Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Маслов А.В., Гордеев А.В., Батраков Ю.Г. - Геодезия

.pdf
Скачиваний:
4639
Добавлен:
10.03.2016
Размер:
6.16 Mб
Скачать

 

 

+ =

 

=

 

 

=

 

 

= +

 

 

 

 

=

 

 

 

=

 

 

=

+

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ =

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

18.3. Вычисление координат точек ходов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

õ

 

ó

 

 

õ

ó

 

 

 

 

 

92°48,3

1-é õîä

 

 

 

 

 

 

 

À

+4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Â

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

482,35

345,62

138°23,8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

134 24,1

298,48

 

–208,84

 

–8

 

 

 

 

+213,25

 

 

 

1

+4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

273,51

558,79

174 52,2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

139 31,5

326,13

 

 

+1

 

–9

 

 

 

 

–248,08

+211,70

 

 

 

2

+4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

25,44

770,40

216 48,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

102 42,6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[β]ï

530°04,5

624,61

 

–456,92

+424,95

 

 

 

 

[β]ò

530 05,7

 

 

 

 

 

 

 

–456,91

+424,78

 

 

 

 

fβ

–1,2

 

 

 

fx = –0,01;

fy = +0,17

 

 

β

1,7

 

 

 

 

 

 

=

+

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

fL/L = 1/3 700

 

 

 

 

Вначале с чертежа сети выписывают в координатную ведомос˝ть

(см. табл. 18.3) по каждому ходу отдельно исходные данные — д˝и-

рекционные углы и координаты, измеренные значения углов и˝ горизонтальные проложения сторон. Подсчитывают по ходам су˝м-

мы измеренных углов. Затем вычисляют по каждому ходу знач˝е-

ния дирекционного угла αi узловой линии QR и подсчитывают

число углов ïi, а результаты записывают в таблицу 18.1.

Находят невязки по ходам 1 + 2 è 2 + 3, в которых число углов меньше, чем в ходе 1 + 3, и сравнивают их с соответствующими допусками.

После проверки допустимости невязок приступают к уравни˝-

ванию. Выбрав приближенное значение α0, находят остатки εi = αi α0; вычисляют веса ði = k/ni значений αi; подсчитывают [p], ðiεi è [pε]. Затем находят окончательное значение дирекционного угла α узловой линии QR и угловые невязки по ходам. Конт-

роль вычислений проводят по формуле [pfβ] = 0.

Окончательное значение дирекционного угла узловой лини˝и

записывают в координатную ведомость (см. табл. 18.3). По каждо˝- му ходу подсчитывают теоретическую сумму углов и вычисля˝ют

(вторично) для контроля невязки по формуле fβ = [β]n – [β]T. Âû-

числяют поправки в углы, уравненные углы и дирекционные у˝глы

сторон.

511

После этого вычисляют приращения координат для всех сторон ходов. Порядок уравнивания приращений аналогичен рас˝- смотренному для углов и не требует особых пояснений. Применяемые при этом формулы и правила приведены ранее. Вычислен˝ие координат узловой точки приведено в таблице 18.2.

Уравнивают координаты в той же последовательности, что и углов, используя в основном формулы, приведенные при урав˝нивании приращений координат в системе теодолитных ходов с˝ одной узловой точкой.

Системы тахеометрических ходов в плановом отношении уравнивают так же, как системы теодолитных ходов, а в высот˝- ном — как системы нивелирных ходов. Отличие может быть только в определении весов координат и высот узловых точек (ил˝и приращений и превышений по ходам). Так, если длины сторон ходов определялись по нитяному дальномеру, то веса коорди˝нат вычисляют по формуле

pi = k/[S2]i,

ãäå [S2]i — сумма квадратов длин сторон хода.

По этой же формуле находят и веса высот.

18.3. СПОСОБ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ПРИБЛИЖЕНИЙ

Этот способ чаще всего применяют в тех случаях, когда сист˝ема ходов имеет большое число узловых точек или когда число п˝оли-

гонов (вместе с дополнительными) больше числа узловых точ˝ек. Неизвестные величины, непосредственно связанные с узловыми

точками или узловыми линиями

(высоты, координаты узловых то-

чек или дирекционные углы узло-

вых линий), получают последовательными приближениями.

Рассмотрим этот способ на примере нивелирной сети.

