Относительный спутниковый метод создания координатной основы. Принципиальные отличия его от традиционных методов

 

Глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС) - система, состоящая из созвездия навигационных спутников, службы контроля и управления и аппаратуры пользователей, позволяющая

СРНС предназначены для надежного, высокоточного, независимого от времени суток, помех, погоды и расположения на земном шаре определения координат и времени

Основной принцип работы системы — определение местоположения путём измерения расстояний до объекта от точек с известными координатами — спутников. Каждый спутник непрерывно передает сигналы строго определенного вида, несущие информацию о времени и положении спутника в пространстве. Специальный приемник этих сигналов принимает и декодирует информацию от спутника, измеряет расстояние до него, находит из обработки (пространственная обратная линейная засечка) свое положение и точное время.

Расстояние вычисляется по времени задержки распространения сигнала от посылки его спутником до приёма антенной GPS-приёмника. То есть, для определения трёхмерных координат GPS-приёмнику нужно знать расстояние до трёх спутников и время GPS системы. Таким образом, для определения координат и высоты приёмника, используются сигналы как минимум с четырёх спутников.

система, разработана и эксплуатируется МО РФ. Работает по аналогичному принципу, что и GPS.

СРНС включает в себя три сегмента:

- космический с орбитальной группировкой навигацион­ных спутников;

- наземный комплекс управления и контроля;

Методы определения координат: абсолютный, дифференциальный и относительный метод определения координат.

В абсолютном методе координаты поучаются одним приемником в системе координат спутники навигационной системы. При этом реализуется метод засечки положения приемника от известных положений космических аппаратов (КА). Часто это метод называют также точечным позиционированием.

В дифференциальном и относительном методе наблюдения производят не менее чем с двух приемников, один из которых располагается на опорном пункте с известными координатами, а второй совмещен с определяемым объектом.

В дифференциальном методе по результатам наблюдений на опорном пункте отыскиваются поправки к соответствующим параметрам наблюдений или координатам для неизвестного пункта. Этот метод обеспечивает мгновенные решения, обычно называемые как решения в реальном времени, в которых достигается улучшенная точность по отношению к опорной станции.

СУЩНОСТЬ ОТНОСИТЕЛЬНОГО МЕТОДА ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ

Относительное позиционирование применяют для определения взаимного положения исходного пункта и определяемого объекта на сантиметровом и более высоком уровне точности, в зависимости от используемого метода позиционирования.

В относительном методе наблюдения, сделанные одновременно на опорном и определяемом пунктах, обрабатываются совместно. Это значительно повышает точность решений, но исключает мгновенные решения. В относительном методе определяется вектор, соединяющий опорный и определяемый пункты, называемый вектором базовой линии.

Статическое относительное позиционирование по фазе несущей является самым точным методом позиционирования и наиболее часто используется геодезистами. Этот метод предназначен для определения вектора базовой линии между двумя стационарными приемниками. В статических съемках достижимы точности 10^-6-10^-7 и даже лучше, что эквивалентно миллиметровой точности на базовых линиях в несколько километров.

Принципиальное отличие относительного спутникового и традиционных методов построение ГГС:

Ø В классической геодезии измерения производятся относительно отвесной линии (или поверхности геоида) - в основе измерений лежит физический принцип измерений. В результате, геодезические сети, построенные классическими методами, делятся на плановые и высотные сети

Ø В основе спутниковых методов лежит геометрический принцип измерений, когда измеряются расстояния, являющиеся инвариантными величинами относительно систем координат и не дающие связь с геоидом.

Таким образом эта основная (принципиальная) проблема приводит к 2-м проблемам практического плана:

Проблема №1 - Определения нормальной высоты из ГНСС-измерений (см. Рис 1):

 

Для определения нормальной высотыпо измеренной спутниковым методом геодезической (эллипсоидальной)высоты H в каждой точке измерений должна быть с соответствующей точностью известна величина отстояния (ондуляция) геоида (квазигеоида) от эллипсоида ς :

H – известна с высокой точностью (см.)

- требуется определить с высокой точностью (см.)

Точность ς – высоты геоида (квазигеоида) на эллипсоидом необходимо определить с высокой точнсотью (см.)для получения нормальных высот на основе спутниковых ГНСС-измерений

 

Проблема №2 – Преобразование координат, определенных спутниковым относительным методом (с высокой точностью) с помощью ГНСС-измерений в гомогенных (однородных) геоцентрических системах координат (ITRF, WGS-84, ПЗ-90.11) из-за низкой гомогенности (точности, однородности) референцных систем координат (СК) СК-42, СК-95, МСК, СК-63 невозможно с точностью, соответствующей точности ГНСС-измерений преобразовать по глобальным пармаетрам (единым для всей страны) в эти референцные СК, в которых выполняются практические геодезические работы.

