Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблема создания гссн в общей системе геодезического обеспечения 11
1.1. Геодезическое обеспечение. Объекты и средства, требующие геодезического обеспечения 11
1.2. Краткий анализ «основных положений о государственной геодезической сети россии» 2000 г 12
1.3. Требования к точности гссн, развиваемых в интересах ВС РФ 15
1.4. Основные наземные методы развития гссн (методы, приборы) 18
1.5. Основные спутниковые методы развития гссн 21
1.5.1. Глобальные системы позиционирования 22
1.5.2. Спутниковые приёмники gps и глонасс 25
1.6. Режимы спутниковых измерений... 31
Выводы по 1 главе 37
Глава 2. Системы координат и высот, используемые при развитии ГССН 38
2.1. Принципиальные схемы построения гссн, развиваемых в интересах вс рф 38
2.1.1. Основные схемы построения гссн с использованием наземных методов 39
2.1.2. Схемы развития гссн с использованием спутниковых методов 43
2.1.3. Схемы развития ГССН с использованием возможных сочетаний наземных и спутниковых методов 45
2.2. Системы координат, используемые при развитии гссн
2.3. Связи между системами координат. Параметры преобразования 51
2.3.1. Связи между системами координат 51
2.3.2. Сравнительный анализ методов определения параметров преобразования 57
2.4. Способы определения нормальных высот 65
Выводы по 2 главе 70
Глава 3. Совместная обработка наземных и спутниковых измерений при создании ГССН 71
3.1. Измеренные величины в наземных сетях и сетях, построенных относительным методом спутниковой геодезии 72
3.2. Уравнения поправок в наземных и спутниковых сетях 78
3.2.1. Уравнения поправок в наземных сетях на плоскости 79
3.2.2. Уравнения поправок в наземных сетях, обработанных как пространственные 80
3.2.3. Уравнения поправок в спутниковых сетях, построенных относительным методом спутниковой геодезии 82
3.3. Редукция уравнений измеренных величин к выбранной системе координат 83
3.4. Совместная обработка азимутов, определённых по приращениям координат, вычисленных по спутниковым наблюдениям, и астрономических азимутов, определённых с помощью гиротеодолитов 86
3.5. Определение нормальных высот в гссн по спутниковым измерениям 92
Выводы поз главе 99
Глава 4. Планирование, организация и выполнение работ по созданию гссн методом совместной обработки спутниковых и наземных измерений 101
4.1. Основные этапы организации и выполнения работ по созданию гссн 101
4.1.1. Получение технического задания на создание гссн 102
4.1.2. Составление технического проекта по созданию гссн 102
4.1.3. Рекогносцировка и уточнение проекта 103
4.1.4. Закладка центров и постройка знаков 104
4.1.5. Выполнение измерений, в соответствии с разработанной методикой 105
4.1.6. Вычисление и сдача результатов работ заказчику 109
4.2. Выполнение эксперимента по определению пунктов ГССН с целью апробирования методики сочетания спутниковых и наземных измерений 112
4.3. Расчёт точностных характеристик определения азимута из спутниковых наблюдений 119
4.4. Определение экономической эффективности от внедрения предлагаемого метода развития гссн в практику работы подразделений ТС ВС РФ предлагаемого метода развитию! Гссн 122
Выводы по 4 главе 123
Заключение 125
Литература
- Требования к точности гссн, развиваемых в интересах ВС РФ
- Схемы развития гссн с использованием спутниковых методов
- Уравнения поправок в наземных и спутниковых сетях
- Расчёт точностных характеристик определения азимута из спутниковых наблюдений
Требования к точности гссн, развиваемых в интересах ВС РФ
Референцная система 1995 г. (СК-95) установлена так, что её оси параллельны осям общеземной, а параметры преобразования определены под условием возможно большей близости к системе 1942 г. В частности, положение начала СК-95 задано таким образом, чтобы значения пространственных координат пункта Пулково были одинаковы в обеих системах (СК-42 и СК-95). При обеспечении ряда производственных задач допускается использование местных систем координат с обязательной последующей их привязкой к референцной системе. Высшим звеном всей структуры координатного обеспечения является ФАГС. Она является исходной геодезической основой для всех последующих геодезических построений и практически реализует общеземную систему координат.
