Шавуров Геннадий Анатольевич Мельников Сергей Рафаэяьевшч геотроника. Наземные и спутниковые средства и методы выполнения геодезических работ учебное пособие

Вид материала

Учебное пособие

Содержание 8. Современная технология топографической съемки 82: Глобальные системы позиционирования 7. Глобальные системы позиционирования Глобальные системы позиционирования 7.7. Этапы создания геодезической сети 7.1. Режимы измерения, измеряемые величины

Подобный материал:

• Сергей Мельников: Точность распознавания речи доходит до 90%, 86.38kb.
• Рекомендовано к изданию решением секции организации строительного производства цнииомтп, 1660.36kb.
• Реферат отчет 213 с., 12 ч., 63 рис., 18 табл., 223 источников, прил, 258.47kb.
• Наименование программы Виды работ* Курсы по строительству бс-01, 118.49kb.
• Учебное пособие Челябинск Издательство юургу 1999, 543.67kb.
• Глинка Николай Леонидович. Общая химия: учебное пособие, 501.78kb.
• Регламентирующие методы управления, 75.96kb.
• Г. Р. Державина академия управления и сервиса кафедра менеджмента и маркетинга учебное, 1147.35kb.
• Правила выполнения и оформления экзаменационной работы по дисциплине Используемая литература, 10.3kb.
• Курс считается освоенным при условии успешного прохождения итогового теста., 378.91kb.

8. СОВРЕМЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ТОПОГРАФИЧЕСКОЙ СЪЕМКИ

Топографическая съемка составляет основной объем топог-рафо-геодезических работ. Поэтому в книге, посвященной со­зданию геодезических сетей, один раздел авторы все-таки от­вели топографической съемке.

Топографическая карта представляет собой модель местно­сти. В пользовании наиболее удобна цифровая модель местнос­ти. Цифровая модель местности является информационной ос­новой автоматизированных систем проектирования и управле­ния, а также географических информационных систем. Имен­но такая модель позволяет оперативно вносить происшедшие на местности изменения. Масштаб и ориентировка модели, а также местоположение каждого объекта (элемента модели) за­дают на основе координат пунктов расположенной в данном регионе геодезической сети. Цифровую модель местности созда­ют, используя в основном спутниковую аппаратуру и электрон­ные тахеометры. Информацию о местности при этом получают и обрабатывают в цифровом виде. По этой причине топографи­ческую съемку, выполняемую с использованием упомянутой аппаратуры называют цифровой. Представляют цифровую мо­дель местности в виде цифровой карты на магнитном или бу­мажном носителе. Представляют ее также в виде базы данных. Используют и сочетание этих способов представления. Такие системы используют для управления территориями, для при­нятия проектных и организационных решений по землеустрой­ству и землепользованию, по строительству и эксплуатации объектов.

Цифровая модель местности содержит информацию о мест­ности и о элементах этой местности — объектах. Метрическая информация представляет собой координаты и номера пунктов, точек, объектов, пикетов. Синтаксическая информация содер-

125

Геотроника

Геодезическая интерферометрия


альманах, это нетрудно. В противном случае устаревает эфеме-ридная информация и данные о здоровье спутников. Не реко­мендуется пользоваться альманахом, возраст которого превы­шает месяц.

О наблюдениях и обработке их результатов сказано ранее. Конечным результатом является составление каталога коорди­нат пунктов и сдача работы заказчику. Этому предшествует полевой контроль, в результате которого исполнитель должен убедиться в том, что предъявленные к надежности, качеству и точности результатов требования выполнены. После этого или одновременно с этим он должен убедить в этом заказчика. Под термином «заказчик» следует понимать представителей госу­дарственных органов, хотя это может быть, например, и руко­водитель крупного предприятия с негосударственной формой собственности. Контроль, как правило, осуществляют повтор­ными наблюдениями на части пунктов. Иногда, там где позво­ляет видимость, выполняют контрольные измерения расстоя­ний и углов между пунктами с использованием точных даль­номеров и теодолитов.

124

емых величин в линейной мере имеют порядок сантиметра, а в угловой мере — порядок тысячной доли угловой секунды.

