Спутниковые способы построения плановых геодезических сетей

Системы координат в спутниковой геодезии. В Российской Федерации при выполнении геодезических работ используется проекция Гаусса-Крюгера на эллипсоид Ф.Н. Крсовского, форма и размеры которого были вычислены советским геодезистом А.А. Изотовым в 1940 году. До недавнего времени использовались системы координат СК-42 и СК-95.

В настоящее время, в соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации от 28 июля 2000 г. № 568 используются системы координат:

• СК-95 – при геодезических и картографических работах;
• ПЗ-90 – в целях геодезического обеспечения орбитальных полетов, в навигации морских и воздушных судов.

То есть, при спутниковых измерениях используются две системы координат, одна из которых жестко связана с Землей (геодезическая система координат), а другая – с космической (звездной) системой координат.

Геодезические (эллипсоидальные) координаты. Положение объекта (точки) в околоземном пространстве, находящемся вне эллипсоида, определяется двумя углами. Один из углов – геодезическая широта, а другой геодезическая долгота. В качестве начального меридиана для счета долгот принят меридиан, проходящий через Гринвичскую лабораторию (вблизи Лондона). Долготы отсчитываются от 0 до 360°. В восточном полушарии от 0 до 180°, в западном полушарии от 180 до 360°. Оцифровка широт принята от – 90° на Южном полюсе до + 90° на Северном полюсе, экватор проходит через 0. При таком исчислении координат отпадает необходимость уточнения, в каком полушарии находится искомая точка (объект).

Астрономические координаты положения точки определяются астрономической долготой и широтой относительно уровенной поверхности. Астрономическая широта – угол между отвесной линией в исследуемой точке и плоскостью экватора. Астрономическая долгота – двугранный угол, образованный плоскостью начального меридиана и плоскостью астрономического меридиана исследуемой точки. При пропроведении геодезических работ обязательно учитывают различия между геодезическими и астрономическими координатами.

Прямоугольные пространственные координаты X, У, Z (земная система координат). За начало координат в прямоугольной системе координат принят центр эллипсоида 0. За основную плоскость ХОУ принята плоскость земного экватора. Координатная ось ОХ направлена в точку пересечения нулевого меридиана и плоскости экватора, а ось ОУ пересекает экватор в точке, с долготой 90°. Ось OZ совпадает с осью вращения эллипсоида (но может и не совпадать), при этом различают инерциальную и гринвечскую (вращающуюся) системы прямоугольных координат.

Переход от инерциальной системы координат к гринвичской производится за счет поворота инерциальной системы вокруг оси Z на угол, численно равный истинному гринвичскому звездному времени. Положение точки в пространстве определяется координатами X, У, Z.

Система геодезических параметров «Параметры Земли» (ПЗ) принята в качестве государственной системы координат постановлением Правительства Российской Федерации от 20 июля 2000 года № 568, а в 2007 году принята к использованию ее уточненная версия. Система параметров Земли включает в себя фундаментальные геодезические постоянные, параметры общеземного эллипсоида и систему координат ПЗ, которая закреплена координатами пунктов космической государственной сети, а также включает характеристики модели гравитационного поля Земли и элементы трансформирования между системой ПЗ и национальными референцными системами координат России.

Положение точек в пространстве в системе ПЗ могут быть получено в виде пространственных прямоугольных или геодезических координат. Геодезические координаты относятся к общеземному эллипсоиду с центром, совпадающим с системой ПЗ.

Система геодезических параметров «Мировая геодезическая система» (WGS) впервые была введена в 1987 году, в настоящее время с 20 января 2002 года действует усовершенствованная четвертая версия. Положения точек в системе WGS могут быть получены в виде прямоугольных пространственных или геодезических координат.

Общепризнанными системами отсчета являются IERS (International Earth Rotation Servise), ее европейская подсистема ETRS (European Terrestrial Reference Sustcm), система GRS-80 (Geodetic Reference Sustem, 1980), параметры которой служат основой для ряда систем Европы, Австралии и Америки. В России без интеграции с западными странами создана система Параметры Земли 1990 г. – ПЗ-90.