ФАГС состоит из постоянно действующих и периодически определяемых пунктов. В состав постоянно действующих ФАГС включаются часть АГП КГС, пункты службы вращения Земли Госстандарта и пункты PC ДБ. Среднее расстояние между пунктами ФАГС составляет 800-1000 км. Пространственное положение пунктов ФАГС определяется методами космической геодезии в общеземной системе координат с ошибкой положения относительно центра масс Земли не более 3-Ю" R (где R - радиус Земли) при ошибке взаимного положения 2 см в плане и 3 см по высоте.
ВГС представляет собой опирающееся на пункты ФАГС однородное по точности пространственное геодезическое построение, состоящее из системы пунктов, удалённых один от другого на 150-300 км. Пункты ВГС определяют относительными методами космической геодезии, обеспечивающими точность взаимного положения 3 мм+5-10" D в плане и 5 мм+7 10 D по высоте (D -расстояние в мм). Каждый пункт ВГС должен быть связан измерениями со смежными пунктами ВГС и не менее чем с тремя пунктами ФАГС. Для связи существующей сети с вновь создаваемыми геодезическими построениями (ФАГС и ВГС) определяется взаимное положение пунктов АГС с ошибкой 2 см по каждой координате. СГС-1 представляет собой пространственное построение, которое позволяет решить задачу определения и учёта локальных деформаций существующей ГГС на территории между смежными пунктами ВГС (по существу является заполняющей сетью по отношению к ВГС) и обеспечения однозначности результатов определения координат в пределах ошибки 5 см относительно любых близких пунктов. СГС-1 создаётся относительными методами космической геодезии с ошибками взаимного положения 2 см. Среднее расстояние между пунктами СГС-1 составляет 25-35 км. Перевычисление координат пунктов АГС и ГСС по материалам построения СГС-1 производится либо их переуравниванием, либо трансформированием координат на соответствующих участках.
При повторном определении пунктов АГС и ГСС используются относительные методы спутниковой геодезии, обеспечивающие точность 3-5 см. Допускается использование традиционных геодезических методов в соответствии с действующими инструкциями.
Геодезические сети специального назначения (ГССН) развиваются по руководствам и техническим проектам, разрабатываемым различными ведомствами для решения специальных задач. Такие сети в Руководствах и Наставлениях ТС ВС РФ именуются специальными геодезическими сетями (СГС). ГССН могут вычисляться в местных (пространственных и плоских) системных координатах, надёжно связанных с СК-95 (СК-42).
Для эффективного использования средств топогеодезической привязки (передаче координат, высот и азимутов (дирекционных углов) от пунктов, сторон геодезических сетей до объектов привязки) требуется создание геодезических сетей специального назначения плотностью 1 пункт на 20 кв.км. [16], а в отдельных случаях и 1 пункт на 5 квлш. В этой связи установлены следующие ряды точности [16] (таблица 1.2): Таблица 1.2
Астрономо-геодезические и гравиметрические данные и точность их определения Плановые координаты пунктов и объектов местности определяют от пунктов геодезических сетей более высокого уровня по точности. Высоты определяют из геометрического и тригонометрического нивелирования, а в отдельных случаях и барометрическим нивелированием. Исходными служат пункты государственной нивелирной сети и пункты ГГС, высоты которых получены из геометрического нивелирования [16].
Высоты с СКО 5 м и грубее могут определяться по крупномасштабным топографическим картам, а также тригонометрическим или барометрическим нивелированием от пунктов ГГС и ГССН [16].
Астрономические азимуты с СКО 1" определяют из астрономических наблюдений. Для определения азимутов с СКО 2" и более используют гироскопические и астрономические методы [16]. Дирекционные углы (геодезические азимуты) с СКО 1" и 2" определяют с использованием результатов астрономических наблюдений, а с СКО 3" и более могут определяться гироскопическим и астрономическим методами, а также путем передачи ориентировки от сторон ГГС [16].
