МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ
ФГБОУ ВО «БУРЯТСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ им. В.Р. ФИЛИППОВА»
ИНСТИТУТ ЗЕМЛЕУСТРОЙСТВА, КАДАСТРОВ И МЕЛИОРАЦИИ
Кафедра землеустройства
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине «Космическая геодезия»
на тему: «Глобальные навигационные спутниковые системы и их
использование для решения фундаментальных и прикладных задач
геодинамики»
Направление: 21.03.03. «Геодезия и дистанционное зондирование»
Обучающийся: _______________студент группы 6403 Будажапов А.Б.
Проверил: __________________Ст. преподаватель Мухорин Е.А.
Дата защиты «_____ »____________2019 г.
Оценка «_____________»
Улан-Удэ
2019
Содержание
Введение ................................................................................................................... 3
Раздел 1. Обзор литературы ................................................................................... 5
1.1 Начало космической эры .................................................................................. 5
1.2
Глобальная навигационная спутниковая система ................................... 8
1.3
Система Глобального Позиционирования (GPS) ..................................... 10
1.4
Сравнение GPS и ГЛОНАСС .................................................................. 12
Раздел 2. Фундаментальные задачи..................................................................... 15
Раздел 3. Прикладные задачи ............................................................................... 19
Заключение ............................................................................................................ 23
Список использованной литературы ................................................................... 24
2
Введение
Факты о внутреннем строении и эволюции Земли, полученные
различными методами многих геонаук, складываются в исключительно
сложную картину явлений. Тем не менее, эти факты можно попытаться
объяснить на основе определенных, часто гипотетических процессов,
протекающих в соответствии с фундаментальными законами физики.
Геодинамика – наука о физической сущности процессов эволюции твердой
Земли. Конечная ее цель – на основе известных геолого-геофизических
фактов, геодезических количественных данных, используя фундаментальные
законы
физики
непротиворечивую
и
современный
модель
математический
эволюции
нашей
аппарат,
планеты.
построить
Необходимые
требования к геодинамике, как и к любой естественной науке достаточно
высокого методологического уровня, состоят в следующем:
1)
геодинамическая
теория
должна
обладать
внутренней
непротиворечивостью и самосогласованностью;
2) она должна отвечать не только на вопросы «что?» и «где?», как
большинство традиционных геологических дисциплин, но и на
вопросы
«как?» и «почему?»;
3)
помимо
качественного
объяснения
геологических
явлений,
геодинамическая теория должна давать возможность их количественной
оценки, а также обладать прогностической силой;
4) геодинамическая теория должна учитывать все факты, входящие
в область геологии как науки, объективно оценивая при этом их
значимость и достоверность;
5) геодинамическая теория должна допускать прямую или косвенную
проверку контрольными экспериментами и/или наблюдениями.
При попытке описать физическим языком столь сложный процесс, как
геологическая эволюция Земли, сразу же возникают проблемы, требующие
нетрадиционных подходов и решений. Прежде всего, пространственно3
временной масштаб геологических явлений (миллионы и миллиарды лет,
крупинки земных пород и континентальные плиты, сама планета) очень
затрудняет выполнение эффективных лабораторных экспериментов. Мы
видим лишь то, что Земля нам показывает на бесконечно малом промежутке
своей геологической эволюции, и практически лишены возможности
воспроизвести те процессы, которые хотим изучить. Кроме того, законы
физики сформулированы на математическом языке в аналитической форме.
Геология, напротив, традиционно описательная наука. Ее закономерности
иногда очень непросто выразить количественно.
4
Раздел 1. Обзор литературы
1.1 Начало космической эры
Развитие отечественной спутниковой радионавигационной системы
(СРНС) ГЛОНАСС имеет уже практически сорокалетнюю историю, начало
которой положено, как чаще всего считают, запуском 4 октября 1957 г. в
Советском Союзе первого в истории человечества искусственного спутника
Земли (ИСЗ). Измерения доплеровского сдвига частоты передатчика этого
ИСЗ на пункте наблюдения с известными координатами позволили
определить параметры движения этого спутника.
Эффект Допплера (по имени австрийского физика К. Допплера)
состоит в изменении регистрируемой приемником частоты колебаний или
длины волны при относительном движении приемника и источника этих
колебаний.
Обратная
задача
была
очевидной:
по
измерениям
того
же
доплеровского сдвига при известных координатах ИСЗ найти координаты
пункта наблюдения.
Научные основы низкоорбитальных СРНС были существенно развиты
в процессе выполнения исследований по теме "Спутник" (1958—1959 гг.).
Основное внимание при этом уделялось вопросам повышения точности
навигационных определений, обеспечения глобальности, круглосуточности
применения и независимости от погодных условий.
