Indholdet af artiklen
Processen med at observere de første kunstige satellitter på Jorden afslørede et interessant mønster – satellitens rumlige position kan til enhver tid beregnes med god nøjagtighed. Denne videnskabelige kendsgerning skubbede forskere til en virkelig revolutionerende opdagelse – til at bruge satellitter placeret hundreder af kilometer fra Jorden til at bestemme den geografiske placering af jordobjekter.
Fra de foregående artikler i vores cyklus “Applied Geodesy” lærte vi, at for at bestemme koordinaterne for et ukendt punkt, har vi brug for to punkter med kendte koordinater, som er stift fastgjort på jorden (punkterne i State Geodetic Network). Nogle gange var de langt fra emnet, hvilket tvang kunstnerne til at lægge teodolitpassager, ofte flere kilometer. Nu er satellitter, der konstant bevæger sig i rummet, blevet sådanne “hårde” punkter, i forhold til hvilke koordinaterne for objekter på jorden bestemmes.
GPS
GPS (Global Positioning System – Global Positioning System) er en samling radioelektroniske midler, der beregner placeringen og hastigheden af et objekt på jordoverfladen eller i atmosfæren. Disse parametre bestemmes af en GPS-modtager, der modtager og behandler signaler fra satellitter. For at øge målenøjagtigheden inkluderer positioneringssystemet også jordkontrol og databehandlingscentre.
Når det kommer til GPS, menes vi ofte NAVSTAR-systemet, udviklet efter ordre fra det amerikanske forsvarsministerium. Generelt blev en masse innovative ting først “testet” af militæret og derefter “frigivet til masserne.” I mange år er udtrykket “GPS” blevet synonymt med satellitnavigering, ligesom neologismen “Xerox” i princippet betyder enhver kopimaskine og ikke kun produktionen af XEROX. I øjeblikket udvikles eller lanceres kinesisk Beidou, europæisk Galileo, indisk IRNSS, japansk QZSS og vores oprindelige GLONASS foruden NAVSTAR GPS..
Metoder til rummåling bruges til:
- geodesi og kartografi
- konstruktion
- navigation
- køretøjsovervågning
- mobil kommunikation
- redningsoperationer
- overvågning af den tektoniske bevægelse af jordens skorpeplader
og på mange andre områder af menneskelig aktivitet. Lad os overveje nogle af de vigtigste anvendelsesområder for rummålingssystemer mere detaljeret..
GNSS
Vi støder på enheder på dette navigationssystem på husholdningsniveau, under forkortelsen GNSS er skjult ”Global Navigation Satellites System” skjult. Princippet for driften af et satellitnavigationssystem er at måle afstanden fra modtagerantennen til satellitter, hvis positioner er kendt med en tilstrækkelig høj nøjagtighed. Satellitpositionstabellen kaldes almanakken og transmitteres på tidspunktet for målingernes start fra satellitten til modtageren. Når du kender afstanden mellem satellitterne og styres af almanakken, kan du således bruge de enkleste geodetiske konstruktioner, som vi har overvejet i de foregående artikler i vores cyklus til at beregne objektets rumlige position.
Metoden til måling af afstanden fra en satellit til en modtager er baseret på bestemmelse af transmissionshastigheden for radiobølger. For at muliggøre målinger sender satellitterne præcise tidssignaler, synkroniseret igen med atomære ure med høj præcision. Ved begyndelsen af operationen synkroniseres systemtidspunktet for modtageren med en satellit, og yderligere målinger er baseret på forskellen mellem tidspunktet for signalemission og tidspunktet for dens modtagelse. Baseret på disse data beregner navigationsenheden den geografiske antennes rumlige position, og objektets hastighed, kurs og andre parametre er derivater af modtagerens startposition. Som du sandsynligvis husker fra dit skolefysikforløb, er hastigheden på radiobølger lig med lysets hastighed, så du kan forestille dig, hvad den generelle nøjagtighed af systemet, der bestemmer afstanden i millisekunder, er.
GNSS / GPS-antenne
Hvorfor får vi i nogle tilfælde en ret nøjagtig placeringsværdi, og i nogle tilfælde er værdien ikke helt korrekt? Ikke hver modtager har et atomur indbygget, derfor er det nødvendigt at modtage et signal samtidigt fra mindst tre satellitter for at synkronisere og bestemme positionen med acceptabel nøjagtighed. Styrken af det modtagne signal påvirkes af jordens gravitationsfelt, forhindringer i form af træer, huse, reflekterede (fantom) signaler, atmosfærisk interferens og en række andre årsager. Da det er umuligt at placere højeffekttransmittere på satellitten, får du den mest nøjagtige placering i åbne rum med en klar horisont.