Поэтому вынужденно применяются локальные параметры трансформации для отдельных небольших участков работ и выполняются дополнитеьные (вспомогательные) работы по определению координат опорных пунктов в геоцентрических СК, что снижает произволительность работ методом ГНСС-измерений и понижает исходную точность ГНСС-измерений до точности референцных систем координат

 

 

6. Достоинства и недостатки современных методов создания ГОГС(достоинства и недостатки спутниковых технологий)

Достоинства:

1. Широкий диапазон точностей - от единиц метров до субсантиметров практически на любых расстояниях. Наблюдение высоких целей ослабляет влияние атмосферы. Выигрыш в точности от этого достигает 1-2 порядка.

2. При построении геодезических сетей отпадает необходимость в пря­мой видимости между пунктами. Поэтому не нужно строить высокие знаки-сигналы, выбирая места на возвышенностях. Строительство знаков занима­ло в геодезии до 80% от стоимости работ. Новые пункты закладывают в местах, удобных для подъезда.

3. Повышение производительности спутниковых технологий, по срав­нению с обычными технологиями, в 10-15 раз.

4. Выполнение кинематических измерений, то есть измерений в движе­нии. Особенно ценно применение таких методов в морской геодезии, аэрофо­тосъемке.

5. Обеспечение непрерывных наблюдений, например, для мониторинга деформаций в режиме реального времени.

6. Одновременно могут определяться три координаты. Деление класси­ческих геодезических сетей на плановые и высотные привело к тому, что на пунктах триангуляции оказываются грубые высотные отметки, а на реперах отсутствуют плановые координаты.

7. Благодаря высокому уровню автоматизации, обеспечиваются быст­рота обработки, уменьшение субъективных ошибок.

8. Почти полная независимость от погоды

 

Недостатки:

1. Проблема преобразования высот и координат в локальную геодезическую систему, в том числе невозможность непосредственно из измерений получить нормальные высоты.

2. Зависимость от препятствий и радиопомех. Спутниковые методы невозможно применять под землей, есть сложности применения в закрытой местности (лес, плотная городская застройка, узкие ущелья)

3. Точность определения высот в 2-5 раз уступает точности определе­ния плановых координат

4. Высокая стоимость оборудования

 

 

7. Современная структура (схема) государственной координатной основы, включающая спутниковые и традиционные геодезические сети(Характеристика государственных плановых геодезических сетей 1, 2, 3, 4 классов).

Современная структура государственной координатной основы Российской Федерации включает в себя как спутниковую высокоточную геодезическую сеть(СВГС), так и традиционную государственную геодезическую сеть (ГГС) 1, 2, 3, 4 классов, модернизированную на основе СВГС.

Спутниковая высокоточная геодезическая сеть (СВГС)является в структуре современной координатной основы РВ геодезическим построением высшей точности и включает в себя:

 

ФАГС - (фундаментальная астрономо-геодезическая сеть) служит исходной основой для распространения с высокой точностью на территории России общеземной геоцентрической системы координат

 

ВГС (высокоточная геодезическая сеть) служит:

· для распространения на всю территорию страны общеземной системы координат

· для уточнения параметров взаимного ориентирования общеземной и референцной систем координат

· для создания высокоточных карт высот квазигеоида и схем уклонений отвесной линии

 

Спутниковая геодезическая сеть 1-го класса – СГС-1 занимает третий уровень в современной структуре ГГС и служит для обеспечения оптимальных условий реализации точностных и оперативных озможностей спутниковой аппаратуры при переводе геодезического обеспечения территории России на спутниковые методы определения координат

Характеристики СВГС:

Класс сети	Расстояние между пунктами (км)	Абсолютная точность (см)	Взаимная точность (см)	Нормальная высота Hϒ	Ускорение силы тяжести	Связь с пунктами
ФАГС	650-1000	10 - 15 см	1 в плане 3 по высоте	геометрическим нивелированием не ниже II класса точности	абсолютные значения С.Т. с СКО 5 -7 мкГал	IGS, с ближайшими АГС с СКО ≤ 2 см по каждой координате
ВГС	150-300 (в обжитых)   300-500 в необжитых)		1-2 в плане 3 по высоте	ДА к нивелирной сети I- II классов	ДА	смежными пунктами ВГС и не менее чем 3 пунктов ФАГС, с ближайшими АГС с СКО ≤ 2 см по каждой координате
СГС-1	15-25 (в обжитых) 25-50 (в необжитых)		1-2 в плане 3 по высоте	ДА, с точностью нивелирования II- III классов	НЕТ	ближайшими пунктами ВГС и АГС с СКО ≤ 2 см по каждой координате

