координатной основы путем полевых измерений возможно с использованием традиционных геодезических средств, спутниковых приемников (GPS, ГЛОНАСС, GPS/ГЛОНАСС) или путем их сочетания. При камеральном методе координаты планово-высотного сгущения определяются с помощью:

— аналитических фотограмметрических приборов (стереоанограф, SD-20, SD-2000 и др.);

— цифровых фотограмметрических станций (PHOTOMOD, ЦФС, SUN и др.);

— аналитического фототриангулирования (программы ФОТОБЛОК, ФОТОКОМ, TRAP и др.);

— программных комплексов (Талка, Нева, Панорама и др.).

Основной принцип создания координатной основы заключается в том, что координатная основа создается применительно к аэрофототопографической съемке с помощью спутниковых приемников, а также путем совместного использования спутниковых приемников и традиционных геодезических средств.

При создании координатной основы аэрофотопографической съемки спутниковым методом в дифференциальном режиме необходимо уравнивать измеренные приращения координат Д X, Д Y, Д Z в системе S(XYZ), а затем полученные уравненные значения координат X, Y, Z определяемых пунктов перевычислять в систему P(xyz). Если корреляция измерений отсутствует, то уравнивание возможно осуществлять раздельно по осям координат X, Y, Z. В настоящее время разработаны алгоритмы преобразования координатной основы непосредственно из системы пространственных прямоугольных координат в систему плоских прямоугольных координат и высот и обратно двумя способами: c использованием значений координат и их приращений. Они обеспечивают:

— непосредственное преобразование координатной основы из системы S(XYZ) в систему P(xyz) и обратно в трехмерном (пространственном) формате с ошибками не более 1 мм в при любых значениях геодезических широт В в интервале разностей геодезических долгот от -30⁰ до +30⁰;

— преобразование координатной основы для тех же условий при значениях высот ? 20 км (потолок аэрофотосъемочного самолета) над поверхностью Земли;

— возможность обеспечения перевычисления координатной основы с ошибкой не более 1-2 мм в полосе шириной от — 60⁰ до + 60⁰ и для высот ? 20000 км (высота орбит ИСЗ GPS и ГЛОНАСС) путем введения добавочных членов разложения функций в соответствующие тригонометрические ряды.

Данные алгоритмы описываются с помощью следующих аналитических выражений:

где a, b, e, e^‘ — параметры земного эллипсоида;

L₀— долгота осевого меридиана;

E — основание натуральных логарифмов;

R_Э— эквивалентный радиус;

С₂, С₄, С₆— постоянные коэффициенты.

; ; ;

где С₂^‘, С₄^‘, С₆^‘, k₂^‘, k₄^‘, k₆^‘ — постоянные коэффициенты;

В практике топографо-геодезических работ часто возникает необходимость определения геодезической высоты H по измеренным с помощью спутниковых приемников пространственным прямоугольным координатам X, Y, Z. Все существующие алгоритмы вычисления геодезической высоты H основаны на том, что предварительно должна быть известна геодезическая широта B, нахождение которой связано с достаточно большим объемом вычислений.

Ниже представлен алгоритм вычисления H непосредственно по измеренным координатам X, Y, Z [2] :

Исследования показывают, что погрешность вычисления H не превышает 1 мм при высотах до 50 км в любой точке земного пространства.

При выполнении топографо-геодезических работ координатная основа, полученная в системе P(xyz), как правило, перевычисляется в местную систему координат М(x^‘y^‘z) и обратно. При этом перевычисляются только плановые координаты x, y, а высоты остаются неизменными или изменяются на заданную постоянную величину. Ниже представлены усовершенствованные и откорректированные формулы преобразования плановых координат x, y из системы P(x y) в систему М(x^‘ y^‘) и обратно.

где x, y — координаты пункта в государственной системе P(x y) проекции Гаусса-Крюгера в 6⁰ зоне; x₀, y₀ — координаты начального пункта в государственной системе P(x y); x^‘, y^‘ — координаты пункта в местной системе М(x^‘ y^‘); x₀^‘, y₀^‘ — координаты начального пункта в местной системе (обычно x₀^‘=0, y₀^‘=0);

Н₀— высота поверхности относимости объекта работ, когда она не совпадает с государственной системой высот 1977 г.;

г — заданный угол поворота местного осевого меридиана;

a, b, R_э— параметры эллипсоида.

