Комплекс подготовительных работ при создании локальной геодезической сети на аэродроме шереметьево расчет требуемой точности геодезической сети

Вид материала

Реферат

Содержание 2. Технология построения высокоточной спутниковой геодезической сети 2.1. Принципы построения локальной геодезической сети спутниковыми методами 2.2. Основные источники ошибок спутниковых измерений и методы ослабления их влияния 2.2.1. Ошибки эфемерид спутников Таблица 2.1.Влияние возмущающих факторов на движение ИСЗ. 2.2.2. Влияние внешней среды 2.2.2.1. Влияние ионосферы 2.2.2.2. Влияние тропосферы

Подобный материал:

• Литература: Неумывакин Ю. К. Перский М. И. Колосс 2006, 127.01kb.
• Инструкция по настройки подключения по локальной сети в Windows 7 при автоматическом, 9.33kb.
• Урок информатики. Тема урока: Локальные и глобальные компьютерные сети. Обмен данными, 10.5kb.
• Положение о работе с локальной сетью и сетью Интернет в образовательном учреждении, 180.3kb.
• Настройка школьной локальной сети при подключении к Интернет, 64.8kb.
• Лекция 10. Структуризация локальной сети Физическая структуризация локальной сети., 126.08kb.
• Реферат по предмету : сети ЭВМ на тему : Построение сети предприятия, 569.95kb.
• Уроку информатики и икт в 10 классе (базовый уровень) Тема урока: Локальные компьютерные, 139.48kb.
• Положение о локальной вычислительной сети Государственной жилищной инспекции Республики, 111.04kb.
• Конспект урока 9 классе на тему: Компьютерные сети. Виды компьютерных сетей, 115.15kb.

2. ТЕХНОЛОГИЯ ПОСТРОЕНИЯ ВЫСОКОТОЧНОЙ СПУТНИКОВОЙ ГЕОДЕЗИЧЕСКОЙ СЕТИ


В процессе создания высокоточной локальной геодезической сети на аэродроме Шереметьево были рассмотрены следующие вопросы:

• Концепция построения спутниковой геодезической сети;
  
• Основные источники ошибок спутниковых измерений и методы ослабления их влияния;
  
• Организация спутниковых наблюдений на геодезических пунктах.
  

2.1. Принципы построения локальной геодезической сети спутниковыми методами

Программа создания локальной геодезической сети базируется на основе рассчитанной требуемой точности исходной сети для выполнения работ по реконструкции визуальных аэронавигационных средств на аэродроме Шереметьево, возможностей современной спутниковой технологии координатных определений, а также накопленного в нашей стране опыта решения подобных задач с использованием спутниковых методов.

При разработке программы создания геодезической сети вдоль протяженной трассы, особого внимания заслуживает принцип ее построения с учетом особенностей спутниковых технологий.

К настоящему времени при реализации спутниковых методов наибольшее распространение получили такие подходы к построению локальных геодезических сетей, как принцип создания сети на основе использования одной референцной станции и принцип, базирующийся на применении нескольких референцных станций.

Принцип создания сети, основанный на использовании одной референцной станции (рис. 2.1) позволяет осуществить непосредственную передачу координат от исходного пункта на определяемые пункты. При этом, во многих случаях, возникает необходимость измерения линий повышенной протяженности, что приводит иногда к неоправданным дополнительным затратам времени и средств. Кроме того, возникающая лучевая схема построения сети не всегда обеспечивает надежный контроль качества получаемых результатов.



Рис. 2.1. Принцип создания локальной геодезической сети спутниковым методом на основе использования одной референцной станции.


При использовании нескольких референцных станций реализуется, как правило, поэтапное (последовательное) построение сети. В этом случае на первом этапе развивается сеть вторичных референцных точек, которые непосредственно связаны с исходной, а на втором этапе создается сеть требуемой плотности с опорой в каждом сеансе наблюдений, на общую между сеансами точку (рис. 2.2.а) или, по крайней мере, на две вторичные референцные точки (рис. 2.2.б).




а б

Рис. 2.2. Принцип создания локальной геодезической сети спутниковым методом на основе использования нескольких референцных станций.


