Points d’article
Le processus d’observation des premiers satellites artificiels de la Terre a révélé un modèle intéressant: la position spatiale du satellite peut être calculée avec une bonne précision à tout moment. Ce fait scientifique a poussé les scientifiques à une découverte vraiment révolutionnaire – utiliser des satellites situés à des centaines de kilomètres de la Terre pour déterminer la position spatiale des objets terrestres..
Des articles précédents de notre cycle « Géodésie appliquée », nous avons appris que pour déterminer les coordonnées d’un point inconnu, nous avons besoin de deux points de coordonnées connues, qui sont fixés de manière rigide au sol (points du réseau géodésique d’État). Parfois, ils étaient loin du sujet, ce qui obligeait les interprètes à poser des passages de théodolite, souvent à plusieurs kilomètres. Or, les satellites se déplaçant constamment dans l’espace sont devenus une sorte de points «durs», par rapport auxquels les coordonnées des objets au sol sont déterminées.
GPS
Le GPS (Global Positioning System – Global Positioning System) est un ensemble de moyens radio électroniques qui calculent l’emplacement et la vitesse d’un objet à la surface de la Terre ou dans l’atmosphère. Ces paramètres sont déterminés grâce au récepteur GPS, qui reçoit et traite les signaux des satellites. Pour améliorer la précision des mesures, le système de positionnement comprend également des centres de contrôle au sol et de traitement des données.
Quand il s’agit de GPS, nous entendons le plus souvent le système NAVSTAR, développé par ordre du département américain de la Défense. En général, beaucoup de choses innovantes ont d’abord été «testées» par les militaires, puis elles ont été «diffusées aux masses». Depuis de nombreuses années, le terme «GPS» est devenu synonyme de navigation par satellite, tout comme le néologisme «Xerox» signifie, en principe, tout copieur, et pas seulement la production de XEROX. En ce moment, en plus du GPS NAVSTAR, le Beidou chinois, le Galileo européen, l’IRNSS indien, le QZSS japonais et notre GLONASS natif sont en cours de développement ou de lancement..
Les méthodes de mesure de l’espace sont utilisées pour:
- géodésie et cartographie
- construction
- la navigation
- surveillance des véhicules
- communications mobiles
- opérations de secours
- surveillance du mouvement tectonique des plaques de croûte terrestre
et dans de nombreux autres domaines de l’activité humaine. Examinons plus en détail certains des principaux domaines d’application des systèmes de mesure spatiale..
GNSS
Nous rencontrons des appareils de ce système de navigation au niveau domestique, sous l’abréviation GNSS le terme «Global Navigation Satellites System» est caché. Le principe de fonctionnement d’un système de navigation par satellite est de mesurer la distance entre l’antenne du récepteur et les satellites dont les positions sont connues avec une précision suffisamment élevée. La table de position du satellite s’appelle l’almanach et est transmise au moment du début des mesures du satellite vers le récepteur. Ainsi, connaissant les distances entre les satellites, et étant guidé par l’almanach, vous pouvez, à l’aide des constructions géodésiques les plus simples, que nous avons envisagées dans les articles précédents de notre cycle, calculer la position spatiale de l’objet.
Le procédé de mesure de la distance d’un satellite à un récepteur est basé sur la détermination de la vitesse de transmission des ondes radio. Pour permettre des mesures, les satellites émettent des signaux horaires précis, synchronisés à leur tour avec une horloge atomique de haute précision. Au début du fonctionnement, l’heure système du récepteur est synchronisée avec celle du satellite, et d’autres mesures sont basées sur la différence entre l’heure d’émission du signal et l’heure de sa réception. Sur la base de ces données, le dispositif de navigation calcule la position spatiale de l’antenne terrestre, et la vitesse, la trajectoire et d’autres paramètres de l’objet sont dérivés de la position initiale du récepteur. Comme vous vous en souvenez probablement de votre cours de physique au lycée, la vitesse des ondes radio est égale à la vitesse de la lumière, vous pouvez donc imaginer quelle est la précision globale du système qui détermine la distance en millisecondes..