Таким образом, применение спутниковых средств и методов для создания координатной основы, а также алгоритмов преобразования ее из системы пространственных прямоугольных координат в плоские прямоугольные и обратно, позволяет выполнять преобразование координатной основы с ошибками не более 1мм при любых значениях геодезических широт.

3.2 Определение элементов внешнего ориентирования аэрофотоснимков на борту летательного аппарата

Определение элементов внешнего ориентирования аэрофотоснимков на борту летательного аппарата состоит в следующем: угловые элементы внешнего ориентирования определяют с помощью инерциальных систем навигации, а координаты центров проекций находят по показаниям GPS-приемников. На практике эта задача сегодня решается почти исключительно с использованием интегральных навигационных GPS/IMU (аббревиатура IMU есть Inertial Measurement Unit, или в переводе инерциальное измерительное устройство) комплексов.

Такие комплексы получили название системы прямого геопозиционирования, во многом благодаря тому, что являются самодостаточными в смысле возможности полного решения задачи геопозиционирования без привлечения других источников данных. Наличие этого свойства отличает системы прямого геопозиционирования от традиционных систем и методов геопозиционирования данных, используемых в классической аэрофототопографии.

Данный метод геопозиционирования является прямым, прежде всего, в сравнении со стандартной фотограмметрической процедурой геопозиционирования аэрофотоснимков, которая, как известно, включает следующий набор операций: выделение наземных опознаков и определение их геодезических координат, определение связующих точек на стереопарах, развитие и уравнивание фототриангуляционной сети, создание свободной модели и ее масштабирование. Т.е. при традиционном подходе общая задача геопозиционирования решается за счет последовательной реализации нескольких технологических процедур, каждая из которых достаточно трудоемка. Важно также заметить, что хотя и современные фотограмметрические компьютерные технологии обеспечивают значительную степень автоматизации, тем не менее, участие оператора практически на всех стадиях описанного цикла существенно, что может явиться дополнительным источником ошибок при недостаточной квалификации персонала.

В процессе геопозиционирования GPS и IMU как физические устройства работают полностью автономно и независимо друг от друга, каждый по-своему решая одну и ту же навигационную задачу. Однако, интегральное навигационное решение рождается в процессе совместной обработки данных этих двух источников. Смысл такого совмещения состоит в том, что в результате такого совмещения удается преодолеть существенные ограничения обоих источников, и добиться принципиально нового качества выходных данных, прежде всего по точности. Требуется только обеспечить взаимную неподвижность в процессе съемки сканерного блока и фотоаппарата, а также точно определить их взаимное пространственное положение (выставку). И того и другого можно добиться расположив оба прибора как можно ближе друг к другу на единой жесткой раме. Чем больше удаление аэросъемочного прибора от сенсора инерциальной системы, тем в общем случае для этого прибора менее пригодны GPS/IMU данные, из-за неизбежных деформаций корпуса летательного аппарата. Поэтому для крупных аэросъемочных летающих лабораторий, таких, например, как АН-30, приходится использовать по одной GPS/IMU системе для каждого отдельного аэросъемочного прибора, что, конечно, значительно дороже.

Применение таких комплексов характеризуется следующим:

1. Создание первых GPS/IMU систем в начале 90-х годов прошлого века явилось важнейшей технологической предпосылкой появления воздушных аэросъемочных лидаров в их нынешнем виде. Именно использование GPS/IMU данных позволило корректно представлять данные лидарной съемки в геодезических координатах с вполне определенными количественными гарантиями точности, т.е. способствовало превращению авиационных лидаров из средств дистанционного зондирования (в основном, военного назначения) в средства топографического картирования. Современный аэросъемочный лидар в столь значительной степени не мыслим без GPS/IMU комплекса, что даже конструктивно эти два прибора неотделимы друг от друга (точнее один включает в себя другой).