Требования к точности определения астрономического азимута и составляющей уклонения отвесной линии в зависимости от точности определения дирекционных углов приведены в табл. 1.3. [16]:
Схемы развития ГССН с использованием спутниковых методов
Пункты 1, 2, 5, 9 и 10 на рис. 2.11 определяются лучевым методом спутниковой геодезии, пункты 4 и 8 определяются методом полигонометрии. Азимуты на пунктах 1, 2, 5, 9 и 10 на рис. 2.11 определяются гироскопическим или астрономическим способом. Кроме этого, как показывает опыт работы, при прохождении полигонометрии в застроенной и лесной местности возникают трудности в получении исходных дирекционных углов из-за утраты наружных знаков на пунктах триангуляции, отсутствия видимости между пунктами и по другим причинам. Применение гиротеодолитов для определения азимутов на исходных пунктах позволяет устранить эти затруднения.
Кроме рассмотренных, возможны и другие варианты сочетания наземных и спутниковых методов развития ГССН.
Исходя из вышеизложенного и учитывая, что для получения азимутов (дирекционных углов) спутниковыми методами, необходимо иметь пары твёрдых пунктов с определёнными координатами, представляется наиболее гибким и эффективным при развитии ГССН сочетание наземных и спутниковых методов. В частности, сочетание спутниковых определений координат пунктов ГССН с определением азимутов с помощью гиротеодолитов.
При построении ГССН, как это было показано выше, технология измерений и их обработка ведётся в разных системах координат. Движение ИСЗ описывается в орбитальной системе, а окончательная обработка выполняется в референцной системе координат. В связи с этим напомним основные характеристики используемых систем.
Координатные системы различают по ряду признаков:
1. По расположению начал: геоцентрические (начало совпадает с центром масс Земли), квазигеоцентрические (начало находится вблизи центра масс в пределах нескольких десятков или сотен метров), топоцентрические (начало располагается в пункте наблюдений)
2. По виду координатных линий. Прямоугольные x,y,z - в пространстве; х,у - на плоскости. Криволинейные - сферические р, X, Н - на шаре, эллипсоидальные -В, L, //-на эллипсоиде, последнюю часть называют геодезической. 3. По назначению. Для описания положения небесных (естественных или искусственных) объектов используются звездные системы. Для объектов, участвующих в суточном вращении Земли, применяются земные системы.
Среди звездных (астрономических) систем координат на практике наиболее часто используется средняя экваториальная система координат. Её начало совмещено с центом масс Земли, ось х направлена в среднюю точку весеннего равноденствия на эпоху Т0 (обычно Т0=2000). Ось z совпадает со средней осью вращения Земли. Ось у дополняет систему координат до правой. Система реализуется с помощью фундаментальных каталогов звёзд FK-Ч и FK-5. В этой системе можно определить не только сферические координаты (« - прямое восхождение, 6 - склонение) небесных объектов, но если рассматривать точку астрономического зенита (точка пересечения отвесной линии с небесной сферой) как некоторую фиксированную звезду, то можно определить астрономические координаты /риА точки земной поверхности.
Земные системы жестко фиксируются в теле Земли и участвуют в её суточном вращении. По форме координатных линий используют прямоугольные (x,y,z) и криволинейные (эллипсоидальные) геодезические координаты (B,L,H). Связь прямоугольных (х,у,) и геодезических (B,L,H) координат описывается выражениями:
Если в формулах (2.1) используются параметры а и е официально принятого для обработки геодезических измерений референц-эллипсоида, то получим референцную систему координат, если параметры общего земного эллипсоида, то это будет общеземная система координат. Референцные и общеземные системы различаются расположением начала координат xg,yg,zg, разворотом осей на малые (в пределах нескольких секунд) углы ЕХ,Е ,EZ и разностью масштабов dm. В данном случае связь двух систем (назовём их 1 и 2) устанавливается известной формулой [2]:
В России в настоящее время используются две референцные и две общеземные системы координат. До 1 июля 2002 г. использовалась референцная система 1942г. (СК 2). В качестве координатной поверхности в этой системе используется поверхность эллипсоида Красовского. Данная система была введена в 1946 г. для выполнения геодезических работ в СССР Постановлением Совета Министров №760. С 1-го июля 2002 г., согласно Постановлению Правительства РФ №568, введена новая референцная система СК-95, в которой в качестве отсчётной поверхности также используется эллипсоид Красовского. Это сделано намеренно, чтобы сохранить преемственность новой системы по отношению к СК-42.