Проведенные работы позволили перейти в 1963 г. к опытноконструкторским работам над первой отечественной низкоорбитальной
системой, получившей в дальнейшем название "Цикада".
В 1979 г. была сдана в эксплуатацию навигационная система 1-го
поколения "Цикада" в составе 4-х навигационных спутников (НС),
выведенных на круговые орбиты высотой 1000 км, наклонением 83° и
равномерным распределением плоскостей орбит вдоль экватора. Она
позволяет потребителю в среднем через каждые полтора-два часа входить в
радиоконтакт с одним из НС и определять плановые координаты своего
5
места при продолжительности навигационного сеанса до 5 ... 6 мин.
В ходе испытаний было установлено, что основной вклад в
погрешность
навигационных
определений
вносят
погрешности
передаваемых спутниками собственных эфемерид, которые определяются и
закладываются на спутники средствами наземного комплекса управления.
Поэтому наряду с совершенствованием бортовых систем спутника и
корабельной приемоиндикаторной аппаратуры, разработчиками системы
серьезное
внимание
определения
и
было
уделено
прогнозирования
вопросам
повышения
параметров
орбит
точности
навигационных
спутников.
Была отработана специальная схема проведения измерений параметров
орбит средствами наземно-комплексного управления, разработаны методики
прогнозирования, учитывающие все гармоники в разложении геопотенциала.
Проведены работы по уточнению координат измерительных средств и
вычислению
коэффициентов
предназначенной
специально
согласующей
для
модели
определения
и
геопотенциала,
прогнозирования
параметров навигационных орбит. В результате точность передаваемых в
составе навигационного сигнала собственных эфемерид была повышена
практически на порядок и составляет в настоящее время на интервале
суточного прогноза величину 70 ... 80 м, а среднеквадратическая
погрешность
определения
морскими
судами
своего
местоположения
уменьшилась до 80 ... 100 м.
ЭФЕМЕРИДЫ (в астрономии) - координаты небесных светил,
параметры орбит спутников и другие переменные астрономические
величины, вычисленные для ряда последовательных моментов времени и
сведенные в таблицы.
Для оснащения широкого класса морских потребителей разработаны и
серийно изготавливаются комплектации приемоиндикаторной аппаратуры
"Шхуна" и "Челн". В дальнейшем спутники системы "Цикада" были
дооборудованы
приемной
измерительной
6
аппаратурой
обнаружения
терпящих
бедствие
объектов,
которые
оснащаются
специальными
радиобуями, излучающими сигналы бедствия на частотах 121 и 406 Мгц. Эти
сигналы принимаются спутниками системы "Цикада" и ретранслируются на
специальные наземные станции, где производится вычисление точных
координат аварийных объектов (судов, самолетов и др.).
Дооснащенные аппаратурой обнаружения терпящих бедствие спутники
"Цикада" образуют системы "Коспас". Совместно с американо-франкоканадской системой "Сарсат" они образуют единую службу поиска и
спасения, на счету которой уже несколько тысяч спасенных жизней.
Успешная
эксплуатация
низкоорбитальных
спутниковых
навигационных систем морскими потребителями привлекла широкое
внимание к спутниковой навигации. Возникла необходимость создания
универсальной навигационной системы, удовлетворяющей требованиям всех
потенциальных
потребителей:
авиации,
морского
флота,
наземных
транспортных средств и космических кораблей.
В 1995 г. было завершено развертывание СРНС ГЛОНАСС до ее
штатного состава (24 НС). В настоящее время предпринимаются большие
усилия по поддержанию группировки. Разработаны самолетная аппаратура
АСН-16, СНС-85, АСН-21, наземная аппаратура АСН-15 (РИРВ), морская
аппаратура "Шкипер" и "Репер" (РНИИ КП) и др.
Основным заказчиком и ответственным за испытания и управление
системами являются Военно-космические силы РФ.
В рассматриваемый период времени в США также проведены
интенсивные разработки СРНС. В 1958 г. в рамках создания первого
поколения атомных ракетных подводных лодок "Полярис" была создана
система "Транзит" (аналог СРНС "Цикада"), введенная в строй в 1964 г.
В начале 70-х годов начаты работы по созданию СРНС второго
поколения — ОР5/"Навстар" (аналога отечественной системы ГЛОНАСС).
Спутниковая радионавигационная система GPS полностью развернута в
1993.
7
В данном реферате рассматриваются системы радиоместоопределения
(в дальнейшем - местоопределения), задачей которых является контроль за
перемещением подвижных объектов в центре сбора информации о
местоположении и движении объектов или, как иногда это называют,
сопровождение подвижных объектов.