2. Идеология использования GPS/IMU систем при съемке с любых движущихся платформ (летательных аппаратов, морских и речных судов, поездов, вообще любых движущихся платформ) предполагает их полностью автономное функционирование от съемочного оборудования. Это чрезвычайно важное обстоятельство позволяет использовать такие системы в паре с практически любыми источниками геопространственных данных, в частности с любыми аэросъемочными средствами — аналоговыми и цифровыми аэрофотоаппаратами, радиолокаторами, инфракрасными и спектрозональными приборами и др. Так, нет никакой необходимости аппаратно «сопрягать» классический пленочный аэрофотоаппарат с GPS/IMU системой POS/AV 510. В процессе аэросъемки эти приборы могут работать совершенно независимо на аппаратном уровне. Необходимо обеспечить только их синхронность или более точно временную определенность событий, чего в нынешних условиях нетрудно добиться благодаря использованию GPS/GLONASS технологий. Применительно к аэрофотоаппарату последнее требование означает, что время совершения каждого аэрофотоснимка должно быть определено во временной шкале, единой с POS/AV комплексе. На практике это достигается регистрацией импульса срабатывания затвора аэрофотоаппарата через один из специальных EVENT входов комплекса. Аналогично может быть выполнена синхронизация с практически любым аэросъемочным средством в том числе а авиационным лидаром.

3. Использование GPS/IMU данных в аэрофототопографии представляется наиболее интересным как с теоретической, так и с практической точек зрения. Здесь возможны два подхода. В первом случае данные, поставляемые GPS/ IMU комплексом используются непосредственно в качестве элементов внешнего ориентирования аэрофотоснимков для выполнения стереофотограмметрического восстановления рельефа, ортотрансформирования и окончательного геопозиционирования снимков. Во втором случае, GPS/IMU используются только в качестве начального приближения, по которому осуществляется поиск еще более точных значений элементов внешнего ориентирования. В любом случае, наличие GPS/IMU данных оказывается очень полезным — в первом случае вообще удается избежать процедуры построения фототриангуляционной сети и ее уравнивание, а во втором случае, благодаря наличию достаточно точной априорной информации по элементам внешнего ориентирования в блоке или маршруте, алгоритм уравнивания становится более устойчивым, а выходные данные более достоверными и точными.

4. Большое практическое значение имеет также то очевидное обстоятельство, что одна GPS/IMU система может обслуживать одновременно несколько аэросъемочных средств.

Метод геопозиционирования данных съемки, предлагаемый интегральными GPS/IMU комплексами, практически полностью свободен от всех недостатков, связанных со сложностью традиционного подхода. С некоторой долей условности, можно даже говорить, что все численные параметры, необходимые для окончательного геопозиционирования данных съемки, возникают одновременно с самими этими данными непосредственно в ходе съемке. Последнее обстоятельство позволяет говорить, что применение GPS/ IMU систем обеспечивает аппаратный метод определения элементов внешнего ориентирования, противопоставляя его традиционному фотограмметрическому методу.

Применение данных комплексов позволяет определять координаты центров проекции в этом случае определяют с точностью 10…20 см, а угловые элементы с точностью 3…4′.

В определенных случаях, значения угловых параметров с таким уровнем точности можно использовать в качестве окончательных, т.е. не требующих никакой коррекции, при выполнении процедур геопозицирования различных видов аэросъемочных данных. Данные современных интегральных навигационных систем достигли фотограмметрического уровня точности. Последнее утверждение выражает то обстоятельство, что хотя и средства определения всех параметров положения и угловой ориентации в пространстве движущихся платформ активно применяются на практике уже давно (например, в курсовой системе любого летательного аппарата), только сейчас появились системы, уровень точности выходных данных которых, позволяет решать геоинформационные, а не только пилотажно-навигационные задачи.

Использование современных навигационных комплексов типа GPS/IMU позволяет обеспечить точность геопозиционирования цифровых аэрофотоснимков на уровне одного пиксела. Причем это верно для цифровых камер самого высокого разрешения, к которым относятся UltraCAM-D, DMC компании Z/I Imaging и ADC-40 компании Leica Geosystems (последняя, строго говоря, является сканером). Что касается среднеформатных метрических камер (в настоящее время к таковым в основном относят приборы с приемником емкостью 16-22 мегапиксела) то для них предлагаемая точность попадает уже на субпиксельный уровень.

