Географические информационные системы (ГИС) и глобальные системы позиционирования (GPS): принципы работы и применение

Географические информационные системы (ГИС) представляют собой компьютерные прикладные программы, предназначенные для организации и увязки пространственной информации, что позволяет пользователям конструктивно манипулировать данными. Данные системы обычно объединяют систему управления базами данных с графическим дисплеем, который отображает связи между различными типами информации, например геологическими единицами, рудными месторождениями и транспортными сетями. Ключевой особенностью ГИС является возможность накладывать новую информацию поверх существующего содержимого базы данных, позволяя хранить любые типы данных, относящиеся к определённой географической области. Эта функциональность поддерживает комплексный пространственный анализ и принятие решений в различных дисциплинах — от геологии до градостроительства.

ГИС служит мощным инструментом для анализа и планирования экологических данных, способствуя улучшенной визуализации и моделированию изменяющихся условий окружающей среды и их взаимосвязей. Данные технологии используются во многих областях для сбора и анализа информации, включая научные исследования в области охраны окружающей среды и здоровья человека, оценку рисков, экологическое моделирование, разведку природных ресурсов, устойчивое развитие, управление природными ресурсами, транспорт, борьбу с загрязнением воздуха и лесными пожарами. В науке, промышленности, бизнесе и государственном управлении ГИС помогает извлекать необходимую информацию из баз данных, адаптированных к конкретным потребностям пользователей. Благодаря интеграции пространственных данных с атрибутивными таблицами специалисты могут выявлять скрытые закономерности и прогнозировать развитие географических процессов.

Чтобы ГИС сохраняла точность, данные должны вводиться с точным знанием местоположения объектов на местности, привязанных к картографической сетке или системе отсчёта. Ориентиры (реперы) — это чётко очерченные, равномерно закреплённые точки на поверхности Земли, используемые в качестве ориентира для последующих измерений; они обычно обозначаются круглыми бронзовыми дисками диаметром 3,75 дюйма (10 см), вделанными в коренную породу или постоянные сооружения. В Соединённых Штатах контрольные ориентиры устанавливаются и поддерживаются Береговой и геодезической службой США и Геологической службой США. Исторически высотные ориентиры определялись с помощью дифференциального нивелирования; сегодня более распространены спутниковые системы дифференциального глобального позиционирования. На топографических картах ориентиры часто обозначаются аббревиатурой B.M. и необходимы для определения высот, геодезии и строительства.

Географические информационные системы обычно используются наряду с глобальными системами позиционирования (GPS) для сбора пространственно точных данных о местоположении в полевых условиях. GPS была разработана Министерством обороны США для предоставления военным превосходных навигационных возможностей, применимых в любой точке мира. Министерство обороны инвестирует миллиарды долларов в разработку и обслуживание программы GPS, которая значительно усовершенствовалась с момента её создания в 1960-х годах. Современные GPS-технологии стали доступны гражданским пользователям и играют ключевую роль в транспорте, геодезии, картографии и геодинамических исследованиях.

Конфигурация глобальной системы позиционирования включает три основных компонента: спутники GPS, сегмент управления и GPS-приёмники. Работая вместе, эти компоненты предоставляют пользователям GPS-устройств точное местоположение на поверхности Земли, а также дополнительную полезную информацию, такую как время, высота и направление движения. Понимание того, как функционирует GPS, требует знания этих компонентов и их взаимосвязей. Каждый из трёх сегментов вносит свой вклад в общую точность и надёжность навигации.

Спутники GPS, называемые спутниками Navstar, составляют ядро глобальной системы позиционирования. Каждый спутник Navstar оснащён атомными часами и радиооборудованием для передачи уникального сигнала, называемого псевдослучайным кодом, а также эфемеридных данных, касающихся точного положения спутника относительно Земли и астрономических систем отсчёта. Этот уникальный сигнал отличает один спутник от другого и предоставляет GPS-приёмникам точную информацию о местоположении спутника. Спутники движутся по определённым орбитам вокруг Земли, и их совместное расположение называется созвездием. Система GPS Navstar сконфигурирована таким образом, что в любой точке земной поверхности GPS-приёмник может обнаруживать сигналы как минимум от шести спутников Navstar, что делает точное обслуживание системы необходимым для правильной работы GPS.

Поддержание орбит спутников осуществляется сегментом управления (или центрами спутникового управления) со станциями, расположенными на Гавайях, острове Вознесения, Диего-Гарсии, Кваджалейне и в Колорадо-Спрингс. Если какой-либо спутник слегка отклоняется по высоте или от своей правильной траектории, сегмент управления инициирует корректирующие действия для восстановления точной целостности созвездия. Постоянный мониторинг и коррекция позволяют поддерживать высокую точность позиционирования. Без этой наземной поддержки GPS-сигналы быстро теряли бы свою надёжность.

Наиболее заметным компонентом для пользователей GPS-устройств является GPS-приёмник. GPS-приёмники — это устройства однонаправленной асинхронной связи, которые не передают никакой информации на спутники Navstar, а только принимают сигналы от них. В последние годы наблюдается миниатюризация и массовое распространение GPS-приёмников, которые теперь достаточно компактны, чтобы их можно было интегрировать в гибридные устройства, такие как сотовые телефоны, радиоприёмники и настольные аксессуары. GPS-приёмники также являются стандартным оборудованием многих транспортных средств для наземных, морских и воздушных перевозок. Точность обычных GPS-приёмников обычно составляет около девяти футов (2,7 м), в то время как современные геодезические приёмники могут определять местоположение с точностью менее одного сантиметра.