Уравнивание системы нивелир-

ных ходов. Пусть требуется уравнять систему нивелирных ходов (рис. 18.3) с исходными высотами

Рис. 18.3. Схема уравнивания нивелирной сети способом последовательных приближений

512

ÍÀ, ÍÂ, ÍÑ, ÍD, измеренными превышениями по ходам hi, ñ äëè-

нами ходов Li и числом станций ïi (i = 1, 2, …, 7). Надо найти высоты õ, ó è z узловых точек Q1, Q2, Q3.

Согласно параметрическому способу метода наименьших квадратов можно составить систему уравнений с неизвестн˝ыми

высотами x, y, z и привести их к виду

=

 

+

+ +

+

+

 

 

 

ü

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ï

 

 

+

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ï

 

 

 

+

+

+

+

 

 

 

 

=

 

 

 

 

ï

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ý

(18.5)

 

+

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ï

 

=

 

+

+

+

+

+

ï

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ï

 

 

 

 

+ +

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ï

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

þ

 

ãäå = (èëè ði = k/Li) — вес измеренного превышения hi (i = 1, 2, …, 7).

Нетрудно видеть, что эти равенства имеют вид формулы сред˝-

него весового. Поэтому их легко написать без вывода. Написанные равенства являются исходными для получения

приближений неизвестных, кроме нулевых.

В качестве нулевых приближений, являющихся начальными,

могут быть приняты произвольно выбранные числа. Но для то˝го

чтобы процесс решения был более коротким, их получают пут˝ем передачи высот на узловые точки от ближайших исходных пун˝к- тов или по ходам от исходных пунктов с меньшим числом стан˝-

ций, например:

=

+

ü

 

=

+

ï

(18.6)

ý

=

+

ï

 

ï

 

 

 

þ

 

Так как равенства (18.6) используют для определения последовательных приближений несколько раз, то для сокращения вы˝- числительной работы их приводят к виду

 

=

+

¢ +

+

 

¢ +

+

¢

ü

 

=

+

¢¢ +

 

 

¢¢ +

+

¢¢

ï

 

 

 

ý (18.7)

 

=

 

+

¢¢¢+

 

+

¢¢¢+

 

 

¢¢¢ +

ï

 

 

 

 

 

¢¢¢ þ

ãäå ′ =

 

=

 

′′=

 

=

 

′′′=

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

513

Величины ¢ ¢¢ ¢¢¢ называют приведенными весами. Их сумма для каждой узловой точки равна единице. Это свойство пр˝и-

веденных весов используют для контроля правильности их в˝ы-

числений.

Первое приближение õ¢ получают из первого равенства (18.7), подставив в него вместо ó è z их нулевые приближения

ó(0) è z(0), ò. å.

 

 

 

 

 

 

 

¢=

+

¢ +

+

¢ +

+

¢

(18.8)

В результате подстановки во второе равенство вместо õ è ó èõ

приближений õ¢ è z(0) получают первое приближение ó¢, ò. å.

 

¢=

+

¢¢ + ¢

¢¢+

+

¢¢

(18.9)

Первое приближение z¢ находят, подставив в третьей равенство вместо õ è ó их первые приближения õ¢ è ó¢, ò. å.

¢=

+

¢¢¢+

+

¢¢¢+ ¢

¢¢¢+ ¢

¢¢¢

На основании равенства (18.7) так же находят вторые прибли-

жения õ², ó², z², затем третьи — õ²¢, ó²¢, z²¢ и т. д., используя каж-

дый раз при подстановке в правые части равенств вместо не˝известных их самые последние приближения.

Таким образом, k-е приближения определяют по формулам:

 

=

+

¢ +

+

¢ +

+

 

¢

 

=

+

¢¢ +

 

¢¢+

+

¢¢

(18.10)

=

+

¢¢¢+

+

¢¢¢+

 

¢¢¢+

 

¢¢¢

Процесс приближений заканчивают, когда два следующих дру˝г за другом приближения для всех неизвестных будут одинако˝выми. Эти приближения и будут окончательными (уравненными) зна˝че- ниями неизвестных x, y, z.

Полученные значения высот узловых точек принимают за ис-

ходные, и сеть распадается на ряд изолированных ходов, каж˝дый из которых уравнивают отдельно по правилу, принятому для ˝оди-

ночного хода.

Пример уравнивания нивелирной сети (см. рис. 18.3) приведен в таблице 18.4.

514

18.4. Уравнивание нивелирной сети способом приближений

ÍÀ = 126,346 ì; ÍÂ = 141,826 ì; ÍÑ = 135,813 ì; ÍD = 143,248 ì.