Таким образом, метод геопозиционирования данных съемки, предлагаемый интегральными GPS/IMU комплексами, практически полностью свободен от всех недостатков, связанных со сложностью традиционного подхода. Применение данных комплексов позволяет определять координаты центров проекции в этом случае определяют с точностью 10…20 см, а угловые элементы с точностью 3…4′. Использование современных навигационных комплексов типа GPS/IMU позволяет обеспечить точность геопозиционирования цифровых аэрофотоснимков на уровне одного пиксела.

3.3. Планово — высотная привязка аэрофотоснимков

Фотограмметрическая обработка как одиночного снимка, так и пары снимков предполагает наличие опорных точек. Опорные точки позволяют проводить трансформирование одиночных снимков и геодезическое ориентирование пространственных моделей местности. Геодезические координаты опорных точек можно получить с помощью геодезических измерений в поле или камерально- фотограмметрическим методом.

Процесс опознавания на снимках точек местности и определение координат этих точек геодезическими методами называют привязкой аэрофотоснимков. В качестве опорных точек выбирают надежно идентифицируемые на снимках точки местности. Привязка, обеспечивающая каждый снимок или каждую стереопару опорными точками в количестве, необходимом для фотограмметрической обработки, называют сплошной, в противном случае — разреженной.

Если в результате привязки у каждой опорной точки определены все три геодезические координаты, то привязку называют планово-высотной, если только плановые координаты — плановой, если только высотная координата — высотной.

Привязка аэрофотоснимков состоит из нескольких этапов: подготовки материалов; составления проекта привязки; рекогносцировки и закрепления на местности опорных точек; полевых измерений; вычислительных работ; оформления материалов и сдачи работ.

Подготовка материалов включает подбор комплектов контактных или увеличенных снимков и репродукций накидного монтажа на объект работ. На репродукцию накидного монтажа переносят пункты геодезической сети с имеющихся топографических карт.

Составление проекта привязки аэрофотоснимков проводят на репродукции накидного монтажа. Как правило, при разреженной привязке опорные точки располагают рядами поперек аэрофотосъемочных маршрутов.

Расстояние между опорными точками зависит от масштаба создаваемого плана, высоты сечения рельефа, параметров аэрофотосъемки и выражается числом базисов фотографирования n, которое подбирают по формулам

где _Z, у_l— средние квадратические погрешности наиболее слабо определяемых точек соответственно по высоте и в плане относительно опорных точек; Н — высота фотографирования; у_q — средняя квадратическая погрешность определения поперечного параллакса (для аналитических методов 0,010…0,015 мм); р — среднее значение продольных параллаксов (мм), приближенно равное базису фотографирования на снимках (мм); у— максимально возможная ордината точек внутри рабочей площадки снимков, мм.

Значения у_z и у_l выбирают из таблицы 1.

Таблица 1 Значения бz и бi в зависимости от масштаба плана и высоты сечения

Масштаб плана	Высота сечения рельефа, м	бz, М	Бi ММ на плане
1:5000….1:10000	1,0	0,2	0,20
1:10000…1:25000	2,0	0,4	0,20…0,25
1:10000…1:25000	2,5	0,5	0,20…0,25
1:10000…1:25000	5,0	1,2	0,20…0,25

Места расположения проектируемых опорных точек показывают на репродукции накидного монтажа кружками диаметром 5 мм красной тушью и на одном из перекрывающихся снимков красным карандашом. Опорные точки стараются располагать на середине продольных и поперечных перекрытий, чтобы они изобразились на максимальном числе снимков. Опорные точки нельзя размещать ближе 1 см от края снимка.

Кроме проектирования зон расположения опорных точек на репродукции накидного монтажа намечают схемы теодолитных ходов и полигонов в закрытой местности и возможные прямые, обратные или комбинированные засечки в открытой местности. Если привязку снимков выполняют теодолитными ходами, то максимальную длину каждого из них рассчитывают по формуле

L = 2МТД,

где М—знаменатель масштаба создаваемого плана; Т—знаменатель допустимой относительной погрешности в теодолитном ходе; Д— погрешность в плановом положении опорных точек относительно пунктов опорной геодезической сети, м, которая составляет 0,2 мм в масштабе создаваемого плана.

Если привязку снимков выполняют с помощью GPS-аппаратуры, то зоны расположения опорных точек намечают на открытых пространствах, чтобы обеспечить радиовидимость необходимого числа спутников.

