1.4. Системы спутниковой навигации
Интенсивное развитие геоинформационных систем связано с развитием вычислительной техники, введением в эксплуатацию системы спутникового определения координат GPS и появлением на рынке GPS-приемников индивидуального пользования для определения с большой точностью координат объекта на Земном шаре.
Неудовлетворительное положение дел с точным картированием недвижимых памятников культуры связано именно с тем, что ранее определение абсолютных координат объектов являлось весьма непростой задачей. Работы на местности должны были выполняться высококвалифицированными геодезистами. Для нанесения на карту объектов с точностью 10-20 м была необходима топооснова масштаба не менее 1:25000, перевод координат в цифровую форму требовал дополнительного времени и усилий. Появление GPS-приемников позволило значительно снизить трудоемкость и повысить надежность результатов картирования памятников.
GPS – спутниковая радионавигационная система, обеспечивающая высокоточное определение координат объектов в любой точке земной поверхности в любое время суток. Другое название этой системы – NAVSTAR (NAVigation Sattelite providing Time And Range), т.е. навигационная система, обеспечивающая измерение времени и местоположения.
GPS была разработана в США и находится под управлением министерства обороны. Развертывание системы началось в 1977 г., когда был запущен первый спутник, а осуществлено полностью в 1993 г. Первоначально основным назначением GPS была высокоточная навигация военных объектов, но уже в 1983 г. система стала открытой для гражданского использования, а в 1991 г. были сняты ограничения на продажу GPS-оборудования странам бывшего СССР.
По принимаемым радиосигналам наблюдатель может определить свои координаты на поверхности Земли и высоту над уровнем моря. Он может использовать только сигналы от GPS-спутников (в этом случае говорят о “базовом” или “простом” GPS-методе) или принимать дополнительно уточняющие сигналы от наземных станций или не GPS-спутников. Эти уточняющие сигналы называются “дифференциальными поправками”, и в этом случае говорят о “дифференциальном” GPS-методе (DGPS).
В зависимости от класса используемого наземного оборудования точность определения координат объектов при помощи GPS лежит в интервале от 10 м до единиц миллиметров (точность определения абсолютных координат на Земле), а время проведения измерений в большинстве случаев составляет от секунд до единиц минут. На сегодняшний день методы спутниковой навигации являются наиболее точными из всех существующих для определения координат наземных и околоземных объектов.
В СССР также была разработана и введена в эксплуатацию система спутниковой навигации ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система), принципы работы которой во многом сходны с GPS-NAVSTAR, однако большинство представленных в продаже приемных систем предназначены для работы с GPS, что затрудняет использование системы ГЛОНАСС широким кругом пользователей.
Рис. 1.1. Принцип работы GPS
Чтобы представить себе базовый принцип работы GPS, рассмотрим ее упрощенную модель в одномерном случае (рис. 1.1). Пусть два спутника расположены в точках А и В, координаты которых известны. Наблюдатель с GPS-приемником находится в точке Х – внутренней точке отрезка прямой АВ. Расстояние АВ между точками А и В известно (так как известны координаты). Пусть спутники имеют синхронизированные часы и одновременно каждый из них излучает короткий радиоимпульс. Если наблюдатель находится ровно посередине между спутниками, то оба импульса придут к нему одновременно, если расстояния до спутников разные, то он примет импульсы с задержкой  , величина которой будет равна разности расстояний АХ и ВХ от наблюдателя до каждого из спутников, деленной на скорость света (скорость света  км/с):
 .
Сумма расстояний АХ и ВХ равна общему расстоянию АВ между спутниками:
 .
Из этих двух уравнений можно найти положение наблюдателя, т.е. его расстояние до одного из спутников, например АХ:
 .
Данный пример показывает, что для определения одной координаты наблюдатель должен принимать сигналы от двух спутников. Аналогичным образом для определения координат на плоскости необходимо принимать сигналы от трех спутников, а для получения трех координат в пространстве (плоские координаты и высота над Землей) – по крайней мере от четырех спутников.
По задержкам между сигналами от отдельных спутников приемник определяет свое положение относительно спутников и далее пересчитывает его в земные координаты, поскольку положение всех спутников относительно Земли известно. На каждом из них должны стоять синхронизированные часы. Поэтому в состав аппаратуры спутников входят эталоны частоты, причем точность их исключительно высока (ошибка на 1 с за 100 тыс. лет). Приемник наблюдателя фактически измеряет лишь задержки между сигналами от отдельных спутников (“псевдодальности” до спутников), и для него не важна абсолютная синхронизация с часами на спутниках, поэтому в приемнике используются более простые и, соответственно, более дешевые часы. Для базового метода GPS-измерений применяются также названия “простой” или “стандартный”, в отличие от более точного ”дифференциального” метода.