Nu, kære læser med en smartphone med en indbygget GPS-modtager, skynder vi os at forstyrre – du kan ikke ansøge om at åbne et geodetisk firma. Dette skyldes, at lommemodtageren bruger en metode, der kaldes absolut til at beregne positionen. Med samtidig observation af 4 satellitter kan positioneringsnøjagtigheden nå 8 meter, dette er nok til navigationsmålinger. Til geodesi anvendes en relativ målemetode, hvor mindst to modtagere bruges. En af dem er indstillet til et punkt med kendte koordinater (den såkaldte “base”), og den anden bruges til at bestemme koordinaterne for ukendte punkter. Når 2 modtagere arbejder sammen, øges målenøjagtigheden 100 gange, og vi kan allerede få koordinater med centimeternøjagtighed, hvilket er tilstrækkeligt til geodetiske behov.
GPS til geodetiske værker
For at bruge rumobservationssystemer til udførelse af topografisk arbejde anvendes der flere metoder, der adskiller sig i nøjagtigheden af de opnåede værdier og den tid, der bruges til at opnå dem..
statik
For at bestemme koordinaterne for et ukendt punkt installeres en modtager på triangulerings- eller polygonometri-punktet (kendt punkt), og den anden modtager placeres på det punkt, hvis koordinater skal bestemmes. Derefter initialiseres enhederne synkront, fordi målinger først begynder, når to modtagere tændes samtidig. Hvis et af enhederne arbejdede i en halv time og det andet i 15 minutter, bruges kun 15 minutters samarbejde til at få data. Når modtagerne har fundet satellitterne, begynder dataindsamling, som derefter behandles på en computer..
Det tager normalt 15-30 minutter fra at tænde instrumentet til at starte arbejdet (få de korrekte værdier), afhængigt af de samtidig observerede satellitter. I de første 20-30 minutter giver “basen” dækning med tilstrækkelig målenøjagtighed af den 5 kilometer lange zone, derefter udvides denne radius hvert 10. minut med henholdsvis 5 km og kender den omtrentlige afstand fra stationen til basepunktet. Du kan groft beregne den tid instrumentet står for præcis positionering.
Som vi kan se på skærmbilledet til et af datatilpasningsprogrammerne, er den grønne bjælke basisdriftstiden, og de korte farvede søjler er den tid, som modtagerne bruger på stationen med ukendte koordinater. Ved hjælp af specialiseret software kan du afvise forkerte måleværdier og øge den samlede nøjagtighed af de opnåede værdier.
Fordelen ved denne metode er målingernes høje nøjagtighed, minus er den tid, der bruges på at initialisere hvert punkt.
Kinematik
“Basen” er placeret på samme måde på et punkt med kendte koordinater, og den anden modtager kan efter initialisering registrere punkter i bevægelse uden yderligere initialisering før hver måling. Hvis vi i den første metode antager to basispunkter, hvorfra den tacheometriske undersøgelse vil blive gennemført, dvs. for arbejde har vi stadig brug for en totalstation, så i tilfælde af kinematiske målinger er to modtagere nok, hvoraf den ene udfører funktionen af en totalstation, pointregistreringstiden er 1-2 minutter.
Denne metode er velegnet til kortlægning af lineært udvidede genstande som kraftledninger, kanaler, veje, olierørledninger osv. Fordelen ved denne metode er at spare tid, ulempen er, at det er ønskeligt at udføre målinger i kort afstand fra basen, ca. 5–15 km. Hvis signalet fra satellitten pludselig forsvinder, skal initialiseringsproceduren gentages, så denne metode er ikke altid muligt at anvende i store byer, hvor høje bygninger og træer dækker horisonten.
RTK GPS
Hvis de to første metoder giver os positionen som et punkt i det internationale koordinatsystem, som derefter skal konverteres til en regional metode, giver RTK-metoden (fra den engelske Real Time Kinematic – kinematik i realtid) os mulighed for at opnå værdierne af den rumlige position af punkter i det koordinatsystem, der er vedtaget for vores område bruger kun en modtager. Nej, basispunktet eksisterer utvivlsomt, men i dette tilfælde er basispunkterne faste på høje bygninger, og i samlet form danner et netværk svarende til et mobilt. Både modtageren og basestationerne udveksler information via Internettet, som giver dem mulighed for ikke kun at synkronisere med satellitter, men også med hinanden ved at omgå kæden for genberegning og justering af koordinater i specialiseret software.