В процессе рекогносцировки и закрепления на местности опорных точек опознают и накалывают на снимки существующие пункты триангуляции государственной сети, выбирают окончательное положение каждой опорной точки и уточняют метод ее геодезического определения. В качестве опорной точки выбирают такую точку местности, которая надежно идентифицируется на всех перекрывающихся снимках. Погрешность опознавания опорной точки на местности не должна превышать 0,1 мм в масштабе создаваемого плана.

Опознанные опорные точки закрепляют на местности кольями длиной 0,3…0,5 м и окапывают треугольником со сторонами 1,2…1,5 м. На снимках эти точки накалывают с погрешностью не более 0,1 мм и обводят двумя красными концентрическими окружностями диаметром 8 и 10 мм. Каждой опорной точке присваивают номер.

Далее проводят геодезические измерения и для каждой опорной точки составляют схему геодезического определения, на которой подписывают значения всех измеренных линий и углов.

В результате вычислительных работ, проводимых, как правило, по специальным программам, получают каталог геодезических координат опорных точек.

Для каждой трапеции государственной разграфки, землепользования или населенного пункта формируют техническое дело, в которое входят все материалы полевых и камеральных работ: репродукции накидного монтажа, снимки с оформленными опорными точками, схемы кодов и засечек, полевые журналы, ведомости координат и т. п.

3.4 Совместное применение ГНСС и аэрофотосъемки на современном этапе.

Глобальная навигационная спутниковая система с применением специальных навигационных или геодезических приемников нашла широкое применение в геодезии, городском и земельном кадастре, при инвентаризации земель, строительстве инженерных сооружений и т.д.

Основные достоинства и преимущества:

Не требуется прямой видимости между пунктами.

Благодаря автоматизации измерений сведены к минимуму ошибки наблюдателей.

Позволяет круглосуточно при любых погодных условиях определять координаты объектов в любой точке Земного шара.

Точность GNSS-определений мало зависит от погодных условий (дождя, снега, высокой или низкой температуры, а также влажности).

GNSS позволяет значительно сократить сроки проведения работ по сравнению с традиционными методами.

GNSS-результаты представляются в цифровом виде и могут быть легко экспортированы в картографические или географические информационные системы (ГИС).

Рисунок 20- Глобальная навигационная спутниковая система.

Вышеописанная концепция совместного использования ГНСС и фотосъемки местности на данном этапе реализована при аэрофотосъемке беспилотными летательными аппаратами.

Рисунок 21- Концепция беспилотной аэрофотосъёмки с ГНСС привязкой.

Аэрофотосъемка с БПЛА теперь доступна любой геодезической компании. Отпала необходимость в заказе «большой» и дорогой авиации. За считанные часы с помощью БПЛА теперь можно провести аэрофотосъемку большого участка с составлением ортофотоплана и топоплана. Абсолютная точность ортофотоплана, цифровой модели местности до 3 см без необходимости установки опорных точек — для меньших затрат времени в поле и обеспечения высокой точности даже в труднодоступных районах.

За один полет БПЛА проводит аэрофотосъемку участка площадью от 1 до 10 кв.км. Если на борту БПЛА установлен GNSS приемник геодезического класса, то привязка опознаков на земле вообще не потребуется. Если такого приемника на борту БПЛА нет, то потребуется привязать несколько опознаков.

Сферы применения БПЛА для аэрофотосъемки:

Кадастровые работы

Маркшейдерские работы

Мониторинг лесного фонда и земель сельхозназначений

Экология и экологический мониторинг

Съемка линейных объектов (ЛЭП, трубопроводы, реки, каналы)

Археология,

Геологоразведочные работы.

БПЛА геодезического класса является полностью автономным. Встроенный ГНСС приемник способен принимать поправки от большинства базовых станций с помощью прилагаемого программного обеспечения. Это обеспечивает высокую точность позиционирования изображений, полученных БПЛА без необходимости установки опорных точек.

Рисунок 22 — Беспилотный летательный аппарат «eBee»

Беспилотный комплекс — предназначен для решения широкого спектра задач, требующих оперативного получения аэрофотоснимков местности или непосредственного визуального наблюдения. Отличительная особенность комплексов — высокая степень автоматизации всех этапов работы от подготовки полетного задания до автоматической посадки в заданной точке.