Пункт

 

 

 

 

Âåñà

 

 

 

 

 

 

 

 

Приближения высот

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

îïðå-

исход-

h, ì

L, êì

p = k/L,

p¢/p²/p¢²

0/I

 

 

 

II

III

 

IV

V

u

pu

pu2

деляе-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ìûé

íûé

 

 

 

k = 10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

3

4

 

 

5

 

6

7

 

 

 

 

 

8

 

9

 

10

11

12

13

14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

131,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

+4,869

6,1

 

1,64

 

0,29

 

215

 

 

 

215

215

 

215

215

+7

+11,5

80

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q1

Q2

–9,652

4,4

 

2,27

 

0,40

241

 

 

 

224

228

 

228

229

–7

–15,9

111

 

 

Q3

+2,827

5,7

 

1,75

 

0,31

203

 

 

 

218

218

 

219

219

+3

+5,2

16

 

 

 

 

 

 

5,66

 

1,00

222

 

 

 

220

221

 

221

222

 

+0,8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

140,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Â

–0,933

6,4

 

1,56

 

0,28

893

 

 

 

893

893

 

893

893

–12

–18,7

224

 

Q2

Q1

+9,652

4,4

 

2,27

 

0,39

874

 

 

 

872

873

 

873

874

+7

+15,9

 

Q3

+12,487

5,2

 

1,92

 

0,33

863

 

 

 

878

878

 

879

879

+2

+3,8

8

 

 

 

 

 

 

5,75

 

1,00

876

 

 

 

880

880

 

881

881

 

+1,0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

128,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ñ

–7,437

3,9

 

2,56

 

0,31

376

 

 

 

376

376

 

376

376

+16

+41,0

656

 

Q3

D

–14,840

5,0

 

2,00

 

0,24

408

 

 

 

408

498

 

408

408

–16

–32,0

512

 

 

Q1

–2,827

5,7

 

1,75

 

0,21

395

 

 

 

393

394

 

394

395

–3

–5,2

 

Q2

–12,487

5,2

 

1,92

 

0,24

389

 

 

 

393

393

 

394

394

–2

–3,8

 

 

–18,341

36,7

 

8,23

 

1,00

391

 

 

 

391

392

 

392

392

 

0

1607

 

 

 

 

μ =

 

υ

=

 

 

=

=

 

μ

=

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

515

В графе 1 таблицы 18.4 записывают номера определяемых (узловых) пунктов, во второй — номера исходных пунктов, с кот˝орыми непосредственно связан каждый определяемый пункт. В гр˝афе 3 — превышения по ходам-звеньям от исходных пунктов к опр˝еделяемым, а в графах 4, 5, 6 — соответственно число станций в ход˝е

(или его длину), веса превышений и приведенные веса. Для кон˝т- роля правильности выписки превышений подсчитывают их су˝мму в графе 3. Она должна быть равна сумме превышений по ходам, начинающимся от пунктов исходной сети.

Затем приступают к вычислению приближений высот узловых˝ точек. Начинают с вычисления нулевых приближений по форму˝- лам (18.6), т. е. для каждой точки нулевое приближение высоты получают путем передачи с исходного пункта по ходу с мень˝шим числом станций (или меньшей длины).

Полученные нулевые приближения записывают в соответств˝у- ющих строках и подчеркивают. При записи последующих прибл˝и- жений повторяющиеся целые их части опускают.

Первые, а затем и последующие приближения получают как средние весовые значения из высот, получаемых по всем схо˝дящимся к определяемой точке ходам, беря за исходные самые п˝о- следние приближения высот соседних пунктов и используя п˝ри этом приведенные веса. Получаемые приближения — средни˝е весовые значения — записывают в соответствующей графе в нижней части блока, соответствующего определяемому пункту. Вычи˝сление приближений заканчивают, когда два следующих один за ˝другим приближения высот будут одинаковыми для всех определ˝яемых пунктов. Последние приближения являются искомыми выс˝о- тами.

Далее контролируют вычисления и оценивают точность изме˝- рений. Для этого вычисляют поправки υi, получаемые вычитанием

результатов, записанных в графе 14 приближений, из соответс˝тву-

ющих окончательных значений высот. Находят произведения˝piυi

и их сумму [pυ] для каждого пункта. Теоретически эта сумма дол-

жна быть равна нулю [pυ] = 0, но вследствие погрешностей округ-

лений может несколько отличаться от нуля. Считают, что выч˝ис-

ления проведены верно, если [pυ] < [p]. Оценивают точность результатов нивелирования по формулам:

μ =

υ

=

 

ãäå N — число ходов-звеньев; t — число узловых точек; òêì — средняя квадрати- ческая погрешность нивелирования хода длиной 1 км; Li — длина i-õîäà.