Система ПЗ-90 закреплена координатами пунктов космической геодезической сети, из них 7 пунктов размещены в Антарктиде. Начало координат совмещено с центром Земли с точностью около одного метра, погрешность взаимного положения пунктов при расстояниях между ними до 10 тыс. км составляет не более 30 см.

Помимо международных систем отсчета существуют также и национальные, в нашей стране они называются референцными. Центры их эллипсоидов часто не совпадают с центром масс Земли, поэтому положение точек в пространстве, определенные по их координатам, могут различаться на десятки, а иногда сотни метров.

Референтная система координат Российской Федерации представлена в виде государственной геодезической сети (ГГС) на всей территории страны и государственной нивелирной сети (Балтийская система высот).

В результате совместного уравнивания координат пунктов космической геодезической сети, доплеровской геодезической и астрономо-геодезичсских сетей, полученная в 1995 году система координат, принята к использованию Постановлением Правительства Российской Федерации от 28 июля 2000 года № 568, получившая наименование – система координат СК-95.

СК-95 согласована с единой государственной геоцентрической системой координат ПЗ-90 (Параметры Земли 1990 года) и предназначена для повышения точности и эффективности решения задач по геодезическому обеспечению экономики, науки и обороны страны. Положение пунктов в данной системе координат определяются следующими параметрами:

• пространственными прямоугольными координатами X, У, Z;
• геодезическими координатами: широтой, долготой и высотой;
• плоскими прямоугольными координатами х, у, вычисляемые в проекции Гаусса-Крюгера.

За отчетную поверхность в СК-95, как и в СК-42 принят эллипсоид Ф.Н. Красовсого. Различия заключаются в расположении эллипсоидов в теле Земли, следовательно, геодезические данные на одном и том же эллипсоиде, полученные в разных системах, будут существенно отличаться.

Преобразование координат из системы СК-42 в систему СК-95 производится следующим образом. На геодезических пунктах, для которых известны координаты в СК-42 и СК-95 получают их разности. Далее необходимо полученную разность распространить на окружающую территорию. Когда поле разностей построено, по известным координатам в одной системе, легко получить координаты в другой системе.

Рассмотрение математической модели такой трансформации выходит за пределы изучения нашего курса, поэтому ограничимся лишь общими сведениями.

Местная система координат – система плоских прямоугольных координат в проекции Гаусса-Крюгера с местной координатной сеткой. Обязательным условием функционирования местной системы координат является наличие возможности перехода к государственной системе координат с помощью параметров перехода (ключей). Использование местных систем координат было обусловлено необходимостью создания крупномасштабных карт и планов городов па основе системы 1963 года. Такие местные системы координат (несколько тысяч) созданы во всех субъектах Российской Федерации. К местным системам плоских прямоугольных координат относят также трехградусные проекции Гаусса-Крюгера.

Общие сведения о функционировании спутниковых систем. Некоторые сведения о спутниковых технологиях в геодезии уже были нами рассмотрены. В настоящем разделе рассмотрим использование спутниковых технологий применительно к прикладной геодезии.

Общеизвестно, что в настоящее время используются две спутниковые системы определения координат: это российская система ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система) и американская NAVSTAR GPS. В ближайшее время должны быть задействованы еще две новые спутниковые навигационные системы: европейская Gallileo и китайская Compass.

В основу определения координат точек местности по навигационным спутникам, выполняющих роль опорных точек, положен принцип пространственной линейной засечки. Независимо от того, какая навигационная система используется, каждая из них состоит из трех сегментов: космического, наземного управления и потребителей. Спутники системы GPS расположены на шести круговых орбитах, плоскости которых повернуты относительно друг друга на 60°.

Период обращения спутников по орбитам составляет около 12 часов. Общая группировка спутников составляет 24 единицы, срок службы на орбите – 7-10 лет.

