Супутникові способи побудови планових геодезичних мереж

Системи координат в супутникової геодезії. У Російській Федерації при виконанні геодезичних робіт використовується проекція Гаусса-Крюгера на еліпсоїд Ф.Н. Крсовского, форма і розміри якого були обчислені радянським геодезистом А.А. Ізотовим в 1940 році. До недавнього часу використовувалися системи координат СК-42 і СК-95.

В даний час, відповідно до Постанови Уряду Російської Федерації від 28 липня 2000 № 568 використовуються системи координат:

  • СК-95 – при геодезичних і картографічних робіт;
  • ПЗ-90 – в цілях геодезичного забезпечення орбітальних польотів, в навігації морських і повітряних суден.

Тобто, при супутникових вимірах використовуються дві системи координат, одна з яких жорстко пов’язана з Землею (геодезична система координат), а інша – з космічної (зоряної) системою координат.

Геодезичні (еліпсоїдальні) координати. Положення об’єкта (точки) в навколоземному просторі, що знаходиться поза еліпсоїда, визначається двома кутами. Один з кутів – геодезична широта, а інший геодезична довгота. В якості початкового меридіана для рахунку довгот прийнятий меридіан, що проходить через Грінвічську лабораторію (поблизу Лондона). Довготи відлічуються від 0 до 360 °. У східній півкулі від 0 до 180 °, в західній півкулі від 180 до 360 °. Оцифровка широт прийнята від – 90 ° на Південному полюсі до + 90 ° на Північному полюсі, екватор проходить через 0. При такому обчисленні координат відпадає необхідність уточнення, в якій півкулі знаходиться шукана точка (об’єкт).

астрономічні координати положення точки визначаються астрономічної довготою і широтою щодо рівної поверхні. Астрономічна широта – кут між прямовисною лінією в досліджуваній точці і площиною екватора. Астрономічна довгота – двогранний кут, утворений площиною початкового меридіана і площиною астрономічного меридіана досліджуваної точки. При пропроведеніі геодезичних робіт обов’язково враховують відмінності між геодезичними та астрономічними координатами.

Прямокутні просторові координати X, У, Z (земна система координат). За початок координат в прямокутній системі координат прийнятий центр еліпсоїда 0. За основну площину ХОУ прийнята площину земного екватора. Координатна вісь ОХ направлена ??в точку перетину нульового меридіана і площини екватора, а вісь ОУ перетинає екватор в точці, з довготою 90 °. Ось OZ збігається з віссю обертання еліпсоїда (але може і не збігатися), при цьому розрізняють інерційну і грінвечскую (обертову) системи прямокутних координат.

Перехід від інерційної системи координат до грінвічській проводиться за рахунок повороту інерціальнійсистеми навколо осі Z на кут, чисельно рівний істинному грінвічським зоряному часу. Положення точки в просторі визначається координатами X, У, Z.

Система геодезичних параметрів «Параметри Землі» (ПЗ) прийнята в якості державної системи координат постановою Уряду Російської Федерації від 20 липня 2000 року № 568, а в 2007 році прийнята до використання її уточнена версія. Система параметрів Землі включає в себе фундаментальні геодезичні постійні, параметри загальземного еліпсоїда і систему координат ПЗ, яка закріплена координатами пунктів космічної державної мережі, а також включає характеристики моделі гравітаційного поля Землі і елементи трансформування між системою ПЗ і національними референцними системами координат України.

Положення точок в просторі в системі ПЗ можуть бути отримано у вигляді просторових прямокутних чи геодезичних координат. Геодезичні координати відносяться до загальземного еліпсоїда з центром, що збігається з системою ПЗ.

Система геодезичних параметрів «Світова геодезична система» (WGS) вперше була введена в 1987 році, в даний час з 20 січня 2002 року діє вдосконалена четверта версія. Положення точок в системі WGS можуть бути отримані у вигляді прямокутних просторових або геодезичних координат.

Загальновизнаними системами відліку є IERS (International Earth Rotation Servise), її європейська підсистема ETRS (European Terrestrial Reference Sustcm), система GRS-80 (Geodetic Reference Sustem, 1980), параметри якої є основою для ряду систем Європи, Австралії та Америки. В Україні без інтеграції із західними країнами створена система Параметри Землі 1990 року – ПЗ-90.

