Мавзу: Геодезик тармоқларини барпо қилишнинг янги технологиялари. Режа

Мавзу: Геодезик тармоқларини барпо қилишнинг янги технологиялари.
Режа:

1. GNSS тизимлари ва таянч стансиялари.

2. GNSS приёмникларини ишлаш принсипи.
3. Статик ва кинематик режимлар.

Инсонни қадим замонлардан қизиқтириб келган муаммолардан бири, у ўзини Ер планетасини қайси жойида турганини аниқлашдан иборат бўлган. Киши ўз атрофини ўраб олган объектларга нисбатан турган ўрнини осонгина аниқлаб олиши мумкин. Бордию атрофда бундай объектлар бўлмаса, ҳаммаёқ бўм-бўш чўл ёки бепоён океан сатҳи бўлсачи? Кўп асрлар давомида бу муаммони Қуёш ва юлдузлардан фойдаланиб ечиб келинган. Шу жумладан геодезистлар, геологлар ва бошқалар геодезик таянч пунктлардан фойдаланиб келишган, улардан бошлаб ўлчашлар олиб борилган ёки йўллар аниқланган, лекин бу усуллардан фойдаланиш имкони ҳар доим бўлавермайди. Масалан, Қуёш ва юлдузлар булутли об-ҳавода кўринмайди. Жойда бажариладиган аниқ ўлчашлар кўп вақт ва меҳнат талаб қилади ва ҳар доим мақсадга тўла эришиш имкони бўлмайди. 1970 йиллар бошида GPS янги лойиҳаси тақдим этилди ва унга кўра киши ўз турган ўрнини ер юзасини ҳохлаган нуқтасида, ҳохлаган вақтда, ҳар қандай об-ҳаво шароитида юқори аниқликда аниқлаш имконига эга бўлди.

Аслида GPS системаси ҳарбийларга мўлжалланган бўлиб, кўп ўтмай уни ноҳарбий мақсадларда, айниқса денгиз навигацияси ва геодезияда қўллаш имкони топилди. Ҳозирги вақтда геодезик ўлчашларда сунъий йўлдош навигация системалари кенг қўлланилмоқда. Бу системалар космик ва ер усти механик воситалар комплексидан, ер сфероиди сиртидаги объект ўрнини аниқлаш учун дастур таъминоти ва технологиясидан иборат. Сунъий йўлдош навигация системалирини катта ҳудудлар топографик съёмкаларни бажаришда планли-баландлик асосни ривожлантириш учун қўллаш мақсадга мувофиқ. GPS тўла таркиби қуйидаги учта турли сегментлардан иборат:

• 
  Космик сегмент – маълум орбита бўйича ерни айланиб учадиган сунъий йўлдошлар;
  
• 
  Бошқариш сегменти – йўлдошлар учишини бошқариш учун зарур экваторга яқин жойлашган станциялар;
  
• 
  Фойдаланувчилар сегменти – GPS сигналини қабул қилувчи ва фойдаланувчи ҳар қандай киши.
  