Antenne GNSS / GPS
Pourquoi, dans certains cas, nous obtenons une valeur de localisation assez précise et, dans certains cas, la valeur n’est pas entièrement correcte? Tous les récepteurs ne disposent pas d’une horloge atomique intégrée, par conséquent, pour synchroniser et déterminer la position avec une précision acceptable, il est nécessaire de recevoir simultanément un signal d’au moins trois satellites. La force du signal reçu est affectée par le champ gravitationnel de la terre, les obstacles sous forme d’arbres, de maisons, de signaux réfléchis (fantômes), les interférences atmosphériques et un certain nombre d’autres raisons. Puisqu’il est impossible de placer des émetteurs haute puissance sur le satellite, vous obtiendrez l’emplacement le plus précis dans des espaces ouverts avec un horizon clair.
Maintenant, cher lecteur, qui possède un smartphone avec un récepteur GPS intégré, nous nous empressons de vous décevoir – vous ne pouvez pas postuler pour ouvrir une société géodésique. En effet, le récepteur de poche utilise une méthode appelée absolue pour calculer la position. Avec l’observation simultanée de 4 satellites, la précision de positionnement peut atteindre 8 mètres, ce qui est suffisant pour les mesures de navigation. Pour la géodésie, une méthode de mesure relative est utilisée, dans laquelle au moins deux récepteurs sont utilisés. L’un d’eux est fixé à un point avec des coordonnées connues (ce que l’on appelle la «base»), et le second est utilisé pour déterminer les coordonnées de points inconnus. Lorsque 2 récepteurs fonctionnent ensemble, la précision de la mesure augmente 100 fois, et nous pouvons déjà obtenir des coordonnées avec une précision centimétrique, ce qui est suffisant pour les besoins géodésiques.
GPS pour travaux géodésiques
Pour utiliser les systèmes d’observation spatiale pour le travail topographique, plusieurs méthodes sont utilisées, qui diffèrent par la précision des valeurs obtenues et le temps passé à les obtenir..
Statique
Pour déterminer les coordonnées d’un point inconnu, un récepteur est installé sur le point de triangulation ou de polygonométrie (point connu), et l’autre récepteur est placé sur le point dont les coordonnées doivent être déterminées. En outre, les dispositifs sont initialisés de manière synchrone, car les mesures ne commencent que lorsque deux récepteurs sont allumés simultanément. Si l’un des appareils a fonctionné pendant une demi-heure et l’autre pendant 15 minutes, seules 15 minutes de collaboration seront utilisées pour obtenir des données. Une fois que les récepteurs ont trouvé les satellites, la collecte des données commence, qui sont ensuite traitées sur un ordinateur..
Cela prend généralement 15 à 30 minutes entre la mise sous tension de l’instrument et le début du travail (obtention des valeurs correctes), en fonction des satellites observés simultanément. Dans les 20-30 premières minutes, la « base » fournit une couverture avec une précision de mesure suffisante de la zone de 5 kilomètres, puis toutes les 10 minutes, ce rayon augmente de 5 km, respectivement, connaissant la distance approximative de la station au point de base, vous pouvez calculer approximativement le temps de repos de l’instrument pour positionnement précis.
Comme nous pouvons le voir sur la capture d’écran de l’un des programmes de réglage des données, la barre verte est le temps de fonctionnement de base, et les courtes barres colorées sont le temps passé par les récepteurs à la station avec des coordonnées inconnues. À l’aide d’un logiciel spécialisé, vous pouvez rejeter les valeurs de mesure incorrectes et augmenter la précision globale des valeurs obtenues.
L’avantage de cette méthode est la grande précision de mesure, le moins est le temps passé à initialiser chaque point.
Cinématique
La « base » est située de la même manière en un point de coordonnées connues, et le deuxième récepteur, après initialisation, peut enregistrer des points en mouvement sans initialisation supplémentaire avant chaque mesure. Si dans la première méthode, nous obtenons, supposons, deux points de base à partir desquels l’enquête tachéométrique sera effectuée, c’est-à-dire pour le travail, nous avons encore besoin d’une station totale, puis dans le cas de mesures cinématiques, deux récepteurs suffisent, dont l’un remplit la fonction de station totale, le temps d’enregistrement des points est de 1 à 2 minutes.