Система ПЗ-90 закріплена координатами пунктів космічної геодезичної мережі, з них 7 пунктів розміщені в Антарктиді. Початок координат поєднане з центром Землі з точністю близько одного метра, похибка взаємного положення пунктів при відстанях між ними до 10 тис. Км складає не більше 30 см.

Крім міжнародних систем відліку існують також і національні, в нашій країні вони називаються референцними. Центри їх еліпсоїдів часто не збігаються з центром мас Землі, тому положення точок в просторі, визначені за їх координатами, можуть відрізнятися на десятки, а іноді сотні метрів.

Референтна система координат Російської Федерації представлена ??у вигляді державної геодезичної мережі (ГГС) на всій території країни і державної нівелірної мережі (Балтійська система висот).

В результаті спільного зрівнювання координат пунктів космічної геодезичної мережі, доплеровской геодезичної і астрономо-геодезічсскіх мереж, отримана в 1995 році система координат, прийнята до використання Постановою Уряду Російської Федерації від 28 липня 2000 року № 568, що отримала найменування – система координат СК-95.

СК-95 узгоджена з єдиної державної геоцентричної системою координат ПЗ-90 (Параметри Землі 1990 року) і призначена для підвищення точності і ефективності вирішення завдань з геодезичного забезпечення економіки, науки і оборони країни. Положення пунктів в даній системі координат визначаються наступними параметрами:

  • просторовими прямокутними координатами X, У, Z;
  • геодезичними координатами: широтою, довготою і висотою;
  • плоскими прямокутними координатами х, у, обчислювані в проекції Гаусса-Крюгера.

За звітну поверхню в СК-95, як і в СК-42 прийнятий еліпсоїд Ф.Н. Красовсого. Відмінності полягають в розташуванні еліпсоїдів в тілі Землі, отже, геодезичні дані на одному і тому ж еліпсоїді, отримані в різних системах, будуть істотно відрізнятися.

Перетворення координат із системи СК-42 в систему СК-95 проводиться таким чином. На геодезичних пунктах, для яких відомі координати в СК-42 і СК-95 отримують їх різниці. Далі необхідно отриману різницю поширити на навколишню територію. Коли поле різниць побудовано, по відомим координатам в одній системі, легко отримати координати в іншій системі.

Розгляд математичної моделі такої трансформації виходить за межі вивчення нашого курсу, тому обмежимося лише загальними відомостями.

Місцева система координат – система плоских прямокутних координат в проекції Гаусса-Крюгера з місцевої координатної сіткою. Обов’язковою умовою функціонування місцевої системи координат є наявність можливості переходу до державної системи координат за допомогою параметрів переходу (ключів). Використання місцевих систем координат було обумовлено необхідністю створення великомасштабних карт і планів міст па основі системи 1963 року. Такі місцеві системи координат (кілька тисяч) створені у всіх суб’єктах Російської Федерації. До місцевих систем плоских прямокутних координат відносять також Триградусне проекції Гаусса-Крюгера.

Загальні відомості про функціонування супутникових систем. Деякі відомості про супутникових технологіях в геодезії вже були нами розглянуті. У цьому розділі розглянемо використання супутникових технологій стосовно прикладної геодезії.

Загальновідомо, що в даний час використовуються дві супутникові системи визначення координат: це російська система ГЛОНАСС (Глобальна навігаційна супутникова система) і американська NAVSTAR GPS. Найближчим часом повинні бути задіяні ще дві нові супутникові навігаційні системи: європейська Gallileo і китайська Compass.

В основу визначення координат точок місцевості по навігаційним супутникам, що виконують роль опорних точок, покладений принцип просторової лінійної засічки. Незалежно від того, яка навігаційна система використовується, кожна з них складається з трьох сегментів: космічного, наземного управління і споживачів. Супутники системи GPS розташовані на шести кругових орбітах, площини яких повернені відносно один одного на 60 °.

Період обертання супутників по орбітах складає близько 12 годин. Загальна угруповання супутників становить 24 одиниці, термін служби на орбіті – 7-10 років.