В сумму [pυ2] поправки υi должны входить один раз (см. табл. 18.4).

516

Следует иметь в виду, что при малом числе N—t полученное

значение òêì малонадежно.

Контрольные вопросы и задания

1. Каковы назначение и способы построения съемочных сетей˝? 2. Какие слу- чаи уравнивания съемочных сетей по способу среднего весо˝вого (узловых точек) вы знаете? 3. Как уравнивают нивелирные ходы с одной узловой˝ точкой (вычисление среднего весового значения высоты узловой точки, вычи˝сление невязок по ходам, оценка точности высоты узловой точки)? 4. Как уравнив˝ают теодолитные ходы с одной узловой точкой, углы (вычисление среднего вес˝ового значения дирекционного угла, вычисление невязок по ходам, оценка точ˝ности измерения угла), приращения координат (вычисление среднего весовог˝о значения координат узловой точки, вычисление невязок в приращениях координа˝т, вычисление приращений координат, оценка точности положения узловой точ˝ки)? 5. Как уравнивают нивелирные ходы способом последовательных приближ˝ений (получение высот узловых точек в первом, втором и последующих приближе˝ниях, получение окончательных высот и оценка точности результатов уравн˝ивания)?

517

à ë à â à 19

ГЛОБАЛЬНАЯ СПУТНИКОВАЯ НАВИГАЦИОННАЯ СИСТЕМА ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ

19.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА. ПРИНЦИП РАБОТЫ СИСТЕМЫ И ЕЕ ДОСТОИНСТВА

В конце ХХ века в геодезии нашли распространение принципиально новые методы и средства измерений, базирующиеся н˝а

использовании искусственных спутников Земли (ИСЗ), получ˝ивших название спутниковое позиционирование.

Спутниковое позиционирование — определение местополо˝же-

ния (координат пункта или движущегося объекта) при помощи˝

спутниковых навигационно-геодезических систем (СНГС). Эт˝о направление получило широкое применение в различных обл˝а-

стях человеческой деятельности.

Координаты пунктов (объектов) нужны не только геодезис-

там, но и морякам, авиаторам, военным, участникам различных˝ экспедиций и многим другим потребителям. Если раньше для

создания геодезической основы приходилось строить доро˝госто-

ящие сети различных конфигураций, закрепляемые на местности специальными центрами с наружными знаками (пирамидами, сигналами) для обеспечения взаимной видимости между пунк˝та-

ми, то появление спутниковых систем сделало эти работы не˝- нужными. С помощью только одного спутникового приемника возможно определить координаты объекта с метровой точно˝- стью, что достаточно не только для навигационных, но и в ряд˝е случаев для земельно-кадастровых, геологических, мелиора˝тивных и других работ. Применяя два приемника, можно получить сантиметровую и даже миллиметровую точность взаимного п˝о-

ложения пунктов, что обеспечивает решение практически вс˝ех

геодезических задач.

Спутниковое позиционирование базируется на электронных˝

методах геодезических измерений, в первую очередь на элек˝тронной дальнометрии, которые широко применяют в наземной гео˝- дезии. В случае спутниковых измерений эти методы претерпе˝ли существенные изменения, обусловленные спецификой прохо˝ждения сигналов на космических трассах.

К первому поколению спутниковых систем позиционировани˝я до 70-х годов можно отнести Транзит (США) и Цикада (СССР). В 1984—1993 гг. в России с помощью системы Транзит создана доплеровская геодезическая сеть (ДГС).

518

Все эти системы обеспечивали точность получения координ˝ат

50…100 м и отличались малой оперативностью: для достижения высокой точности требовались несколько прохождений ИСЗ˝ в «поле зрения» приемника, при этом перерывы между прохожде˝- ниями спутников, например в системе «Транзит», составляли˝ пол-

тора часа. Это послужило основанием для разработки систем˝ второго поколения — глобальных спутниковых систем.

Применяя глобальные системы, получают координаты в любой˝ точке Земли в любой момент времени с сантиметровой точнос˝тью.

Это стало возможным благодаря увеличению высот орбит спу˝тни-

ков до 20 тыс. км и числа самих спутников до 24. Приемники спутниковых сигналов созданы с применением высоких техн˝ологий, поэтому они малы по размерам и сравнительно недороги˝. Все

это позволяет рассматривать глобальные системы как ново˝е до-

стояние цивилизации.