При таком подходе удается сократить среднюю протяженность измеряемых базисных линий, а, кроме того, местонахождение ряда точек сети определяется на основе, как минимум, двух независимых измерений до двух независимых референцных пунктов, что, безусловно, существенно повышает точность и надежность координатных определений. Кроме того, для ужесточения требований к точности спутниковых определений имеет практическое применение проведение двойных сеансов измерений назначенных геометрических построений. При этом в любом из приведенных методов обеспечивается однородность создаваемой сети.

Следует заметить, что одна из особенностей спутниковых определений состоит в том, что при работе с несколькими спутниковыми приемниками появляется возможность вычисления линий между различными точками сети на основе применения информации, которая уже была использована для определения в текущем сеансе других базисных линий. Получаемые при этом зависимые линии относятся к числу тривиальных, которые не рекомендуют включать в вычисления, связанные с получением окончательных результатов. Но, в отдельных случаях, они могут оказаться полезными для выявления и отбраковки грубых результатов измерений.

Применительно к территории аэродрома Шереметьево преимуществами обладает первый подход, основанный на лучевой схеме построении сети с применением двух - трех приемников, так как протяженность объекта незначительна (не более 4 км от базовой точки).

В связи с необходимостью получения определяемых координат пунктов сети не в системе WGS-84, а в принятой для данного региона системе координат и высот (МСК), обязательным условием является привязка к пунктам плановой и высотной основы, которые характеризуются наиболее высокими точностными показателями. Обе основы должны быть представлены по возможности равномерно на всей территории охватываемой сетью. Такими пунктами будут являться пункты ФГУП ГПИиНИИ ГА «Аэропроект».

На территории аэропорта Шереметьево вдоль ВПП-2 и МРД-2 расположено 15 таких пунктов с известными координатами в местной локальной системе МСК (рис. 2.3).




Рис. 2.3. Пункты ФГУП ГПИиНИИ ГА «Аэропроект».

Эти пункты будут использоваться при трансформировании координат как опорные или как контрольные.

Проанализировав выше изложенные факторы, представляется возможным сформулировать основные выводы:

1. Создаваемую на аэродроме Шереметьево геодезическую сеть целесообразно реализовать по лучевой схеме.
   
2. Для обеспечения высокой точности и надежности в сочетании с высокими технико-экономическими показателями предпочтения заслуживает метод определения местоположения всех пунктов сети на основе, как минимум, двух независимых измерений.
   
3. В сети должен быть предусмотрен единый исходный пункт.
   
4. Совмещение (привязка) создаваемой сети с существующей плановой и высотной сетью должно быть максимальным, что позволит наиболее успешно решить проблему перехода между различными координатными и высотными системами, свойственные спутниковым и традиционным геодезическим методам.
   

2.2. Основные источники ошибок спутниковых измерений и методы ослабления их влияния

При рассмотрении методов высокоточных спутниковых измерений возникает необходимость тщательного исследования влияний всех возможных источников ошибок выполняемых измерений, особенностей их проявления и обоснования методов их учета. В зависимости от характера источников воздействия ошибки подразделяются на две основные группы: систематические ошибки, которые применительно к спутниковым измерениям получили название смещений, и ошибки случайного характера.

Для учета погрешностей первой группы разрабатываются специальные методы. Влияние второй группы удается, в большинстве случаев, минимизировать за счет использования большого массива отдельных измерений.

В настоящем разделе основное внимание уделено рассмотрению ошибок систематического характера, обуславливающих появление смещений результатов измерений. При их исследовании широкое распространение получил способ моделирования, для разработки которого приходится тщательно изучать механизм воздействия источников таких ошибок на результаты измерений. На основе этого способа разрабатывают эффективные методы минимизации отмеченного влияния.

Исходя из методики измерительного процесса, характерной для спутниковой системы GPS, все основные источники систематических ошибок можно условно разбить на три группы:

1. ошибки эфемерид спутников, значения которых должны быть известны на момент измерений;
   
2. влияние внешней среды, среди которого выделяют воздействие атмосферы (ионосферы и тропосферы), а также отраженных от окружающих объектов радиосигналов (многопутность);
   
3. инструментальные источники ошибок, к которым, как правило, относят вариации фазового центра антенны приемника, а также ошибки хода часов спутника и приемника.
   

