Geodeziya_1_chastina_26-09-2011

541

1)для двочастотних приймачів [5 супутників і дві епохи (2 с) спостережень]:

А. в плані: 20 мм + 1 мм/км • D; В. по висоті: 20 мм + 2 мм/км • D;

2)для одночастотних приймачів:

А. в плані: 20 мм + 2 мм/км • D;

В. по висоті 20 мм + 2 мм/км • D.

Метод ефективний при виконанні топографічної зйомки, коли за короткий час необхідно визначити координати великої кількості точок, при побудові цифрових моделей рельєфу, визначенні місцеположення об’єктів місцевості, що мають форму ламаної лінії (трубопроводи, дороги, лінії електропередачі і т. ін.).

Використовується також кінематичний метод з ініціалі-

зацією «при русі» (Kinematic with Oh – the Fly Initialization). Даний метод не потребує для ініціалізації розміщення рухомого приймача на базовій станції – ця процедура виконується безпосередньо під час руху транспортного засобу по маршруту. Крім того, якщо з якихось причин виник збій спостережень (наприклад, через проїзд під мостом через залізницю), процес ініціалізації виконується наново без зупинки руху. Точність параметрів і сфера використання методу не відрізняються від інших кінематичних методів.

2. Методика і технологія прив’язки локальної мережі GPS-станцій до систем координат

WGS-84, EUREF, СК-42

2.1. Зміст і поліпшення світової геодезичної системи ві-

дліку WGS-84

Світова геодезична система відліку 1984 року (WGS-84) є четвертою із серії глобальних геоцентричних систем координат, створених МО США починаючи з 1960 року.

542

Глобальні системи координат широко використовуються в геодезії, картографії і навігації. Вони забезпечують взаємну прив’язку різних локальних і регіональних систем відліку (геодезичних дат). Заміна великої кількості локальних систем відліку (СВ) єдиною глобальною системою відліку істотно спростила б практичне використання карт, знімків та іншої геодезичної продукції. Традиційно в геодезії розрізняють локальні горизонтальні дати і локальні вертикальні дати.

Військово-топографічне агентство США (ДМА) здійснило перетворення приблизно 100 локальних СВ до WGS84. З цією метою ДМА виконало локальну прив’язку багатьох геодезичних реперів до відповідних реперів, координати яких були визначені зі спостережень. Спочатку це були спостереження супутників системи TRANSIT, а останнім часом – системи GPS.

Що стосується локальних вертикальних дат, то вони засновані на різних визначеннях рівня моря. До цього часу немає єдиної світової системи відліку висот, яка здатна зв’язати локальні вертикальні дати.

Вихідне визначення і реалізація WGS-84 задовольняє вимоги МО США до картографування територій і геодезичні вимоги. Точність горизонтальних координат у цій системі складає 1–2 м, була більше ніж достатньою для великомасштабного картування. Точність висот залежала від того, як були визначені перевищення. Якщо для цієї мети використовувалось нівелювання І класу, висоти визначались дуже точно (до см) по відношенню до локального рівня моря. При нівелюванні перевищення оцінювались за висотами по відношенню до еліпсоїда WGS-84 і використовувалися висоти геоїда, визначені за моделлю WGS геоїда.

Точність визначення висот геоїда WGS складає біля 2–6 м, що відповідає 3–10 м для 90% рівня значення.

543

Для карт масштабу 1:20 000 та менше ця точність задовільна, а для карт більшого масштабу – ні. Тому звичайно, що основним джерелом похибок є похибка моделі геоїда.

Завдання і реалізація WGS-84 ґрунтувалися на спостереженнях початку 80-х років. З того часу з’явились супутники системи GPS і багато дослідників пропонували нові методи визначення місцеположення, точність яких суттєво перевищила точність WGS-84. Дослідження, проведені МО США показали, що завдяки уточненню WGS-84, можна суттєво уточнити методику визначення орбіт супутників GPS. Це особливо важливо для тих користувачів GPS, які використовують недиференційований метод GPS.

У 1993–94 рр. з’явились нові вимоги до точності WGS-84 з боку геодезичних користувачів GPS. Було визнано, що створення точної мережі геодезичних контрольних станцій допоможе розв’язанню задачі задоволення цих вимог. З цієї причини ДМА систематизувала всі вимоги до збільшення точності WGS-84 і у 1993 р. здійснила спеціальну програму, яка мала за мету поліпшення WGS-84.

Вихідні вимоги до точності уточненої системи були на рівні дециметрів. У квітні 1994 р. була введена нова версія WGS-84. За цією версією використовуються уточнені координати пунктів стеження МО США за супутниками GPS, що призвело до узгодження системи координат WGS-84 з системою ІТRF на рівні 10 см. ДМА також приступила до роботи по уточненню моделі гравітаційного поля Землі та геоїда. Розроблена короткотермінова й довготермінова стратегія, яка забезпечує максимальне поліпшення WGS-84 і мінімізує відповідні витрати на її виконання.