Угруповання супутників системи ГЛОНАСС також налічує 24 одиниці, розташованих в трьох орбітальних площинах з періодом обертання близько 12 годин.

Сегмент споживачів включає сукупність засобів, які приймають радіонавігаційні сигнали, що характеризуються визначеними величинами, їх точністю і призначенням. За призначенням всю апаратуру умовно можна розділити на геодезичну, навігаційну і побутову.

Геодезичні приймачі можуть працювати в одній або в двох системах (ГЛОНАСС + GPS), вони можуть виконувати вимірювання на одній або двох частотах, отримувати інформацію по кодовою або фазовим сигналам. Найбільшу точність забезпечують двочастотні геодезичні приймачі, що працюють одночасно по фазовим і кодовою сигналам.

Фазовий режим – це режим високоточних геодезичних вимірювань, в якому беруть участь, як правило, два приймача. В цьому режимі отримують різницю координат пунктів, на яких встановлені антени супутникових приймачів. Визначення координат точок земної поверхні за допомогою супутників засноване на вимірі відстаней до супутників і часу поширення електромагнітних сигналів. В процесі вимірювань беруть участь як мінімум 4 супутника.

При побудові інженерно-геодезичних опорних мереж використовується так званий диференціальний метод вимірювань. Даний метод дозволяє визначати чи не абсолютні значення координат, а їх різниці. Суть методу полягає в тому, що для його реалізації необхідно два приймача, один з них встановлюється над пунктом з відомими координатами (базова станція), а інший – в шуканої точці. Знаючи координати одного пункту, і різниці координат (вектор бази), обчислюють координати будь-якого цікавить пункту (точки). Даний метод дозволяє визначати координати шуканої точки щодо базової станції з похибкою 0,5-2,0 см.

Джерела похибок супутникових вимірювань прийнято розділяти на апаратні, похибки обумовлені впливом зовнішнього середовища і похибки, пов’язані з геодезичними вимірами просторового положення і застосовуваних геодезичних методів. Кінцева точність супутникових систем визначається сумарним значенням вище перерахованих груп чинників. Вплив кожного джерела багато в чому залежить від якості і технічного стану обладнання і атмосферних умов. Крім того, точність системи GPS може бути навмисно знижена з волі військового відомства (США) введенням, так званого режиму «селективного доступу» або режиму S / A, який вносить серйозні спотворення в результати вимірювань. У російській системі ГЛОНАСС такий режим навмисного погіршення характеристик навігаційного сигналу стандартної точності не використовується.

Супутникові способи визначення координат пунктів поділяються па абсолютні і відносні.

Під абсолютним розуміють такий спосіб, при якому по виміряним величинам обчислюють повні значення координат. Під відносним такий спосіб, коли за вимірюваннями можна обчислити збільшення координат – просторові базові вектори, що з’єднують пункти спостережень.

При абсолютних методах визначення координат розрізняють крім того автономний і диференційний методи. Диференціальні методи визначення координат можуть бути засновані на кодових або фазових визначеннях. Відносні способи поділяються на статичні і кінематичні методи.

Точність способів суттєво різниться, від декількох міліметрів до декількох десятків метрів. Найбільш точними є диференціальні і відносні способи. Координати точок, в кодовому режимі при абсолютних вимірах можуть бути визначені з помилкою в кілька метрів.

Автономне визначення координат проводиться лінійної засечкой по кодовою псевдо, виміряним не менше, ніж до чотирьох супутників. Автономним спосіб називається тому, що визначаються координати однієї точки, незалежно від вимірювань на інших станціях. Точність визначення координат порівняно невисока, похибка в середньому становить 5-10 м., Тому така точність є істотним недоліком даного способу.

При диференціальному методі визначення координат вимірювання виконують одночасно двома приймачами. Один приймач встановлюється над точкою з відомими координатами, а інший (рухливий) – в шуканої точці.

За результатами спостережень на опорному пункті формуються диференціальні поправки до відповідних параметрів спостережень для визначеного пункту. Цей метод забезпечує оперативне визначення координат в пункті спостереження (в реальному масштабі часу). В якості опорного пункту використовуються пункт локальної, регіональної або широкозонной диференціальної підсистем глобальної навігаційної супутникової системи (ГНСС). Вибір підсистеми залежить від віддаленості пункту спостереження від опорного пункту.