GPS-приёмники определяют местоположение на поверхности Земли с помощью трилатерации — процесса, который вычисляет расстояния между спутниками Navstar и приёмником. Для этого необходимо выполнить два условия: местоположение спутников Navstar должно быть известно, и должен существовать механизм точного измерения времени. Для очень точных измерений необходима дополнительная система для согласования ошибок, вызванных различными явлениями, такими как атмосферные искажения. GPS-приёмники запрограммированы на определение местоположения всех спутников Navstar в любой момент времени. Сочетание внутренних часов приёмника и согласования сигналов трилатерации (выполняемого самим приёмником) обеспечивает точный механизм синхронизации.

Когда GPS-приёмник пытается определить своё местоположение, он принимает сигналы от спутников Navstar; измеряя временной сдвиг между внутренним генератором псевдослучайного кода приёмника и принятым сигналом, приёмник применяет простое уравнение расстояния для вычисления дистанции до каждого спутника. Для точного определения местоположения точки на поверхности Земли требуется выполнить по крайней мере три измерения расстояния. При одном измерении приёмник помещается в трёхмерную дугу; при двух измерениях область сужается до окружности; при трёх измерениях определяется одна из двух возможных точек. Одна из этих точек, как правило, находится в пространстве или движется с невероятной скоростью, поэтому GPS-приёмник устраняет её, тем самым определяя фактическое местоположение. Четвёртое измерение позволяет уточнить точное положение и предоставляет необходимые геометрические данные для синхронизации внутренних часов приёмника с часами спутника Navstar.

В зависимости от качества GPS-навигатора во время расчёта местоположения может быть выполнена коррекция ошибок. Ошибки возникают из-за множества причин: атмосферные условия в ионосфере и тропосфере изменяют скорость света, внося искажения в простое уравнение расстояния. Моделирование погоды может помочь рассчитать разницу между идеальной скоростью света и её вероятной скоростью прохождения через атмосферу, а расчёты, основанные на скорректированной скорости, дают более точные результаты. Однако, поскольку погодные условия редко соответствуют моделям, для уменьшения атмосферной погрешности используются другие методы, например двухчастотные измерения (сравнение двух разных сигналов для вычисления фактической скорости псевдокодового сигнала).

Наземные помехи, такие как ошибка многолучевости (вызванная отражением сигналов от объектов на поверхности Земли), могут быть обнаружены и отклонены в пользу прямых сигналов с помощью сложных алгоритмов выбора сигнала. Ещё один источник ошибок возникает, когда спутники Navstar незначительно смещаются с расчётных орбит; даже отклонение на несколько метров от расчётного положения может повлиять на точность измерений. Геометрическую погрешность можно уменьшить, используя спутники, расположенные далеко друг от друга, а не близко друг к другу, поскольку большие расстояния между спутниками ослабляют определённые геометрические ограничения. Этот подход называется выбором спутников с наилучшей геометрией (DOP).

Когда требуется точность до сантиметра, только современные GPS-приёмники с расширенными возможностями могут производить такие точные измерения. В этих приёмниках используется один из нескольких методов для более точного определения местоположения, прежде всего за счёт уменьшения погрешности или использования методов сравнения сигналов. Одним из таких методов является дифференциальный GPS (DGPS), в котором используются два GPS-приёмника: один отслеживает изменения спутниковых сигналов и передаёт эту информацию второму приёмнику, который затем определяет своё местоположение более точно за счёт улучшенной коррекции ошибок. Другой метод использует фазу несущей сигнала в качестве механизма синхронизации; поскольку несущая сигнала работает на более высокой частоте, чем псевдослучайный код, сигналы несущей могут более точно синхронизировать таймеры.

Наконец, геостационарный спутник может служить ретрансляционной станцией для передачи дифференциальных поправок и спутниковых данных GPS. Этот подход, называемый дополненной системой GPS, лежит в основе новой системы WAAS (Wide Area Augmentation System) — широкозонной функциональной дополненной системы, установленной в Северной Америке. Система WAAS включает 25 наземных станций мониторинга и два геостационарных спутника WAAS, что обеспечивает превосходную коррекцию ошибок. Этот тип GPS необходим для авиационной навигации, точного захода на посадку и других приложений, требующих высочайшей надёжности. Благодаря таким технологиям ГИС и GPS стали неотъемлемыми инструментами современной геоинформатики, геодинамики и управления территориальным развитием.

Источники: Демерс, Майкл Н. Основы геоинформационных систем. 4-е изд. Нью-Йорк: John Wiley & Sons, 2007.
Горр, Уилпен Л. и Кристен С. Курланд. Учебник по ГИС: Рабочая тетрадь для ArcView 9. 3-е изд. Редлендз, Калифорния.: Издательство ESRI, 2008.

Лонгли, Пол А. Географические информационные системы и науки. 2-е изд. Нью-Йорк: John Wiley & Sons, 2005.
Юнг, Альберт К. У. Концепции и методы геоинформационных систем. 2-е изд. Аппер-Седл-Ривер, Нью-Джерси: Прентис-Холл, 2007.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам естественнонаучных направлений (геологии, географии, геофизики, астрофизики и космологии), начинающим специалистам в области структурной геологии, тектоники, космологии и астрофизики, а также всем, кто интересуется фундаментальными загадками устройства Вселенной и процессами формирования Земли.