В составе комплекса входит фотограмметрическое программное обеспечение PhotoScan Pro, позволяющее в краткие сроки выполнить обработку полученных аэрофотоматериалов.

Рисунок 23- Беспилотный аэрофотосъемочный комплекс Геоскан.

Аэрофотосъемочный комплекс (АФК) за счет увеличенной продолжительности полета особенно эффективен при аэрофотосъемке объектов значительной площади или мониторинге протяженных линейных объектов. За один полет аппарат может отснять 15 кв. км местности с разрешением, достаточным для получения карты масштаба не менее 1:2000.

Использование бортового GNSS-приемника геодезического класса позволяет получать координаты центров фотографирования с высокой точностью, что в ряде случаев способно значительно уменьшить затраты на выполнение планово-высотной подготовки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Спутниковая геодезия — это самый радикальный способ качественно, дешево и быстро удовлетворить нарастающий спрос на определение координат объектов. Основные преимущества перед классическими геодезическими способами определения координат — простота обслуживания, доступность, высокая точность, независимость от погоды, высокая производительность, практически исключаются ошибки, так называемый «человеческий фактор».

Комплексное использование аэрофотоснимков и GPS — технологий для целей городского кадастра в настоящее время развивается по трем направлениям: создание с помощью глобальных спутниковых навигационных систем позиционирования координатной основы, определение элементов внешнего ориентирования аэрофотоснимков на борту летательного аппарата и планово — высотная привязка аэрофотоснимков.

Координатная основа создается в настоящее время как традиционными геодезическими, так и спутниковыми средствами и методами, а также путем их сочетания.

Определение элементов внешнего ориентирования аэрофотоснимков на борту летательного аппарата состоит в следующем: угловые элементы внешнего ориентирования определяют с помощью инерциальных систем навигации, а координаты центров проекций находят по показаниям GPS-приемников. На практике эта задача сегодня решается почти исключительно с использованием интегральных навигационных GPS/IMU комплексов. В процессе геопозиционирования GPS и IMU как физические устройства работают полностью автономно и независимо друг от друга, каждый по-своему решая одну и ту же навигационную задачу. Однако, интегральное навигационное решение рождается в процессе совместной обработки данных этих двух источников.

Смысл такого совмещения состоит в том, что в результате такого совмещения удается преодолеть существенные ограничения обоих источников, и добиться принципиально нового качества выходных данных, прежде всего по точности. Применение данных комплексов позволяет определять координаты центров проекции в этом случае определяют с точностью 10…20 см, а угловые элементы с точностью 3…4′.

Глобальная навигационная спутниковая система представляет собой совокупность трёх сегментов: сегмента контроля и управления, космического и потребительского сегментов. Эффективность выполнения работ с применением ГНСС достигается за счёт анализа каждого из сегментов с учётом современных тенденций и технологий.

В спутниковой навигации до сих пор отсутствует утвержденная методика оценки эффективности ГНСС. При оценке эффективности ГНСС используются две осредненные по всей пространственно-временной области величины — точность и доступность. Эти осредненные характеристики не позволяют оценить все особенности поведения различных характеристик ГНСС, в частности, локальные ухудшения точности решения навигационной задачи из-за резкого ухудшения геометрического фактора для систем ГЛОНАСС, GPS, Galileo.

Качество навигационного обслуживания может совершенствоваться по следующим направлениям:

первое направление — это разработка навигационных GPS-алгоритмов, уменьшающих влияние селективного доступа. Это даст возможность повысить точность в случае применения селективного доступа без привлечения дополнительного оборудования.

второе направление связано с совместным использованием навигационных систем GPS и ГЛОНАСС.

третье направление в области повышения качества навигационного обслуживания относится к дифференциальной коррекции.

Создаваемая методика оценки эффективности ГНСС использует систему описания характеристик радионавигационных полей и полей потребительских характеристик ГНСС. Данная система описания базируется на трехуровневом описании характеристик радионавигационного поля и поля потребительских характеристик. На третьем- уровне радионавигационное поле и поле потребительских характеристик ГНСС представляется в виде функций, определенных на четырехмерной пространственно-временной области, а на втором и первом — в виде различных сверток и осреднений этих функций. Использование данной системы описания позволяет проводить оценку эффективности ГНСС с учетом всех особенностей, радионавигационного поля и поля потребительских характеристик ГНСС.