Спутниковые
системы
местоопределения
подвижных
объектов
базируются на использовании радиолиний, обеспечивающих передачу
сигналов между подвижным объектом, искусственным спутником Земли
(ИСЗ) и наземной станцией, При этом подвижный объект, ИСЗ и наземная
станция оснащаются радиотехническим оборудованием в зависимости от
используемой конфигурации системы и метода определения координат
объекта. Далее будут рассмотрены три наиболее распространенных типа
конфигурации систем местоопределения.
1.2
Глобальная навигационная спутниковая система
Рис. 1 Отечественный спутник ГЛОНАСС - М
8
Назначение: Обеспечение навигационной информацией и сигналами
точного времени военных и гражданских наземных, морских, воздушных и
космических потребителей.
С 1996 года по предложению Правительства Российской Федерации
Международная организация гражданской авиации и Международная
морская организации используют систему ГЛОНАСС вместе с системой GPS
(США) в качестве международных.
Характеристики:
Глобально по поверхности Земли в
Зона обслуживания
воздушном и околоземном
космическом пространстве
Возможность использования
В любой момент, независимо от
времени суток, года и метеоусловий
Точность навигационных
определений (вероятность 0,95):
в стандартном режиме:
- по плановым координатам
20 м
- по высоте
30 м
- по скорости
5 м/с
- по времени привязки к Госэталону
0,7 мкс
в дифференциальном режиме
от 0,1 м до 5 м
Доступность
99,64%
Количество КА в орбитальной
24 (по 8 КА в трех плоскостях)
группировке
Орбита
круговая
- высота
19140 км
- наклонение
64,8
Частотный диапазон
1,6 ГГц
- частота L1
1,2 ГГц
9
Гарантированный срок
7 лет
функционирования КА
Средства выведения:
- одиночный запуск с к. Плесецк
РН "Союз-2" и РБ "Фрегат"
- групповой запуск (3 КА) с к.
РН "Протон" и РБ "Бриз-М"
Байконур
1.3 Система Глобального Позиционирования (GPS)
Global Positioning System (GPS) - спутниковая система определения
местонахождения подвижных объектов.
Система GPS создана министерством обороны США и позволяет с
точностью до 20 м определять в любой точке земного шара место
нахождения неподвижного либо движущегося объекта на земле, в воздухе и
на море в трех измерениях с очень высокой точностью. Более того, GPS
сообщает скорость передвижения объекта. Эта система позволяет оснастить
речные и морские суда, автомобили, самолеты электронными картами, на
которых показывается место нахождения объекта и кратчайший (либо
наиболее удобный) путь к пункту назначения. GPS используется также для
составления географических карт и в задачах геодезии. Система широко
используется и гражданскими абонентами.
Система создана в спутниковой сети, образованной спутниками связи,
вращающимися вокруг земли по высоким орбитам. В 1995 г. сеть имела 24
спутника. Для вхождения в GPS каждый абонент должен иметь небольшое
устройство. Последнее в бытовом варианте имеет размер, равный
портсигару, что позволяет носить его в кармане костюма. Устройство с
высокой точностью показывает три координаты объекта, находящегося в
любой точке планеты. Одним из важнейших компонентов устройства
являются атомные часы, способные измерять время с точностью до
наносекунды.
Сигналы
устройства
передатчиками спутников связи.
10
синхронизируются
с
приемо-
Кроме высокой точности измерения координат своего местоположения
и скорости различных подвижных объектов, а также определения времени,
важными ее достоинствами являются непрерывность выдачи информации,
всепогодность и скрытность.
Сигналы, несущие навигационную информацию, излучаются на двух
частотах: 1575,45 МГц (L1) и 1227,6 Мгц (L2). На второй частоте излучаются
только сигналы с военным кодом P(Y), несущим высокоточную информацию
(P — Precision, точный) и защищенным криптографическим методом от
имитационных помех, о чем свидетельствует индекс Y. На первой частоте
передаются сигналы как с кодом P(Y), так и общедоступным кодом C/A.
Сигналы
обоих
кодов
представляют
собой
псевдошумовую
последовательность импульсов, с помощью которой осуществляется фазовая
манипуляция несущей частоты. Военный код P(Y) имеет продолжительность
267 суток, а код С/А — 1 мс. Прием сигналов с кодом P(Y) дает возможность
работы в режиме высокой точности измерений (PPS), а сравнение времени
прихода сигналов на частотах L1 и L2 позволяет вычислять дополнительную
задержку, возникающую при прохождении сигналов через ионосферу из-за
нелинейности (увеличении пути) распространения в ней радиоволн. Прием
сигналов с кодом С/А только на одной частоте не дает возможности
вычислять ошибки, вносимые при прохождении радиоволн через ионосферу.
