ГИС тема 02 позиционирование и навигация
description
Transcript of ГИС тема 02 позиционирование и навигация
![Page 1: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/1.jpg)
Лекция 2. Позиционирование и навигация
Геоинформационные системы
![Page 2: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/2.jpg)
2
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?
![Page 3: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/3.jpg)
3
А земля-то круглая!
Экватор
7,50
Александрия
Сиена
7,50
x ( /180) x r x ( /180) x r
/ 180
lR
Эратосфен:R=6400 км.
![Page 4: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/4.jpg)
4
Маятник Фуко
свободное крепление маятника
тяжёлый груз отсутствие влияния
ветра Отсутствие бокового
толчка при запуске маятника
![Page 5: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/5.jpg)
5
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 обменСостав: Земная кора Тропосфера Стратосфера Гидросфера Биосфера Стратисфера
![Page 6: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/6.jpg)
6
Триангуляция
![Page 7: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/7.jpg)
7
Сферическая система координатISO 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) уголφ – азимутальный угол
sin cos
sin sin
cos
x r
y r
z r
![Page 8: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/8.jpg)
8
Географические координаты
Широта? — угол между местным направлением зенита и плоскостью экватораДолгота? — угол между плоскостью меридиана, проходящего через данную точку, и плоскостью начального нулевого меридиана, от которого ведётся отсчёт долготыВысота? над уровнем моря
![Page 9: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/9.jpg)
9
Проекция земли
![Page 10: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/10.jpg)
10
Геоид
- фигура, которую образовала бы поверхность Мирового океана и сообщающихся с ним морей при некотором среднем уровне воды, свободной от возмущенийприливами, течениями, разностями атмосферного давления и т.д.
![Page 11: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/11.jpg)
11
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
![Page 12: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/12.jpg)
12
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-эллипсоидПараметры: большая полуось (экваториальный радиус)
эллипсоида, a малая полуось (полярный радиус), b геометрическое (полярное) сжатие , a b
fa
![Page 13: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/13.jpg)
13
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:
2 minii
h
![Page 14: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/14.jpg)
14
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
![Page 15: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/15.jpg)
15
Почему так много?
Доступные технологии измерения Место исследований Картируемая область Политические причины (Страны
Варшавского договора против НАТО)Средние значения:Экваториальный радиус: 6,378kmПолярный радиус: 6,357km
ARCINFO поддерживает 26 сфероидов
![Page 16: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/16.jpg)
16
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
![Page 17: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/17.jpg)
17
Основные референц-эллипсоиды
Учёный Год Страна a, км 1/f
Деламбр 1800 Франция 6375,653 234,0
Бессель 1841 Германия 6378,397 299,2
Кларк 1886 Великобритания 6378,206 294,28
Хейфорд 1910 США 6378,388 297,0
Красовский 1940 СССР 6378,245 298,3
![Page 18: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/18.jpg)
18
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
N E+ +
N W+ -
S E- +
S W- -
Меридиан
![Page 19: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/19.jpg)
19
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 используетсягеографическая широта
a– большая полуось
b –
мал
ая п
олуо
сь
dc
1° lat = 1° long = 111,2215 км. (WGS84)
Эллипсоид
Земля – не идеальный сфероид!касательная
a bf
a
![Page 20: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/20.jpg)
20
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
![Page 21: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/21.jpg)
21
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
![Page 22: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/22.jpg)
22
Геодезические инструменты
Триангуляция Теодолиты Уровни Нивелиры Тахеометры GPS
![Page 23: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/23.jpg)
23
Проблема измерения высот
ГеоидОртометрическая высота
Сфероид
Земная поверхность
Высота эллипсоида
U.S.
высота геоида
На западе высоты отсчитывают от геоидаВ РФ – от квазигеоида
![Page 24: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/24.jpg)
24
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
![Page 25: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/25.jpg)
25
Вопрос
Чем объясняется смена времен года? Обращением Земли вокруг Солнца Наклоном оси вращения Земли к плоскости
орбиты Сохранением направления оси в пространстве
![Page 26: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/26.jpg)
26
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?
![Page 27: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/27.jpg)
27
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)
![Page 28: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/28.jpg)
28
Вопрос
Что называют большой полуосью? Что называют малой полуосью?
![Page 29: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/29.jpg)
29
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.)
![Page 30: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/30.jpg)
30
UTC (универсальное координированное время)
UTC – замена GMT Равномерная шкала атомного времени Не переводится зимой и летом Часовые пояса – как смещение
относительно UTC
![Page 31: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/31.jpg)
31
Навигация
Астрономическая Секстант (измерение широты) Хронометр (измерение долготы) Компас
Спутниковая GPS ГЛОНАСС GNSS Galileo IRNSS
Рентгеновское излучение от других звезд
![Page 32: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/32.jpg)
32
Спутниковые навигационные системыОсновные 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
![Page 33: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/33.jpg)
33
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.
![Page 34: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/34.jpg)
34
ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система)
с 1982 г. 20 функционирующих спутников (30 в плане) Два диапазона приема 3 орбитальных траекторииПокрытие: Россия – 100% Европа – 98% Остальной мир - >80%
![Page 35: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/35.jpg)
35
GALILEO
Не контролируется ни государственными, ни военными учреждениями
3 орбитальных траектории 30 спутниковСлужбы: Открытая общая служба Служба повышенной надёжности Коммерческая служба Правительственная служба Поисково-спасательная служба
![Page 36: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/36.jpg)
36
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
![Page 37: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/37.jpg)
37
Измерение расстояний и времени Скорость света X Время = расстояние Для вычисления всех трех координат нужны
4 спутника
Timedifference
![Page 38: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/38.jpg)
38
Снижение точности (DOP)
Орбиты спутников Наличие объектов-помех, закрывающие
Необходимые области неба Влияние атмосферы Отражение радиоволн Отсутствие атомных часов
![Page 39: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/39.jpg)
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
![Page 40: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/40.jpg)
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
![Page 41: ГИС тема 02 позиционирование и навигация](https://reader038.fdocuments.net/reader038/viewer/2022103001/557f41d1d8b42aba678b4f1e/html5/thumbnails/41.jpg)
41
Словарь
Футшток – уровнемер в виде рейки (бруса) с делениями, установленный на водомерном посту для непосредственных визуальных наблюдений
Эклиптика – большой круг небесной сферы, по которому происходит видимое годичное движение Солнца
WGS84 – общеземной эллипсоид, используемый в GPS Latitude – широта Longitude – долгота geodetic latitude – географическая широта geocentric latitude – геоцентрическая широта DOP (Dilution of precision) – снижение точности расчёта
координат в системах позиционирования UTC – Universal Coordinated Time GMT – Greenwich Mean Time