Для обеспечения орбитальных полётов и построения космических геодезических сетей в РФ используется две общеземные системы -международная система WGS-84 и отечественная ПЗ—90. Параметры используемых в этих системах эллипсоидов приведены выше (см. раздел 1.2). Параметры перехода от одной системы к другой показаны в таблице 2.2 [3][7].
Уравнения поправок в наземных и спутниковых сетях
Результат (3.36) практически совпадает с (3.31) и (3.34). Отсюда следует, что при развитии ГССН на локальных участках, если требования к точности определения геодезических азимутов составляют 1" (на взгляд автора, это очень осторожная оценка: в принципе выполнимо требование и 0,5"), то нет необходимости редуцировать измеренные приращения координат в другую систему координат. Здесь важно только использовать матрицу перехода от прямоугольных координат к горизонтным для выбранного эллипсоида (в данном примере - для эллипсоида Красовского [27]).
Вернёмся теперь к поправке Лапласа, поскольку при вычислении геодезических азимутов по значениям астрономических азимутов, полученных с помощью гиротеодолитов, её знание необходимо. Найти поправку Лапласа можно следующими способами: 1. По специальной карте поправок Лапласа. 2. С использованием карты уклонений отвесных линий по формуле (3.22). 3. Как разность астрономического азимута я., измеренного с помощью гиротеодолита, и геодезического, вычисленного по спутниковым наблюдениям (формулы (3.30), (3.31), (3.34), (3.35), (3.36)). Из (3.31) следует АА, =аі-Аіг. (3.37). 4. Линейной интерполяцией, по известным поправкам на трёх и более линиях, по которым можно составить три и более уравнений вида АА, = АА0 + ах, + by,, (3.38) или М0 + ах, + by, -AAt = V,. (3.39)
В результате решения системы (3.39) будут получены коэффициенты линейной функции АА0,а,Ь для данного района. После этого поправка для любой другой линии с измеренным астрономическим азимутом найдется по формуле (3.38).
Результаты предпринятых исследований позволяют сделать следующие выводы:
1. При развитии ГССН на локальных участках все рассмотренные выше способы определения геодезических азимутов практически эквивалентны по точности (ошибка не превышает Г, а в большинстве случаев она существенно меньше). Данное обстоятельство позволяет сделать вывод, что такая точность соответствует требованиям войск к исходным астрономо-геодезическим и гравиметрическим данным. Следовательно, применять нужно тот способ, который проще в организационном или технологическом отношении.
2. Поправка Лапласа также может быть определена различными способами, среди которых наибольший интерес представляет способ её определения как разности между геодезическим азимутом направления ki, полученным по спутниковым наблюдениям, и астрономическим азимутом этого направления, определенным с помощью гиротеодолита или любым другим способом с помощью астрономических наблюдений.
3. В том случае, если поправки Лапласа будут известны хотя бы на трёх пунктах ГССН, то эти поправки на остальных пунктах можно найти с помощью линейной интерполяции.