Космик сегмент 24 та сунъий йўлдошлардан ташкил топиб, улар ўз орбитаси бўйича тақрибан 20200 км баландликда учиб ҳар 12 соатда бир марта Ерни айланиб чиқади, 20.1-шакл.
Космик сегмент шундай лойиҳаланганки ерни ҳар қандай нуқтасида ҳохлаган дақиқада уфқ текислигидан юқорида кузатувчининг ихтиёрида энг камида 4 та сунъий йўлдош бўлади бу эса ҳар қандай амалий вазифаларни бажариш учун зарур бўлган йўлдошларни минимал сонидир. Ҳар бир сунъий йўлдош бир нечта жуда аниқ борт атом соатларига эга. Бу соатлар 10,23 МГц асосий частотада ишлайди. Бу частота йўлдош узатадиган сигналларни генерациялаш учун фойдаланади. Йўлдош доимий элтувчи иккита тўлқинни узатиб боради. Бу элтувчи тўлқинлар полосада жойлашиб ерга қараб ёруғлик тезлигида ҳаракат қилади.
Ҳар бир йўлдош ўзининг шахсий кодига эга бўлиб, у бўйича приёмник йўлдошни аниқлайди. Бундай кодлар сохта масофаларни ўлчаш учун асос қилиб олиниб, улар орқали координаталар ҳисобланади.
Радиосигнални йўлдошдан токи приёмник антеннасигача етиб келиш вақтини аниқлаш, сигнал тарқалиш тезлигини вақтга кўпайтириб масофани аниқлаш имконини беради. Бунинг учун йўлдошдан сигнал чиқиш дақиқасини билиш талаб қилинади. Шу мақсадда тўлқин узатувчи йўлдошда ва приёмникда сигнал генерациясини синхронлаштириш қабул қилинган, бу эса сигнални приёмникда қабул қилиш вақтида уни йўлдошдан узатилган вақтини аниқлаш имконини беради. Бу масала юборилган кодни қабул қилинган кодга нисбатан сурилишини аниқлаш орқали ечилади. Агарда кодлар кетма-кет генерация қилинса уларни бир-бирига нисбатан сурилиш қийматини аниқлаш мумкин бўлади.
Амалда сигнал сифатида ноллар ва бирлар кетма-кетлиги ҳар бир милли секундда генерацияланади ва уларга сохта тасодифий (псевдослучайные) код номи берилган. Сигнални тарқатиш вақтини белгилаш учун вақтни наносекунд аниқликда (0,000000001 с) ўлчаш имконини берадиган юқори аниқ соат йўлдошда ўрнатилади. Бунда йўлдош ва приёмник сигналларини чиқишини синхрон генерациялаш керак бўлади.
Приёмник соатини ишлашидаги хатолик таъсирида қабул қилинган сигналлар орқали станция ўрнини етарли аниқликда белгилаш имкони бўлмаса, приёмникдаги компьютер битта вақт оралиғини (ҳамма ўлчашларга бир хил) ўлчанган сохта узоқлик (псевдодальность) қўшиб (айириб) бошлайди. Шу тарзда ўлчашлар учун вақтни ўзгартириб бориш йўлдошлардан келаётган тўлқин доираларини битта нуқта орқали кесиб ўтишини таъминлагунча давом эттирилади (20.2-шакл). Бу эса тўртта номаълумларга эга туртта тенгламалар системасини ечиш орқали амалга оширилади.
Шундай қилиб, ҳисоблашлар учун қабул қилинган ер эллипсоиди сиртига нисбатан нуқтанинг учта координаталарини – кенглиги, узоқлиги ва баландлигини аниқлашда хатоликларга йўл қўймаслик учун тўртта йўлдошларгача масофаларни ўлчашга тўғри келади. Юқорида кўриб ўтилган принципда ҳар бир йўлдошгача масофани аниқлаш унинг координаталарини маълум бўлишини тақозо этади. Бу мақсадда йўлдошлар ўзини жуда баланд орбитасига аниқ чиқарилади. Орбита параметрлари приемникка туширилади ва бу қизиқтирган вақт учун ҳар бир йўлдош ўрнини аниқлаш имконони беради.
24 соат давомида йўлдошлар кузатиш назорат пунктлари устидан икки маротаба учиб ўтади. Бу эса уларнинг ўрни ва тезлигини аниқ назорат қилиш имконини беради. Кузатиш станцияларида аниқланган орбитанинг ўзгариши орқали “эфемерид” хатосини ҳисоблаш имкони туғилади. Одатда орбиталарни ўзгариб туриши Ой ва Қуёшни гравитация майдонларини таъсири ҳамда Қуёш нурини йўлдошга кўрсатадиган босими билан боғлиқ. Ҳисобланган хатолар асосида йўлдош орбитасига тузатмалар аниқланади. Тузатмаларни киритиш билан аниқланган орбита параметрлари йўлдошга узатилади.
GPS ўлчашлар аниқлигига нурни ионосфера ва тропосфералардан ўтиш хатосига қўшимча приёмник хатоси, атрофдаги предметлардан нурни қайтарилиши хатоси ва бошқалар таъсир этади. Бундан ташқари, “геометрик омил”, яъни йўлдошларга қараб йўналишлар орасидаги бурчаклар қиймати ҳам таъсир этади. Бу бурчаклар қанчалик каттароқ бўлса кестирмалар шунча яхши, демак ўлчашлар ҳам аниқ бўлади.
Россияда ГЛОНАСС системаси устида ишлар 1976 йилдан бошланган бўлиб, уни 1993 йилда ҳарбий мақсадларда қўллаш учун махсус қарор билан қабул қилинган. Шу вақтда 8 та космик аппаратлар ўз орбитасида ҳаракат қилар эди. 1995 йил охирига келиб эса системада космик аппаратлар сони 24 та етказилди. Россия Ҳукуматининг махсус қарори билан бу системани халқ хўжалигида қўллаш учун ҳам очилди.
ГЛОНАСС да ҳам иккита канал: стандарт (СТ) ва юқори аниқ (ЮА) каналлар мавжуд бўлиб, улар нуқталар координаталарини GPS аниқлигига яқин аниқликда топиш имконини беради. СТ сигнали (GPS кодига ўхшаш) ҳамма фойдаланувчилар учун очиқ, ЮА сигналлари эса фақат ҳарбий мақсадларда қўланилади.
24 та йўлдошлар учта доиравий орбиталарни ҳар бирида 8 тадан жойлаштирилган, орбиталар баландлиги 19100 км га яқин ва улар экваторга қараб 64,8 градусга оғади. Орбиталар параметрларини бундай танлангани узоқ муддат давомида йўлдошлар ўзаро жойлашиши ҳолатини ўзгармас бўлишини таъминлайди.
Шундай қилиб, GPS ёрдамида координаталарни аниқлаш геодезиянинг фундаментал мақсадини амалга оширишда ер сиритни ҳохлаган жойидаги нуқта мутлоқ ўрнини бир хил аниқликда топишни таъминлайди. Анъанавий геодезик ва топографик усулларни қўллаб эса нуқта ўрнини бошланғич пунктларга нисбатан бу пунктларгача бўлган масофаларга боғлиқ бўлган аниқликда топамиз. Шунинг учун GPS одиий усулларга нисбатан катта афзалликка эга. Бошқа томондан геодезия фани – бу GPS учун асос ва аксинча, GPS геодезия учун асосий асбобга айланди. Бу айтилган сўзлар ҳақиқат бўлиб тасдиқланади, агарда биз геодезиянинг асосий мақсадларини эсга келтирсак:

