Sadržaj članka
Proces promatranja prvih umjetnih satelita Zemlje otkrio je jedan zanimljiv obrazac – prostorni položaj satelita u bilo kojem trenutku može se izračunati s velikom točnošću. Ova znanstvena činjenica gurnula je znanstvenike do istinski revolucionarnog otkrića – da koriste satelite koji se nalaze stotinama kilometara od Zemlje za određivanje prostornog položaja zemaljskih objekata.
Iz prethodnih članaka iz naše serije „Primenjena geodezija“ saznali smo da su za određivanje koordinata nepoznate točke potrebne dvije točke s poznatim koordinatama, koje su čvrsto učvršćene na tlo (točke Državne geodetske mreže). Ponekad su bili daleko od teme, što je izvođače natjeralo da polože teodolitske prolaze, često nekoliko kilometara. Sateliti koji se stalno kreću u svemiru postali su tako “tvrde” točke u odnosu na koje se određuju koordinate objekata na terenu.
GPS
GPS (Global Positioning System – Global Positioning System) je skup radio-elektroničkih sredstava koja izračunavaju položaj i brzinu objekta na Zemljinoj površini ili u atmosferi. Ovi se parametri određuju zahvaljujući GPS-prijemniku, koji prima i obrađuje signale sa satelita. Da bi se poboljšala točnost mjerenja, sustav pozicioniranja također uključuje centre za kontrolu tla i obradu podataka.
Kad je riječ o GPS-u, najčešće mislimo na sustav NAVSTAR, razvijen po nalogu Ministarstva obrane SAD-a. Općenito, mnogo inovativnih stvari je prvo “testirala” vojska, a zatim su “puštena na masu”. Dugi niz godina izraz “GPS” postaje sinonim za satelitsku navigaciju, baš kao što neologizam “Xerox” u principu znači bilo koji kopirni stroj, a ne samo proizvodnju XEROX-a. Trenutno se uz NAVSTAR GPS razvijaju ili pokreću kineski Beidou, europski Galileo, indijski IRNSS, japanski QZSS i naš rodni GLONASS..
Metode mjerenja prostora koriste se za:
- geodezija i kartografija
- izgradnja
- navigacija
- nadzor vozila
- mobilne komunikacije
- spasilačke operacije
- praćenje tektonskog kretanja ploča zemljine kore
i u mnogim drugim sferama ljudske aktivnosti. Razmotrimo nekoliko glavnih područja primjene sustava za mjerenje prostora..
GNSS
Nailazimo na uređaje ovog navigacijskog sustava na razini kućanstva, a pod kraticom GNSS krije se izraz “Globalni navigacijski satelitski sustav”. Princip rada satelitskog navigacijskog sustava je mjerenje udaljenosti od prijemne antene do satelita, čiji su položaji poznati s dovoljno velikom točnošću. Tablica položaja satelita naziva se almanah i prenosi se u trenutku početka mjerenja od satelita do prijemnika. Znajući udaljenost između satelita i vođenje almanaha možete pomoću najjednostavnijih geodetskih konstrukcija koje smo razmatrali u prethodnim člancima našeg ciklusa izračunati prostorni položaj objekta.
Metoda mjerenja udaljenosti od satelita do prijamnika temelji se na utvrđivanju brzine prijenosa radio valova. Da bi se omogućila mjerenja, sateliti prenose precizne vremenske signale, sinkronizirane zauzvrat s atomskim satovima visoke preciznosti. Na početku rada, sistemsko vrijeme prijamnika sinkronizira se sa satelitskim, a daljnja mjerenja temelje se na razlici između vremena emitiranja signala i vremena njegovog prijema. Na temelju tih podataka, navigacijski uređaj izračunava prostorni položaj zemaljske antene, a brzina, tijek objekta i drugi parametri objekta su derivati početnog položaja prijemnika. Kao što se vjerojatno sjećate iz srednjoškolskog tečaja fizike, brzina radio valova jednaka je brzini svjetlosti, pa možete zamisliti koja je ukupna točnost sustava koji određuje udaljenost u milisekundama.