6.3.3. Применение в геодезии и астрономии

РСДБ позволяет определять компоненты вектора базы, то есть разности координат ДХ, ДУ, А2 его концов. Поскольку аб­солютные координаты ни одного из пунктов не определяются, говорят, что метод РСДБ не чувствителен к параллельному пе­реносу осей координат. Для привязки геодезической сети к цен­тру масс Земли РСДБ сочетают с лазерной локацией искусст­венных спутников Земли. В процессе наблюдений радиотелес­копы независимы друг от друга и, следовательно, ошибка из­мерения не зависит от длины базы. Ошибка определения век­тора базы также не зависит от ее длины, но до определенного предела. Начиная примерно с 7 тысяч километров заметно со­кращается участок небесной сферы, одновременно видимый с обоих концов базы. Из-за этого ухудшается геометрия наблю­дений и ошибка вектора базы растет. Сейчас ошибка определе­ния базы длиной 4-7 тыс. км из суточной серии наблюдений составляет 2-3 см. Такая высокая точность позволяет исполь­зовать РСДБ для изучения современных движений земной коры в масштабах планеты. Сейчас обнаружены относительные пе­ремещения материков со скоростью 2-3 см в год.

Метод РСДБ способен на миллисекундном уровне точности и с временным разрешением в 12 часов определять ориентацию оси вращения Земли в инерциальном пространстве (прецессия и ну­тация), а также положение тела Земли относительно оси ее вра­щения (движение полюса и ЦТ1). Регулярные определения коор­динат полюса и вариаций скорости вращения Земли методом РСДБ начались в 1977 году в рамках программы РОЬАК18 — Ро1аг МоЪюп Апа1у81в Ъу КасИо 1пЬег1етотеЬг1с 8игуеут§ (анализ дви­жения полюса по данным интерференционных измерений). В1984 году ее заменила программа 1ВД8 — 1п*егпаиопа1 КасНо 1п*ег-еготе'Ьгу 8игуеуш§ (международные наблюдения методом радио­интерферометрии). В программе участвовали четыре североаме­риканских радиотелескопа: Уевогс! (северо-восток США, глав­ный пункт), Шсптопй (Флорида), Рог* Балаз (Техас), ОУКО (Ка­лифорния), атакже два европейских радиотелескопа: Опза1а (Шве­ция) и УУеНжеЦ (Германия). На базе Вестфорд-Ветцель наблюде­ния ведутся каждые 12 часов. Координаты полюса определяют с ошибкой 3-6 см, ЦП — с ошибкой 0,05-0,10 мсек.

81

Геотроника

Метод РСДБ позволяет с ошибкой 0",001 получать склонения и разности прямых восхождений квазаров на эпоху наблюдений, а также уточнять модели прецессии и нутации, следовательно, приводить координаты квазаров к единой эпохе. К настоящему времени обнаружено несколько сотен квазаров. Как сказано, стан­дартным каталогом, используемым в РСДБ, является каталог из 19 квазаров Национальной Геодезической Службы — №&опа1 СеосЫас Вигуеу (N08) США. Ошибки координат квазаров лежат в пределах 2-6 тысячных угловой секунды.

82:

Глобальные системы позиционирования

ходный и определяемый пункт составляют кроки с указанием подъезда (подхода) и с привязкой к местным объектам и конту­рам. При наличии навигационного приемника определяют ко­ординаты пункта. Работа должна быть проделана настолько тщательно, чтобы следующий за рекогносцировщиком опера­тор не имел проблем с поиском пункта и имел полное представ­ление об условиях работы на нем. Рекогносцировку поручают опытному в спутниковых наблюдениях специалисту, например, одному из операторов.

Планирование наблюдений — это этап, специфический именно для спутниковой технологии. Целью планирования яв­ляется определение временных интервалов, наиболее благопри­ятных (и неблагоприятных) для наблюдений. Например, в ре­зультате планирования может быть установлено, что на данном объекте в данный период — в период планируемых работ — луч­ше всего выполнять наблюдения с 5 до 12 часов, а с 17 до 18 часов лучше не наблюдать. Такая ситуация повторяется каж­дый день, поскольку расположение спутников на небосклоне также повторяется каждые сутки. Понятие «наиболее благо­приятный интервал времени для наблюдений» означает, что в данном интервале над горизонтом (над маской) будет находить­ся шесть и более спутников, а Р1ЮР будет по возможности близ­ким к единице.

