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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Geotronik: Elektronik in der Geodäsie. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Anfänger Funkamateur
Geodätische Messungen an der Erdoberfläche lösen viele Probleme. Dabei handelt es sich zunächst einmal um die Erstellung von Karten unterschiedlicher Maßstäbe. Aber nicht nur: Mit der Geodäsie können Sie zusammen mit der Astronomie, der Gravimetrie (der Wissenschaft der Messung der Erdbeschleunigung), der Geophysik und anderen Geowissenschaften die geometrischen und geophysikalischen Parameter des Planeten bestimmen, Variationen seiner Rotationsgeschwindigkeit untersuchen und berücksichtigen Berücksichtigen Sie die Bewegung der Pole, untersuchen Sie Verformungen der Erdkruste und führen Sie eine präzise Kontrolle von Ingenieurbauwerken durch. Meeresgeodäsie, angewandte Geodäsie, Weltraumgeodäsie (Satellitengeodäsie usw.) haben sich als separate Bereiche herausgebildet. In allen Fällen beschränken sich die geodätischen Messungen jedoch auf die Bestimmung von nur drei geometrischen Größen: Entfernungen, Winkel und Höhen (Unterschiede in Punkthöhen). Diese Größen können für sich genommen nützlich sein, insbesondere in der angewandten Geodäsie (auf Baustellen, beim Markieren des Geländes), aber vor allem ermöglichen sie die Berechnung der Koordinaten der zu bestimmenden Punkte. Koordinaten sind nicht nur für Vermessungsingenieure von Interesse – sie werden auch von Seeleuten, Fliegern, Militärs, Teilnehmern verschiedener Expeditionen und vielen mehr benötigt. Wenn wir ein halbes Jahrhundert zurückgehen, finden wir das folgende Bild. Die Entfernungen werden mit 20-Meter-Stahlbändern gemessen, die nacheinander entlang der gemessenen Linie auf den Boden gelegt werden, und für genaue Messungen mit aufgehängten 24-Meter-Invardrähten. (Es war eine äußerst zeitaufwändige Arbeit!) Für schnelle Messungen werden optische Entfernungsmesser verwendet, die auf einem rein geometrischen Prinzip basieren – der Lösung eines stark verlängerten („parallaktischen“) Dreiecks mit kleiner Basis (Basis), aber Die Genauigkeit solcher Entfernungsmesser überschreitet nicht ein Tausendstel der Länge der gemessenen Linien und die Reichweite beträgt mehrere hundert Meter. Für Winkelmessungen werden Theodolite verwendet – optisch-mechanische Goniometer, die ein Teleskop, horizontale und vertikale Goniometerkreise und Lesegeräte zur Winkelmessung enthalten. Zur Bestimmung der Überschüsse werden schließlich Wasserwaagen verwendet, bei denen es sich um eine Kombination aus einem Teleskop und einer genauen Wasserwaage handelt, mit der Sie die Visierachse des Rohrs in eine streng horizontale Position bringen können. Nach dem Anbringen nimmt der Beobachter Messungen an zwei Schienen mit Unterteilungen vor, die vertikal an den Punkten angebracht sind, deren Höhenunterschied bestimmt werden muss; die Differenz zwischen den Messwerten und ergibt den gewünschten Überschuss. Somit waren alle geodätischen Instrumente der damaligen Zeit ausschließlich optisch-mechanische Instrumente. Die Situation hielt bis etwa Mitte der 50er Jahre an. Und dann kam eine Zeit, die man getrost als Revolution in der geodätischen Instrumentierung bezeichnen kann: Die Elektronik kam zur Geodäsie. Es begann seinen Siegeszug mit linearen Messungen, drang