Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
Глава 1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОЧНОСТИ СПУТНИКОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ13
Принцип спутниковых измерений 13
Погрешности спутниковых измерений 14
Основные источники погрешностей 14
Погрешности, вносимые на спутнике 15
*> 1.2.3 Погрешности, вносимые на трассе распространения сигнала 16
Погрешности, вносимые в приемнике 17
Методы ослабления влияния ошибок 18
L2.6 Геометрические факторы снижения точности 18
1.3- Способы назначения корреляционных матриц 22
1А Эллипсоид ошибок 29
Выводы по главе 1 34
*
Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ВЕКТОРА ПРИРАЩЕНИЙ
КООРДИНАТ, ПОЛУЧЕННОГО ПРИ СПУТНИКОВЫХ
ИЗМЕРЕНИЯХ 36
2.1. Выполнение измерений базовых линий в поле и получение
» результатов 36
2.2- Структура корреляционной матрицы, полученной по
' внутренней сходимости результатов измерений в серии 38
2.3. Ориентация эллипсоида погрешностей спутниковых
определений координат 41
2.3Л Математический аппарат анализа корреляционных матриц
реальных спутниковых измерений 41
2.3.2 Преобразование приращений пространственных і
прямоугольных координат из геоцентрической системы в
топоцентрическую 54
Выводы по главе 2 57
Глава 3. АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК ВЕКТОРА ПРИРАЩЕНИЙ
КООРДИНАТ РЕАЛЬНЫХ СПУТНИКОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ 59
3.L Экспериментальные исследования ориентации спутниковых
определений в пространстве 59
3.2, Исследование возможности использования корреляционных
матриц, полученных по внутренней сходимоста результатов
измерений в серии при составлении весовых матриц 64
Исследование возможности принятия корреляционной матрицы, полученной по внутренней сходимости результатов измерений в серии непосредственно в качестве исходной для весовой матрицы 64
Проверка пропорциональности корреляционной матрицы, полученной по внутренней сходимости результатов измерений в серии и корреляционной матрицы, отвечающей реальной точности измерений 68
Проверка пропорциональности элементов матрицы К длине измеряемой базовой линии 71
О возможности назначения весов исходя из априорной оценки 5 мм+5ррт*Д во всех направлениях 72
3.3. Исследование корреляционной зависимости между
горизонтальными и вертикальной составляющими эллипсоида
ошибок в реальных спутниковых измерениях 72
Выводы по главе 3 77
Глава 4. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СПУТНИКОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ SO
4.1, Математическая модель движения спутников 80
АЛЛ Теоретические аспекты модели движения спутников 80
4.1-2 Практическое решение в математической модели 85
4.2, Математическая модель результатов измерений 88
4Л, Математическая модель движения спутников 80
4.1.1 Теоретические аспекты модели движения спутников 80
4.1-2 Практическое решение в математической модели 35
4.2« Математическая модель результатов измерений 88
4.3- Модель обработки результатов измерений 90
4.3 Л Теоретические аспекты модели обработки результатов
измерений 90
4.3.2 Практическое осуществление модели обработки результатов
измерений ...» 98
Выводы по главе 4 103
Глава 5. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ 105
5.1. Анализ точности при симметричном расположении
спутникового созвездия 106
5.2. Анализ асимметричного расположения спутникового созвездия, 120
Выводы по главе 5 124
ЗАКЛЮЧЕНИЕ : * 126
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 129
Приложение 1 139
Приложение 2 143
Введение к работе
В настоящее время в России внедряется федеральная целевая программа «Глобальная навигационная система». На период 2002-2011 гг. в состав данной программы входит подпрограмма «Использование спутниковых навигационных систем для геодезического обеспечения территории России» (шифр-«Геодезия России»), Государственным заказчиком-координатором подпрограммы «Геодезия России» является Федеральная служба геодезии и картографии России (Роскартография).
Подпрограмма «Использование спутниковых навигационных систем для геодезического обеспечения территории России» "... включает в себя мероприятия по уточнению земной системы координат, созданию новой высокоэффективной государственной системы геодезического обеспечения территории Российской Федерации, основанной на применении глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС и других спутниковых средств и технологий, позволяющих повысить точность, оперативность и экономическую эффективность решения задач геодезического обеспечения в интересах экономики, науки, обороны страны и ее населения, созданию высокоточной геодезической сети, карг местности, земельного кадастра России, а также по изучению деформаций земной коры, предваряющих и сопровождающих землетрясения, оползни, цунами и другие опасные природные явления, и созданию системы постоянных наблюдений за динамикой уровня моря на уровенных постах и прогноза его состояния" [85],
Традиционные методы построения геодезических сетей - триангуляция, полигонометрия, трилатерация, опирающиеся на измерения углов и расстояний, вытесняются спутниковыми методами, так как требует больших финансовых вложений, трудоемки и не всегда могут обеспечить требуемые точности.