GPS-спутники находятся на расстоянии около 20000 км от поверхности Земли. Радиоволны при распространении от спутника до наземных наблюдателей проходят через атмосферу, неоднородность которой приводит к некоторым ошибкам в определении координат. Причем величина этой ошибки будет примерно одной и той же для всех точек на поверхности, расстояние между которыми много меньше, чем расстояние до спутников, поскольку условия прохождения радиоволн через атмосферу для близко расположенных точек примерно одинаковы. Если известны точные координаты какой-либо точки на поверхности Земли, то, сравнивая их с координатами, вычисляемыми по сигналам со спутников (“простой” GPS-метод), можно найти величину поправки, которую надо прибавить к результатам “простых” GPS-измерений в любой точке данного района в данный момент времени. Метод определения координат с использованием таких уточняющих поправок называется дифференциальным. Эти поправки могут определяться каждым пользователем индивидуально или специальными службами, которые далее транслируют их для каждого района по радио и делают доступными для отдельных пользователей (бесплатно либо по подписке).
В состав системы GPS-NAVSTAR входят искусственные спутники Земли (космический сегмент), наземные станции слежения и управления (сегмент управления) и GPS-приемники, при помощи которых пользователи, принимая сигналы от спутников, собственно, и определяют координаты (сегмент пользователей).
Кроме того, активно развиваются специальные сервисные службы, которые передают дополнительные навигационные сигналы (“дифференциальные поправки”), позволяющие существенно повысить точность результатов, получаемых пользователем непосредственно с помощью GPS-спутников. Эти службы могут находиться в ведении не только США, но и других стран. Хотя они и не являются непосредственно сегментом системы GPS-NAVSTAR, о них можно говорить как о весьма важной для пользователя части GPS.
Космический сегмент образуют 24 спутника: 21 основной и 3 запасных (реальное число находящихся на орбите спутников может меняться по мере ввода в эксплуатацию новых и вывода выработавших свой ресурс). Спутники расположены на круговых орбитах на высоте около 20000 км над поверхностью Земли (радиус орбит 26600 км) и обращаются вокруг нее с периодом 12 ч. Орбиты спутников ориентированы таким образом, что в любое время суток из любой точки на поверхности Земли можно принимать радиосигналы по крайней мере от четырех спутников (максимально от 12). Каждый из них имеет по четыре высокоточных эталона частоты (для обеспечения точного времени), аппаратуру для приема и передачи радиосигналов, солнечные батареи, бортовую компьютерную аппаратуру, оснащен двигателями для корректировки орбиты.
В сегмент управления входят наземные станции слежения и управления, находящиеся в США (главная станция управления в штате Колорадо), а также на американских военных базах на Гавайских островах и атолле Кваджалейн в Тихом, на острове Вознесения в Атлантическом и на острове Диего-Гарсия в Индийском океанах. Собираемая станциями информация обрабатывается и периодически передается на спутники для корректировки орбит и обновления данных, содержащихся в навигационных сигналах со спутников.
Сегмент пользователя представлен различными типами GPS-приемных устройств, которые могут быть как автономными, так и входить в состав специальных блоков, встроенных в автоматизированные системы навигации. С точки зрения точности измерений и стоимости соответствующей аппаратуры, оборудование пользовательского сегмента может быть разделено на три группы:
– простейшие навигационные приемники с точностью 3-10 м, и стоимостью $100-1000 (наиболее известные марки приемников – Garmin, Magellan);
– приборы, использующие для уточнения координат, наряду с сигналами GPS-спутников, радиосигналы дополнительных сервисных служб, с точностью около 1 м и стоимостью $500-5000;
– геодезические системы с точностью до единиц миллиметров и стоимостью $5000-50000 (наиболее известные марки – Trimble, Leica, Ashtech).
Соответственно приборы первой группы – это портативные устройства весом и габаритами напоминающие мобильные телефоны, а приборы третьей группы могут в комплекте весить несколько десятков килограммов и требовать нескольких операторов для обслуживания.
Сервисные службы дифференциальных поправок представлены весьма разветвленной сетью наземных радиостанций, особенно вдоль побережья морей и океанов (служба береговой охраны США и корпорация DCI в США, сеть станций SWEPOS в Швеции, в феврале 1998 г. приступила к работе первая в России DGPS-станция открытого пользования под Санкт-Петербургом). Кроме того, существуют дифференциальные службы, сигналы которой передаются через сеть искусственных спутников (не GPS-спутники): STARFIX, SKYFIX, SEASTAR, OmniSTAR и др.
Системы спутниковой навигации находятся в процессе постоянного совершенствования. К настоящему времени (2004 г.) введены в эксплуатацию несколько бесплатных для пользователей спутниковых систем, транслирующих дополнительные поправочные сигналы. Это системы WAAS для территории США, EGNOS для Европы и MSAS для Азии. Передаваемые ими сигналы полностью совместимы с основным кодом сигналов, доступных GPS-приемникам, т.е. эти поправочные сигналы может принимать любой GPS-навигатор с функцией WAAS. Большинство даже простейших навигационных приемников последнего поколения оснащаются этой функцией, что обеспечивает точность определения координат до 3 м в горизонтальной плоскости.
