Понятие о спутниковых методах измерений в инженерно-геодезических работах. Понятие о лазерном сканировании.

Бурное развитие науки и техники в последние десятилетия позволило создать принципиально новый метод определения координат и приращений координат - спутниковый. В этом методе вместо привычных геодезистам неподвижных пунктов геодезической сети с известными координатами используются подвижные спутники, координаты которых можно вычислить на любой, интересующий геодезиста момент времени.

В настоящее время используются две спутниковые системы определения координат: российская система ГЛОНАСС, что является аббревиатурой более длинного и точного названия ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система и американская система NAVSTAR GPS: NAVigation System with Time And Ranging Global Positioning System (навигационная система определения расстояний и времени, глобальная система позиционирования). В данном случае под словом «позиционирование» подразумевается определение координат. Обе системы создавались для решения военных задач, но в последние годы нашли широкое применение в геодезии, обеспечивая исключительно высокие точности определения приращений координат со средней квадратической ошибкой 5 мм + D 10-6, координаты же одиночного приемника могут быть определены со средней квадратической ошибкой от 10 м до 100 м.

В связи с тем, что в геодезических измерениях GPS применяется существенно шире, особое внимание будет уделено именно этой системе.

Всю навигационную спутниковую систему определения местоположения принято делить на три сегмента: космический сегмент; сегмент контроля и управления; сегмент пользователей (приемники спутниковых сигналов).

Современная система NAVSTAR GPS и ГЛОНАСС в полной комплектации должна состоять из 21 действующего спутника и трех запасных. Орбиты спутников практически круговые и расположены в трех орбитальных плоскостях (для ГЛОНАСС) и в шести орбитальных плоскостях (для NAVSTAR). Спутники оснащены солнечными батареями, которые обеспечивают энергией все системы, в том числе и во время прохождения спутника в тени Земли.

Орбиты спутников практически круговые и расположены на геодезической высоте, равной 20180 км и на расстоянии 26600 км от центра Земли. Такое количество спутников и их расположение обеспечивает одновременный прием сигналов как минимум от четырех спутников в любой части Земли.

Все спутники равномерно расположены в шести орбитальных плоскостях. Период обращения спутников составляет 12 часов звездного времени, в связи с чем каждый спутник появляется в том же месте ежедневно на 4 минуты раньше вчерашнего положения. Электроэнергией спутник обеспечивают две солнечные батареи площадью 7,2 м² каждая, заряжая также аккумуляторы для обеспечения работоспособности спутника во время его полета в тени Земли. Каждый спутник снабжен кварцевым стандартом частоты, двумя цезиевыми и двумя рубидиевыми стандартами частоты, которые поддерживают стабильность часов спутника в пределах 110-12÷10-13. Цезиевые и рубидиевые стандарты частоты координируют и управляют основной частотой - кварцевым стандартом частоты, генерирующим 10,23 МГц. Из основной частоты формируют две частоты диапазона частот с названием L-диапазон.

L1 = 10,23154 = 1575,42 МГц (длина волны 19,05 см),

L2 = 10,23120 = 1227,60 МГц (длина волны 24,45 см).

Эти две частоты (называемые несущими) через модуляторы поступают на антенну и передают на Землю информацию. Информация накладывается на несущую частоту методом импульсно-фа-зовой модуляции. Модуляция сигнала - это изменение какого-либо параметра электрического сигнала (при амплитудной модуляции изменяется амплитуда сигнала, при частотной модуляции изменяется частота сигнала). При импульсно-фазовой модуляции фаза сигнала скачком изменяется на 180°. На частотах L1 и L2 передаются навигационные сигналы (коды), а также другая навигационная и системная информация.

Лазерное сканирование - это метод, позволяющий создать цифровую модель всего окружающего пространства, представив его набором точек с пространственными координатами. Основное отличие от традиционных тахеометров – гораздо большая скорость - 5000 измерений в секунду – в среднем два-три полных рабочих дня измерений обычным тахеометром, и высокая плотность - до десятков точек на 1 кв. см. поверхности – измерений. Полученная после измерений модель объекта представляет собой гигантский набор точек (от сотен тысяч до нескольких миллионов), имеющих координаты с точностью несколько миллиметров.

Сканер измеряет расстояние до объекта и два угла, что дает возможность вычислить координаты. Пучок лазера исходит из излучателя, расположенного в измерительной головке сканера, отражается от поверхности объекта и возвращается в приемник (также расположенный в измерительной головке). Пользователь задает шаг сканирования, и вращающаяся призма распределяет лазерный пучок по вертикали, а сервопривод, поворачивая блок измерительной головки, обеспечивает распределение пучка по горизонтали с этим шагом. Данные измерений автоматически записываются на внешний или внутренний носитель памяти.

После того, как произведены измерения, начинается процесс обработки. Изначально, сырые измерения представляют собой «облако» точек, которые необходимо представить в виде чертежей, схем в CAD формате.