1. 
   Ернинг сиртида миллий ва глобал фазовий геодезик таянч тармоқларни, улар пунктларини вақт ўтиши билан силжиб ўрни ўзгариб туришини ҳисобга олиб, қуриш ва хизмат кўрсатиш.
   
2. 
   Геодезик ҳодисаларни (ер қутбларини ҳаракати, ер қобиғини силжиши ва бошқалар) ўлчаш ва тавсифини аниқлаш.
   
3. 
   Ер гравитация майдонини, уни даврий ўзгариб туриши билан бирга аниқлаш.
   

GPS дан фойдаланувчиларни кўпчилиги юқоридаги вазифаларни бажариши билан тўқнашмаса ҳам, лекин бу асбоблар билан ишловчилар албатта геодезиядан тушунчага эга бўлишлари шарт.
GPS геодезик ва навигация оммавий асбоблари бўлиб бориши сабабли геодезистлар ва навигаторлар GPS координаталарини стандарт геодезик координаталар системалари билан қандай боғланишда эканлигини билишлари зарур.
GPS ўлчашларни бажаришда хатоликларга йўл қўйишни асосий сабаби, бу боғланишларни тўғри тушинмаслик оқибатидир.
Коинотдан Ерга қаралганда унинг сирти бир текис кўринсада амалда бундай эмаслиги аниқ.
GPS ер сиртидаги ҳар қандай нуқта координаталарини аниқлаб беришга хизмат қилгани сабабли, у эллипс сиртига асосланган геодезик координаталар системасидан фойдаланади.
Эллипсоид (сфероид деб ҳам аталади) – бу қутбларидан сиқилган сфероиддир. Эллипсоидни танлашдан мақсад эса у Ер сферасига ўхшашлигидадир. Бундай эллипсоид ҳеч қандай физик сиртга эга бўлмайди, лекин у математик аниқланган сиртдир.
Амалда турли эллипсоидлар ёки математик аниқланадиган сиртлар (Ер сиртига ўхшаш) кўп учрайди.
GPS системасида қўлланадиган эллипсоидга WGS84 ёки 1984 Умумжаҳон Геодезик Система деб аталади. Маълумки Ер сиртидаги нуқтанинг ўрни унинг кенглиги, узоқлиги ва эллипсоидал баландлиги билан аниқланади.
Нуқта ўрнини аниқлашни алтернатив усули – бу Декарт (тўғри бурчакли) координаталар системаси бўлиб, унда координаталарни қабул қилинган бош нуқтаси ёки сфероидни марказидан ва ўқлари бўйича ўлчанадиган кесимлар нуқта ўрнини ифодалайди.
Бу усул GPS ёрдамида нуқтанинг фазовий ўрнини аниқлашда қўлланади. 20.3-шаклда Ер сиртидаги Р нуқтасининг геодезик ва Декарт системаларидаги координаталарини аниқлаш келтирилган.
Ер сунъий йўлдошларининг ҳаракати тўғри бурчакли инерционал геоцентрик координаталар системасида ифодаланади (ёзилади).
Ҳозирги сунъий йўлдош навигацияси системасида дастлабки координаталар умумер геоцентрик координаталар системасида аниқланади. NAVSTAR GPS навигациясида умумер координаталар системаси сифатида WGS-84, ГЛОНАСС системасида эса П3 (Ер параметрлари) – 90 фойдаланади.
GPS координаталар системасига ўхшаш маҳаллий координаталар системалари турли давлатларда улар ҳудудларида геоидни аниқроқ ифодалай оладиган маҳаллий эллипсоид (референц эллипсоид) га асосланган.
Одатда бу системаларда зоналар системасига тегишли бўлган тўғри бурчакли координаталарни олиш учун нуқталар текисликка проекцияланади.
Маҳаллий координаталар системасида фойдаланадиган кўпгина референц-эллипсоидлар жаҳон давлатларида кўп йиллар аввал – космик геодезияни вужудга келишидан олдин аниқланган бўлган.
Бу эллипсоидларни танлашдан мақсад қизиқтираётган ҳудудни энг аниқ ташкил этувчи сиртни танлаб олишдан иборат бўлган, шу билан бирга бу эллипсоидларни Ернинг бошқа қисмларида қўллаш имкони бўлмайди. Шундан келиб чиқиб ҳар бир давлат ўзини эллипсоиди ва унга мос фазовий координаталар системасини танлаб олади.
GPS системасида координаталар дастлаб WGS-84 эллипсоидига нисбатан аниқланади (20.4- шакл). Мавжуд координаталар каталоглари одатда маҳаллий системадаги координаталардан тузилган бўлади, шу сабабли GPS координаталари маҳаллий системага қайта ҳисоблаб ўтказилиши талаб қилинади.
GPS ёрдамида ўлчанган баландликлар WGS-84 эллипсоиди сиртига тегишли бўлади ва эллипсоидал баландликлар дейилади. Амалдаги каталогларда эса ўртача денгиз сатҳига нисбатан ўлчанган ортометрик баландликлар берилади.
Денгизни ўртача сатҳи геоид деб аталадиган сатҳга тўғри келади. Геоид мураккаб шаклга эга бўлиб, эллипсоидга мос келмайди. Ер массасининг зичлиги геоидга таъсир этиб у зич жойларда баландликлар ва зичлик кам қисмларда пастликларни ҳосил қилади. Геоид, эллипсоид ва ер юзини бир-бирига боғлиқлиги 20.5.- шаклда кўрсатилган.
Амалда фойдаланадиган карталарнинг кўпчилигида ортометрик баландлик (геоид сиртига нисбатан) берилган. Шунга кўра GPS да аниқланган баландликлардан ортометрик баландликка ўтишга тўғри келади. Бу масала эллипсоидал баландликлардан ортометрик баландликка ўтиш учун ишлаб чиқилган геоид модели орқали амалга оширилади.
Юқорида кўрсатиб ўтилганидек Ер сунъий йўлдошларининг ҳаракати тўғри бурчакли инерционал геоцентрик координаталар системасида ифодаланади. Бу эса ҳудди шу системада ер сиртида олинган нуқта координаталарини аниқлаш имконини беради.
Бу масалани ечиш асосида сунъий йўлдош ва ер сиртидаги нуқта орасидаги масофани аниқлашни қуйидаги тенгламаси ётади [2].