Спутниковым технологиям геодезических измерений свойственна более высокая точность. Их достоинством является также независимость от погодных условий и большая свобода в выборе положения пунктов сети, так как конфи-
гурация сети не имеет значения, не требуется даже наличия видимости между
** пунктами. При этом возможна передача координат между пунктами, удален-
ными друг от друга на большие расстояния. Спутниковым методам свойственна и высокая производительность труда.
Спутниковые методы находят все более широкое применение и при реше
нии геодезических задач прикладного характера, в частности таких, как кадаст
ровая съемка, обеспечение транспортного строительства. Для кадастровой
съемки, на основе GPS — измерений часто создают опорную геодезическую
сеть. Дальнейшее же применение в городских условиях GPS измерений затруд-
** нено закрытостью горизонта и многочисленными отражающими поверхностя-
ми.
При геодезическом обеспечении строительства и текущего содержания
f железнодорожного пути, мостов и тоннелей, выполняемые для определения ко-
ординат измерения, как правило, должны обеспечивать высокую, оцениваемую
миллиметрами, точность. Так при создании мостовой разбивочной сети требо
вания к точности положения пунктов следующие - координаты пунктов таких
сетей были определены со средними квадратическими погрешностями в плане
, не хуже чем 6 мм [98]. При создании реперной системы для железнодорожного
транспорта, необходимо учитывать принятое ограничение величины стрел изгиба рельсовых нитей. На прямых участках пути на хорде 20 м при скоростях движения до 120, 140 160 км/ч оно равно соответственно 8, 6 и 4 мм. Координаты пунктов такой системы следует определять со средними квадратическими погрешностями в плане не более 5-7 мм. А в больших сетях, особенно в сетях, вытянутых в одном направлении (линейные сооружения, к которым относятся и железные дороги), построенные традиционными методами, даже при высокой точности измерений, происходит накопление погрешностей, снижающее точность передачи координат. Поэтому, и в этом случае наиболее эффективным средством, дающим высокую точность передачи координат от пункта к пункту, являются спутниковые системы позиционирования.
*
В некоторых странах (Германия, Франция) в настоящее время проводятся
** реализации программ по использованию аппаратуры спутниковых определений
координат на железнодорожном транспорте. Так, например, дирекции научных исследований и технологий Национального общества железных дорог Франции (SNCF) полное картографирование железнодорожных линий понадобилось, в частности, при разработке проекта системы Lotus — определения местоположения высокоскоростных поездов TGV с помощью спутниковых технологий.
Определение местоположения объекта с помощью технологий спутнико-
вой навигации на железнодорожном транспорте может быть полезным в раз-
г личных областях, например:
слежение за перемещением подвижного состава;
регулирование парка подвижного состава;
регистрация пробега подвижного состава (например, для оптимизации системы технического обслуживания и ремонта, определения платы за пользование инфраструктурой);
информирование клиентуры (пассажиров, грузоотправителей и грузополучателей) о местоположении поездов, вагонов и грузов;
оказание помощи машинисту (например, путем контроля за работой систем электроснабжения, сигнализации и связи, оптимизации режима ведения поезда в зависимости от его местоположения);
локализация дефектов пути, обнаруженных инспекционным подвижным составом;
контроль соблюдения требований безопасности при управлении движением поездов;
создание планов трассы кинематическим способом измерений.
Чтобы эффективно использовать возможностей спутниковых методов для
достижения высокой точности результатов измерений, необходимо учитывать, что точность спутниковых определений в разных направлениях различна- Так же необходимо: учитывать и правильно выбирать конфигурацию спутникового
^
созвездия (время измерений), другие факторы, снижающие точность спутниковых определений, правильно оценивать и уравнивать геодезические сети.
Цель диссертационной работы. Исследование закономерностей пространственного распределения погрешностей спутниковых определений с целью повышения точности построения спутниковых геодезических сетей.
Идея работы. При обработке результатов спутниковых определений учитывать особенности пространственного распределения их погрешностей.
Задачи исследований:
установление закономерностей пространственного распределения погрешностей спутниковых определений;
анализ применяемых способов назначения весовых матриц при уравнивании спутниковых измерений и выработка рекомендаций;
анализ корреляционных связей между погрешностями горизонтальных и вертикальных компонентов базовых линий;
проверка установленных закономерностей методами математического моделирования спутниковых измерений;
исследование на моделях характера возникающих погрешностей в зависимости от конфигурации видимого спутникового созвездию и продолжительности измерений»
Методы исследования. Теоретические методы: математико-статистический анализ, метод наименьших квадратов, теория ошибок измерений- Экспериментальные методы: анализ реальных данных спутниковых измерений, модельные исследования.
