Geodesia applicata. Le basi delle dimensioni cosmiche

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Il processo di osservazione dei primi satelliti artificiali della Terra ha rivelato uno schema interessante: la posizione spaziale del satellite può essere calcolata con buona precisione in qualsiasi momento. Questo fatto scientifico ha spinto gli scienziati a una scoperta veramente rivoluzionaria: utilizzare satelliti situati a centinaia di chilometri dalla Terra per determinare la posizione spaziale degli oggetti terrestri.

Geodesia applicata. Le basi delle dimensioni cosmiche

Dagli articoli precedenti del nostro ciclo “Geodesia applicata” abbiamo appreso che per determinare le coordinate di un punto sconosciuto, abbiamo bisogno di due punti con coordinate note, che sono rigidamente fissati sul terreno (punti della rete geodetica statale). A volte erano lontani dall’argomento, il che costringeva gli artisti a posare passaggi di teodolite, spesso diversi chilometri. Ora, i satelliti che si muovono costantemente nello spazio sono diventati tali punti “difficili”, rispetto ai quali vengono determinate le coordinate degli oggetti sul terreno.

GPS

GPS (Global Positioning System – Global Positioning System) è una raccolta di mezzi elettronici che calcolano la posizione e la velocità di un oggetto sulla superficie terrestre o nell’atmosfera. Questi parametri sono determinati grazie al ricevitore GPS, che riceve ed elabora i segnali dai satelliti. Per migliorare l’accuratezza della misurazione, il sistema di posizionamento include anche centri di controllo a terra e di elaborazione dati.

Quando si tratta di GPS, spesso intendiamo il sistema NAVSTAR, sviluppato per ordine del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti. In generale, molte cose innovative sono state prima “testate” dai militari e poi “rilasciate alle masse”. Per molti anni il termine “GPS” è diventato sinonimo di navigazione satellitare, così come il neologismo “Xerox” significa, in linea di principio, qualsiasi copiatrice e non solo la produzione di XEROX. Al momento, oltre al NAVSTAR GPS, sono in fase di sviluppo o lancio cinese Beidou, Galileo europeo, IRNSS indiano, QZSS giapponese e GLONASS nativo..

Geodesia applicata. Le basi delle dimensioni cosmiche

I metodi di misurazione dello spazio sono utilizzati per:

  • geodesia e cartografia
  • costruzione
  • navigazione
  • monitoraggio del veicolo
  • comunicazione mobile
  • operazioni di salvataggio
  • monitorare il movimento tettonico delle placche della crosta terrestre

e in molte altre sfere dell’attività umana. Consideriamo in dettaglio alcune delle principali aree di applicazione dei sistemi di misurazione dello spazio..

GNSS

Incontriamo dispositivi di questo sistema di navigazione a livello familiare, sotto l’abbreviazione GNSS il termine “Sistema globale di satelliti di navigazione” è nascosto. Il principio di funzionamento di un sistema di navigazione satellitare è misurare la distanza dall’antenna del ricevitore ai satelliti, le cui posizioni sono note con una precisione sufficientemente elevata. La tabella delle posizioni dei satelliti è chiamata almanacco e viene trasmessa al momento dell’inizio delle misurazioni dal satellite al ricevitore. Pertanto, conoscendo le distanze tra i satelliti ed essendo guidati dall’almanacco, è possibile, usando le più semplici costruzioni geodetiche, che abbiamo considerato nei precedenti articoli del nostro ciclo, calcolare la posizione spaziale dell’oggetto.

Il metodo per misurare la distanza da un satellite a un ricevitore si basa sulla determinazione della velocità di trasmissione delle onde radio. Per consentire le misurazioni, i satelliti trasmettono segnali orari precisi, sincronizzati a loro volta con un orologio atomico ad alta precisione. All’inizio del funzionamento, l’ora di sistema del ricevitore è sincronizzata con quella del satellite e ulteriori misurazioni si basano sulla differenza tra il tempo di emissione del segnale e il tempo della sua ricezione. Sulla base di questi dati, il dispositivo di navigazione calcola la posizione spaziale dell’antenna terrestre e la velocità, la rotta e altri parametri dell’oggetto sono derivati ​​dalla posizione iniziale del ricevitore. Come probabilmente ricorderai dal tuo corso di fisica a scuola, la velocità delle onde radio è uguale alla velocità della luce, quindi puoi immaginare quale sia l’accuratezza complessiva di un sistema che determina la distanza in millisecondi.