Группировка спутников системы ГЛОНАСС также насчитывает 24 единицы, расположенных в трех орбитальных плоскостях с периодом обращения около 12 часов.

Сегмент потребителей включает совокупность средств, принимающих радионавигационные сигналы, характеризующихся определяемыми величинами, их точностью и назначением. По назначению всю аппаратуру условно можно разделить на геодезическую, навигационную и бытовую.

Геодезические приемники могут работать в одной или в двух системах (ГЛОНАСС + GPS), они могут выполнять измерения на одной или двух частотах, получать информацию по кодовым или фазовым сигналам. Наибольшую точность обеспечивают двухчастотные геодезические приемники, работающие одновременно по фазовым и кодовым сигналам.

Фазовый режим – это режим высокоточных геодезических измерений, в котором участвуют, как правило, два приемника. В этом режиме получают разность координат пунктов, на которых установлены антенны спутниковых приемников. Определение координат точек земной поверхности с помощью спутников основано на измерении расстояний до спутников и времени распространения электромагнитных сигналов. В процессе измерений участвуют как минимум 4 спутника.

При построении инженерно-геодезических опорных сетей используется так называемый дифференциальный метод измерений. Данный метод позволяет определять не абсолютные значения координат, а их разности. Суть метода состоит в том, что для его реализации необходимы два приемника, один из них устанавливается над пунктом с известными координатами (базовая станция), а другой – в искомой точке. Зная координаты одного пункта, и разности координат (вектор базы), вычисляют координаты любого интересующего пункта (точки). Данный метод позволяет определять координаты искомой точки относительно базовой станции с погрешностью 0,5-2,0 см.

Источники погрешностей спутниковых измерений принято разделять на аппаратные, погрешности обусловленные влиянием внешней среды и погрешности, связанные с геодезическими измерениями пространственного положения и применяемых геодезических методов. Конечная точность спутниковых систем определяется суммарным значением выше перечисленных групп факторов. Влияние каждого источника во многом зависит от качества и технического состояния оборудования и атмосферных условий. Кроме того, точность системы GPS может быть преднамеренно снижена по воле военного ведомства (США) введением, так называемого режима «селективного доступа» или режима S/A, который вносит серьезные искажения в результаты измерений. В российской системе ГЛОНАСС такой режим преднамеренного ухудшения характеристик навигационного сигнала стандартной точности не используется.

Спутниковые способы определения координат пунктов подразделяются па абсолютные и относительные.

Под абсолютным понимают такой способ, при котором по измеренным величинам вычисляют полные значения координат. Под относительным такой способ, когда по измерениям можно вычислить приращения координат – пространственные базовые векторы, соединяющие пункты наблюдений.

При абсолютных способах определения координат различают кроме того автономный и дифференциальный методы. Дифференциальные методы определения координат могут быть основаны на кодовых или фазовых определениях. Относительные способы подразделяются на статические и кинематические методы.

Точность способов существенно различается, от нескольких миллиметров до нескольких десятков метров. Наиболее точными являются дифференциальные и относительные способы. Координаты точек, в кодовом режиме при абсолютных измерениях могут быть определены с ошибкой в несколько метров.

Автономное определение координат производится линейной засечкой по кодовым псевдодальностям, измеренным не менее, чем до четырех спутников. Автономным способ называется потому, что определяются координаты одной точки, независимо от измерений на других станциях. Точность определения координат сравнительно невысока, погрешность в среднем составляет 5-10 м., поэтому такая точность является существенным недостатком данного способа.

При дифференциальном способе определения координат измерения выполняют одновременно двумя приемниками. Один приемник устанавливается над точкой с известными координатами, а другой (подвижный) – в искомой точке.

По результатам наблюдений на опорном пункте формируются дифференциальные поправки к соответствующим параметрам наблюдений для определяемого пункта. Этот метод обеспечивает оперативное определение координат в пункте наблюдения (в реальном масштабе времени). В качестве опорного пункта используются пункт локальной, региональной или широкозонной дифференциальной подсистем глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС). Выбор подсистемы зависит от удаленности пункта наблюдения от опорного пункта.

