- •Предисловие ко 2-му изданию
- •Введение
- •Раздел 1. Основные принципы действия спутниковых систем определения местоположения
- •1.1. Особенности геодезических измерений спутниковыми методами
- •1.2. Двусторонний и односторонний методы дальномерных измерений
- •1.4. Общие принципы построения глобальных спутниковых систем позиционирования
- •1.5. Космический сектор
- •1.5.1. Краткие сведения о спутниках, входящих в состав систем позиционирования
- •1.5.2. Назначение и схемная реализация устанавливаемой на спутниках аппаратуры
- •1.5.3. Высокостабильные спутниковые опорные генераторы
- •1.5.4. Принципы формирования кодовых последовательностей
- •1.5.5. Содержание и формирование на спутнике навигационного сообщения
- •1.5.6. Методы объединения и формы передачи радиосигналов со спутника в аппаратуру потребителя
- •1.6. Сектор управления и контроля
- •1.6.1. Основные функции сектора
- •1.7. Сектор потребителя (приемно-вычислительный комплекс)
- •1.7.1. Функции геодезического приемно-вычислительного комплекса
- •1.7.2. Обобщенная структурная схема геодезического спутникового приемника
- •1.7.4. Селекция сигналов, поступающих от различных спутников
- •1.7.6. Принципы демодуляции принимаемых сигналов
- •1.7.7. Краткие сведения о работе системы управления GPS-приемника
- •Раздел 2. Методы измерений и вычислений, используемые в спутниковых системах определения местоположения
- •2.1. Абсолютные и относительные методы спутниковых измерений
- •2.2. Основные разновидности дифференциальных методов
- •2.4. Принцип измерения псевдодальностей и практическое использование данного метода
- •2.5. Упрощенный анализ фазовых соотношений при спутниковых дальномерных измерениях
- •2.6. Первые, вторые и третьи разности, базирующиеся на фазовых измерениях несущих колебаний
- •2.6.1. Первые разности
- •2.6.2. Вторые разности
- •2.7. Интегральный доплеровский счет
- •2.8. Принципы разрешения неоднозначностей при фазовых измерениях
- •2.8.1. Геометрический метод
- •2.8.3. Метод поиска наиболее вероятных значений целого числа циклов
- •2.8.4. Нетривиальные методы разрешения неоднозначности
- •2.9. Выявление пропусков фазовых циклов
- •2.10. Общая схема обработки наблюдаемых данных
- •Раздел 3. Системы координат и времени, используемые в спутниковых измерениях
- •3.1. Роль и значение координатно-временного обеспечения для спутниковых методов определения местоположения
- •3.1.2. Краткие сведения о системах отсчета времени, используемых в GPS и ГЛОНАСС
- •3.2. Координатные системы, характерные для GPS и ГЛОНАСС
- •3.2.1. Звездные системы координат
- •3.2.2. Геодезические системы координат и их преобразования
- •3.2.3. Переход к общеземной системе координат
- •3.2.4. Геоцентрическая координатная система ПЗ-90
- •3.2.5. Геоцентрическая координатная система WGS-84
- •3.3. Методы преобразования координатных систем для спутниковой GPS-технологии и параметры перехода
- •3.4. Особенности определения высот с помощью спутниковых систем
- •Раздел 4. Основные источники ошибок спутниковых измерений и методы ослабления их влияния
- •4.1. Классификация источников ошибок, характерных для спутниковых измерений
- •4.3. Учет влияния внешней среды на результаты спутниковых измерений
- •4.3.1. Влияние ионосферы
- •4.3.2. Влияние тропосферы
- •4.3.3. Многопутность
- •4.4. Инструментальные источники ошибок
- •4.4.1. Ошибки, обусловленные нестабильностью хода часов на спутнике и в приемнике
- •4.4.2. Ошибки, обусловленные неточностью знания точки относимости
- •4.5. Геометрический фактор
- •4.6. Причины и методы искусственного занижения точности GPS-измерений
- •Раздел 5. Проектирование, организация и предварительная обработка спутниковых измерений
- •5.1. Специфика проектирования и организации спутниковых измерений
- •5.2. Предполевое планирование в камеральных условиях
- •5.2.1. Составление технического проекта
- •5.4. Вхождение в рабочий режим и контроль за ходом измерений
- •5.5. Завершение сеанса наблюдений. Хранение собранной информации. Ведение полевого журнала
- •5.6. Специфика редуцирования результатов спутниковых измерений при внецентренной установке приемников
- •Раздел 6. Обработка спутниковых измерений, редуцирование и уравнивание геодезических сетей