Geodesia applicata. Le basi delle dimensioni cosmiche Antenna GNSS / GPS

Perché, in alcuni casi, otteniamo un valore di posizione sufficientemente accurato e, in alcuni casi, il valore non è del tutto corretto? Non tutti i ricevitori hanno un orologio atomico incorporato, quindi, per sincronizzare e determinare la posizione con una precisione accettabile, è necessario ricevere un segnale simultaneamente da almeno tre satelliti. La forza del segnale ricevuto è influenzata dal campo gravitazionale della terra, dagli ostacoli sotto forma di alberi, case, segnali riflessi (fantasma), interferenza atmosferica e una serie di altre ragioni. Poiché è impossibile posizionare trasmettitori ad alta potenza sul satellite, otterrai la posizione più precisa in spazi aperti con un orizzonte chiaro.

Ora, caro lettore, che ha uno smartphone con un ricevitore GPS integrato, ci affrettiamo a deluderti: non puoi candidarti per aprire un’azienda geodetica. Questo perché il ricevitore tascabile utilizza un metodo chiamato assoluto per calcolare la posizione. Con l’osservazione simultanea di 4 satelliti, la precisione di posizionamento può raggiungere gli 8 metri, il che è sufficiente per le misurazioni della navigazione. Per la geodesia, viene utilizzato un metodo di misurazione relativo, in cui vengono utilizzati almeno due ricevitori. Uno di questi è impostato su un punto con coordinate note (la cosiddetta “base”) e il secondo viene utilizzato per determinare le coordinate di punti sconosciuti. Quando due ricevitori lavorano insieme, l’accuratezza della misurazione aumenta di 100 volte e possiamo già ottenere coordinate con l’accuratezza del centimetro, che è sufficiente per le esigenze geodetiche.

GPS per lavori geodetici

Per utilizzare i sistemi di osservazione spaziale per il lavoro topografico, vengono utilizzati diversi metodi, che differiscono nella precisione dei valori ottenuti e nel tempo impiegato per ottenerli..

statica

Per determinare le coordinate di un punto sconosciuto, un ricevitore viene installato sul punto di triangolazione o poligonometria (punto noto) e l’altro ricevitore viene posizionato sul punto le cui coordinate devono essere determinate. Inoltre, i dispositivi vengono inizializzati in modo sincrono, poiché le misurazioni iniziano solo quando due ricevitori vengono accesi contemporaneamente. Se uno dei dispositivi ha funzionato per mezz’ora e l’altro per 15 minuti, per ottenere i dati verranno utilizzati solo 15 minuti di collaborazione. Dopo che i ricevitori trovano i satelliti, inizia la raccolta dei dati, che vengono successivamente elaborati su un computer..

Geodesia applicata. Le basi delle dimensioni cosmiche

Di solito sono necessari 15-30 minuti dall’accensione dello strumento all’avvio del lavoro (ottenendo i valori corretti), a seconda dei satelliti osservati contemporaneamente. Nei primi 20-30 minuti, la “base” fornisce una copertura con sufficiente precisione di misurazione della zona di 5 chilometri, quindi ogni 10 minuti questo raggio si espande di 5 km, rispettivamente, conoscendo la distanza approssimativa dalla stazione al punto base, è possibile calcolare approssimativamente il tempo di attesa dello strumento per posizionamento preciso.

Come possiamo vedere nello screenshot di uno dei programmi di regolazione dei dati, la barra verde è il tempo di funzionamento di base e le barre colorate corte sono il tempo trascorso dai ricevitori della stazione con coordinate sconosciute. Utilizzando un software specializzato, è possibile rifiutare valori di misurazione errati e aumentare l’accuratezza complessiva dei valori ottenuti.

Geodesia applicata. Le basi delle dimensioni cosmiche

Il vantaggio di questo metodo è l’elevata precisione di misurazione, il meno è il tempo impiegato per inizializzare ciascun punto.

Cinematica

La “base” si trova allo stesso modo in un punto con coordinate note e il secondo ricevitore, dopo l’inizializzazione, può registrare i punti in movimento senza un’inizializzazione aggiuntiva prima di ogni misurazione. Se nel primo metodo otteniamo, supponiamo, due punti base da cui verrà effettuato il rilevamento tacheometrico, ad es. per lavoro abbiamo ancora bisogno di avere una stazione totale, quindi nel caso di misure cinematiche sono sufficienti due ricevitori, uno dei quali svolge la funzione di una stazione totale, il tempo di registrazione del punto è di 1-2 minuti.