2.2. Європейська система координат ЕUREF

Необхідність створення єдиної системи координат в Європі виникла як результат співробітництва країн, які входять до її складу в економічній і військовій сферах. Пі-

544

двищений попит на карти, на яких відобразилася б територія різних країн, дав поштовх для організації єдиної геодезичної основи для створення систем просторової інформації про місцевість (GIS/LIS), спільних морських і авіаційних навігаційних систем. Уніфіковані системи координат стали також необхідні для проведення досліджень регіональної і глобальної геодинаміки (рух континентів, прогноз землетрусів). Після другої світової війни в Західній Європі була введена система ED’50 (Europen Datum, 1950), а в 1987 р. – геоцентрична система ED’87 (Europen Datum, 1987), визначена на основі наземних і супутникових спостережень. Але, ці системи не відповідали зрослим вимогам, особливо щодо глобальної точності, можливості визначення тривимірних координат і орієнтації.

Під час роботи конференції Міжнародного союзу геодезії і геофізики у Ванкувері (Канада, 1987 р.) виникла концепція введення уніфікованої системи координат ЕUREF для всіх країн Західної Європи. Була створена підкомісія Міжнародної геодезичної асоціації EUREF. Цю ініціативу підтримала Європейська асоціація СЕRСО, яка у вересні 1987 р. створила робочу групу по GPS і доручила керівництво створення системи ЕUREF Інституту прикладної геодезії у Франкфурті-на-Майне. Підкомісія ЕUREF і VІІІ робоча група СЕRСО разом опрацювали концепцію системи ЕUREF. Було прийнято, що система ЕUREF повинна засновуватися на методі GPS і спиратися на основні супутникові станції, які задають світову систему координат ІТRF. Крім того, ЕUREF повинна була відповідати таким вимогам:

-представляти геоцентричну систему відліку для будьяких високоточних геодезичних і геодинамічних проектів на території Європи;

-бути точною системою відліку, дуже близькою до WGS-84, і використовуватися як для розв’язання задач

545

геодезії, так і, для задач всіх типів навігації (на землі, на морі, в повітрі тощо) на території Європи; - бути єдиною на території всієї Європи сучасною сис-

темою відліку для створення багатонаціональних цифрових картографічних баз даних, які не можуть більше засновуватися на дуже великій кількості цілковито різних національних систем відносності (геодезичних дат), які застосовуються в Європі.

ІТRF, глобальна земна система відліку ІЕRS, є практичною реалізацією умовної земної системи координат. Вона геоцентрична завдяки тому, що побудована на GPSспостереженнях. Недоліком ІТRF є те, що вона змінюється з часом. ІЕRS надає визначення (координат і швидкостей їх змін) ІТRF на епоху кожного року. Водночас центральне бюро ІЕRS визначає параметри трансформації для послідовних епох ІТRF. Унаслідок наявності часових змін координат в ІТRF, що складає до 2 см на рік для Центральної Європи. Було обрано біля 35 європейських пунктів із мережі ІТRF-89, координати яких на епоху 1989.0 і визначити систему координат ЕТRF-89. Вважається, що система ЕТRF більш близька (з точністю до 1 м) до супутникової світової геодезичної системи WGS-84. При використанні цих систем у навігації така точність необов’язкова, але для точних геодезичних і геодинамічних вимірювань параметри трансформації систем повинні визначатися постійно на основі GPS-спостережень.

Cистема координат ЕТRF-89, за визначенням, обертається разом зі стабільною частотою території Європи, а зв’язок між станціями залишається незмінним. Унаслідок цього ЕТRF-89 зручна для виконання практичних геодезичних і картографічних робіт в Європі. Недоліком системи є її обертання відносно ІТRF (до декількох см на рік), що ускладнює її використання для робіт в таких галузях, як супутникова геодезія, фізична геодезія і геодинаміка. Тому

546

необхідне регулярне визначення (один раз на 10 років) параметрів перетворення між системами ЕТRF і WGS-84.

У1989 році була почата практична реалізація системи ЕUREF. Результати обробки спостережень у березні 1992 року показали 10 мм точність.

У1995 році була створена європейська мережа постійних GPS-пунктів – 54 пункти.

З 19 по 24 червня 1995 року в Україні була проведена GPS-компанія ЕUREF – Ukraine-95. Це надало Україні можливість, хоча й запізненням приєднатися до ЕUREF.

2.3.Перетворення систем координат

Прямокутна просторова (Картезіанська) земна система відліку прив’язана до тіла Землі і задається початком координат напрямками її осей. Для отримання геодезичних координат систему доповнюють параметрами опорного еліпсоїда, створюючи в такий спосіб геодезичну дату. Глобальні, регіональні і локальні системи відліку можуть мати різні геодезичні дати. Внаслідок цього виникає задача взаємного перетворення системи відліку і дат. Наприклад, параметри точних орбіт супутників публікуються службою GPS у мережі ІНТЕРНЕТ у системі координат ІТRF, а грубі параметри орбіт задаються в системі WGS-84 і передаються з борту GPS-супутника. Це призводить до деяких нюансів методики обробки GPS-спостережень. В Україні використовуються регіональні системи координат СК-42, СК-63, тоді як координати векторів баз отримують з обробки GPS-даних у системі WGS-84.