В разделе 2.4 были рассмотрены различные способы определения нормальных высот. Среди них наибольший интерес представляет способ интерполяции (экстраполяции) аномалий высот Q, с помощью которых связываются геодезические высоты Hj и нормальные высоты Н[. Н[=НІ-С,- (3.40)
Прежде всего, выясним примерный диапазон изменений аномалий высот АСІ на сравнительно небольших локальных участках (20 -f 100км2), на которых, как правило, и развиваются ГССН в интересах ВС. Для этого используем статистический материал, полученный профессором Огородовой Л.В. [9] на территории Заокского полигона МИИГАиК, площадь которого составляет примерно 60 км2. Расположение пунктов на полигоне показано на рис. 3.3. \ Михайловский
В таблице х,у - плоские координаты в условной системе, Н -геодезические высоты в системе WGS-84, HY- нормальные высоты, полученные с помощью геометрического нивелирования и по результатам гравиметрической съёмки. Оценим предварительно возможную точность определения аномалий высот. Из (3.40) вытекает формула ml=m2H+m2r+m2UHm, (3.41) в которой мн- ошибка вычисления геодезической высоты, ту- ошибка вычисления нормальной высоты, тинт - ошибка интерполирования. Нормальные высоты пунктов Заокского полигона получены в результате многократных измерений превышений по коротким линиям. Примем эту ошибку равной 3 мм. Ошибку вычисления геодезической высоты найдем, используя одну из формул [5]
Для Заокского полигона имеем средние значения координат Вср = 5449 , L = 37 26 . Полагая, что ошибки координат, полученных относительным методом спутниковой геодезии, составляют по плановому положению -5мм + (2-Ю"7D)MM И ПО геодезической высоте 1мм + (2-Ю 1 D)MM, при средних расстояниях D = Зкм, получим тх= 6мм, ту = 6мм, mz = 8мм. (3.43) Подставляя (3.43) в (3.42), будем иметь: тн= 11,6 мм, и общая ошибка Мн составит Мн = т2н+т2у = 12, Омм. (3.44) Обратимся теперь к ошибке интерполирования аномалий высот С,. Учитывая малые изменения значений аномалий высот в пределах изучаемого полигона (см. табл. 3.1), представим формулу для вычисления аномалий Q в виде линейной функции [9]: где 0 - общая часть для всех аномалий (см. табл. 3.1) а0,а,,а2- коэффициенты интерполяционной функции. Определение этих коэффициентов автор выполнил в трёх вариантах массивов интерполяционных пунктов, которые различаются числом и расположением совмещённых пунктов. Из (3.45) вытекает, что каждый совмещённый пункт позволяет составить уравнение поправок вида
Планирование, организация и выполнение специальных работ предложенным методом предполагает знание технологий создания геодезических сетей, основанных на использовании классических, традиционных наземных методов, а также знание спутниковой технологии. Последовательность этапов (операций) перечисленных выше методов во многом совпадет, но существуют и различия. Спутниковая технология включает этап работ, который не существовал в традиционной технологии, -планирование спутниковых наблюдений. С использованием спутниковых технологий исчезает необходимость в постройке знаков (сигналов), существенно изменяются цели и содержание других этапов работ. Рассмотрим содержание и особенности этапов работы при создании ГССН.
Расчёт точностных характеристик определения азимута из спутниковых наблюдений
Одновременно с составлением проекта сети производится выбор измерительных приборов, которые по своим параметрам способны обеспечить необходимую точность построения геодезических сетей. Также необходимо помнить, что при создании больших сетей целесообразно использовать максимальное число спутниковых приёмников. В идеальном случае, когда число спутниковых приёмников совпадает с числом пунктов, участвующих в измерениях, измерения выполняются за один сеанс включений; после этого остаётся произвести необходимые угловые измерения на создаваемых геодезических пунктах.
Планирование спутниковых наблюдений - это этап, специфический именно для спутниковой технологии. Целью планирования является определение интервалов времени, благоприятных и неблагоприятных для выполнения спутниковых измерений. Программа планирования входит в пакет программного обеспечения комплекта спутниковых приёмников. Исходными данными для планирования являются приближённые (с ошибкой порядка градуса, определяемые по топографической карте) координаты объекта, приблизительная дата наблюдений (месяц), данные рекогносцировки о препятствиях вокруг пунктов, а также альманах системы.