- •6.1. Первичная обработка спутниковых измерений, производимая в приемнике
- •6.2. Предварительная обработка спутниковых измерений, производимая после окончания измерений
- •6.3. Окончательная обработка спутниковых измерений
- •6.3.1. Окончательная обработка спутниковых измерений по программе фирмы-изготовителя спутниковых приемников
- •6.3.2. Окончательная обработка спутниковых измерений по специально разработанной программе
- •6.4. Уравнивание геодезических сетей, созданных на основе использования спутниковой технологии
- •6.4.1. Уравнивание по программе фирмы-изготовителя спутниковых приемников
- •6.4.2. Уравнивание по специально разработанной программе
- •6.4.3. Уравнивание спутниковых измерений как сетей трилатерации
- •Раздел 7. Использование спутниковых технологий для построения геодезических сетей
- •7.1. Построение глобальной опорной геодезической сети
- •7.2. Построение континентальных опорных геодезических сетей
- •7.3. Построение государственной геодезической сети России на основе спутниковых технологий
- •7.3.1. Фундаментальная астрономо-геодезическая сеть (ФАГС)
- •7.3.2. Высокоточная геодезическая сеть (ВГС)
- •7.3.3. Спутниковая геодезическая сеть 1 класса (СГС-1)
- •7.4.3. О необходимости координации работ по созданию государственной и городских геодезических сетей
- •7.4.4. Разработка проекта «Инструкции по созданию и реконструкции городских геодезических сетей с использованием спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS»
- •Раздел 8. Специальные применения спутниковых геодезических измерений для решения различных геодезических задач
- •8.1. Решение геодинамических задач
- •8.2. Применение спутниковых технологий в прикладной геодезии
- •8.4. Выполнение аэросъемочных работ с использованием спутниковых координатных определений
- •8.5. Использование спутниковых технологий при выполнении топографических и различных специализированных съемок
- •8.6. Особенности решения навигационных задач с использованием спутниковых приемников
- •8.6.1. Персональные навигационные системы
- •8.6.2. Навигационные системы транспортных средств
- •Заключение
- •Словарь англоязычных терминов
- •Список литературы
- •Содержание
Раздел 7. Использование спутниковых технологий для построения геодезических сетей
Опорные геодезические сети, создаваемые спутниковыми методами, принято в мировой практике подразделять на глобальные, континентальные, национальные, региональные и локальные геодезические сети. Применительно к территории России предусмотрено построение на основе спутниковой технологии фундаментальной астроно- мо-геодезической сети (ФАГС), представляющей собой высшее звено в структуре координатного обеспечения территории нашей страны. Последующими звеньями в государственной опорной геодезической сети по своему рангу являются высокоточная геодезическая сеть (ВГС) и спутниковая геодезическая сеть 1 класса (СГС-1). Вместе с тем в последние годы достаточно интенсивно развиваются локальные геодезические сети, базирующиеся на совместном использовании спутниковых и традиционных наземных методов. В последующих подразделах приведена краткая информация об особенностях построения и состоянии развития спутниковых геодезических опорных сетей как в нашей стране, так и за рубежом.
7.1. Построение глобальной опорной геодезической сети
Характерные для современных спутниковых систем позиционирования особенности, проявляющиеся в возможности точного и оперативного определения координат пунктов, расположенных в пределах всего земного шара, были использованы в последние десятилетия для создания глобальной опорной геодезической сети. Схема расположения пунктов, входящих в такую сеть, была приведена на рис. 1.11.
Систематические спутниковые наблюдения, проводимые на пунктах глобальной сети, позволяют периодически уточнять координаты этих пунктов, вычислять точные значения эфемерид наблюдаемых спутников, входящих в рассматриваемые системы позиционирования. Кроме того, они позволяют изучать геодинамические явления, происходящие в земной коре, в пределах всего земного шара, и в таких составных частях атмосферы, как ионосфера и тропосфера.