Отдельно следует рассмотреть геометрический фактор расположения спутников. Кроме того, целый ряд ошибок может возникать в процессе перехода из одной координатной системы в другую, в данном случае из глобальной системы WGS-84 в местную локальную систему координат.


2.2.1. Ошибки эфемерид спутников

При получении координат точек на земной поверхности спутниковыми методами необходимо наряду с определяемым расстоянием до спутника знать также его эфемериды, которые задают местоположение спутника на момент выполнения измерений. Неточность знания эфемерид обуславливает соответствующие погрешности определения как абсолютных значений координат точек, так и их разностей между пунктами наблюдений. Неточное знание эфемерид связано, прежде всего, с расхождениями между предсказываемой (невозмущенной) и реальной (подверженной влиянию возмущающих сил) орбитами. К возмущающим силам относят различные факторы как гравитационного, так и негравитационного происхождения. Влияние различных факторов на движение искусственных спутников Земли приведено в таблице 2.1.


Таблица 2.1.Влияние возмущающих факторов на движение ИСЗ.

Возмущающие факторы	Максимальное возмущающее ускорение, м/с2	Максимальное возмущение за 1 час, м
Вторая зональная гармоника	5,310-5	300
Гравитация Луны	5,510-6	40
Гравитация Солнца	310-6	20
Четвёртая зональная гармоника	10-7	0,6
Солнечная радиация	10-7	0,6
Гравитационные аномалии	10-8	0,06
Другие факторы	10-8	0,06

Приведенные в таблице 2.2.1 значения свидетельствуют о том, что, наибольшее воздействие на уклонения реальной орбиты от расчетной оказывает неоднородность гравитационного поля Земли. В частности, из-за влияния второй зональной гармоники такие уклонения для трехчасовых дуг орбит достигают 2 км, а для более протяженных двухсуточных дуг до 14 км. Столь значительные уклонения нельзя не учитывать при любых видах спутниковых измерений.

Суммарное гравитационное влияние масс Луны и Солнца хотя и оказывается существенно меньшим (для трехчасовых дуг уклонения от невозмущенной орбиты оцениваются величинами на уровне от 50 до 150 м), но, тем не менее, при прогнозировании значений эфемерид его также следует учитывать.

Непосредственно с гравитацией связаны также наблюдаемые на земной поверхности различного рода приливные явления, которые из-за перераспределения масс приводят к изменениям в предрассчитываемом гравитационном поле Земли, а, следовательно, и к влияниям на орбитальное движение спутника. Проведенная оценка свидетельствует о том, что уклонения спутника от расчетной орбиты из-за воздействия данного фактора даже для двухсуточных дуг лежат в пределах от 0,5 до 2 м, что составляет относительную ошибку 1/10000000. Этим влиянием можно пренебречь.

Переходя к оценке влияния факторов негравитационного происхождения, следует заметить, что наиболее существенное влияние на неточность знания эфемерид GPS спутников оказывает солнечное радиационное давление. Уклонения спутников от расчетной траектории из-за воздействия прямого солнечного радиационного давления лежат в пределах от 5-6 м (для трехчасовых дуг) до 100-800 м (для двухсуточных дуг).

Указанные предрасчеты влияния солнечного радиационного давления характеризуются невысокой надежностью по следующим причинам:

• интенсивность солнечного излучения не остается постоянной с течением времени;
  
• модель влияния данного фактора существенно изменяется при переходе спутника в зону тени и полутени;
  
• эффективная поверхность спутника плохо поддается предрасчету как из-за сложной конфигурации, так и из-за вариаций положения спутника в пространстве.
  

Дополнительную неопределенность в предрасчет влияния радиационного давления вносит отраженная от земной поверхности солнечная радиация, зависящая от атмосферных условий и отражающих свойств облучаемых Солнцем участков земной поверхности.

Другим возмущающим фактором негравитационного происхождения является атмосферное торможение. Следует иметь ввиду, что на характерной для GPS спутников высоте около 20 тыс. км атмосфера оказывается чрезвычайно разреженной, и ее влиянием при предрасчетах орбит спутников, как правило, пренебрегают.