dann in Winkelmessungen vor und in jüngerer Zeit auch in den konservativsten Bereich – die Nivellierung. Eine große Rolle spielten das Aufkommen von Lasern im Jahr 1960, die Entwicklung der Mikroelektronik und später der Computertechnologie und der Satellitentechnologie. Die Verschmelzung von Geodäsie und Elektronik führte zur Entstehung eines neuen Konzepts – der Geotronik. Was ist Geotronik heute? Erstens werden elektromagnetische Wellen zum Messen von Entfernungen anstelle von Maßbändern und Drähten verwendet, wodurch sich die Zeit für die tatsächlichen Messungen (d. h. die Zeit für die Installation von Geräten nicht mitgerechnet) auf buchstäblich wenige Sekunden (anstelle von Tagen und Wochen!) verkürzte. und zwar unabhängig von der Länge der gemessenen Leitung. Hier gibt es zwei Hauptansätze. Der erste besteht darin, dass man den Abstand beispielsweise zwischen den Punkten A und B erhält, indem man die Ausbreitungszeit elektromagnetischer Wellen von A nach B misst und diese mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit v multipliziert. (Letzteres kann als c/n ermittelt werden, wobei c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist, die sehr genau bekannt ist, und der Brechungsindex von Luft, berechnet aus Messungen von Temperatur, Druck und Luftfeuchtigkeit). Diese Methode ist besonders praktisch, wenn elektromagnetische Strahlung (insbesondere Licht) in Form kurzer Impulse verwendet wird. Die Laufzeit τ wird wie folgt gemessen: Ein vom Punkt A ausgesendeter Impuls löst einen elektronischen Zeitzähler aus. Nach Zurücklegen der Strecke zum Punkt B und zurück (am Punkt B befindet sich ein Reflektor) stoppt der Impuls den Zähler. Somit wird die doppelte Ausbreitungszeit gemessen. Das Verfahren wird als Zeit- oder Impulsradar bezeichnet und unterscheidet sich tatsächlich kaum vom Impulsradar, obwohl es in der Regel im optischen Bereich eingesetzt wird. Der zweite Ansatz zur Entfernungsmessung ist der Situation mit Maßbändern sehr ähnlich: Als eine Art Maßband fungiert die Wellenlänge der elektromagnetischen Schwingung (bei kontinuierlicher Strahlung), die in einer doppelten gemessenen Entfernung und der Anzahl der „gelegt“ wird Verlegung festgelegt. Der Abstand ergibt sich als halbes Produkt aus Wellenlänge und Anzahl der Positionen. Diese Zahl ist im allgemeinen Fall (sowie beim Messen mit einem Maßband) keine ganze Zahl – sie ist gleich N + ΔN, wobei N eine ganze Zahl und ΔN ein Bruchteil kleiner als eins ist. Die Wellenlänge kann durch vorherige Kenntnis oder durch Messung der Schwingungsfrequenz bestimmt werden. Der Bruchteil von ΔN ist leicht zu ermitteln. Dazu muss die Phasendifferenz der ausgesendeten und empfangenen Schwingungen (über die doppelte Distanz) gemessen werden. Aber die Definition einer ganzen Zahl N ist das Hauptproblem. Das Problem kann gelöst werden, indem die Phasendifferenz bei mehreren verschiedenen Wellenlängen gemessen wird. Da Phasendifferenzen gemessen werden, nennt man diese Methode Phase. Bei terrestrischen Phasenlicht- und Funkentfernungsmessern erfolgt die Messung nicht mit der Strahlungswellenlänge, sondern mit der viel längeren Modulationswellenlänge. Tatsache ist, dass die Frequenz der Strahlung selbst zu hoch ist, um die Phase zu bestimmen. Ein verallgemeinertes Schema zum Aufbau eines Phasenentfernungsmessers ist in Abb. dargestellt. 1.
