Лекция 2. Позиционирование и навигация Геоинформационные системы

Вопросы
Какие задачи выполняют ГИС?
Что такое географические и атрибутивные данные?
Что такое «Проекция» (projection) в смысле геоинформационных систем?
В чём отличие ГИС от графических редакторов?

А земля-то круглая!
Экватор
7,50
Александрия
Сиена
7,50
x ( /180) x r
x ( /180) x r
Эратосфен:
R=6400 км.

Маятник Фуко
свободное крепление маятника
тяжёлый груз
отсутствие влияния ветра
Отсутствие бокового толчка при запуске маятника

Географическая оболочка
целостная и непрерывная оболочка Земли, где её составные части проникают друг в друга и находятся в тесном взаимодействии. Между ними происходит непрерывный энергетический, минеральный и информационный обмен
Состав:
Земная кора
Тропосфера
Стратосфера
Гидросфера
Биосфера
Стратисфера

Триангуляция

Сферическая система координат
ISO 31-11:
r ≥ 0 — расстояние от начала координат до заданной точки P.
0 ≤ θ ≤ 180° — угол между осью Z и отрезком, соединяющим начало координат и точку P.
0 ≤ φ ≤ 360° — угол между осью X и проекцией отрезка, соединяющего начало координат с точкой P, на плоскость XY
θ – зенитный (полярный) угол
φ – азимутальный угол

Географические координаты
Широта́ — угол между местным направлением зенита и плоскостью экватора
Долгота́ — угол между плоскостью меридиана, проходящего через данную точку, и плоскостью начального нулевого меридиана, от которого ведётся отсчёт долготы
Высота́ над уровнем моря

Проекция земли

Геоид
- фигура, которую образовала бы поверхность Мирового океана и сообщающихся с ним морей при некотором среднем уровне воды, свободной от возмущений
приливами, течениями, разностями атмосферного давления и т.д.

Квазигеоид
— фигура, предложенная в 1950-х г.г. русским учёным М. С. Молоденским в качестве строгого решения задачи определения фигуры Земли. Квазигеоид определяется по измеренным значениям потенциалов силы тяжести
Совпадает с геоидом на территории мирового океана
Отклоняется не более чем на 2 м. на суше

Земной эллипсоид
эллипсоид вращения, размеры которого подбираются при условии наилучшего соответствия фигуре квазигеоида для Земли в целом или отдельных её частей
Виды:
общеземной эллипсоид
референц-эллипсоид
Параметры:
большая полуось (экваториальный радиус) эллипсоида, a
малая полуось (полярный радиус), b
геометрическое (полярное) сжатие ,

Общеземной эллипсоид
Малая полуось должна совпадать с осью вращения Земли.
Центр эллипсоида должен совпадать с центром масс Земли.
Высоты геоида над эллипсоидом hi должны подчиняться условию наименьших квадратов:

Современные общеземные эллипсоиды
GRS80 (Geodetic Reference System 1980)
рекомендован для геодезических работ;
WGS84 (World Geodetic System 1984)
применяется в GPS
ПЗ-90 (Параметры Земли 1990 года)
на территории России для геодезического обеспечения орбитальных полетов, в ГЛОНАСС
IERS96 (International Earth Rotation Service 1996)
рекомендован Международной службой вращения Земли для обработки наблюдений

Почему так много?
Доступные технологии измерения
Место исследований
Картируемая область
Политические причины (Страны Варшавского договора против НАТО)
Средние значения:
Экваториальный радиус: 6,378km
Полярный радиус: 6,357km
ARCINFO поддерживает 26 сфероидов

Референц-эллипсоид (национальный)
Приближение формы поверхности земли эллипсоидом вращения
Используются для учёта особенностей отдельной страны
Не совмещены с центром масс Земли
Устанавливают квазигеоцентрические координаты
Различия координат геоцентрических и квазигеоцентрических систем могут превысить сотню метров

Основные референц-эллипсоиды

Широта и долгота
Измерение: градусы(0) минуты (“) секунды(‘)
Цифровые градусы (xx,xxxx...):
dd= d° + m”/60 + s’/3600
10 на экваторе – 30 м.
Для точного измерения требуются вычисления с двойной точностью

Измерение широты
геоцентрическая широта (c):
угол между направлением на данную точку из центра Земли и плоскостью экватора
географическая широта (d): угол, образуемый вектором, перпендикулярным к поверхности сфероида
всегда используется
географическая широта
a– большая полуось
b – малая полуось
d
c
1° lat = 1° long = 111,2215 км. (WGS84)
Эллипсоид
Земля – не идеальный сфероид!
касательная

Системы координат б. СССР
СК-42 (1942 г.)
система координат, основанная на эллипсоиде Красовского. принята в 1942 г в СССР для геодезических и картографических работ для гражданского использования
СК-95
Современная система координат, с 2000 г.
СК-63
Система координат военного назначения
ГОСТ Р 51794-2001