Таким образом точность передаваемых по радиоканалу значений эфемерид характеризуется погрешностью на уровне около 20 м, что обеспечивает точность геодезических спутниковых дифференциальных измерений на уровне около 110^-6. Такая точночть удовлетворяет требованиям большинства выполняемых геодезических работ. Однако в связи с широким развитием глобальных высокоточных сетей, предназначенных для изучения движения земной коры, отмеченный уровень оказывается недостаточным. В таких случаях прибегают к использованию апостериорного метода определения эфемерид. Его сущность состоит в том, что при окончательной обработке спутниковых измерений используют не передаваемые со спутника по радиоканалу значения эфемерид, а накопленные в банке данных специально организованных служб реальные (не прогнозируемые) значения эфемерид. Для потребителя информация об эфемеридах доступна через Интернет.

При апостериорных методах удается повысить точность определения эфемерид почти на порядок, т.е. довести эту точность до нескольких единиц метров. При таком подходе погрешность знания эфемерид перестает оказывать существенное влияние на результирующую точность спутниковых измерений для решения многих геодезических задач.


2.2.2. Влияние внешней среды

Влияние внешней среды на результаты спутниковых измерений проявляется как через изменения времени прохождения радиосигналов от спутника до приемника, так и через возникновение многопутности, обусловленной отражениями радиосигналов от тех или иных поверхностей, расположенных в непосредственной близости от приемника.

В свою очередь изменения во времени распространения радиосигналов связаны со скоростью распространения электромагнитных волн, которая в такой среде, как атмосфера, отличается от скорости света в вакууме. Изменения скорости на пути распространения сигнала становятся причиной дополнительных временных задержек, вследствие чего появляются ошибки в значениях измеряемых расстояний, пренебрегать которыми нельзя. Применительно к системе GPS радиосигнал большую часть своего пути проходит в вакууме. Но на высотах от нескольких сотен до нескольких десятков километров от земной поверхности находится область ионизированной разреженной атмосферы, получившая название ионосферы Характерная особенность ионосферы состоит в том, что она вносит задержки во время, затрачиваемое сигналом на прохождение через такую среду.

На высотах менее 20 км от земной поверхности находится газообразная атмосфера, получившая название тропосферы. В этой среде отсутствует зависимость скорости радиоволн от частоты, но начинает проявляться зависимость от метеорологических факторов (температуры, давления и влажности), которые в приземных слоях атмосферы могут изменяться с течением времени.

Наряду с атмосферными влияниями результаты спутниковых измерений подвержены также многопутности, которая приводит к попаданию на вход приемника нескольких идентичных радиосигналов, прошедших различный путь. В результате их взаимодействия возникает результирующий сигнал, который несет в себе несколько искаженную информацию о величине измеряемого фазового сдвига.

Поскольку механизм влияния для перечисленных выше трех источников ошибок существенно различен, то проанализируем раздельно особенности таких влияний.


2.2.2.1. Влияние ионосферы

Ионосфера, являющаяся наиболее удаленной от земной поверхности частью атмосферы, подвержена сильному воздействию космического излучения, прежде всего ультрафиолетовой радиации Солнца. В результате такого облучения электрически нейтральные молекулы и атомы воздуха ионизируются, т.е. распадаются на свободные электроны и электрически заряженные ионы.

Поскольку энергия отдельных квантов электромагнитного ионизирующего излучения зависит от частоты излучения, то степень ионизации также зависит от частоты излучения, причем, чем выше частота, тем интенсивнее происходит ионизация. Для каждого вида молекул или атомов существует определенный пороговый уровень энергии, при котором происходит расщепление электрически нейтральных частиц воздуха. Интенсивная ионизация частиц воздуха происходит только при их облучении электромагнитными излучениями с длиной волны короче 0,13 мкм, т. е. колебаниями ультрафиолетового диапазона. Поэтому основным ионизирующим фактором в солнечном излучении является ультрафиолетовая радиация, энергия которой почти полностью затрачивается на ионизацию верхних слоев атмосферы, предохраняя тем самым земную поверхность от вредных воздействий радиации. Электрические свойства ионизированных слоев атмосферы оказывают большое влияние на прохождение через них радиосигналов различных частотных диапазонов.

Находящиеся в ионосфере свободные электроны под воздействием проходящих через ионосферу электромагнитных волн от спутника сами становятся источниками вторичных волн. Эти волны при взаимодействии с первичными приводят к появлению результирующих волн с несколько отличной скоростью распространения, значение которой может быть как ниже, так и выше скорости света в вакууме.