Программа планирования входит в состав программного обеспечения. Исходными данными для планирования являют­ся приближенные (с ошибкой порядка градуса) координаты объекта, приблизительное время работ (с ошибкой порядка месяца), данные рекогносцировки о препятствиях вокруг пун­ктов и альманах системы. Как было сказано, для получения альманаха достаточно перед планированием и выездом на объект выставить приемник на открытое место и подержать его включенным 15-20 минут. Приемник за это время успеет со­брать альманах и этот альманах можно будет перекачать в ком­пьютер. В результате перед выездом в поле бригада (партия) операторов получает график, на котором указано, сколько спут­ников будут находиться над маской в данный часовой интер­вал и каков будет РБОР. Для пунктов, вблизи которых суще­ствуют препятствия, планирование выполняют отдельно. Опе­ратор вводит информацию о препятствиях и программа учиты­вает, что спутники, находящиеся за препятствием, во внима­ние принимать не следует. Всегда желательно иметь «свежий»

123

Геотроника

Глобальные системы позиционирования


рование наблюдений, наблюдения, обработка результатов, со­ставление каталога и сдача работ. Перечень этот достаточно условный. Существуют также организационно-ликвидацион­ные работы, возникает необходимость в закладке центров но­вых пунктов геодезической сети и другие проблемы. Кратко укажем содержание и особенности этапов работы при создании геодезической сети спутниковым методом.

Сбор материалов состоит в получении (приобретении) карт и каталогов координат. Кроме того, целесообразно приобрести любые другие доступные материалы, вплоть до географических описаний и сведений из энциклопедий и справочников. Часто исполнители выезжают на объект для предварительного обсле­дования и согласования работ с местными властями.

Проект работ содержит графическую часть, пояснительную записку и финансовую часть — смету. Графическая часть — это схема проектируемой сети, составляемая на карте. При проек­тировании сети учитывают наличие сохранившихся исходных пунктов и определяют желаемые места расположения вновь определяемых пунктов. Особенность спутниковой технологии состоит в том, что нет необходимости располагать пункты так, чтобы между ними была бы обеспечена взаимная видимость кроме случаев, особо оговоренных техническим заданием на производство работ. Нет необходимости располагать пункты на командных высотах. Пункты можно располагать там, где их впоследствии будет удобно использовать, например вблизи проектируемых объектов.

Рекогносцировка — это вынос проекта в натуру. Определя­ют наличие и сохранность исходных пунктов, их конструкцию, условия наблюдений. Встречаются случаи, когда пункты уте­ряны, например, запаханы, либо нарушены их центры, В зада­чи рекогносцировщика входит поиск каждого из запланирован­ных исходных пунктов и обследование сохранившихся на пред­мет состояния центра и открытости небосклона. При наличии препятствия рекогносцировщик фиксирует азимуты левого и правого края препятствия, а также угол наклона на верх пре­пятствия. Иногда фиксируют и угол наклона на низ препят­ствия, если это такое, например, препятствие, как крона дере­ва или мост. Обследуя место расположения вновь определяе­мого пункта, рекогносцировщик определяет его окончательное местоположение, решает вопрос о его закреплении, оценивает видимость также, как и на исходном пункте. На каждый ис-

122

7. ГЛОБАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ

Существуют две глобальные системы позиционирования — С1оЬа1 РовШошпз ВузЪетз (СР8). В Советском Союзе создана ГЛОНАСС — Глобальная Навигационная Спутниковая Систе­ма. В США создана американская КАУ8ТАК — Кау1#а*;з.оп 8у&1ет ауйп Тгтш апс- Кап&шб —: навигационная система, основанная на измерении времени и дальности. Американская система работает в операционном режиме, то есть она в полной мере технически и коммерчески реализована. Геодезист или на­вигатор, желающий стать пользователем этой системы, может приобрести аппаратуру и программное обеспечение (зой). Прием­ники и программное обеспечение ГЛОНАСС пока не столь доступ­ны. Здесь рассмотрена ОР8 НАУБТАК как система более доступ­ная пользователю-геодезисту. Для краткости будем далее назы­вать ее, как это делают все, просто ОР8. О ГЛОНАСС написано в изданной в МГУ книге Б. Б. Серапинаса [25] и в книге [28].

Официальная информация находится по адресу: ОР8 КАУ8ТАК ОЮВА1, РозШопшв 8уа1ет Мир: //уг\?.паусеп.и8се.т11/риЬа/вР8/81варес

Термин позиционирование означает не только определение местоположения, то есть координат объекта. Вместе с коорди­натами определяют вектор скорости его движения. Проще го­воря, определяют направление и скорость движения объекта. Координаты и составляющие скорости задают вектор состоя­ния объекта. Таким объектом может быть судно, корабль, са­молет, вертолет, спутник, автомобиль, пеший оператор либо другой подвижный носитель. Перед разработчиками системы ставилась определенная задача. Система должна обеспечивать определение вектора состояния пользователя в любое время, в любой точке земной поверхности и с точностью, необходимой

83

Геотроника ____ _____

пользователю. Опыт показывает, что эта задача решена. При­держиваясь информации, содержащейся в работе [6], приведем данные об истории создания ОР8.