На практике, для построения сетей используют следующие режимы измерений. Статический режим применяется в тех случаях, когда требуется выполнить наблюдения с двумя стационарными приёмниками. Такие измерения применяются для создания сетевым методом высокоточных геодезических сетей. Время измерений для статического режима зависит от длины измеряемой линии и "чистоты небосвода" над приёмником.
Быстрая статика - в этом режиме приёмник просто набирает информацию со спутников в течение некоторого времени. При переходе от пункта к пункту приёмник выключают и запускают вновь. Время стояния на пункте зависит от расстояния до базового приёмника и чистоты небосвода над приёмником.
Кинематика - в этом режиме приёмник производит инициализацию и далее готов к выполнению измерений. В режиме кинематики на каждой точке достаточно стоять по 1 -2 минуте. Однако надо помнить, что необходимо, чтобы приёмник собирал информацию достаточное время, то есть время стояния на всех точках было соизмеримо со временем, необходимым для разрешения многозначности. Особенностью режима является то, что важно не "потерять" спутники во время перехода с точки на точку. Если это произошло, то необходимо заново произвести инициализацию.
Кинематика в реальном времени — здесь используются 2 приёмника и база RTK. Первый - базовый приёмник (на пункте с известными координатами), второй - база RTK - приёмник вблизи района работ на штативе, оснащённый радиомодемом и передающей антенной. База RTK посылает по радиоканалу данные, а роверный приёмник формирует разности различных порядков. Потеря радиосигнала быстро восстанавливается выходом на высокое место, благоприятное для принятия радиоволн от базы RTK.
При развитии ГССН наиболее целесообразным представляется использование режима быстрой статики при измерениях на всех пунктах.
Работа на пункте по определению координат с помощью спутниковых приёмников и азимутов направлений с помощью гиротеодолитов может быть выполнена в следующей последовательности.
Подготовка и запуск приёмника для работы на пункте выполняется в следующем порядке. Распаковать приёмник. Установить и отцентрировать штатив с подставкой. Установить антенну на штативе. При помощи рулетки измерить высоту антенны приёмника над центром. Соединительными кабелями соединить аккумулятор, контроллер (клавиатура с экраном) и антенну. Ориентация антенны приёмника в направлении "Север". Включить приёмник, ввести данные о пункте и высоте приёмника, начать инициализацию, выбрав необходимый режим измерений. Завершив инициализацию, запустить выбранный режим измерений.
Завершение производимых на точке спутниковых наблюдений осуществляется, как правило, в соответствии с заранее составленным расписанием. При наличии канала связи оператор сообщает на командный пункт о том, что готов окончить наблюдения на своём пункте, а в случае необходимости он может внести предложения о целесообразности продолжения наблюдения, провести повторные измерения высоты установки антенны над геодезической маркой и внести это значение через клавиатуру в память приёмника. Выход из рабочего режима также производится через клавиатуру. При этом подразумевается последовательное выполнение предписанных операций, предусматривающих закрепление накопленной информации в запоминающем устройстве приёмника и приведение в исходное состояние аппаратуры и программного обеспечения, введённого в эту аппаратуру. После этого может быть отключено электропитание от приёмника.
Помимо работы с приёмником, оператор непосредственно на пункте завершает все записи, вносимые в контрольный полевой журнал. В нём должна содержаться следующая информация: - название пункта наблюдения и его условное обозначение, внесённое в регистрационный файл; - фамилия оператора; - серийные номера основных компонентов установленной на пункте спутниковой аппаратуры; - высота установки антенны над геодезической маркой; 108 - время начала и завершения сеанса; - номера спутников и их местоположение; - приближённые координаты пункта наблюдений (по информации, отображаемой на экране дисплея приёмника); - замечания (по проведению работ). Параллельно со спутниковыми измерениями, т.е. до этих измерений или сразу же после них, на пунктах создаваемой сети выполняется определение азимутов направлений. Эти угловые измерения выполняются следующим образом.