GNSS / GPS antena
Zašto u nekim slučajevima dobivamo dovoljno točnu vrijednost lokacije, a u nekim slučajevima vrijednost nije sasvim točna? Nije svaki prijemnik ugrađen atomski sat, stoga je za sinkronizaciju i određivanje položaja s prihvatljivom točnošću potrebno istovremeno primati signal s najmanje tri satelita. Na jačinu primljenog signala utječu gravitacijsko polje zemlje, prepreke u obliku stabala, kuća, reflektirani (fantomski) signali, atmosferske smetnje i niz drugih razloga. Kako je nemoguće postaviti predajnike velike snage na satelit, dobit ćete najtačniju lokaciju na otvorenim prostorima s jasnim horizontom.
Poštovani čitatelju, koji ima pametni telefon s ugrađenim GPS prijemnikom, žurimo vas da vas razočaramo – ne možete podnijeti zahtjev za otvaranje geodetske tvrtke. To je zato što džepni prijemnik koristi metodu koja se naziva apsolutna za izračunavanje položaja. Uz istovremeno promatranje 4 satelita, točnost pozicioniranja može doseći 8 metara, što je dovoljno za navigacijska mjerenja. Za geodeziju koristi se relativna metoda mjerenja u kojoj se koriste najmanje dva prijemnika. Jedna od njih postavljena je na točku s poznatim koordinatama (tzv. “Baza”), a druga se koristi za određivanje koordinata nepoznatih točaka. Kada dva prijemnika rade zajedno, točnost mjerenja raste 100 puta i već možemo dobiti koordinate s centimetrskom točnošću, što je dovoljno za geodetske potrebe.
GPS za geodetske radove
Da bi se koristili sustavi promatranja prostora za topografske radove, koristi se nekoliko metoda koje se razlikuju u točnosti dobivenih vrijednosti i vremenu utrošenom na njihovo dobivanje..
Statika
Da bi se odredile koordinate nepoznate točke, jedan je prijemnik postavljen na točku triangulacije ili poligonometrije (poznata točka), a drugi prijemnik na točku čije koordinate treba odrediti. Nadalje, uređaji se sinkroniziraju, jer mjerenja započinju tek kada su dva prijemnika istovremeno uključena. Ako je jedan uređaj radio pola sata, a drugi 15 minuta, samo 15 minuta suradnje bit će iskorišteno za dobivanje podataka. Nakon što prijemnici pronađu satelite, započinje prikupljanje podataka koji se nakon toga obrađuju na računalu..
Obično je potrebno 15-30 minuta od uključivanja instrumenta do početka rada (dobivanja ispravnih vrijednosti), ovisno o istodobno promatranim satelitima. U prvih 20-30 minuta “baza” pruža pokrivenost dovoljnom mjernom točnošću zone od 5 km, zatim se svakih 10 minuta taj polumjer širi za 5 km, odnosno, znajući približnu udaljenost od stanice do osnovne točke, možete približno izračunati precizno pozicioniranje.
Kao što možemo vidjeti na snimci zaslona jednog od programa prilagodbe podataka, zelena traka je osnovno vrijeme rada, a kratke obojene trake vrijeme koje su prijemnici na stanici proveli s nepoznatim koordinatama. Pomoću specijaliziranog softvera možete odbiti pogrešne vrijednosti mjerenja i povećati ukupnu točnost dobivenih vrijednosti.
Prednost ove metode je velika točnost mjerenja, minus je vrijeme potrebno za inicijalizaciju svake točke.
Kinematika
„Baza“ se nalazi na isti način u točki s poznatim koordinatama, a drugi prijemnik nakon inicijalizacije može registrirati točke u pokretu bez dodatne inicijalizacije prije svakog mjerenja. Ako u prvoj metodi dobijemo, pretpostavimo, dvije osnovne točke iz kojih će se provesti taheometrijsko istraživanje, tj. za rad još uvijek moramo imati ukupnu stanicu, tada su u slučaju kinematičkih mjerenja dovoljna dva prijemnika od kojih jedan obavlja funkciju ukupne stanice, vrijeme registracije točke je 1-2 minute.