Система находится в ведении Офиса Объединенной Програм­мы — «1ош1 Ргогат ОШзе (ЛРО). Офис расположен в Космичес­ком подразделении командных систем военно-воздушных сил США — А1г Гогсе Зузетз Соттапд 8расе Шу1810п. Подразделе­ние находится на базе военно-воздушных сил США — А1г Гогсе Вазе (АРВ) — в Лос-Анджелесе. В1973 году РО получил приказ Министерства Обороны США «установить, разработать, тестиро­вать, освоить и развернуть спутниковую систему позиционирова­ния» . ЫАУ8ТАК является результатом выполнения этого прика­за. Общепринятое определение системы звучит следующим обра­зом . Глобальная система позиционирования (ОР8) N АУ8ТАК яв­ляется всепогодной спутниковой навигационной системой, разра­ботанной Министерством Обороны США с тем, чтобы отвечать требованиям вооруженных сил по точному определению местопо­ложения объектов, скорости их перемещения, а также по точной временной привязке в единой системе относимости в любой точке земной поверхности или окружающего пространства в непрерыв­ном режиме. Геодезисты сразу поняли, что эту военную навига­ционную систему можно эффективно использовать в мирных гео­дезических целях. Интересно, что до того, как был разработан навигационный кодовый приемник ОР8, геодезисты успели раз­работать и создать геодезический фазовый приемник Макрометр.

Спутниковая система дороже системы наземного базирования. Спутники необходимо создавать, запускать, отслеживать, обере­гать и по мере выработки ресурса — ликвидировать. На затраты идут потому, что спутниковая система совмещает глобальность с высокой точностью позиционирования. Действительно, существу­ют глобальные наземные системы, но они, являясь длинноволно­выми или сверхдлинноволновыми, определяют местоположение судна в открытом океане с ошибкой около мили. Существуют уль­тракоротковолновые высокоточные системы наземного базирова­ния, но они определяют координаты объекта лишь в пределах прямой видимости, то есть на расстоянии в 10-20 километров. Спутниковая система является высокоточной, поскольку работа­ет в диапазоне сверхвысоких частот. Одновременно она является глобальной, потому, что в любой точке земной поверхности над горизонтом всегда находятся несколько спутников системы.

84

Глобальные системы позиционирования

по его мнению, набран достаточный объем информации, наблю­дения можно прекращать, аппаратуру выключать и переме­щаться на следующий пункт. При этом предполагается, что на референцной станции условия наблюдений идеальные - небос­клон полностью открыт. Последовав «совету» приемника, опе­ратор экономит несколько десятков минут наблюдений, но рис­кует все-таки столкнуться с проблемами на этапе постобработ­ки при разрешении многозначности и может быть вынужден повторить наблюдения на данной базе. Бели оператор не после­довал рекомендации аппаратуры и продолжил сбор информа­ции, то работа, по существу сводится к наблюдениям в стати­ческом режиме.

Работая в режиме псевдостатики (псевдокинематики), каж­дый пункт необходимо посетить дважды за рабочий день. На­пример, оператор выполняет наблюдения на пунктах 1, 2, 3,4, 5. Затем целесообразно посетить пункты в обратном порядке: 4, 3, 2, 1. Длительность наблюдений при каждом посещении остальных пунктов не может быть меньше десяти минут. Меж­ду первым и вторым посещением пункта должно пройти не ме­нее часа. Сложность организации такого процесса и большие транспортные затраты при двойном посещении каждого пунк­та приводят к тому, что наблюдатели редко выбирают такой режим работы. Практика показывает, что при создании или об­новлении опорной сети целесообразно использовать статичес­кий режим. При создании съемочной сети, при определении ко­ординат опознаков и при выполнении топографической и ка­дастровой съемки предпочтительна кинематика, либо кинема­тика в реальном времени.

7.7. ЭТАПЫ СОЗДАНИЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКОЙ СЕТИ

Технология создания геодезической сети спутниковым ме­тодом во многом совпадает с технологией создания сети назем­ными методами: в технологической цепочке существуют совпа­дающие этапы. Однако есть и различия: появился новый этап -планирование спутниковых наблюдений, исчезла необходи­мость в строительстве и ремонте сигналов, цели и содержание остальных этапов видоизменились. Перечислим последователь­ность действий при работе в регионе или на объекте: сбор мате­риалов, составление проекта работ, рекогносцировка, плани-

121

Геотроника

Глобальные системы позиционирования


циализации. При непрерывной работе в течение указанного вре­мени приемник накопит достаточно информации, чтобы про­граммное обеспечение на этапе постобработки смогло разре­шить многозначность.