Существующие ГНСС в составе GPS и ГЛОНАСС позволяют реализовать вышеперечисленные методы на практике. Однако сложно выделить среди всех методов тот, который является наиболее эффективным. Каждый метод эффективен в зависимости от того, для решения какой задачи он используется. Универсальным можно назвать дифференциальный метод, так как при его использовании исключаются большинство погрешностей, и обеспечивается наилучшая точность.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Постановление Правительства РФ от 21.02.2015 № 151 «О порядке взаимодействия с Государственной автоматизированной информационной системой «ЭРА-ГЛОНАСС»// Собрание законодательства РФ, 02.03.2015, № 9, ст. 1336

2. Постановление Правительства РФ от 25.08.2008 № 641(ред. от 17.12.2010) «Об оснащении транспортных, технических средств и систем аппаратурой спутниковой навигации ГЛОНАСС или ГЛОНАСС/GPS»// Собрание законодательства РФ», 01.09.2008, N 35, ст. 4037.

3. Приказ Минэкономразвития РФ от 01.04.2010 № 123 «Об определении видов оборудования, используемого при проведении геодезических и кадастровых работ и подлежащего оснащению аппаратурой спутниковой навигации ГЛОНАСС или ГЛОНАСС/GPS»// Бюллетень нормативных актов федеральных органов исполнительной власти, № 21, 24.05.2010.

4. Приказ Минтранса РФ от 01.02.2010 № 23 «Об оснащении технических средств и систем аэронавигационного обслуживания, авиационно-космического поиска и спасания аппаратурой спутниковой навигации ГЛОНАСС или ГЛОНАСС/GPS»// Российская газета, № 46, 05.03.2010.

5. ГОСТ Р 54625-2011. Национальный стандарт Российской Федерации. Глобальная навигационная спутниковая система. Автоматизированные навигационные системы. — М.: Стандартинформ, 2012. — 260 с.

6. Алгоритм вычисления геодезической высоты по пространственным прямоугольным координатам / В.Н. Баландин, А.Ю. Матвеев и др. // Геодезия и картография. — 2012. — №6. — С. 15-16.

7. Аэрокосмический мониторинг поврежденной растительности в оптическом диапазоне / В. И. Незамов, А. В. Лопатин. — М.: Колосс, 2013. — 260 с.

8. Баландин В.Н. О преобразовании пространственных прямоугольных координат в плоские прямоугольные / В.Н. Баландин, М.Я. Брынь, А.Ю. Матвеев и др. // Геодезия и картография. — 2013. — № 5. — С.11-13.

9. Баландин В.Н., Матвеев А.Ю. Об определении физических площадей участков / В.Н. Баландин, А.Ю. Матвеев и др. // Геодезия и картография. — 2010. — №8. — С. 49-53.

10. Болкунов А.И. Периодичность характеристик радионавигационного поля (РНП) и навигационного обеспечения/А.И. Болтунов// Тезисы докладов 14-ой международной научной конференции: «Системный анализ, управление и навигация». — М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2009. — С. 79-80.

11. Болкунов А.И., Сердюков А.И. Сравнительный анализ характеристик РНП ГНСС // Перспективные разработки и идеи XXI века в области космонавтики. Научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов предприятий космической промышленности. Сборник материалов. — Королёв Московской обл.: Изд-во НОУ «ИПК Машприбор», 2008. — С. 52-54.

12. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный-документ, — М.: КНИЦ, 2012. — 90 с.

13. Глобальная Спутниковая Радионавигационная Система ГЛОНАСС. Волков Н.М., Иванов Н.Е., Салищев В.А., Тюбалин В.В. // Успехи современной радиоэлектроники, 2013, № 1. — С.10-18.

14. Глобальная Спутниковая Радионавигационная Система ГЛОНАСС/ под ред. Харисова В.Н., Болдина В.А., Перова А.И. — М.: ИПРЖ, 2015. — 260 с.

15. ГЛОНАСС «Интерфейсный контрольный документ» редакция четвёртая // М.: Координационный научно-информационный центр ВКС, 2013.

16. Гурин С. Е. Отчёт о применении спутниковых радионавигационных ГЛОНАСС/GPS приёмников на мало деятельных линиях/С.Е. Гурин // ВНИИАС МПС России 2012. — 106 с.