Eine Licht- oder Radiowellenquelle sendet harmonische Trägerschwingungen der Form Asin(ωt + φo) aus. Doch vor der Strahlung wird einer dieser Parameter (bei Licht-Entfernungsmessern meist die Amplitude A, die die Lichtintensität bestimmt, und bei Funk-Entfernungsmessern die Frequenz f = ω / 2π) nach einem Sinusgesetz mit einer bestimmten Frequenz moduliert F, viel niedriger als die Trägerfrequenz f. Diese Frequenz entspricht längeren „Modulationswellen“, die die Rolle eines Maßbandes spielen, das in der gemessenen Entfernung platziert wird. In diesem Fall ist der Bruchteil der Regelung ΔN = Δφ/2π, wobei die Phasendifferenz Δph, die im Bereich von 0 bis 2π liegt, mit einem Phasenmesser gemessen wird. Bodengestützte Phasenentfernungsmesser messen Entfernungen bis zu mehreren zehn Kilometern mit einem Fehler von mehreren Zentimetern bis mehreren Millimetern. Das Pulsverfahren wird in der Geodäsie in der Regel im optischen Wellenlängenbereich mit leistungsstarken Laserstrahlungsquellen eingesetzt, die optische Pulse im sichtbaren oder häufiger im nahen Infrarotbereich des Spektrums erzeugen. Aufgrund der Schwierigkeit, kurze Impulse mit steiler Front zu bilden, ist die Genauigkeit dieser Methode jedoch geringer als die der Phasenmethode – bestenfalls Dezimeter. Daher werden gepulste Laserentfernungssysteme zur Messung sehr großer Entfernungen auf Weltraumpfaden (zu künstlichen Satelliten der Erde und sogar zum Mond) verwendet, bei denen aufgrund der großen Pfadlänge der relative Fehler sehr gering ist. Bei kurzen Entfernungen (zig und hundert Meter) ist die optische Interferenzmethode die genaueste, die es ermöglicht, diese Entfernungen mit einer Genauigkeit zu messen, die mit keiner anderen Methode erreichbar ist – bis zu Tausendstel Millimeter (Mikrometer). Die Umsetzung erfolgt mithilfe von Laserinterferometern mit einem Helium-Neon-Laser (He-Ne) geringer Leistung, der im roten Bereich des Spektrums bei einer Wellenlänge von λ = 0,63 μm emittiert. Das Interferometer ist nach dem in der Optik bekannten Michelson-Schema aufgebaut: Die Laserstrahlung wird in zwei Strahlen aufgeteilt, von denen einer mit Hilfe eines „Referenz“-Reflektors direkt auf den Fotodetektor gerichtet wird und der andere dort ankommt derselbe Fotodetektor, nachdem er die Distanz zum „entfernten“ Reflektor und zurück zurückgelegt hat. Auf dem Fotodetektor entsteht ein Interferenzmuster in Form eines Systems aus dunklen und hellen Bändern, von denen mit einer Blende nur ein Band unterschieden werden kann. Die Methode erfordert das Verschieben eines Distanzreflektors entlang der gesamten Messlinie. Wenn der Reflektor um die halbe Lichtwellenlänge bewegt wird, wird das Interferenzmuster um einen Streifen verschoben, und durch Zählen der Streifen, wenn der Reflektor vom Anfangs- zum Endpunkt der gemessenen Entfernung bewegt wird, erhält man diese Entfernung, wie in Phasenentfernungsmesser, indem die Anzahl der gezählten Streifen (Anzahl N) mit λ/2 multipliziert wird. Für einen beweglichen Reflektor ist es notwendig, sorgfältig angepasste Schienenführungen zu bauen, die starr auf starken Betonstützen befestigt sind. Gegenstand der Laserinterferenzmessungen ist daher die Schaffung stationärer Mehrsektionsbasen für messtechnische Zwecke zur Kalibrierung elektronischer geodätischer Entfernungsmesser. Fortschritte in der Radioastronomie ermöglichten die Entwicklung eines Radiointerferometers mit sehr langer Basislinie (VLBI). Es besteht aus zwei Radioteleskopen 1 und 2, die durch einen sehr großen Abstand (bis zu Tausenden von Kilometern) voneinander entfernt sind (Abb. 2), die Rauschstrahlung vom selben Quasar empfangen – einer extragalaktischen Radioquelle.