Государственная геодезическую сеть (ГГС) 1, 2, 3, 4 классов, входящая в структуру координатной основы РФ является улучшенной, модернизированной версией ГГС. Модернизация ГГС заключается в ее уточнении, осуществленном в процессе нового уравнивания 2011 года, где в качестве исходных были использованы пункты высокоточной СВГС (ФАГС, ВГС, СГС-1). В результате этого уравнивания в РФ введена новая государственная система координат ГСК-20011 и все пункты координатной основы страны (ФАГС, ВГС, СГС-1, ГГС 1-4 классов) получили оординаты в ГСК-2011.

 

Недостатком проведенной модернизации ГГС 1, 2, 3, 4 классов является то, что уравнивание выполнено с использованием традиционных геодезических измерений, выполненных в при развитии ГГС традиционными методами (триангуляции и трилатерации), содержащих в себе значительное количество ошибок и не соответствующих современным требованиям к точности измерений. (Правильным решением было бы переуравнять ГГС на основе измерений, выполненных современными способами – ГНСС).

 

8. Основная проблема, возникающая при согласовании существующей государственной плановой и высотной основы с результатами спутниковых координатных определений.

 

Основная проблема, возникающая при согласовании существующей государственной плановой и высотной основы с результатами спутниковых координатных определений вытекает из принципиального различия между классическими (традиционными) и спутниковыми методами развития ГГС

Ø В классической геодезии измерения производятся относительно отвесной линии (или поверхности геоида) - в основе измерений лежит физический принцип измерений. В результате, геодезические сети, построенные классическими методами, делятся на плановые и высотные сети

Ø В основе спутниковых методов лежит геометрический принцип измерений, когда измеряются расстояния, являющиеся инвариантными величинами относительно систем координат и не дающие связь с геоидом.

Таким образом эта основная (принципиальная) проблема приводит к 2-м проблемам практического плана:

 

Проблема №1 - Определения нормальной высоты из ГНСС-измерений (см. Рис 1):

 

Для определения нормальной высотыпо измеренной спутниковым методом геодезической (эллипсоидальной)высоты H в каждой точке измерений должна быть с соответствующей точностью известна величина отстояния (ондуляция) геоида (квазигеоида) от эллипсоида ς :

H – известна с высокой точностью (см.)

- требуется определить с высокой точностью (см.)

Точность ς – высоты геоида (квазигеоида) на эллипсоидом необходимо определить с высокой точнсотью (см.)для получения нормальных высот на основе спутниковых ГНСС-измерений

 

Проблема №2 – Преобразование координат, определенных спутниковым относительным методом (с высокой точностью) с помощью ГНСС-измерений в гомогенных (однородных) геоцентрических системах координат (ITRF, WGS-84, ПЗ-90.11) из-за низкой гомогенности (точности, однородности) референцных систем координат (СК) СК-42, СК-95, МСК, СК-63 невозможно с точностью, соответствующей точности ГНСС-измерений преобразовать по глобальным пармаетрам (единым для всей страны) в эти референцные СК, в которых выполняются практические геодезические работы.

Поэтому вынужденно применяются локальные параметры трансформации для отдельных небольших участков работ и выполняются дополнитеьные (вспомогательные) работы по определению координат опорных пунктов в геоцентрических СК, что снижает произволительность работ методом ГНСС-измерений и понижает исходную точность ГНСС-измерений до точности референцных систем координат

 

9. Понятие «система координат (reference system)» и «координатная основа (reference frame)». (Координатная система и координатная основа)

Координатная система (Reference System) - теоретически декларируемая математическая модель отсчета координат

Определяется параметрами:

Ø Вид координат (плоские прямоугольные, пространственные прямоугольные, криволинейные, сферические, эллипсоидальные (геодезические), и т.д.)

Ø Положение начала координат (в центре масс Земли, на поверхности эллипсоида)

Ø Ориентировка оси аппликат или основной координатной плоскости, содержащей ось абсцисс и ординат (левая, правая)

Ø Ориентировка оси абсцисс

Координатная основа (Reference Frame) - физическая реализация координатной системы в реальном мире с помощью закрепленных точек (пунктов) и каталогов координат этих точек (пунктов) в данной координатной системе

ГГС РФ - физическая реализация координатной системы РФ, координатная основа РФ