1. Види геодезичних мереж і методи їх побудови

Державна геодезична мережа поділяється на планову, яка створюється методами тріангуляції, полігонометрії і трилатерації, та висотну, яка створюється методами геометричного і тригонометричного нівелювання. ДГМ є головною геодезичною основою топографічних зйомок усіх масштабів і геодезичних вимірювань, які виконуються для забезпечення розвитку господарства і задоволення вимог оборони країни при розв’язанні відповідних наукових, інженерно-технічних та інших задач.

Планові геодезичні мережі створюють методами тріангуляції, полігонометрії, трилатерації, поєднанням цих методів, а також методами космічної (супутникової) геодезії.

Метод тріангуляції (від лат. triagulum – трикутник) є основним. Він полягає в побудові на місцевості рядів (рис.19) і мереж трикутників (рис. 20), послідовно зв’язаних між собою загальними сторонами. У вершинах трикутників розташовуються геодезичні пункти.

Якщо в одному з трикутників виміряти ту чи іншу сторону, наприклад АВ, яка має назву базисної сторони, а в кожному трикутнику величини двох або трьох кутів, то довжини сторін можуть бути обчислені шляхом послідовного розв’язання трикутників. За відомими координатами одного з пунктів, наприклад А, і дирекційному куту однієї зі сторін, наприклад АВ, можна, використовуючи виміряні кути, послідовно обчислити дирекційні кути всіх сторін трикутників, а за дирекційними кутами і довжинами сторін – координати всіх пунктів тріангуляції.

Звичайно в кожному трикутнику вимірюють усі три кути, або кількість базисних сторін встановлюють у відповідності з вимогами спеціальних інструкцій.

Рис. 19. Ряд трикутників

Рис. 20. Мережа трикутників

Метод полігонометрії (від грецк. polygones – багатокутний та metreo – вимірюю) полягає у вимірюванні на місцевості довжин послідовно зв’язаних між собою ліній, які створюють полігонометричний хід, а також у вимірюванні горизонтальних кутів між цими лініями (рис. 21). Якщо відомі координати вихідного пункта, наприклад В, і дирекційний кут однієї зв’язуючої з ним лінії ходу, наприклад ВА, то можна обчислити дирекційні кути всіх інших ліній ходу, а за дирекційними кутами і довжинами ліній знайти приростки координат і координати всіх пунктів ходу.

Метод полігонометрії доцільніше застосовувати в закритих і забудованих районах.

Рис. 21. Полігонометричний хід

Метод трилатерації (від лат. trilaterus – трьохсторонній) відрізняється від методу тріангуляції тільки тим, що в трикутниках вимірюються не кути, а довжини всіх сторін. Для цієї цілі використовується, як правило, спеціальні геодезичні прилади – різного роду віддалеміри. За виміряними сторонами обчислюються кути трикутників. За відомим дирекційним кутом однієї зі сторін мережі обчислюють дирекційні кути решти сторін трикутників, а маючи координати вихідного пункту – координати решти пунктів мережі.

Методи космічної (супутникової) геодезії дозволяють визначити координати геодезичних пунктів за результатами спостережень за рухом штучних супутників Землі. При цьому відстані між шуканими пунктами можуть досягати кількох тисяч кілометрів, що дозволяє визначити взаємне положення материків, віддалених островів і т.п.