Radioteleskope zeichnen dieses Rauschsignal selbstständig (auf Videorecordern) auf. Beide Aufzeichnungen sind identisch, jedoch aufgrund der unterschiedlichen Entfernungen vom Quasar zu den Radioteleskopen zeitlich um einen Wert verschoben. Die Aufzeichnungen werden in einem Korrelator zusammengeführt, wodurch die Korrelationsfunktion der Rauschsignale ermittelt werden kann. Wenn eine davon als s1(t) und die andere als s2(t + τ) geschrieben wird, dann ist die Korrelationsfunktion K12 = , wobei spitze Klammern die Mittelung über einen Zeitraum bedeuten, der viel länger ist als die Periode der niedrigsten Frequenzkomponente der Signale s1 und s2. Die Korrelationsfunktion hat ein Maximum bei τ = 1. Daher kann man die Zeitverzögerung messen, indem man einen der Datensätze verschiebt, bis am Ausgang des Korrelators das maximale Ausgangssignal erhalten wird. Da sich aufgrund der Erdrotation die Differenz ΔS der Abstände zum Quasar und damit die Verzögerung m = ΔS/v periodisch ändert, entsteht eine „Interferenzfrequenz“ F, die ebenfalls gemessen werden kann. Die gemessenen Werte von τ und F werden verwendet, um die Länge der Basis (den Abstand zwischen Radioteleskopen) und die Richtung zum Quasar mit sehr hoher Genauigkeit (2...0 cm bzw. 2") zu bestimmen. Die Elektronik ermöglichte auch die Automatisierung von Winkelmessungen. Ein elektronischer Theodolit ist ein Gerät, das Winkelgrößen, die als System undurchsichtiger Striche oder Codespuren auf einer Glasscheibe aufgezeichnet werden, in elektrische Signale umwandelt. Die Scheibe wird von einem Lichtstrahl beleuchtet, und wenn der Theodolit auf dem Fotodetektor gedreht wird, wird ein Signal im Binärcode erzeugt, das nach der Decodierung den Winkelwert in digitaler Form auf dem Display anzeigt. Durch die Kombination eines elektronischen Theodoliten, eines kleinen Phasenlicht-Entfernungsmessers und eines Mikrocomputers in einem einzigen integralen oder modularen Design konnte eine elektronische Totalstation geschaffen werden – ein Gerät, mit dem Sie sowohl Winkel- als auch Linearmessungen mit der Möglichkeit ihrer Verbindung durchführen können Verarbeitung im Feld. Die Genauigkeit solcher Instrumente reicht für Winkelmessungen von wenigen Bogensekunden bis 0,5 Zoll, für lineare Messungen von (5 mm + 5 mm / km) bis (2 mm + 2 mm / km) und die Reichweite beträgt bis zu 2 ... 5 km . Lassen Sie uns abschließend noch kurz auf die Fortschritte bei den Nivellierungsarbeiten eingehen. Die Einführung der Lasertechnik in die Geodäsie hat insbesondere zur Entwicklung des Nivellierverfahrens „Laserebene“ (Laserplane-Systeme) geführt. Ein hellroter Strahl eines vertikal angeordneten He-Ne-Lasers fällt auf ein rotierendes Prisma, das einen Strahlschwenk in einer horizontalen Ebene erzeugt. Dadurch können Sie den Lichtpunkt auf der Schiene ablesen, der in jeder Richtung des Lasers platziert ist. Die fotoelektrische Anzeige ermöglicht eine Ablesegenauigkeit in der Größenordnung von 1 mm. Die Methode ist schnell und begrenzt die Anzahl der Schienen nicht, was für viele Vermessungen in großer Höhe praktisch ist. Für eine genaue Nivellierung wird derzeit eine digitale Wasserwaage entwickelt, die auf einer codierten Schiene funktioniert. Der Code enthält Informationen über die Höhe einer beliebigen Stelle auf der Schiene relativ zu ihrem „Nullpunkt“. Das Bild wird in ein elektrisches Signal umgewandelt und bei Arbeiten an zwei Schienen wird der Überstand zwischen den Einbaupunkten automatisch ermittelt. Erwähnenswert ist auch die breite