Точність диференціального позиціонування залежить від приймачів, програмного забезпечення та інших факторів і може коливатися в значному діапазоні. При кодових вимірах поправки можуть вводитися як до псевдо, так і до координат. При фазових вимірах також можуть вводитися поправки і автоматично вводитися в розраховуються параметри.

Відносні методи визначення координат на місцевості є в даний час найбільш поширеними.

Як і при диференціальному способі, апаратуру (приймачі) встановлюють як мінімум на двох станціях, одна з яких є базовою (референц-станція). Ніяких корекцій не проводиться, а визначають різниці спостережень на станціях. За різницям спостережень, вільних від багатьох помилок, обчислюють з’єднує ці станції просторовий вектор.

Таким чином, при відносних вимірах визначають прирости координат між опорними і обумовленими пунктами через тривимірний вектор. Базова станція повинна мати точні координати, щоб по виміряним приращениям можна було вирахувати координати інших пунктів (точок).

При відносному методі спостереження, виконані виміри одночасно на опорному і визначається пункті, обробляються спільно. При цьому визначаються прирости координат. Визначення координат може проводитися в статичному режимі, що дозволяє виконувати тривалі сеанси спостережень.

Схема відносних вимірювань

Роль оператора в супутникових визначеннях зводиться до організації вимірювань та забезпечення одночасної роботи всіх приймачів, що беруть участь в сеансі. Отримані результати обробляються на комп’ютері.

Де НКА – навігаційний космічний апарат, ОП – опорний пункт, ПН – пункт спостереження.

Тривалість спостережень на станції залежить від вимог точності, довжини базової лінії і застосовуваного приймача. Для двочастотних приймачів дозвіл здійснюється протягом 10-15 хвилин. Для одночастотних приймачів такого часу може бути виявитися достатнім лише при коротких базах (до 1 км). На довгих базових лініях дозвіл вимагає тривалих спостережень протягом одного і більше години.

Збільшення тривалості і повторні спостереження дозволяють підвищити точність визначення координат пунктів.

Одночасне спостереження супутників GPS і ГЛОНАСС дозволяє істотно скоротити час спостережень і підвищити точність визначення координат до 1 см.

При кінематичному способі спостережень розрізняють два режими: з зупинками і безперервний. Суть методу полягає в тому, що один з приймачів постійно переміщається по визначеним точкам. Точність визначення координат в значній мірі залежить від статичного відрізка часу і безперервності потоку, що надходить. У разі зривів вироблених вимірювань необхідно повертатися на один з раніше визначених пунктів. Безперервна кінематика передбачає вимірювання без зупинок і використовується для високоточного координування траєкторії рухаються.

Обробка супутникових вимірювань проводиться в два етапи: попередня обробка та врівноваження геодезичних мереж. Попередній етап полягає в обробці файлів супутникових спостережень і в оцінці їх якості. Процес зрівнювання результатів вимірювань полягає в обчисленні координат пунктів, оцінці точності і в перетворенні координат в необхідну систему з використанням програмних комплексів. Обробка супутникових вимірювань може проводитися з використанням різних програмних продуктів, наприклад, таких як: Geo Offise (Leica), Spektrum Survey (Sokkia), Trimble Geomatics Offise і ін.

Використання супутникового обладнання при вирішенні задач інженерно-геодезичного забезпечення будівництва обумовлено в першу чергу підвищенням продуктивності праці геодезистів та скорочення термінів виконання робіт. Сантиметровий рівень точності визначення координат може бути досягнутий значно швидше, ніж при використанні традиційних геодезичних інструментів. Супутникові методи дозволяють виконувати роботи в цілодобовому режимі, в будь-яку погоду і при відсутності прямої видимості між точками.

Закріплення пунктів супутникової геодезичної мережі на забудованій частині проводиться групами з двох-трьох стінних знаків відповідно до встановлених правил. На незабудованій території закріплення точок СГС проводиться за допомогою пізнавальних залізобетонних стовпів з охоронними табличками встановленого зразка.

Ссылка на основную публикацию