1. ВВОДНЫЕ СВЕДЕНИЯ
 

        Значение и области применения. Позиционирование - метод определения координат объекта в трехмерном земном пространстве с помощью спутниковых систем. Этот метод дополняет и вытесняет такие классические методы, как полигонометрия, триангуляция и трилатерация. Системы спутникового позиционирования - современные средства координатно-временного обеспечения разнообразных работ. Для картографии и геоинформатики особенно важной является их интеграция с геоинформационными системами (ГИС). Основным достоинством спутниковых систем позиционирования является их глобальность, оперативность, всепогодность, оптимальная точность и эффективность. Для измерений не нужна видимость между определяемыми пунктами.
    Вот некоторые области, где спутниковые системы позиционирования уже нашли применение:

      . Наблюдатель, перемещаясь по местности с таким приемником, автоматически фиксирует координаты объектов и дополнительно вводит в накопители информацию об их свойствах. Данные накапливаются в цифровом виде в соответствующих форматах и могут быть выведены на экран в целях визуализации и контроля. Появились комплексированные системы. На подвижных платформах кроме приемников спутниковых систем устанавливают инерциальные системы и цифровые видеокамеры. Инерциальные системы сохраняют привязку непрерывной даже в случаях, когда приемники теряют сигналы спутников. Видеокамеры позволяют получать сте-реоизображения, которые в последствии обрабатывают стерео-фотограмметрическими способами.
         


     Историческая справка. Уже существует несколько поколений спутниковых систем
позиционирования.
     К первому поколению можно отнести системы, разрабатывавшиеся до 70-х годов и использовавшиеся более двух десятилетий. Это системы NNSS - США, ЦИКАДА - СССР и другие (Глумов, 1983; Медведев, Баранов, 1992).
     NNSS (Navy Navigation Satellite System) - первоначально предназначалась для ВМФ США. Позже система получила название TRANSIT. В эксплуатации с 1964 г., в 1967 г. открыта для гражданского коммерческого использования. В 70-х годах появились сравнительно малогабаритные приемники GEOCEIVER, позволившие определять координаты с дециметровой точностью. К 1980г. многие тысячи потребителей разных государств мира пользовались услугами этой системы. С ее помощью в 1984 - 93 гг. в России создана доплеровская геодезическая сеть - ДГС.
     ЦИКАДА - разработки начаты в 1967г., введена в эксплуатацию в 1979 г.
К первому поколению принадлежит также международная система обнаружения терпящих бедствие COSPAS-SARSAT.
     Ко второму поколению относятся две системы GPS - США и ГЛОНАСС - РФ.
    GPS - Global Positioning System. Параллельное название NAVSTAR - Navigation Satellite Timing and Ranging. Запуск спутников первого блока начат в 1978 г. Эксплутационная готовность объявлена в начале 1995 г.
      ГЛОНАСС - Глобальная Навигационная Спутниковая Система. Разработки начаты в середине 70-х годов. В 1982 г. выведены первые ее спутники серии КОСМОС. В сентябре 1993 г. официально принята в эксплуатацию. В марте 1995 г. Правительство РФ специальным постановлением за № 237 открыла систему для гражданского применения. В январе 1996 г. ГЛОНАСС развернута полностью. Уже работают приемные устройства, одновременно использующие и GPS и ГЛОНАСС.

      Подсистемы спутниковых систем. Выделяют три главные подсистемы (сегменты): наземного контроля и управления (НКУ), созвездия спутников (космических аппаратов - КА), аппаратуры пользователей (АП). Подсистема НКУ состоит из станций слежения за КА, службы точного времени, главной станции с вычислительным центром и станций загрузки данных на борт КА. Спутники GPS проходят над контрольными пунктами дважды в сутки. Собранная информация об орбитах обрабатывается и прогнозируются координаты спутников (эфемериды). Эти и другие данные с наземных станций загружаются на борт каждого КА. GPS управляют главная станция на базе ВВС Колорадо-Спрингс и наземные станции в Колорадо-Спрингс, на острове Вознесения, острове Диего-Гарсия, атолле Кваджалейн, Гавайских островах и др. (Shank, Lavrakas, 1994). Служба точного времени ведется при помощи обсерватории в Вашингтоне.
      Подсистема КА состоит из 24 основных и 3 резервных спутников. Каждый спутник имеет по четыре атомных эталона частоты и времени, аппаратуру для приема и передачи радиосигналов, бортовую компьютерную аппаратуру. Размеры спутников с учетом панелей солнечных батарей более 5 м. Вес спутника ~ 800 кг. Расчетное время существования на орбите 7-8 лет. КА сохраняет стабильным заданное положение на орбите, принимает и хранит информацию с наземных станций, а также непрерывно излучает для пользователей измерительные радиосигналы, данные о точном времени, свои координаты и другие сведения.
      В ГЛОНАСС также 24 основных и 3 резервных спутника. НКУ включает Центр управления системой под Москвой (ЦУС), сеть станций слежения на территории РФ, а также центральный синхронизатор (ЦС) с высокоточным водородным стандартом частоты и времени для синхронизации системы. Отдельные станции слежения оборудованы лазерными дальномерами, а спутники - отражателями.
       Геометрическая сущность местоопределения. В системах спутникового позиционирования КА выполняют роль геодезических опорных пунктов. На каждый момент измерений их координаты должны быть известны. Координаты объекта находят способом засечек по измерениям при помощи аппаратуры на спутниках и на земле. Измеренные параметры определяют поверхности положения, в точке пересечения которых лежит искомый объект. В системе первого поколения TRANSIT на основе эффекта Доплера измеряли разности расстояний от приемника до двух поло-жений спутника на орбите. Поверхностями положений являлись гиперболоиды вращения. В современных системах измеряют дальности до КА и скорости изменений дальностей вследствие перемещений ИСЗ относительно пользователя. Измеренным скоростям соответствуют конические поверхности положения (конусы), а измеренным дальностям - сферические (сферы). В геодезических целях преимущественно пользуются дальностями, по которым реализуют пространственные линейные засечки (рис. 1).
Рис. 1. Линейная пространственная засечка. M - точка пересечения сфер с центрами 1, 2 , 3 и
радиусами R1, R2, R3

     Если с определяемого пункта M измерить расстояния R1, R2, R3 до трех пунктов 1, 2, 3, провести из них как из центров радиусами R1, R2, R3 сферы, то эти сферы пересекутся в точке M и определят ее положение. Сферы пересекутся еще в одной точке - M' (на рис. 1 не показана), однако точки M и M' лежат по разные стороны плоскости "123" и сделать правильный выбор нетрудно. В этом заключается геометрическая сущность задачи. Когда известны координаты спутников, задачу легко решить аналитически и вычислить координаты пункта M.   На деле измеряют искаженные расстояния. Их называют псевдодальностями. Чтобы правильно вычислить координаты пункта по псевдодальностям, надо их измерять не до двух или трех, а, как увидим позже, до большего числа спутников с известными координатами. Кроме того, как это принято в геодезии, всегда должны быть избыточно измеренные величины. Избыточные результаты повышают качество определений, ибо обеспечивают контроль и позволяют выполнять обработку по методу наименьших квадратов (МНК).