Научные положения, защищаемые в работе:
Вертикальная погрешность спутниковых определений в 2-3 раза превышает горизонтальные, а корреляционные связи между погрешностями по координатным осям пренебрежимо малы. Исключением являются только измерения, выполненные в неблагоприятных условиях.
Ввиду некоррелированности погрешностей в абсциссах, ординатах и высотах в спутниковых сетях возможно их раздельное уравнивание.
3. Построена математическая модель спутниковых определений, позво
ляющая оценивать их точность в зависимости от конфигурации спутникового
созвездия и длительности измерений.
Научная новизна выполненной работы:
L Разработан математический аппарат для исследования пространственной ориентации распределения погрешностей спутниковых измерений,
Проведен анализ пространственной ориентации распределения погрешностей спутниковых измерений,
Построена математическая модель спутниковых определений.
Установлены зависимости погрешностей точности определения координат от конфигурации спутникового созвездия и продолжительности измерений.
Обоснованы рекомендации по упрощению методов уравнивания спутниковых сетей.
Достоверность результатов исследований подтверждается численными и натурными экспериментами, согласованностью результатов полученных по математической модели и из реальных спутниковых определений-
Практическое значение диссертации:
проведено исследование корреляционных матриц, получаемых по внутренней сходимости результатов в серии и возможности их применения в качестве определяющих для назначения весовых матриц»
даны рекомендации для назначения корреляционных матриц спутниковых определений
разработана математическая модель, способная отражать точности выполняемых координатных определений в зависимости от конфигурации спутникового созвездия и времени наблюдений
4_ предложен и обоснован видоизмененный вид уравнения поправок первых разностей,
5. обоснованы рекомендации по упрощению методов уравнивания спутниковых сетей.
Реализация результатов работы
Результаты работы реализованы в научно-исследовательской работе "Совершенствование математической обработки спутниковых измерений при геодезическом обеспечении строительства железнодорожного пути, мостов и тоннелей", работах ЗАО "Институт "Стройпроект" и ООО *ТСВ'\
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на Международной научно-технической конференции кафедр Харьковской государственной академии железнодорожного транспорта, специалистов и предприятии железнодорожного транспорта (ноябрь 2001 г.), 62-ой научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (ПГУПС, апрель 2002 г.), Ш Научно-практическая конференции "Безопасность движения поездов" (МИИТ, март 2002 г.), межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (ПГУПС, март 2003) и на заседа-
ниях кафедры "Инженерная геодезия" Петербургского государственного университета путей сообщения МПС России,
Публикации,
Основное содержание диссертации отражено в 6 публикациях:
Гаврилов Ю.А., Коугия В.А. Исследование погрешностей спутниковых определений координат, // Сборник докладов 63-й международной конференции кафедр Харьковской государственной академии ж.д. транспорта, специалистов и предприятий ж,д> транспорта. Харьков, 2001.
Гаврилов Ю.А., Коугия В,А- Исследование точности спутниковых определений координат дифференциальными фазовыми измерениями. // Программа и тезисы докладов (шестьдесят вторая научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых). СПб.: ПГУПС. 2002. С- 157-158.
Коугия В.А., Гаврилов Ю.А. Пространственная ориентация погрешностей спутниковых определений координат, // Сборник докладов Ш научно-практической конференции "Безопасность движения поездов". М.: МИИТ. 2002.
Коугия В.А., Гаврилов Ю.А, Совершенствование математической обработки спутниковых измерений при геодезическом обеспечении строительства железнодорожного пути, мостов и тоннелей- // Отчет по фундаментальной научно-исследовательской теме №324 "Применение спутниковых технологий при съемке железнодорожного пути", СПб.: ПГУПС, 64 стр.
Гаврилов Ю.А., Коугия В.А. Пространственная ориентация эллипсоида ошибок результатов измерений спутниковыми методами // Межвузовский сборник научных трудов межвузовская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых, СПб. ПГУПС- 2003. С. 77-81-
Определение координат геодезических пунктов спутниковыми методами: методические указания / Коугия В.А., Брыеь М.Я„ Гаврилов Ю,А. СПб.: ПГУПС-2003. 26 стр.
Автор считает своим долгом выразить глубокую признательность научному руководителю В.А. Коугия, а также Грузинову В.В., Брынь МЯ., Верещагину С.Г., Загретдинову Р.ВМ преподавателям и сотрудникам кафедры "Инженерная геодезия" Петербургского государственного университета путей сообщения МПС России-