Проекции на плоскость
Гаусса-Крюгера
Меркатора - Universal Transverse Mercator (UTM)
Зона - это участок земной поверхности, ограниченный двумя меридианами (60)
цилиндр касается эллипсоида по меридиану
цилиндр касается эллипсоида по экватору

Геодезические инструменты
Триангуляция
Теодолиты
Уровни
Нивелиры
Тахеометры
GPS

Проблема измерения высот
На западе высоты отсчитывают от геоида
В РФ – от квазигеоида

Уровень моря
положение свободной поверхности Мирового океана, измеряемое по отвесной линии относительно некоторого условного начала отсчёта
Виды:
Мгновенный
Приливной
Среднесуточный
Среднемесячный
Среднегодовой
Среднемноголетний
Кронштадтский футшток

Вопрос
Чем объясняется смена времен года?
Обращением Земли вокруг Солнца
Наклоном оси вращения Земли к плоскости орбиты
Сохранением направления оси в пространстве

Смена времён года
Что бы было, если…
Случай 1. ось Земли была перпендикулярна к плоскости эклиптики
Случай 2. ось Земли расположилась бы в плоскости эклиптики
Случай 3. ось Земли расположилась бы с наклоном 45o к плоскости эклиптики?

Вопрос
А сколько у нас океанов?
Атлантический океан
Индийский океан
Северный Ледовитый океан
Тихий океан
Южный океан (c 2000 г., район южнее 60 параллели южной широты)

Вопрос
Что называют большой полуосью?
Что называют малой полуосью?

Орбиты
Геостационарная - круговая орбита над экватором Земли, находясь на которой, искусственный спутник обращается вокруг планеты с угловой скоростью, равной угловой скорости вращения Земли вокруг оси, и постоянно находится над одной и той же точкой на земной поверхности.
Геосинхронная - орбита вокруг Земли, для которой период обращения находящегося на ней спутника равен звёздному периоду вращения Земли (23 час. 56 мин. 4,1 с.)

UTC (универсальное координированное время)
UTC – замена GMT
Равномерная шкала атомного времени
Не переводится зимой и летом
Часовые пояса – как смещение относительно UTC

Навигация
Астрономическая
Секстант (измерение широты)
Хронометр (измерение долготы)
Компас
Спутниковая
GPS
ГЛОНАСС
GNSS
Galileo
IRNSS
Рентгеновское излучение от других звезд

Спутниковые навигационные системы
Основные элементы:
Орбитальная группировка
Наземная система управления и контроля
Приёмное клиентское оборудование
Информационная радиосистема для передачи поправок
Особенности:
Собственное время
Отсутствие привязки к космическим объектам
Релятивистские эффекты (37.7 мкс/сутки)
Гравитационные потенциалы

GPS
С 1973 г.
Принадлежит Минобороны США
24 спутника (32 максимум)
6 орбитальных траекторий
Два диапазона приема
Standard Positioning Service (SPS)
95% времени обеспечивает точность 13 м. по горизонтали, 22 м. по вертикали
Precise Positioning Service (PPS)
Орбита на высоте 20,2 тыс. км
Облет орбиты – 12 ч.

ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система)
с 1982 г.
20 функционирующих спутников (30 в плане)
Два диапазона приема
3 орбитальных траектории
Покрытие:
Россия – 100%
Европа – 98%
Остальной мир - >80%

GALILEO
Не контролируется ни государственными, ни военными учреждениями
3 орбитальных траектории
30 спутников
Службы:
Открытая общая служба
Служба повышенной надёжности
Коммерческая служба
Правительственная служба
Поисково-спасательная служба

Иные
Навигационная система Индии (IRNSS)
покрытие самой Индии и частей сопредельных государств
7 спутников на геостационарных орбитах
Навигационная система Китая (Бэйдоу)
покрытие Китая и сопредельных государств
2 спутника

Измерение расстояний и времени
Скорость света X Время = расстояние
Для вычисления всех трех координат нужны 4 спутника

Снижение точности (DOP)
Орбиты спутников
Наличие объектов-помех, закрывающие Необходимые области неба
Влияние атмосферы
Отражение радиоволн
Отсутствие атомных часов

GPS Error Budget
Ionosphere..................................5.0 meters (0.4)
Troposphere...............................0.5 meters (0.2)
Ephemeris data..............................2.5 meters (0)
Satellite clock drift..........................1.5 meters (0)
Multipath.....................................0.6 meters (0.6)
Measurement noise.......... .........0.3 meters (0.3)
Selective availability......................30-100 meters
Total.................................................~ 10 meters

How accurate is GPS?
Recreational and mapping grade.........................10-15 m
C/A code
Autonomous
Recreational and mapping grade.............................1-5 m
C/A code
With differential correction
Submeter mapping grade.............................10 cm to 1 m
C/A code & carrier
With differential correction
Survey grade.............................................................1 cm
Dual frequency
Advanced survey methods