Для перетворення координат пункту з однієї системи відліку до іншої частіше за все використовують сім параметрів Гельмерта. Координати пунктів з обробки GPSспостережень отримують спочатку в системі WGS-84 середньої епохи дат спостережень.

548

t,t0 – середня епоха спостережень і епоха надання координат X 0 ,Y0 , Z0 відповідно;

X ,Y, Z – шукані координати на середню епоху спо-

стережень 20уу.у в системі WGS-84.

Доречно відмітити, що завдяки малій величині кутів повороту між системами ІТRF-хх і WGS-84 можна вважати, що компоненти швидкості руху станцій мають у WGS84 і ІТRF-хх однакові значення. Для виконання зворотного перетворення достатньо змінити знаки на протилежні в параметрах Гельмерта.

Таблиця 37 Параметри Гельмерта при переході між деякими

системами координат

Система геодезичних параметрів ПЗ-90, що використовується в Росії, має складовою частиною космічну геодезичну мережу, яка налічує 26 пунктів на території колишнього СРСР і побудовану за результатами фотографічних, допплерівських, радіовіддалемірних, лазерних і альтиметричних спостережень геодезичного супутника ГеоІК. Використовувались також віддалемірні спостереження ШСЗ ГЛОНАСС і ЕТАЛОН. Система ПЗ-90 є координатною основою в супутниковій навігаційній системі ГЛОНАСС. Геоцентричність початку системи координат ПЗ-90 оцінюється середньою квадратичною похибкою приблизно 1м. В

549

останні роки в Росії створена система координат СК-95. В Україні з 1 січня 2007 року введена система координат УСК-2000.

2.4. Методика і технологія прив’язки мережі опорних пунктів до систем координат WGS-84, EUREF, СК-42

Для отримання за допомогою GPS-методу координат шуканих пунктів у локальних системах СК-42 або СК-63 необхідно спочатку створити мережу опорних GPS пунктів, координати яких відомі як у системі WGS-84, так і в системі СК-42 (СК-63). Координати опорних пунктів у системі WGS-84 необхідно отримати на сантиметровому рівні точності. Потім виконується згущення створеної мережі шляхом додавання нових шуканих пунктів. Координати шуканих пунктів обчислюються спочатку відносно опорних пунктів у системі WGS-84, а потім переобчислюються в локальну систему.

Саме технології GPS і ГЛОНАСС на сьогодні найбільш ефективні при розв’язанні задач прив’язки різних систем координат.

Технологія прив’язки мережі опорних до WGS-84 або до ЕUREF залежить також від того, яка використовується навігаційна система – GPS чи ГЛОНАСС. При використанні GPS системи і відповідного програмного забезпечення, положення пунктів отримуються одразу в системі координат WGS-84. Для отримання координат у системі ЕUREF можна скористатися параметрами перетворення Гельмерта між системами WGS-84 і ЕUREF. Якщо ж використовувалась система ГЛОНАСС, то координати обчислюються в системі ПЗ-90, яка не збігається з WGS-84.

Геодезична система координат визначається параметрами референц-еліпсоїда, положенням центра й орієнтуванням осей еліпсоїда. У загальному випадку, референтеліпсоїди різних систем координат можуть мати різні зна-

550

чення великих півосей і стиснень, бути взаємно зміщеними і повернутими. Для переходу від однієї системи відліку до іншої слід виконати тривимірне перетворення координат. Для визначення семи параметрів тривимірного перетворення Гельмерта необхідно, щоби координати мінімум трьох пунктів, які мають назву опорних (контрольних), були відомі в обох системах відліку.

Як опорні пункти можна використовувати пункти фундаментальної або геодинамічної GPS-мережі України. Пункти фундаментальної GPS-мережі України рівномірно розміщені по території України на відстані 200-400 км один від одного. Попередні координати такої мережі були обчислені в 1996 році шляхом обробки GPS-спостережень, отриманих під час проведення компанії ЕUREF- UKRAINE-95 (19–24 червня 1995 р.). Метою компанії було отримання GPS-спостережень для створення фундаментальної GPS мережі в Україні і прив’язки цієї мережі до Європейської опорної GPS мережі – ЕUREF. Було отримано 17 пунктів фундаментальної GPS-мережі на території України в системах координат WGS-84 і ІТRF-93.

Станом на жовтень 2006-го року в Україні існує 12 перманентних станцій.

Геодинамічна мережа складається із 5-ти пунктів (Київ, Ужгород, Євпаторія, Харків, Сімеїз).

2.5. Використання GPS для цілей кадастру

Оскільки основною метою виконання кадастрового картографування є визначення координат поворотних точок меж земельних ділянок, GPS-метод знайшов широке застосування в кадастрових зйомках. Але, поряд із перевагами (відсутність необхідності прямої видимості між пунктами спостережень, можливість роботи в будь-яких метеорологічних умовах, висока точність визначення координат точок місцевості), GPS-методам притаманні недоліки: чутли-