Точность дифференциального позиционирования зависит от приемников, программного обеспечения и других факторов и может колебаться в значительном диапазоне. При кодовых измерениях поправки могут вводиться как к псевдодальностям, так и к координатам. При фазовых измерениях также могут вводиться поправки и автоматически вводиться в рассчитываемые параметры.

Относительные методы определения координат на местности являются в настоящее время наиболее распространенными.

Как и при дифференциальном способе, аппаратуру (приемники) устанавливают как минимум на двух станциях, одна из которых является базовой (референц-станция). Никаких коррекций не производится, а определяют разности наблюдений на станциях. По разностям наблюдений, свободных от многих погрешностей, вычисляют соединяющий эти станции пространственный вектор.

Таким образом, при относительных измерениях определяют приращения координат между опорными и определяемыми пунктами через трехмерный вектор. Базовая станция должна иметь точные координаты, чтобы по измеренным приращениям можно было вычислить координаты остальных пунктов (точек).

При относительном методе наблюдения, выполненные замеры одновременно на опорном и определяемом пункте, обрабатываются совместно. При этом определяются приращения координат. Определение координат может проводиться в статическом режиме, позволяющем выполнять продолжительные сеансы наблюдений.

Роль оператора в спутниковых определениях сводится к организации измерений и обеспечения одновременной работы всех приемников, участвующих в сеансе. Полученные результаты обрабатываются на компьютере.

Где НКА – навигационный космический аппарат, ОП – опорный пункт, ПН – пункт наблюдения.

Продолжительность наблюдений на станции зависит от требований точности, длины базовой линии и применяемого приемника. Для двухчастотных приемников разрешение осуществляется в течение 10-15 минут. Для одночастотных приемников такого времени может быть оказаться достаточным лишь при коротких базах (до 1 км). На длинных базовых линиях разрешение требует длительных наблюдений в течение одного и более часа.

Увеличение продолжительности и повторные наблюдения позволяют повысить точность определения координат пунктов.

Одновременное наблюдение спутников GPS и ГЛОНАСС позволяет существенно сократить время наблюдений и повысить точность определения координат до 1 см.

При кинематическом способе наблюдений различают два режима: с остановками и непрерывный. Суть способа состоит в том, что один из приемников постоянно перемещается по определяемым точкам. Точность определения координат в значительной степени зависит от статического отрезка времени и непрерывности потока поступающей информации. В случае срывов производимых измерений необходимо возвращаться на один из ранее определенных пунктов. Непрерывная кинематика предполагает измерения без остановок и используется для высокоточного координирования траектории движущегося объекта.

Обработка спутниковых измерений производится в два этапа: предварительная обработка и уравнивание геодезических сетей. Предварительный этап заключается в обработке файлов спутниковых наблюдений и в оценке их качества. Процесс уравнивания результатов измерений заключается в вычислении координат пунктов, оценке точности и в преобразовании координат в требуемую систему с использованием программных комплексов. Обработка спутниковых измерений может производиться с использованием различных программных продуктов, например, таких как: Geo Offise (Leica), Spektrum Survey (Sokkia), Trimble Geomatics Offise и др.

Использование спутникового оборудования при решении задач инженерно-геодезического обеспечения строительства обусловлено в первую очередь повышением производительности труда геодезистов и сокращении сроков выполнения работ. Сантиметровый уровень точности определения координат может быть достигнут значительно быстрее, чем при использовании традиционных геодезических инструментов. Спутниковые методы позволяют выполнять работы в круглосуточном режиме, в любую погоду и при отсутствии прямой видимости между точками.

Закрепление пунктов спутниковой геодезической сети на застроенной части производится группами из двух-трех стенных знаков в соответствии с установленными правилами. На незастроенной территории закрепление точек СГС производится с помощью опознавательных железобетонных столбов с охранными табличками установленного образца.