(20.1)
бу ерда
сунъий йўлдош билан ер сиртидаги нуқта орасидаги масофа;
йўлдошни геоцентрик координаталари;
ер сиртидаги нуқтанинг геоцентрик координаталари.
Йўлдош координаталари ва у билан ер сиртидаги нуқта орасидаги масофа аниқ бўлганда (20.1) формуладан аниқланадиган ер нуқтасининг координаталари номаълум ҳисобланади. Ушбу нуқтасининг координаталари ни аниқлаш учун нуқтадан учта сунъий йўлдошларгача масофалар D_k(k=1,2,3) ни ўлчаш керак бўлади, бунда ўлчаш дақиқалари учун бу йўлдошлар ўрни координаталари маълум бўлиши керак. Бу масофалар ўрнига амалда сохта узоқлик (псевдодальность) ўлчанади ва унинг қиймати қуйидаги формуладан топилади:


(20.2)
бу ерда
- сунъий йўлдошдан приёмникгача сохта узоқлик;
- сунъий йўлдошдан приёмникгача тўлқинни тарқалиш вақти;
- йўлдошда ва приёмникда тўлқинни тегишлича жўнатилиши ва қабул қилиниши вақтлари;
- радиотўлқинни тарқалиш тезлиги.
(20.2) тенгламадаги номаълумлар қийматларини аниқлаш учун энг камида тўртта йўлдошларгача узоқликларни ўлчаш керак бўлади.
(20.1) формулани ҳисобга олиб приёмник ўрни координаталарини аниқлаш учун (20.2) формулани қуйидаги кўринишда ёзамиз:


, (20.3)

(20.3) тенгламани энг кичик квадратлар усулида ечиб нуқтанинг номаълум координаталари ва вақт шкалаларининг айирмаси топилади.

Нуқтанинг топилган координаталари қуйидаги хатолар манбаалари: Ернинг айланиши тўлқин тарқалиши муҳит таъсири, аппаратуралар шовқини таъсиридан хатоликларга эга бўлади.
Объект координаталарини янада аниқроқ топиш учун юқорида кўрсатилган хатолар таъсири учун тегишли тузатмаларни киритиш зарур бўлади.