Главным на современном этапе достижением в области технологии глобальных измерений на основе навигационных спутниковых систем (ГНСС) является возможность быстрого высокоточного определения пространственных координат в единой геоцентрической системе координат. Созданные первоначально для военных целей ГНСС (GNSS) – GPS NAVSTAR (США) и ГЛОНАСС (Россия) – с 1983 г. обрели возможность применяться для гражданских целей. Сначала с искусственным ограничением по точности определения пространственных координат до 50–100 м, а с 2000 г. – до 5–10 м. Такая точность вполне достаточна для навигации транспортных средств, проведения геодезических съемок, обновления мелкомасштабных топокарт, привязки крупных геологических объектов и некоторых других видов работ.
Однако, при выполнении ряда прикладных задач требуется более высокая точность, поэтому разрабатывались новые технологические решения. На первом этапе для повышения точности измерений координат был предложен статический метод измерений с использованием дифференциальных поправок (DGPS). Метод DGPS использует для приема сигналов два неподвижных, пространственно разнесенных спутниковых приемника. Совместная постобработка получаемых данных обеспечивает определение приращений координат с точностью 1–2 см при расстоянии между точками в 10–20 км.
Дальнейшее развитие DGPS привело к разработке кинематического ме¬тода. Этот метод предполагает, что во время измерений один приемник (локальная базовая станция) постоянно находится в одной и той же точке, а другой – перемещается по заданному маршруту. В результате постобработки определяются относительные координаты точек нахождения во время измерения второго приемника. Кинематический метод позволяет определить относительные координаты снимаемых точек на расстоянии в 2–5 км с точностью до 1 см. При этом время измерений составляет не менее одного часа. Интеграция спутниковых технологий со средствами радиосвязи дала возможность в 1992 г. разработать быстрый кинематический метод, работающий в режиме реального времени (RTK). Метод RTK позволяет определять координаты подвижного приемника на расстоянии 2–20 км с точностью до 1 см за время, равное не более 5 мин.
Основной недостаток этого метода – передача сигнала по аналоговому радиоканалу. В период 1995–1999 гг. активно создается инфраструктура средств сотовой связи. Использование цифровых каналов GSM позволило с сохранением точности увеличить расстояние от приемника до базовой станции при измерениях быстрым методом RTK до 30 км, а медленным методом DGPS – до 100 км. Время, необходимое для одного измерения на подвижной станции, удалось сократить до 10 с. Интеграция спутниковых и интернет-технологий, включая GPRS, позволила значительно сократить стоимость услуг по передаче данных, сохранив при этом все преимущества GSM-связи. Время одного измерения на подвижной станции сократилось до 1 с. Это дало возможность расширить область применения ГНСС. ГНСС-технологии стали широко использоваться при выносе на местность проектов строящихся зданий и сооружений, для наблюдения за их состоянием в процессе строительства и эксплуатации и т.д.
С другой стороны, совершенствование методик обработки и приемной аппаратуры позволили для медленных измерений (DGPS) на коротких базах до 20 км достигнуть точности 1–5 мм, а на длинных (1000 км) – сантиметровой точности. Эти достижения с использованием традиционных геодезических технологий позволили разворачивать наземные триангуляционные сети нового поколения. Элементы подобной сети создаются на основе базовых станций. Сеть быстро разворачивается, а положение узлов постоянно контролируется, поэтому следующим этапом развития ГНСС-технологий стала технология, основанная на использовании всех преимуществ такой сети. В этом случае для определения неизвестных координат приемника используются данные не одной, а нескольких базовых станций. Для реализации такой схемы был разработан сетевой (Network) кинематический метод, который при использовании режима реального времени получил название Network RTK.
В сетевом подходе при сохранении точности измерений повышается дальность относительных измерений и защищенность получаемых результатов от случайных ошибок. В нем отсутствуют ограничения на масштабы сетей и, следовательно, сети могут быть локальными (местными), региональными (национальными) и глобальными (международными). Для последних предпочтительно использовать единую геоцентрическую систему координат. Возможность поддержки неограниченного числа пользователей в сети гарантирует экономическую окупаемость затрат на ее создание и эксплуатацию. Преимущества сетевого метода достигаются за счет:
- постоянного измерения сигналов GPS на базовых станциях сети;
- возможности моделирования величин систематических ошибок, вызванных состоянием ионосферы, тропосферы и орбитальных погрешностей спутников по всей области сети базовых станций;
- наблюдения за деформациями строящихся и эксплуатируемых зданий и сооружений повышенной этажности и большой протяженности,
- для предсказаний землетрясений, цунами, наводнений.
Особую роль сети базовых станций ГНСС играют для районов, с высокой вероятностью стихийных бедствий. В этих районах создаются сети с большим количеством базовых станций. Так, например, в Лос-Анджелесе (штат Калифорния, США) была создана сеть из 250 станций ГНСС, а в Японии — из 1200 станций.
Сопряжение наземной системы координат со спутниковой и звездной позволяют технологии измерения ГНСС использовать для наблюдения за глобальной геодинамикой – наблюдением за движением полюсов, земного ядра, тектонических плит, скоростью вращения Земли, приливной динамикой. Такие работы ведутся в рамках специальных международных служб (Международная геодинамическая GPS служба (IGS)) и организаций (Международная Геодезическая Ассоциация (IAG)). Относительно недорогое GPS-оборудование и программное обеспечение позволяет участвовать в процессе наблюдения за геодинамикой как службам малых стран, так и отдельным научным организациям. Основное требование – разворачивание и постоянная работа базовых сетевых станций, т.е. постоянное получение спутниковой информации и передача данных по интернет-сети в международные региональные центры обработки данных. Это позволяет получать данные как по точному позиционированию своих подключенных к службе станций, так и информацию о положении других станций и вести анализ изменений их положения.
В национальных масштабах подключение к IGS связано с выбором местоположений базовых станций, выгодных для исследования региональной геодинамики. На втором этапе национальная сеть наблюдений должна быть точно привязана к используемой в IGS геоцентрической системе координат (WGS84).