Одна з перших спроб точно визначити відносне розташування континентів була виконана з використанням явища покриття зір Місяцем. Цей метод у кращому випадку був громіздким та не відрізнявся особливою успішністю. Однак запуск першого радянського супутника у 1957 році суттєво поліпшив точність визначення зв’язку між різними геодезичними системами відліку у світі. На початку ери штучних супутників Землі (ШСЗ) був успішно застосований оптичний метод, який, по суті, базувався на методі зоряної тріангуляції, розвинутому у Фінляндії ще в 1946 році. Всесвітня програма супутникової тріангуляції, яку часто називають ВС-4 за назвою застосованої фотокамери, дала можливість уперше визначити взаємне положення основних систем відліку. Метод полягав у фотографуванні супутників на фоні зірок за допомогою фотокамери, оснащеної спеціально припасованим шторковим затвором. На фотографії виникало зображення низки точок, які відображали траєкторію кожної окремої зірки або супутника. Координати вибраних точок як найточніше вимірювалися із застосуванням фотограмметричного компаратора, після чого з аналітичної фотографічної моделі визначалися просторові напрямки (одиничні вектори) від станції спостережень до ШСЗ. Виконуючи з сусідньої станції одночасне фотографування цього ж супутника та подібні обчислення, отримували нову послідовність напрямків. Кожна пара відповідних напрямків формує площину, до якої належать станції спостережень та супутник. Тому перетин кожної пари площин дає просторовий напрямок між станціями. Потім ці напрямки використовували для побудови глобальної геодезичної мережі, причому її масштаб визначався з кількох наземних базисів. Європейська база між Тромсьо в Норвегії та Катанією о. Сицилія є прикладом реалізації цієї ідеї. Головною проблемою використання оптичного методу була необхідність ясного неба одночасно на двох спостережних пунктах, віддалених один від одного на відстань приблизно 4000 км. Крім того, саме устаткування залишилося громіздким та дорогим. Тому оптичне вимірювання напрямків між пунктами незабаром було витиснуте радіотехнічним методом визначення відстаней завдяки можливості проведення спостережень за будь-яких погодних умов та меншій ціні на необхідне устаткування.

Радіотехнічна глобальна трилатерація

Першу спробу встановити зв’язок континентів радіотехнічним методом здійснено шляхом використання електронної системи HIRAN, яка за часів другої світової війни служила для навігації літаків. Починаючи з кінця 40-х років ХХ століття за допомогою цієї системи були виміряні дуги трилатерації між Північною Америкою та Європою для визначення різниці між відповідними геодезичними системами відліку. Суттєвий технологічний прорив намітився, коли вчені та дослідники в усьому світі переконались, що допплерівський зсув частоти сигналу, який розповсюджується від передавача супутника, можна використати як спостережувану величину для визначення точного моменту найбільшого зближення станції з ШСЗ. Ці дані разом із спроможністю обчислити за законами Кеплера ефемериди (траєкторії) супутників привели до сучасної технології миттєвого визначення місцеположення в будь-якому куточку світу.

Безпосереднім попередником сучасної системи визначення місцеположення була Морська навігаційна супутникова система (NNSS), що також відома як система TRANSIT. Вона складається із семи супутників, які обертаються навколо Землі на висоті приблизно 1100 км по полярних орбітах, близьких до кругових. Система TRANSIT була розроблена військовим відомством США головним чином для визначення координат повітряних і морських суден. Цивільне використання цієї супутникової системи було зрештою дозволене, і вона почала широко застосовуватись у світі як для навігації, так і для зйомки. Сьогодні тисячі малих морських та повітряних суден визначають свої координати, реєструючи сигнали супутників системи TRANSIT.

Початкові експерименти із системою TRANSIT, виконані у США спеціалістами Військового картографічного агентства (DMA) та службою берегової і геодезичної зйомки, показали, що можна отримати точність визначення місцеположення близько одного метра, якщо у вибраній точці провести спостереження впродовж кількох діб та виконати обробку даних із використанням уточнених ефемерид. Група послідовно переміщуваних допплерівських приймачів (так званий транслокаційний метод) спроможна забезпечити субметрову точність визначення координат із використанням ефемерид, які передаються безпосередньо із сигналами супутників. У системі TRANSIT використовується, по суті, та ж сама спостережувана величина (тобто фізична величина, яка безпосередньо вимірюється та реєструється приймачем сигналів із супутників), що й у системі стеження за супутником “Супутник-1”. Але орбіти супутників TRANSIT визначаються більш точно з даних вимірів на зафіксованих пунктах широко розгалуженої мережі.

Глобальна система визначення місцеположення (GPS) була створена для того, щоб замінити систему TRANSIT, тому що остання мала два суттєвих недоліки. Головною проблемою у використанні цієї системи були великі проміжки часу між окремими сеансами спостережень. Для визначення положення в довільний момент часу користувачі змушені були виконувати інтерполяцію між послідовними проходженнями супутників над станцією спостережень, що повторювались приблизно кожні 90 хвилин. Іншою проблемою системи TRANSIT була відносно мала точність визначення місцеположення.

На відміну від системи TRANSIT, GPS швидко, точно та недорого в усіх куточках земної кулі та в будь-який момент часу дає можливість відповісти на питання, який час, які координати та швидкість у даній точці спостережень.