Координаты пунктов определяют с ошибкой 2-5 сантимет­ров, что достаточно для опознаков или для пунктов съемочно­го обоснования. Постобработка занимает примерно столько же времени, сколько и полевые наблюдения.

Развитием режима кинематики является кинематика в ре­альном времени — геа1 Ите ктетайсз (КТК). В этом режиме, используя линию связи (модем), референцный приемник пере­дает сформированные им первые разности фазовых измерений на роверный приемник. Тот формирует вторые разности, тре­тьи разности, а затем, зная координаты референцной станции, вычисляет собственные координаты так, как описано в разде­ле 7.4. Оператор роверного приемника получает координаты антенны с ошибкой порядка сантиметра через несколько секунд после установки антенны на пункте. Оператор вводит атрибу­ты (аМпЪиез) данного пункта, то есть его характеристики, принадлежность, предназначение и т.п. Например, это может быть межевой знак с таким-то номером, разделяющий такие-то угодья таких-то собственников. Вся информация включает­ся в геоинформационную систему региона или объекта, постоб­работка в указанном выше смысле не требуется. Сочетание КТК и электронных тахеометров — наиболее эффективное средство выполнения топографических и кадастровых работ.

Существуют режимы, занимающие промежуточное положе­ние между статикой и кинематикой. Это — быстрая статика — азЪзайсвигуеупц?, и псевдостатика — рзешЗозайс зигуеу-т§, ее называют также псевдокинематикой — рзеийоктета&с зигуеут§. При использовании этих режимов приемник в про­цессе следования с пункта на пункт выключен. Перед началом работы приемник предлагает оператору выбрать режим стати­ки, кинематики, быстрой статики или псевдостатики. Этот выбор делают операторы всех приемников по предварительно­му согласованию и по предварительно составленному графику. График может быть нарушен, например, в случае поломки транспорта. Корректировки в график вносят по связи, если та­ковая имеется. В режиме быстрой статики роверный приемник, учитывая количество спутников, число успешных циклов на­блюдений и геометрический фактор, выдает сигнал о том, что,

120

По геометрической сути спутниковая система является даль-номерной. Можно было бы сказать, что измеряют расстояния от приемника до спутников и местоположение приемника оп­ределяют линейной засечкой. Однако такое утверждение вер­но лишь в первом приближении. На самом деле, как сказано ранее, в геотронике измеряют не расстояние, но величины, фун­кционально с ними связанные. По физической или аппаратур­ной сути спутниковая система является беззапросной. Опорные генераторы спутника и приемника независимы и успешное выполнение измерений требует, чтобы их рассинхронизация была учтена. Система работает в трех неразрывно связанных режимах. Связь между режимами осуществляет, в основном, программное обеспечение.

7.1. РЕЖИМЫ ИЗМЕРЕНИЯ, ИЗМЕРЯЕМЫЕ ВЕЛИЧИНЫ

Кодовый режим — это режим, изначально заложенный в си­стему. Сигнал каждого спутника содержит его эфемериды — данные о местоположении спутника, позволяющие вычислить координаты спутника в земной системе координат. Кроме того, кодовый сигнал содержит передаваемую каждые шесть секунд временную метку. Момент ухода временной метки со спутни­ка, определенный по часам спутника, подписан на ней. Прием­ник захватывает сигнал спутника, идентифицирует спутник по коду его сигнала, считывает временную метку и определяет время т_р прохождения сигнала от спутника до приемника. Это позволяет вычислить дальность от приемника до спутника. Все было бы именно так, если бы часы приемника и спутника шли синхронно. На самом деле между их показаниями в один и тот же момент времени существует ненулевая разность — относи­тельная поправка часов. Она входит в результат определения дальности. Поэтому в данном случае дальность называют псев­додальностью. Говорят, что в кодовом, навигационном режи­ме измеряемой величиной является кодовая псевдодальность. Поправку часов приемника относительно часов спутника на момент наблюдений определяют как неизвестную величину из обработки результатов этих наблюдений. Таким образом, для каждого пункта имеется не три неизвестных — три координа­ты пункта — а четыре неизвестных: три координаты и поправ­ка часов приемника. Следовательно, для мгновенного опреде-

85