Anwendung des He-Ne-Lasers in der angewandten Geodäsie, da der Laserstrahl eine physikalisch realisierte und nahezu perfekt gerade Referenzlinie im Raum ist, relativ zu der Messungen bei der präzisen Installation von Geräten durchgeführt werden. Bau usw. In den letzten 20 Jahren hat in der Geotronik ein neuer qualitativer Sprung stattgefunden, der als zweite Revolution der geodätischen Messungen bezeichnet wird. Dies ist die Schaffung globaler Satellitennavigations- und geodätischer Systeme. Sie implementieren grundlegend neue Messmethoden, auf die wir im zweiten Teil unseres Artikels eingehen werden. Das Aufkommen globaler Satellitensysteme ermöglichte es, jederzeit die Koordinaten an jedem Punkt der Erde zu bestimmen. Gleichzeitig wird auf die Referenzzeitskalen zurückgegriffen und für ein bewegtes Objekt dessen Geschwindigkeitsvektor (Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung) bestimmt. All dies zusammengenommen wird oft als „Satellitenpositionierung“ bezeichnet. Derzeit gibt es auf der Welt zwei globale Systeme: das amerikanische GPS (Global Positioning System) und das heimische GLONASS (Global Navigation Satellite System). Hierbei handelt es sich um Entfernungsmessungssysteme, die die Koordinaten eines bodengestützten Empfängers aus Entfernungsmessungen zu sich bewegenden Satelliten berechnen, deren momentane Koordinaten aufgrund des Betriebs des bodengestützten Komplexes bekannt sind. Der Empfängerstandort wird am Schnittpunkt aller gemessenen Entfernungen (linearer Schnittpunkt) ermittelt. Im Gegensatz zur terrestrischen Entfernungsmessung, bei der das Signal die gemessene Entfernung zweimal zurücklegt – in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung – verwenden Satellitensysteme eine unaufgeforderte Methode mit einem einzigen Durchgang des Signals entlang des Pfades. Das Signal wird vom Satelliten ausgesendet und von einem Bodenempfänger empfangen, der die Ausbreitungszeit τ bestimmt. Der Abstand zwischen Satellit und Empfänger p = vτ, wobei v die durchschnittliche Geschwindigkeit der Signalausbreitung ist. Lassen Sie den Satelliten zum Zeitpunkt t0 ein Signal aussenden, und dieses Signal kommt zum Zeitpunkt t0 + τ beim Empfänger an, und wir müssen m bestimmen. Dazu müssen der Satellit und der Empfänger Uhren haben, die streng miteinander synchronisiert sind. Das Satellitensignal enthält einen Zeitstempel, der alle paar Sekunden gesendet wird. Das Etikett „zeichnet“ den Zeitpunkt seines Abflugs vom Satelliten auf, der durch die Uhr des Satelliten bestimmt wird. Der Empfänger „liest“ den Zeitstempel und ermittelt anhand seiner Uhr den Zeitpunkt seines Eintreffens. Die Differenz zwischen den Zeitpunkten, zu denen das Tag den Satelliten verlässt und an der Empfängerantenne ankommt, ist das gewünschte Zeitintervall τ. Tatsächlich wird die Uhrensynchronisation nicht respektiert. Der Satellit legt die Frequenzstandards (und damit die Zeit) mit einer relativen Instabilität von 10-12...10-13 fest. Es ist unmöglich, solche Standards in jedem Empfänger zu haben; sie setzen dort gewöhnliche Quarzuhren mit einer Instabilität in der Größenordnung von 10-8 ein. Es erscheint ein unbekannter Wert Δh – die Differenz zwischen den Uhrenwerten des Satelliten und des Empfängers, die das Ergebnis der Entfernungsbestimmung verfälscht. Aus diesem Grund werden die aus Messungen ermittelten Entfernungen Pseudoentfernungen genannt. Wie sie die Koordinaten ermitteln, beschreiben wir im Folgenden. Die Systeme GPS und GLONASS bestehen aus drei Sektoren (Abb. 3).