Для обеспечения точного мониторинга вращения Земли и движения полюсов с помощью современных космических геодезических
230
технологий Международное бюро времени (МБВ) - Bureau International de l'Heure (BIH) в 1984 г. создало наземную систему - BTS84 (BIH Terrestrial System) на основе спутниковых лазерных дальномерных систем (SLR), радиоинтерферометров со сверхдлинной базой (VLBI) и спутниковых доплеровских измерений. В 1988 г., когда Международная служба вращения Земли IERS (International Earth Rotation Service) заменила BIH, была создана система координат ITRF88 (IERS Terrestrial Reference System), которая соответствовала следующим требованиям:
-система является геоцентрической с началом в центре масс Земли, включая океан и атмосферу;
-ориентация системы согласуется с параметрами ориентирова-
ния Земли - Earth Orientation Parameter (ЕОР) на эпоху 1984,0;
-используемая в системе модель скоростей станций имеет нулевые величины остаточного вращения по отношению к земной коре;
-масштаб соответствует общеземной системе координат.
Для поддержания ITRF в соответствии с вышеназванными требованиями, начиная с 1988 г., ежегодно производится уточнение системы путем включения в нее новых измерений и пунктов. Для получения скоростей движения станций была использована модель движения тектонических плит NUVEL-1, в которой соблюдалось требование отсутствия остаточного вращения.
Модель NUVEL-1 вместе с неравномерным распределением станций ITRF по всему миру дает смещение между ITRF и IERS ЕОР 0,2 угловых миллисекунды в год. К 1992 г. это несовпадение с осью вращения Земли достигло примерно одной угловой миллисекунды. Скорости станций модели NUVEL-1 были пересмотрены с использованием спутниковых наблюдений на 150 пунктах и вошли в систему координат ITRF92.
Отмеченный подход обусловил необходимость организации Международной службы GPS для геодинамики (IGS), в состав которой наряду с административными подразделениями вошли не только многочисленные станции слежения, но и центры по обработке данных, включая и анализ получаемых результатов. Точность определения координат пунктов, входящих в глобальную опорную геодезическую сеть, на начальной стадии характеризовалась средними квадратическими ошибками на уровне около 15 мм в плане и около 35 мм по высоте. По мере совершенствования методики наблюдений и обработки, отмеченные ошибки были уменьшены до 5 мм в плане и 8 мм по высоте.
В середине 90-х годов в составе службы IGS были организованы международные центры по обработке и анализу получаемых данных. Для согласования поступающей в эти центры информации был разра-
231
ботан специальный формат независимого обмена программным обеспечением, который получил сокращенное название SINEX.
На основе обработки и анализа результатов, проводимых в течение ряда лет спутниковых наблюдений из всего набора пунктов, входящих в глобальную сеть, было выделено несколько десятков наиболее стабильных пунктов, которые были использованы для уточнения Международного наземного референцного каркаса (ITRJF). Этот каркас предназначен не только для установления положения и масштаба геоцентрической координатной системы, но и для определения параметров вращения Земли и, как следствие, для установления взаимосвязи со звездной (небесной) системой координат.
По результатам обработки измерений координат пунктов, входящих в ITRF, было уточнено положение центра масс Земли, который принят за начало геоцентрической системы координат. Достигнутая при этом точность оценивается средней квадратической ошибкой на уровне около 10 см. Проводимые в этой связи еженедельные определения в течение нескольких лет выявили следующий разброс смещений начала координат:
—по оси X от -20 до +60 мм,
—по оси Y от 0 до +90 мм,
—по оси Z от -80 до +30 мм.
Кроме того, зарегистрирован разброс значений масштабирующего фактора в пределах от +2-10~9 до -6-10~9 Изменений в ориентировке координатных осей при этом не замечено.
Приведенные данные свидетельствуют о том, что значения координат, относящиеся к различным эпохам, могут несколько различаться. В частности, такое расхождение относится и к широко используемым координатным системам WGS-84 и ITRF, поскольку первая из них относится к эпохе 1984 г., а вторая может относиться к более поздним эпохам.