Cette méthode est bien adaptée pour l’arpentage d’objets linéairement étendus tels que les lignes électriques, les canaux, les routes, les oléoducs, etc. L’avantage de cette méthode est de gagner du temps, l’inconvénient est qu’il est conseillé d’effectuer des mesures à une courte distance de la base, environ 5-15 km. Si le signal du satellite disparaît soudainement, la procédure d’initialisation devra être répétée, donc cette méthode n’est pas toujours possible d’appliquer dans les grandes villes où de grands immeubles et des arbres couvrent l’horizon.
GPS RTK
Si les deux premières méthodes nous donnent la position d’un point dans le système de coordonnées international, qui doit ensuite être converti en un système régional, alors la méthode RTK (de l’anglais Real Time Kinematic – cinematics in real time) nous permet d’obtenir les valeurs de la position spatiale des points dans le système de coordonnées adopté pour notre zone en utilisant un seul récepteur. Non, le point de base existe sans aucun doute, mais dans ce cas, les points de base sont fixés sur de grands immeubles et forment ensemble un réseau, semblable à un réseau mobile. Le récepteur et les stations de base échangent des informations via Internet, ce qui leur permet de se synchroniser non seulement avec les satellites, mais aussi entre eux, en contournant la chaîne de recalcul et d’ajustement des coordonnées dans un logiciel spécialisé.
Comme vous le comprenez, les stations de base sont loin d’être construites par des passionnés, leur accès est payant, mais c’est plus que récompensé par le nombre d’heures de travail passées. En effet, si dans le cas des mesures statiques, l’équipe est composée d’au moins trois personnes, dont l’une garde la «base», et les deux autres effectuent des levés à l’aide d’une station totale, alors un seul spécialiste suffit pour les mesures RTK. L’initialisation de ces appareils se produit presque instantanément, après quelques minutes, l’outil est prêt à collecter des données ou à effectuer l’action inverse – pour effectuer l’implantation de points d’enquête calculés à l’avance sur un ordinateur, ce qui est nécessaire, par exemple, lors de la mise en place d’une parcelle pour la construction. C’est la technologie du futur. En général, aussi paradoxal que cela puisse paraître, la prochaine génération de géomètres sera représentée par des informaticiens, l’ère des calculatrices programmables et des tables Bradis est définitivement révolue..
GPS vs GLONASS
Pour déterminer les coordonnées de NAVSTAR GPS et GLONASS, 21 satellites actifs et trois satellites de réserve sont utilisés, tournant sur des plans orbitaux circulaires, et ces avions dans le système GPS sont trois fois plus nombreux que dans GLONASS. Les satellites sont équipés de panneaux solaires et volent à plus de 20 km au-dessus de la surface de la Terre. Une telle distance de la planète et le nombre de satellites permettent l’observation simultanée d’au moins 4 satellites pratiquement partout dans le monde. Temps d’une révolution complète autour de la Terre – 12 heures cosmiques.
Dans le système GPS, tous les satellites émettent un signal à deux fréquences identiques, et chaque appareil envoie son propre code individuel qui permet d’identifier les satellites. GLONASS a le même code pour tous les satellites, la diffusion est également effectuée dans deux bandes. Comme vous pouvez le voir, les paramètres des systèmes sont à peu près les mêmes, alors qui est le meilleur?
Si le GPS fournit une précision suffisante pour déterminer les coordonnées dans le monde, alors GLONASS est «affûté» pour les réalités russes, ce qui lui permet théoriquement de déterminer plus précisément la position spatiale des points au sol dans notre pays. Le système de positionnement russe ne dépend pas de l’humeur de «l’Oncle Sam», qui pendant les conflits militaires a délibérément abaissé la précision de la mesure, codant partiellement le signal. Dans tous les cas, le GPS et le GLONASS ne sont pas des concurrents, mais en quelque sorte des alliés, il est donc logique d’acheter des récepteurs prenant en charge simultanément deux systèmes, la précision n’en bénéficiera que..
Pouvez-vous expliquer comment la géodésie appliquée permet de comprendre les bases des dimensions cosmiques ?