Ein Weltraumsektor ist eine Ansammlung von Satellitensystemen, die oft als „Konstellation“ oder „Orbitalkonstellation“ bezeichnet werden. Eine vollständige Konstellation besteht aus 24 Satelliten. Bei GPS befinden sie sich in sechs um 60° gedrehten Orbitalebenen, bei GLONASS in drei um 120° gedrehten Ebenen. Fast alle Kreisbahnen haben eine Höhe von etwa 20 km, die Umlaufdauer beträgt knapp 000 Stunden. Der Führungs- und Kontrollbereich umfasst Ortungsstationen, einen Dienst zur genauen Zeit, eine Hauptstation mit Rechenzentrum und Stationen zum Herunterladen von Informationen auf Satelliten. Ortungsstationen ermitteln die Ephemeriden (Orbitalelemente) der Satelliten und berechnen deren Koordinaten. Die Informationen werden von den Ladestationen an die Satelliten übertragen und dann an die Empfänger gesendet. Der Anwenderbereich sind Satellitenempfänger, deren Anzahl nicht begrenzt ist, und ein Kamerakomplex zur Verarbeitung von Messungen („Post-Processing“, durchgeführt nach Feldbeobachtungen). Satellitensignal. Der Satellit sendet Signale auf zwei Trägerfrequenzen L1 und L2 aus. Sie unterliegen einer Phasenumtastung (PM) – einer Übertragung der Trägerphase um 180° zu Zeiten, die durch binäre Bereichscodes festgelegt werden. Eine Phasenumkehr entspricht einem Wechsel der Codes 0 auf 1 oder 1 auf 0. Bei Entfernungsmesscodes handelt es sich um einen solchen Wechsel von Zeichen (Nullen und Einsen), dass man darin keine Muster erkennen kann, aber nach einigen Zeitintervallen werden sie periodisch mit einer Genauigkeit von jedem Zeichen wiederholt. Solche Prozesse werden Pseudozufallssequenzen (PRS) genannt – sie bilden Pseudozufallscodes. Es werden zwei Codes verwendet: einer für „grobe“, der andere für „feine“ Messungen. Sie haben eine deutlich unterschiedliche Wiederholungsperiode (Codedauer). Bei GPS wird also jede Millisekunde ein grober Code wiederholt, der als C/A-Code (von den Worten „Coarse Aquisition“ – leicht erkennbar, öffentlich verfügbar) bezeichnet wird, und die Dauer des genauen Codes, der als „P-Code“ (Präzision – genau) beträgt 266,4 Tage. Die Gesamtdauer des P-Codes ist in wöchentliche Segmente unterteilt, die über alle Satelliten des Systems verteilt sind, d. h. der P-Code jedes Satelliten ändert sich jede Woche. Während der C/A-Code allen Benutzern zur Verfügung steht, war der P-Code ursprünglich nur für Personen mit autorisiertem Zugriff gedacht (hauptsächlich das US-Militär). Mittlerweile haben jedoch die Empfänger fast aller Nutzer Zugriff auf den R-Code. Im GLONASS-System ist die Situation ähnlich, der Unterschied liegt nur in den Namen: Der grobe Code wird ST-Code (Standardgenauigkeit) und der genaue Code BT-Code (hohe Genauigkeit) genannt. Es gibt jedoch einen grundlegenden Unterschied zwischen GPS und GLONASS in Bezug auf die Verwendung von Codes. Bei GPS sind sowohl der C/A-Code als auch der P-Code für jeden Satelliten mit den gleichen Trägerfrequenzen L1 und L2 unterschiedlich, während bei GLONASS im Gegensatz dazu die ST- und BT-Codes aller Satelliten gleich sind, aber der Träger Frequenzen sind unterschiedlich. Mit anderen Worten: GPS nutzt die Codetrennung, während GLONASS die Frequenztrennung von Satellitensignalen nutzt. Der grobe Code wird vom L1-Träger manipuliert, und der feine Code wird sowohl vom L1- als auch vom L2-Träger manipuliert. Das Satellitensignal „bettet“ auch alle vom Satelliten übertragenen Informationen ein und bildet eine Navigationsnachricht – Zeitstempel, Daten zur Ephemeride des Satelliten, verschiedene Korrekturwerte, Almanache (eine Sammlung von Daten über den Standort jedes Satelliten des Systems usw.). der Zustand seiner „Gesundheit“) usw. Es wird auch in Binärcode umgewandelt, der von beiden Trägern manipuliert wird. Die Frequenz der Symbole der Navigationsmeldung beträgt 50 Hz. Das allgemeine Schema der Bildung eines Satellitensignals im GPS ist in Abb. dargestellt. 4.