Для контроля за состоянием исходной глобальной координатной системы и проведения в случае необходимости корректировки этой системы служба IGS с 1 января 1994 г. перешла на постоянное отслеживание координат пунктов глобальной опорной геодезической сети и на систематическую обработку получаемых при этом результатов.
Исследовательский центр наук о Земле (GFZ) в Потсдаме (Германия) в числе других аналитических центров в Европе и США ведет разработки в области построения и эксплуатации глобальной сети постоянных GPS-пунктов [81]. Данные с этих пунктов предназначены для целей Международной службы GPS для геодинамики (IGS), осуществляющей определение точных орбит спутников, координат и скоростей GPS-пунктов, а также поправок часов. Предполагается, что глобальная иерархическая сеть IGS после завершения ее создания и раз-
232
вития, будет состоять из 30-40 основных станций и 150-200 станций региональных и локальных сетей. 24 из них (в том числе 4 основных, 20 региональных и локальных станций) работают под эгидой GFZ. В число курируемых GFZ постоянных пунктов IGS на территории СНГ включены следующие: Китаб, Звенигород, Дудинка, Красноярск, Майданак, Ташкент, Петропавловск, Душанбе, Чимкент, Иссык-Куль, Каракол, Нарын.
В России в соответствии с постановлением Правительства Российской Федерации от 16 марта 1996 г. № 293 к открытому опубликованию без ограничений точности разрешены координаты следующих включенных в международную сеть станций (табл. 7.1).
|
|
Таблица 7.1 |
Название станции |
Широта |
Долгота |
Сейсмическая станция Москва (г. Обнинск) |
55°28' |
36°32' |
Обсерватория Института астрономии РАН |
55 07 |
36 34 |
(г. Звенигород) |
|
|
Главная Астрономическая обсерватория РАН |
59 46 |
30 20 |
(г. Пулково) |
|
|
Астрофизическая обсерватория РАН |
41 03 |
43 48 |
(п.Зеленчук) |
|
|
Сейсмическая станция Арти (п. Арти) |
56 40 |
60 55 |
Астрономическая обсерватория УО РАН |
56 26 |
58 34 |
(г. Екатеринбург) |
|
|
Обсерватория Красноярского технического |
56 08 |
93 07 |
университета (г. Красноярск) |
|
|
Сейсмическая станция Якутск (г. Якутск) |
62 02 |
129 41 |
Обсерватория Института космофизических |
71 35 |
128 47 |
исследований Якутской АН (г. Тикси) |
|
|
Сейсмическая станция Магадан (г. Магадан) |
59 34 |
150 46 |
Сейсмическая станция Южно-Сахалинск |
47 02 |
142 43 |
ИМГиГ ДВО РАН (г. Южно-Сахалинск) |
|
|
7.2. Построение континентальных опорных геодезических сетей
Стремление к созданию на отдельных континентах геодезической координатной основы повышенной точности с учетом характерных для конкретных континентов факторов, оказывающих влияние на изменения с течением времени значений определяемых координат, обусловило целесообразность построения континентальных
233
опорных геодезических сетей. Одним из примеров такой сети может служить Европейская геодезическая опорная сеть, основу которой составляет референцный каркас, получивший сокращенное название EUREF. Создание такой сети на ба^е использования спутниковых технологий, включающей в себя около 90 пунктов, было начато в конце 80-х годов. При ее построении с участием 16-ти европейских стран наряду с использованием GPS были предусмотрены измерения с помощью спутниковых лазерных дальномерных систем (SLR) и радиоинтерферометров со сверхдлинной базой (VLBI). На рис.7.1 приведена схема расположения пунктов, вошедших в состав EUREF.
Рис. 7.1. Схема постоянно действующих пунктов системы EUREF по состоянию на 1995 г.
Обработка результатов выполненных измерений производилась с участием 12-ти вычислительных центров. Полученная при этом точность, базирующаяся на формализованном учете случайных ошибок измерений, оказалась на уровне менее 1 см по всем трем координатным осям. В то же время из сравнения с лазерными и интерференционными измерениями реальная точность оценивается на уровне нескольких сантиметров.
Характерные для EUREF вычисляемые значения координат пунктов, входящих в эту сеть, находят применение не только для текущего использования заинтересованными организациями, но и для вы-
234