GPS-спутники передают два вида сигнальных кодов: шифрованный, предназначенный только для военных целей (PPS-Precision Positioning Service), и код Общей службы местоопределения (SPS-Standart Positioning Service). SPS была предназначена для гражданских пользователей, однако оказалось, что точность местоопределения при приеме SPS-кода значительно выше, чем было запланировано. Чтобы обеспечить преимущество военным пользователям системы, министерство обороны США ввело принцип выборочной пригодности SA (Selective Availability). Суть его состоит в том, что в данные для SPS-кода вводится случайная ошибка. Это снижает точность работы любого приемника, использующего такой сигнал. Величина ошибки такова, что в 95% случаев отклонение координат от истинного значения не превышает 100 м. Ее введение было отменено в мае 2000 г., поэтому данные, полученные в предшествующий период, имеют меньшую точность и для ее повышения необходимы были многократные измерения и статистическая обработка результатов.
Применительно к археологии, в особенности для памятников на территории бывшего СССР, при отсутствии достоверных гражданских топографических карт крупного масштаба, GPS-методы могут быть использованы для решения самых разнообразных задач, как то:
– определение границ археологических памятников при выполнении кадастровых работ и установке охранных зон археологических памятников;
– определение координат памятников при археологических разведках;
– подготовка высокоточных планов археологических памятников и отдельных раскопов;
– подготовка данных для представления археологической информации в геоинформационных системах и картографии;
– проведение неотложных и охранных раскопок;
– защита памятников и противодействие грабительским раскопкам;
– проведение ретроспективных археологических разведок: картирование археологических памятников, описанных в литературе без указания точных координат, абсолютная географическая привязка ранее созданных планов, карт, схем;
– определение границ территорий памятников при выдаче открытых листов.
В настоящее время проведение GPS-измерений на исследуемых памятниках стало обязательным элементом в практике многих западных археологических экспедиций. Для геодезического обеспечения экспедиций, работающих на территории Дании, используется дифференциальный метод. Возможно получение дифференциальных поправок по сотовому телефону от межуниверситетской станции, работающей постоянно, либо по радиоканалу от собственной станции (требуется ее специальное включение), расположенной, как правило, в здании местного музея. Данная методика топографического обеспечения археологических работ применяется уже с 1994 г. [Slot-Carsen J., 1998, с. 23-36]. Точность измерения абсолютных координат на Земном шаре 2 см. Один оператор обслуживает все экспедиции, расположенные в пределах района. Для интеграции результатов GPS-съемки, планов раскопов, данных магнитометрических исследований используется ГИС.
Другой пример использования ГИС и GPS - норвежский проект, выполняемый Норвежским институтом культурного и природного наследия NINA-NIKU [Risbol O., 2002]. Задачей проекта было проведение археологического обследования территории, отходящей в зону военного полигона. Площадь территории составляет несколько сот квадратных километров в гористой местности, заросшей лесом. Даже при наличии хороших карт определить свою позицию в такой местности весьма затруднительно, особенно на участках сплошного леса. В составе экспедиции было несколько групп, каждая их которых имела GPS-приемник Garmin, соединенный со специализированным портативным компьютером Husky X21 с операционной системой Windows CE 2.11, ГИС-обеспечением Starpal HGIS 4.31 и цифровыми картами района. При прохождении маршрута положение определялось при помощи GPS и автоматически отражалось на электронной карте. При обнаружении археологического объекта на сенсорном экране компьютера делалась отметка по соответствующей категории памятника, при этом автоматически считывались показания GPS-приемника и координаты объекта заносились в память компьютера. При отсутствии объектов происходила автоматическая трассировка маршрута, по которому двигалась группа. По возвращении на базу записи отдельных групп перегружались в общую базу данных и составлялась общая карта. Для интеграции результатов в проекте использовалась ГИС ArcView 3.2a. Без применения GPS в данном случае решить поставленные задачи в требуемые сроки было бы невозможно.
У российских археологов использование GPS еще не вошло в повседневную практику. Можно назвать лишь единичные проекты, в которых основным способом получения координатной информации являются GPS-измерения [Коробов Д.С., 2001], [Терехин С.А., Декунец В.А., 2000], [Смекалов С.Л., 1999], [Смекалов С.Л., 2001]. В большинстве археологических экспедиций GPS-аппаратура не используется. В существующих базах данных по археологии пространственная атрибуция объектов создается, главным образом, путем примерного определения координат по картам мелкого масштаба. Подобная ситуация объясняется, на наш взгляд, отсутствием методики использования GPS применительно к археологии, ибо сами GPS-устройства стали вполне доступными, а необходимость знания точных координат изучаемых объектов не вызывает сомнения.
|