Moderne Satellitenempfänger können in zwei Hauptmodi arbeiten, den sogenannten Code- und Phasenmessungen. Codemessungen werden auch als absolut bezeichnet, da sie es Ihnen ermöglichen, die Koordinaten der Punkte X, Y, Z in einem geozentrischen (d. h. mit dem Ursprung im Massenschwerpunkt der Erde) rechteckigen Koordinatensystem und den Codemodus direkt zu bestimmen Messungen nennt man Navigation. Bei Codemessungen wird die Laufzeit des PM-Signals vom Satelliten zum Empfänger bestimmt, einschließlich der Verzögerung in der Atmosphäre und der relativen Uhrenkorrektur Δtch. Die Messungen werden nach der Korrelationsmethode durchgeführt. Im Empfänger wird genau das gleiche PSS gebildet wie auf dem Satelliten. Dieser lokale Code und das vom Satelliten empfangene Signal werden einem Korrelator zugeführt, der die Phase des Signals um 180° umkehrt, wenn sich die lokalen Codesymbole ändern. Die Verzögerung des lokalen Codes relativ zum Satelliten muss sich ändern, bis die Codes vollständig übereinstimmen. In diesem Moment wird die Manipulation am Ausgang des Korrelators entfernt und die Signalleistung steigt stark an (was dem Maximum der Korrelationsfunktion entspricht). Die erforderliche Verzögerung entspricht der Laufzeit des Signals. Auf diese Weise kann die Verzögerung nur innerhalb der Dauer des Codes (seiner Wiederholungsperiode) gemessen werden, die bei einem groben Code 1 ms beträgt. Die uns interessierende Ausbreitungszeit tr ist viel länger. In 1 ms legt eine Funkwelle 300 km zurück, und die Anzahl der ganzen Millisekunden in der Ausbreitungszeit wird durch den ungefähren Wert der Entfernung bestimmt, der bis auf 150 km genau bekannt sein muss. Bei Verwendung des exakten Codes tritt dieses Problem nicht auf, da seine Dauer größer ist als die Ausbreitungszeit τр. Nachdem man τр bestimmt und mit der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum multipliziert hat, erhält man die Pseudoentfernung Р, die mit der geometrischen Entfernung ð durch die Beziehung Р = ð + cΔtaðм + cΔtch in Beziehung steht, wobei cΔtaÌ die Signalverzögerung in der Atmosphäre ist (die sein kann mit unterschiedlicher Genauigkeit bestimmt); c ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. In diesem Verhältnis sind die Unbekannten p und Δtch. Der geometrische Abstand p zwischen Satellit und Empfänger kann jedoch durch deren Koordinaten ausgedrückt werden. Da die Satellitenkoordinaten aus der Navigationsnachricht bekannt sind, enthält p drei unbekannte Empfängerkoordinaten X, Y, Z, und die Gleichung für P enthält tatsächlich vier Unbekannte – X, Y, Z und At, . Durch die gleichzeitige Messung von bis zu vier Satelliten entsteht ein System aus vier Gleichungen mit vier Unbekannten, aus deren Lösung die gewünschten Koordinaten des Empfängers ermittelt werden. Gleichzeitigkeit ist notwendig, um die Konstanz des Wertes von Δtch aufrechtzuerhalten. Die Genauigkeit von Codemessungen wird durch die Verwendung eines Differentialverfahrens mit zwei Empfängern, von denen einer (Basis) an einem Punkt mit bekannten Koordinaten installiert ist und kontinuierlich im P-Code arbeitet, erheblich erhöht. Die von ihm gemessenen Pseudo-Entfernungen werden mit den aus den Koordinaten berechneten „Referenz“-Entfernungen verglichen. Die daraus resultierenden Differenzen oder Differentialkorrekturen werden an den Rover gesendet, um die Messungen zu korrigieren. Die Differenzialmethode liefert eine Genauigkeit von bis zu mehreren Dezimetern. Phasenmessungen werden mit zwei Empfängern durchgeführt und sind Relativmessungen, bei denen nicht die Koordinaten der Empfänger selbst, sondern die gleichnamigen Differenzen ihrer Koordinaten ermittelt werden. Der Phasenmessmodus wird als geodätisch bezeichnet, da er eine wesentlich höhere Genauigkeit bietet als der Codemess-Navigationsmodus. In diesem Fall wird nicht die Signallaufzeit vom Satelliten zum Empfänger gemessen, sondern die Phasenverschiebung der Trägerfrequenzschwingungen während dieser Zeit. Aus den Messungen können wir