Якщо говорити про види геодезичних мереж, то сьогодні розрізняють такі види:

• державна геодезична мережа (ДГМ);

• розрядні геодезичні мережі;

• геодезичні мережі спеціального призначення.

ДГМ – це сукупність її пунктів, рівномірно розміщених на території країни і закріплених на місцевості спеціальними центрами, які забезпечують їх збереження та стійкість у плані і за висотою протягом тривалого часу.

ДГМ є носієм геодезичної системи координат і висот України.

ДГМ створюється для вирішення в інтересах господарської діяльності, науки та оборони країни таких основних завдань:

• встановлення єдиної геодезичної системи координат та висот на території країни;

• геодезичне забезпечення картографування території країни, акваторій морів та внутрішніх водойм;

• геодезичне забезпечення вивчення природних ресурсів та ведення державних кадастрів;

• забезпечення вихідними геодезичними даними засобів наземної, морської і аерокосмічної навігації, аерокосмічного моніторингу навколишнього середовища;

• вивчення фігури і гравітаційного поля Землі та змін у часі;

• вивчення геодинамічних явищ та сучасних вертикальних рухів земної поверхні;

• вивчення зон деформації земної поверхні для уточнення карт загального сейсмічного районування;

• вивчення рухів полюсів та нерівномірності обертання Землі;

• метрологічне забезпечення високоточних технічних засобів визначення місцеположення й орієнтування.

Разом з ДГМ створюється державна гравіметрична мережа, а також розрядні геодезичні мережі та геодезичні мережі спеціального призначення, які будуються за спеціальними програмами.

ДГМ та державна гравіметрична мережа є надбанням України. Для підтримання їх на сучасному рівні здійснюється комплекс науково-виробничих, матеріально-технічних та фінансових заходів.

ДГМ задає на всій території країни референцну систему координат і поширює з необхідною точністю і щільністю пунктів ДГМ загальноземну систему координат.

Положення пунктів ДГМ визначається в двох системах координат – загальноземній та референцній. Між обома системами встановлюється однозначний зв’язок, який визначається параметрами взаємного переходу (елементи орієнтування).

За загальноземну систему координат приймається геодезична референцна система 1980 року (GRS 1980) з параметрами еліпсоїда:

• велика піввісь еліпсоїда а=6 378 137 м;

• стиснення еліпсоїда α= 1: 298.257;

• геоцентрична гравітаційна стала GM = 3986 005 х 10⁸ м³ с²;

• зональний гармонічний коефіцієнт геопотенціалу другого порядку J² = 108 263 х 10^-8;

• кутова швидкість обертання Землі w = 7292 115 х 10^-11 рад/с.

На перехідний період (до введення референцної системи координат України) для обчислення координат пунктів ДГМ залишається референцна система координат 1942 року (СК-42) із вихідними даними:

• референц-еліпсоїд Красовського – велика піввісь 6 378 245 м;

• стиснення 1:298,3;

• висота геоїда в Пулково над референц-еліпсоїдом дорівнює нулю;

• геодезичні координати Пулковської обсерваторії (центр сигналу А): широта – 59⁰ 46′ 15.359″; довгота за Гринвічем – 30⁰ 19′ 28.318″;

• геодезичний азимут з Пулково на пункт Бугри – 121⁰ 06′ 42.305″.

Загальноземна та референцна система координат України, елементи орієнтування референцної системи координат відносно загальноземної системи координат уводяться в дію відповідним рішенням Кабінету Міністрів України.

Розрядні геодезичні мережі створюються, як правило, на забудованих територіях для проведення топографічних зйомок і проведення різного роду вишукувань та інженерних розрахунків.

До геодезичних мереж спеціального призначення належать:

• просторові геодезичні мережі на геодинамічних полігонах;

• спеціальні геодезичні мережі для інженерно-геодезичного забезпечення будівництва, гірничої справи та інші мережі, які будуються відповідно до вимог технічних проектів, що розробляються різними відомствами для вирішення спеціальних завдань.

Геодезичні мережі спеціального призначення будуються за відносними методами супутникової геодезії, а також за традиційними методами тріангуляції, трилатерації та полігонометрії.

У сейсмічних і техногенно активних районах країни на геодинамічних полігонах створюються просторові геодезичні мережі для вивчення сучасних рухів земної кори.