Ova je metoda vrlo pogodna za istraživanje linearno proširenih objekata kao što su dalekovodi, kanali, ceste, naftovodi itd. Prednost ove metode je ušteda vremena, a nedostatak je što je preporučljivo provoditi mjerenja na maloj udaljenosti od baze, oko 5-15 km. Ako signal sa satelita iznenada nestane, morat će se ponoviti postupak inicijalizacije, pa ovu metodu nije uvijek moguće primijeniti u velikim gradovima u kojima visoke zgrade i drveće prekrivaju horizont.
RTK GPS
Ako nam prve dvije metode daju položaj točke u međunarodnom koordinatnom sustavu, koji se potom mora pretvoriti u regionalni, tada nam RTK metoda (iz engleskog real time kinematika – kinematika u stvarnom vremenu) omogućuje dobivanje vrijednosti prostornog položaja točaka u koordinatnom sustavu usvojenog za naše područje koristeći samo jedan prijemnik. Ne, osnovna točka nesumnjivo postoji, ali u ovom slučaju osnovne točke su fiksirane na visokim zgradama i zajedno tvore mrežu, sličnu mobilnoj. I prijemnik i bazna stanica razmjenjuju informacije putem Interneta, što im omogućuje sinkronizaciju ne samo sa satelitima, već i međusobno, zaobilazeći lanac preračuna i podešavanje koordinata u specijaliziranom softveru.
Kao što razumijete, bazne stanice nisu daleko od entuzijasta, pristup njima je plaćen, ali to je više nego otplaćeno brojem provedenih sati. Doista, ako se u slučaju statičkih mjerenja tim sastoji od najmanje tri osobe od kojih jedna čuva “bazu”, a druga dva obavljaju ispitivanja pomoću ukupne stanice, tada je za RTK mjerenja dovoljan samo jedan specijalist. Inicijalizacija takvih uređaja događa se gotovo trenutno, nakon nekoliko minuta alat je spreman za prikupljanje podataka ili izvršavanje suprotne radnje – na računaru izvršiti raspodjelu anketnih točaka unaprijed izračunatih unaprijed, što je primjerice potrebno prilikom postavljanja parcele za izgradnju. Ovo je tehnologija budućnosti. Općenito, ma koliko to paradoksalno zvučalo, sljedeću generaciju geodeta predstavljat će IT stručnjaci, dob programabilnih kalkulatora i Bradisovih tablica nepovratno je nestao.
GPS vs GLONASS
Za određivanje koordinata NAVSTAR GPS i GLONASS koristi se 21 aktivna satelita i tri rezervna satelita koji se okreću na kružnim orbitalnim ravninama, a ti su zrakoplovi u GPS sustavu tri puta više nego u GLONASSu. Sateliti su opremljeni solarnim pločama i lete više od 20 km iznad Zemljine površine. Takva udaljenost od planete i broj satelita omogućuju istodobno promatranje najmanje 4 satelita praktički bilo gdje u svijetu. Vrijeme potpune revolucije oko Zemlje – 12 kozmičkih sati.
U GPS sustavu svi sateliti odašilju signal na dvije identične frekvencije, a svaki uređaj šalje vlastiti pojedinačni kod koji omogućava identifikaciju satelita. GLONASS ima isti kod za sve satelite, emitiranje se odvija i u dva pojasa. Kao što vidite, parametri sustava su približno isti, pa tko je bolji?
Ako GPS pruža dovoljnu točnost u određivanju koordinata širom svijeta, tada je GLONASS “izoštren” za ruske stvarnosti, što mu teoretski omogućava da preciznije odredi prostorni položaj točaka na tlu u našoj zemlji. Ruski sustav pozicioniranja ne ovisi o raspoloženju “ujaka Sama”, koji je tijekom vojnih sukoba namjerno spuštao točnost mjerenja, djelomično kodirajući signal. U svakom slučaju, GPS i GLONASS nisu konkurenti, već su na neki način saveznici, tako da ima smisla kupiti prijemnike koji istovremeno podržavaju dva sustava, točnost će od toga imati koristi..
Koje su konkretni primjeri primjene geodezije u odnosu na kozmičke dimenzije? Jesu li ove dimenzije relevantne za istraživanje i razumijevanje Zemlje i drugih astronomskih tijela?