Однако, выполняя измерения на двух несущих частотах представляется возможным не только вычислить практически свободную от влияния ионосферы величину измеряемого до спутника расстояния, но и определить значение ионосферной поправки. Остаточное ее воздействие на результаты измерений обусловлено, главным образом, недостаточно строгим модельным представлением зависимости ионосферной поправки от частоты.


Так поправка за ионосферу ΔΦ_L1^ion определяется по следующей формуле:

, (2.1)

где:

; (2.2)

; (2.3)

. (2.4)

Здесь:

и -значение несущей частоты соответственно для L1 и L2;

и -целое число периодов за время прохождения сигналом расстояния от спутника до приёмника соответственно для L1 и L2;

и-измеряемое значение разности фаз соответственно для L1 и L2.

Дополнительного ослабления влияния ионосферы удается достичь при выполнении работ в ночное время.


2.2.2.2. Влияние тропосферы

При выполнении спутниковых измерений наряду с ионосферой приходится учитывать также влияние тропосферы, которая представляет собой ближайшую к земной поверхности часть атмосферы, простирающуюся до высот 20 км.

Отличительная особенность тропосферы состоит в том, что она является нейтральной (т.е. неионизированной) средой. Поэтому для частот радиодиапазона менее 15 ГГц такая среда может рассматриваться как среда, не подверженная дисперсии, вследствие чего скорость распространения радиоволн в ней не зависит от частоты. При этом фазовая и групповая скорости оказываются одинаковыми, а поэтому нет необходимости раздельно изучать влияние тропосферы на фазовые и на кодовые измерения. При разработке методов учета такого влияния не представляется возможным использовать описанные выше принципы измерений на двух различных несущих частотах, вследствие чего доминирующее положение занимают методы моделирования.

К настоящему времени для учета влияния тропосферы предложено значительное количество различных моделей, позволяющих оценить величину тропосферных задержек при прохождении сигналов от космических объектов до расположенных на земной поверхности пунктов. Применительно к спутниковым системам позиционирования типа GPS наибольшее распространение получила модель Хопфилда. При разработке такой модели была обоснована целесообразность разделения преломляющих свойств тропосферы на «сухую» и «влажную» компоненты. При этом для показателя преломления n (а точнее для индекса показателя преломления N_trop = (n-1) 10⁶) была применена следующая форма представления:

N_trop=N_S+N_W , (2.5)

где N_S, и N_W. - индексы показателя преломления воздуха соответственно для «сухой» и «влажной» компоненты.

В тропосферной модели Хопфилда поправка вычисляется по следующей формуле:

, (2.6)

где:

Е-угол возвышения спутника над горизонтом;

h_s и h_w - высота слоя, в пределах которого температура линейно связана с высотой, для сухой и влажной компоненты;

N_s0 и N_w0 - индексы показателя преломления воздуха в точке стояния наблюдателя.


Наряду с тропосферной моделью Хопфилда в отдельных типах спутниковых приемников используется модель Саастамойнена, которая описывается следующим эмпирическим выражением:

. (2.7)

Здесь:

z - зенитный угол в направлении на спутник;

P, T и e - давление, температура и влажность воздуха, определяемые на пункте наблюдения, при этом величина Т измеряется в градусах Кельвина, а Р и е - в миллибарах.

Тропосферные модели других авторов применяются на практике сравнительно редко.

Следует заметить, что влияние тропосферы на результаты спутниковых измерений существенно ослабляется за счет использования дифференциальных методов наблюдений, при которых на конечные результаты оказывают влияние не абсолютные значения тропосферных задержек, а их разности. Накопленный к настоящему времени опыт спутниковых GPS измерений свидетельствует о том, что метод тропосферного моделирования в сочетании с дифференциальными принципами измерений позволяет достаточно надежно оценивать влияние тропосферы на сантиметровом уровне точности. Некоторые трудности могут возникать при моделировании влияния влажности воздуха. Для их преодоления рекомендуется использовать специальные приборы, получившие название радиометров водяных паров, которые позволяют определять с необходимой точностью интегральное значение влажности на пути прохождения радиосигнала от спутника к приемнику.