Geodesia applicata. Le basi delle dimensioni cosmiche

Questo metodo è adatto per il rilevamento di oggetti estesi linearmente come linee elettriche, canali, strade, oleodotti, ecc. Il vantaggio di questo metodo è il risparmio di tempo, lo svantaggio è che è desiderabile effettuare misurazioni a breve distanza dalla base, circa 5–15 km. Se il segnale del satellite scompare improvvisamente, la procedura di inizializzazione dovrà essere ripetuta, quindi questo metodo non è sempre possibile applicare nelle grandi città in cui edifici alti e alberi coprono l’orizzonte.

RTK GPS

Se i primi due metodi ci danno la posizione di un punto nel sistema di coordinate internazionale, che deve quindi essere convertito in uno regionale, allora il metodo RTK (dalla cinematica inglese in tempo reale – cinematica in tempo reale) ci consente di ottenere i valori della posizione spaziale dei punti nel sistema di coordinate adottato per la nostra area usando solo un ricevitore. No, il punto base esiste senza dubbio, ma in questo caso i punti base sono fissati su edifici alti e insieme formano una rete, simile a una mobile. Sia il ricevitore che le stazioni base scambiano informazioni via Internet, il che consente loro di sincronizzarsi non solo con i satelliti, ma anche tra loro, aggirando la catena di ricalcolo e regolazione delle coordinate in software specializzato.

Geodesia applicata. Le basi delle dimensioni cosmiche

Come capisci, le stazioni base sono lungi dall’essere costruite dagli appassionati, l’accesso ad esse è pagato, ma è più che ripagato dal numero di ore-uomo trascorse. Infatti, se, nel caso di misurazioni statiche, il team è composto da almeno tre persone, una delle quali fa la guardia alla “base” e le altre due eseguono sondaggi utilizzando una stazione totale, allora solo uno specialista è sufficiente per le misurazioni RTK. L’inizializzazione di tali dispositivi avviene quasi istantaneamente, dopo alcuni minuti lo strumento è pronto per raccogliere dati o eseguire l’azione opposta – per eseguire il picchettamento dei punti di rilevamento calcolati in anticipo su un computer, che è necessario, ad esempio, quando si traccia un diagramma per la costruzione. Questa è la tecnologia del futuro. In generale, per quanto paradossale sembri, la prossima generazione di geometri sarà rappresentata da specialisti IT, l’età dei calcolatori programmabili e delle tabelle Bradis è andata irrevocabilmente.

GPS vs GLONASS

Per determinare le coordinate di NAVSTAR GPS e GLONASS, vengono utilizzati 21 satelliti attivi e tre satelliti di riserva, ruotando su piani orbitali circolari e questi piani nel sistema GPS sono tre volte più che in GLONASS. I satelliti sono dotati di pannelli solari e volano oltre 20 km sopra la superficie terrestre. Una tale distanza dal pianeta e il numero di satelliti prevedono l’osservazione simultanea di almeno 4 satelliti praticamente in qualsiasi parte del mondo. Tempo di una rivoluzione completa intorno alla Terra – 12 ore cosmiche.

Geodesia applicata. Le basi delle dimensioni cosmiche

Nel sistema GPS, tutti i satelliti emettono un segnale a due frequenze identiche e ogni dispositivo invia il proprio codice individuale che consente di identificare i satelliti. GLONASS ha lo stesso codice per tutti i satelliti, anche la trasmissione viene effettuata in due bande. Come puoi vedere, i parametri dei sistemi sono più o meno gli stessi, quindi chi è il migliore?

Se il GPS fornisce un’accuratezza sufficiente nel determinare le coordinate in tutto il mondo, GLONASS viene “affinato” per le realtà russe, il che teoricamente gli consente di determinare con maggiore precisione la posizione spaziale dei punti sul terreno nel nostro paese. Il sistema di posizionamento russo non dipende dall’umore di “Zio Sam”, che durante i conflitti militari ha deliberatamente abbassato la precisione della misurazione, codificando parzialmente il segnale. In ogni caso, GPS e GLONASS non sono concorrenti, ma in qualche modo alleati, quindi ha senso acquistare ricevitori che supportano simultaneamente due sistemi, la precisione ne trarrà vantaggio..

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