jedoch nicht die gesamte Phasenverschiebung φSR = 2 N + Δφ erhalten, die in der Entfernung vom Satelliten S zum Empfänger R „fortschreitet“, sondern nur deren Bruchteil Δφ, kleiner als 2π. Die unbekannte Anzahl vollständiger Phasenzyklen N ist die Anzahl ganzzahliger Wellenlängen, die in die Entfernung vom Satelliten zum Empfänger passen. Da die Entfernung groß ist (20 km) und die Wellenlänge klein ist (000 cm), liegt N in der Größenordnung von 20 Millionen und muss genau bestimmt werden: Ein Fehler pro Einheit ergibt einen Fehler im Bereich von 100 cm. Methoden Zur Lösung dieses Problems wurden Verfahren entwickelt, bei denen die mathematische Verarbeitung der Messergebnisse durch Software im Vordergrund steht. Aus Phasenmessungen werden Phasenpseudobereiche erhalten, in denen der Wert von Δtch eine etwas andere Interpretation hat. Wenn es bei Codemessungen die Nichtsynchronität der Satelliten- und Empfängeruhren widerspiegelt, ist es bei Phasenmessungen eine Folge der nichtsynchronen Schwingungen der Referenzoszillatoren des Satelliten und des Empfängers, die wir mit bf bezeichnen. Natürlich stehen Δtch und δφ in einer starren Beziehung zueinander: δφ = 2πf ·Δtch. Um δφ auszuschließen, reicht es aus, Messungen an zwei Satelliten durchzuführen. Der Wert von δφ kann als δφS – δφR dargestellt werden (dh die Differenz zwischen den Anfangsphasen der Schwingungen der Generatoren auf dem Satelliten und im Empfänger). Wenn Beobachtungen eines Satelliten gleichzeitig mit zwei voneinander entfernten Empfängern durchgeführt werden, wird der Wert δφS für den beobachteten Satelliten aus der Differenz der Ergebnisse ausgeschlossen. Wenn dieselben Empfänger den zweiten Satelliten beobachten, schließt die Differenz den Wert von δφS für diesen zweiten Satelliten aus. Wenn wir nun die Differenz der Differenzen – die sogenannte zweite Differenz – ausgleichen, wird der Wert von δφR für beide Empfänger ausgeschlossen. Die zweite Differenzmethode ist die wichtigste für hochpräzise geodätische Messungen. Die Pseudoentfernungsdifferenz der zweiten Phase enthält die Koordinaten von zwei Satelliten 1 und 2 und zwei Empfängern A und B. Bezeichnen wir sie mit P12 . Wenn wir Phasenpseudoentfernungen zu vier Satelliten an den Punkten A und B messen, können wir drei unabhängige Gleichungen aufstellen: für P12, P13 und P14, in denen drei Unterschiede derselben Koordinaten der Punkte A und B als Unbekannte fungieren: (ХА - ХB), (YА - YB), (ZA - ZB). Die Lösung eines solchen Gleichungssystems ermöglicht es, die Länge der Basis AB zu ermitteln, und wenn einer der Empfänger an einem Punkt mit bekannten Koordinaten platziert wird (was sie tun), können die Koordinaten des zweiten Punkts leicht ermittelt werden aus den ermittelten Differenzen ermittelt. Um Phasenmessungen bei Trägerfrequenzen durchzuführen, ist es notwendig, diese von der Codemodulation zu befreien. Dies wird erreicht, indem das vom Satelliten kommende Signal quadriert (mit sich selbst multipliziert) wird, wodurch aus einer Phasenänderung von 180° eine Änderung von 360° wird, d. h. die Phasenumtastung wird entfernt und der Träger wird wiederhergestellt (bei doppelter Frequenz). . Phasenmessungen ermöglichen eine Genauigkeit im Zentimeter- und in manchen Fällen sogar im Millimeterbereich. Der Umfang des Artikels erlaubt es nicht, viele interessante Details hervorzuheben, wir hoffen jedoch, dass der Leser einen allgemeinen Überblick über die Errungenschaften der neuen modernen Wissenschaft – der Geotronik – erhalten hat. Autor: A. N. Golubev, Doc. Technik. Wissenschaften, Prof. Moskauer Staatliche Universität für Geodäsie und Kartographie
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Es ist schwierig, den Bereich menschlicher Tätigkeit zu benennen, der nicht von den Errungenschaften der modernen Funkelektronik durchdrungen wäre. Nicht außer Acht gelassen wird eine der ältesten Wissenschaften – die Geodäsie, die Wissenschaft der „Vermessung der Erde“.
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