Âмире существуют две глобальные системы: американская —˝

GPS и российская — ГЛОНАСС.

GPS (Global Positioning System — Глобальную Систему Пози-

ционирования) первоначально называли NAVSTAR (1973). Система находится в ведении Министерства обороны США. Запуск

спутников первого блока осуществлен в 1978 г. Эксплуатирует˝ся с 1995 г. До недавнего времени система была открыта для гражда˝н-

ского пользования только в режиме пониженной точности; дл˝я режима высокой точности требовался санкционированный д˝ос-

туп. В 2000 г. это ограничение снято, и сейчас GPS открыта для

всех и в режиме высокой точности.

ГЛОНАСС — Глобальная навигационная спутниковая система. Ее разработки начаты в 1970 г. В 1982 г. выведены на орбиты пер-

вые ее спутники серии КОСМОС. В 1993 г. система официально

принята в эксплуатацию Министерством обороны РФ. В 1996 г.

ГЛОНАСС развернута полностью. В ней навигационный режим повышенной точности оставлен для санкционированных пол˝ьзователей (военных), а режим пониженной («стандартной») точн˝о- сти доступен гражданским пользователям. Уже работают при˝емные устройства, одновременно использующие и GPS и ГЛОНАСС.

Â1989 г. начали создание Европейской системы координат EUREF, которая базируется на методе GPS и опирается на основ-

ные спутниковые станции, задающие всемирную систему коор˝ди-

нат ITRF. На территории 15 стран было заложено 92 пункта с та-

ким расчетом, чтобы в каждой стране было не менее трех пунк˝тов

сгущения. Расстояния между пунктами составили 300…500 км. По

результатам уравнивания точность системы оценена на уро˝вне 3…4 см.

Â1999 г. Европейский парламент поддержал решение Европейского космического агентства ESA о создании нового поколен˝ия спутниковой системы GALILEO, которая будет включать 30 спут-

ников (из них 3 резервных), расположенных на высоте 23 200 км и

519

вращающихся в трех орбитальных плоскостях, наклоненных н˝а

56° к плоскости экватора. Таким образом, с учетом спутников ˝GPS и ГЛОНАСС в распоряжении пользователей будет 80 космическ˝их аппаратов (КА), покрывающих весь земной шар.

Принцип работы глобальной системы состоит в том, что прием-

ники GPS-сигналов на Земле используют спутники в качестве исходных (опорных) пунктов для определения своего местоп˝о-

ложения. Это известная в геодезии пространственная обратная линейная засечка, когда на пересечении трех сферических п˝о-

верхностей (рис. 19.1) определяют координаты искомого пунк-

та. Измеряя время прохождения сигнала от спутника до прие˝м- ника, можно определить расстояние до спутника. По трем измеренным дальностям Di (i = 1, 2, 3) координаты определяемой

точки x, y, z получают из решения трех уравнений (уравнений

сферы) вида

D = [(x – x

)2

+ (y – y

)2

+ (z – z )2]1/2,

(19.1)

i

i

 

i

 

i

 

ãäå xi, yi, zi — известные координаты точек, от которых измеряли расст˝ояние (центры сфер).

При применении изложенного геометрического принципа оп˝- ределения местоположения к глобальным спутниковым сист˝емам

возникают две особенности. Одна из них состоит в том, что ис˝ход-

ными пунктами (пунктами с известными координатами) являю˝тся движущиеся спутники, а определяемыми (неподвижными или дви-

жущимися) — пункты (спутниковые приемники), находящиеся˝ на Земле. Другая особенность работы системы состоит в том, чт˝о

вследствие несинхронности хода часов на спутнике и в прие˝мнике

 

(об этом будет сказано далее) из-

 

меряемые дальности получаются

 

искаженными, поэтому их называ-

 

þò псевдодальностями. Äëÿ ïðà-

 

вильного вычисления координат

 

приемника по измеренным псев-

 

додальностям их надо измерять не

 

до трех, а минимум до четырех

 

спутников. Для получения избы-

 

точных измерений, которые могут

 

повысить качество окончательного

 

результата и оценить его точность,

 

обычно используют большее число

 

спутников.

 

Рассмотрим систему GPS (рис.

Рис. 19.1. Линейная пространствен-

19.2) как получившую более широ-

ная засечка:

кое применение в геодезии.

Ì — точка пересечения сфер с центрами

Глобальная спутниковая систе-

1, 2, 3 и радиусами R1, R2, R3

ма позиционирования, которую в

520