Som du kan forestille dig, er basestationer langt fra bygget af entusiaster, adgang til dem betales, men det kompenseres mere end antallet af brugte timer. Hvis teamet i tilfælde af statiske målinger består af mindst tre personer, hvoraf den ene bevogter “basen”, og de to andre udfører undersøgelser ved hjælp af en totalstation, er kun en specialist tilstrækkelig til RTK-målinger. Initialiseringen af sådanne enheder sker næsten øjeblikkeligt, efter få minutter er værktøjet klar til at indsamle data eller udføre den modsatte handling – for at udføre indsatsen af undersøgelsespunkter, der er beregnet på forhånd på en computer, hvilket f.eks. Er nødvendigt, når man planlægger en grund til konstruktion. Dette er fremtidens teknologi. Generelt, uanset hvor paradoksalt det lyder, vil den næste generation af landmænd repræsenteres af IT-specialister, alderen på programmerbare regnemaskiner og Bradis-tabeller er uigenkaldeligt forsvundet.
GPS vs GLONASS
For at bestemme koordinaterne for NAVSTAR GPS og GLONASS bruges 21 aktive satellitter og tre reserve-satellitter, der roterer på cirkulære orbitalplan, og disse planer i GPS-systemet er tre gange mere end i GLONASS. Satelliterne er udstyret med solcellepaneler og flyver over 20 km over jordoverfladen. En sådan afstand fra planeten og antallet af satellitter giver mulighed for samtidig observation af mindst 4 satellitter næsten overalt i verden. Tid for en komplet revolution omkring Jorden – 12 kosmiske timer.
I GPS-systemet udsender alle satellitter et signal ved to identiske frekvenser, og hver enhed sender sin egen individuelle kode, der gør det muligt at identificere satellitterne. GLONASS har den samme kode for alle satellitter, transmissioner foregår også i to bånd. Som du kan se, er systemernes parametre omtrent de samme, så hvem er bedre?
Hvis GPS giver tilstrækkelig nøjagtighed til bestemmelse af koordinater rundt om i verden, “GLONASS” skærpes “for russiske realiteter, hvilket teoretisk giver det mulighed for mere nøjagtigt at bestemme den rumlige position af punkter på jorden i vores land. Det russiske positioneringssystem afhænger ikke af stemningen hos “Onkel Sam”, der under militære konflikter bevidst sænkede målenøjagtigheden og delvist kodede signalet. Under alle omstændigheder er GPS og GLONASS ikke konkurrenter, men på en eller anden måde allierede, så det giver mening at købe modtagere, der samtidig understøtter to systemer, nøjagtighed vil kun drage fordel af dette..
Hvordan kan anvendt geodesi hjælpe med at forstå og navigere i de kosmiske dimensioner? Er der specifikke metoder og værktøjer inden for geodesi, der kan anvendes til dette formål? Er der nogen kendte eksempler på geodetiske teknikker, der er blevet brugt til at måle og kortlægge kosmiske objekter og deres bevægelser?
Anvendt geodesi er et vigtigt værktøj til at forstå og navigere i de kosmiske dimensioner. Geodesi bruges til at måle og kortlægge Jordens størrelse, form og tyngdefelt, hvilket er afgørende for at forstå vores position og bevægelse i rummet.
Der er specifikke metoder og værktøjer inden for geodesi, der kan anvendes til at studere og kortlægge kosmiske objekter. For eksempel bruger astronomer geodetiske teknikker som interferometri til at måle afstanden mellem fjerne objekter, som galakser og stjerner. Geodetiske målinger kan også hjælpe med at forstå bevægelsen af planeter og måner i vores solsystem.
Et kendt eksempel på en geodetisk teknik, der bruges til at kortlægge kosmiske objekter, er astrometri. Astrometri handler om at bestemme positioner og bevægelser af himmellegemer ved hjælp af præcise målinger af deres koordinater på himlen. Disse målinger kan være afgørende for at forstå formationen og udviklingen af galakser og stjerneklumper.
I det store hele spiller anvendt geodesi en afgørende rolle i vores forståelse af de kosmiske dimensioner og muliggør præcise kortlægninger, der hjælper os med at navigere og studere universet.
Hvordan kan anvendt geodesi udforske og forstå de kosmiske dimensioner? Er der specifikke metoder og teknologier, der anvendes i analysen af kosmiske data? Hvad er nogle af de mest spændende fund eller opdagelser inden for kosmisk geodesi? Hvordan bidrager denne videnskab til vores forståelse af rummet og universet som helhed?