17. Кешин М. О. Определение неоднозначностей фаз и исправление ошибок потери цикла в фазовых измерениях спутников GPS/М.О. Кешин — СПб.: препринт №67, РАН, институт теоретической астрономии, 2011. — С.60-80.

18. Лебедев М. ГЛОНАСС как средство высокоточной передачи координированного всемирного времени ЦТС/ М. Лебедев — М.: Координационный научно-информационный центр ВКС, 2010. — 250 с.

19. Липкин И. А. Спутниковые навигационные системы/И.А. Липкин — М.: Вузовская книга, 2013. — 290 с.

20. Незамов В.И. Космические методы в сельском хозяйстве/В.И. Незнамов. — Красноярск, 2010. — 300 с.

21. О точности вычисления площади пространственного треугольника / М.Я. Брынь, П.А. Веселкин, А.Ю. Матвеев и др. // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. — 2009. — №2 — С. 23-30.

22. Определение площадей земельных участков / В.Н. Баландин, В.А. Коугия, А.Ю. Матвеев и др. — М.: Колосс. 2010. — 106 с.

23. Поваляев A.A., Тюбалин В.В., Хвалъков A.A. Определение относительных координат по радиосигналам системы ГЛОНАСС // Радиотехника. 2012. №4. — С. 22-28.

24. Применение спутниковых радионавигационных систем в устройствах железнодорожной автоматики. Гурин С. Е. // «Современные приборы, оборудование и технологии, применяемые в строительстве, инженерных изысканиях, обследовании сооружений и обеспечении качества работ». Науч.-практ. конф./ Моск. гос. строительный, ун-т. (МГСУ). — М., 2011. — С.100-120.

25. Проект «КВАЗАР» дифференциальной подсистемы спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС/GPS для Московской железной дороги. Гурин С. Е., Матвеев С. И. // «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» третья всероссийская науч.-практ. конф., Москва МГУПС (МИИТ) 2010 г. Труды конф. (стр. IX-4).

26. Серапинас Б.Б. Глобальные системы позиционирования/ Б.Б. Серапинас — М.: Каталог, 2012. — 200 с.

27. Соловьёв Ю. А. Системы спутниковой навигации /Ю.А. Соловьев — М.: Эко-Трендз, 2011. — 300 с.

28. Турин С.Е. Контроль свободности участков пути на базе спутниковых радионавигационных систем второго поколения ГЛОНАСС/ОР8 /С.Е. Турин // Ведомственные корпоративные сети и системы (ВКСС-соппес1;). 2012, №1. — С.60-72.

29. Урмаев М.С. Оптимальный метод интегрирования уравнений движения; ИСЗ/М.С. Урмаев — М.: Геодезист, 2011. — 120 с.

30. Цымбалов А. Г. / Стратегические бомбардировщики XXI века / Каким должен быть перспективный авиационный комплекс Дальней авиации России // www.ng.ru. — 21.1.2015 г.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 — Обобщенная схема создания и использования координатной основы крупномасштабной аэрофототопографической съемки

Э Л Л И П С О И Д

Красовского

ПЗ-90

WGS-84

Другие

эллипсоиды

С И С Т Е М А К О О Р Д И Н А Т

Геодезическая

G(BLH)

Плоская прямоугольная

+ высоты P(xyz)

Пространственная

прямоугольная S(XYZ)

Другие

системы

К а р т о г р а ф и ч е с к а я п р о е к ц и я

Гаусса-Крюгера

U Т М

Другие

проекции

Координатная основа крупномасштабной аэрофототопографической съемки
получаемая в полевых условиях	получаемая камеральным методом
Пункты ГГС и сетей сгущения	Точки съемочных сетей	Планово-высотные опознаки на аэрофотоснимках	Центры проектирования аэрофотоснимков	точки планово-высотного сгущения, определяемые с помощью
				Аналитических фотограмметрических приборов	Цифровых фотограмметрических станций	Аналитического фототриангулирования	Программных комплексов

Каталогизация координатной основы и ввод ее в ГИС

Использование координатной основы для

создания

цифровых моделей местности

создания и обновления

крупномасштабных

топографических карт и планов

определения площадей земельных участков

решения различных инженерных задач

Размещено на