Кроме того, сама структура кода обеспечивает значительно худшие
характеристики в режиме стандартной точности измерений (SPS). За счет
преднамеренного
ухудшения
точности
путем
ввода
ошибок
при
формировании навигационных параметров (режим избирательного доступа
— SA) погрешность измерений в режиме SPS может быть доведена до 300 м
и более.
Кроме кодов С/А и Р навигационные спутники регулярно передают
специальные сообщения, которые содержат дополнительные сведения: о
состоянии спутников и их параметрах — системном времени, эфемеридах
(наборах параметров, точно описывающих орбиты спутников), прогнозе
11
ионосферной
задержки,
показателях
работоспособности.
Передача
навигационного сообщения длиной 1500 бит осуществляется со скоростью 50
бит/с на частотах L1 и L2. Для передачи полного сообщения обо всех
спутниках требуется 12,5 минуты.
1.4
Сравнение GPS и ГЛОНАСС
Системы GPS и ГЛОНАСС во многом подобны, но имеют и различия
(что хорошо видно из таблицы А). Они разрабатывались с учетом наиболее
вероятных областей применения. Поэтому ГЛОНАСС имеет преимущества
на высоких широтах, а GPS — на средних.
Таблица A. Основные характеристики навигационных систем
ГЛОНАСС и GPS
Характеристки
ГЛОНАСС
GPS
Количество спутников
24
24
3
6
8
4
Тип орбиты
Круговая (S=0+-0,01)
Круговая
Высота орбиты
19100 км
20200 км
Наклонение орбиты, град
64,8+-0,3
55 (63)
Период обращения
11 ч 15,7 мин.
11 ч 56,9 мин.
Способ разделения сигналов
Частотный
Кодовый
Навигационные частоты,
1602,56 — 1615,5
1575,42 1227,6
МГц: L1 L2
1246,44 — 1256,5
Период повторения ПСП
1 мс
(проектное)
Количество орбитальных
плоскостей
Количество спутников в
каждой плоскости
1 мс (С/А-код) 7 дней
(Р-код)
Тактовая частота ПСП, МГц
0,511
1,023 (С/А-код) 10,23
(Р,Y-код)
12
Скорость передачи цифровой
50
50
2,5
12,5
Число кадров в суперкадре
5
25
Число строк в кадре
15
5
Погрешность* определения
не указана
18 (P,Y-код) 28 (P,Y-
информации, бит/с
Длительность суперкадра,
мин
координат в режиме
код)
ограниченного доступа:
горизонтальных, м
вертикальных, м
Погрешности* определения
15 (СТ-код)
проекций линейной скорости,
<200 (С/А-код) 20
(P,Y-код)
см/с
Погрешность* определения
1000 (СТ-код) —
времени в режиме
340 (С/А-код) 180
(P,Y-код)
свободного доступа, нс в
режиме ограниченного
доступа, нс
Система отсчета
ПЗ-90
WGS-84
пространственных координат
* Погрешности в определении координат, скорости и времени для системы
ГЛОНАСС — 0,997, для GPS — 0,95.
Недостатками ГЛОНАСС являются:
необходимость сдвига диапазона частот вправо, так как в настоящее
время ГЛОНАСС мешает работе как подвижной спутниковой связи, так и
радиоастрономии;
13
при смене эфемерид спутников, погрешности координат в обычном
режиме увеличиваются на 25—30м, а в дифференциальном режиме —
превышают 10 м;
при коррекции набежавшей секунды нарушается непрерывность
сигнала ГЛОНАСС. Это приводит к большим погрешностям определения
координат места потребителя, что недопустимо для гражданской авиации;
сложность пересчета данных систем ГЛОНАСС и GPS из-за отсутствия
официально опубликованной матрицы перехода между используемыми
системами координат.
Приемники, одновременно работающие с сигналами ИСЗ GPS и
ГЛОНАСС, в Украине изготавливаются на ГП «Оризон» (г. Смела).
Американская система глобального позиционирования GPS сейчас
является явным монополистом в области предоставления навигационных
данных. Однако скоро этой монополии придёт конец. Дело не только в том,
что спутники системы GPS стремительно устаревают (некоторые из них было
запущены ещё до появления первого поколения плееров iPod) и поэтому
нуждаются в серьёзных усовершенствованиях. Основная причина, по
которой система GPS не устраивает другие государства, - это то, что права на
систему принадлежат Соединённым Штатам, которые могут управлять ей,
исходя из собственных геополитических интересов, или даже попросту
отключить её, если возникнет такая необходимость. Такое положение дел
никак не может устраивать крупные государства, поэтому в настоящий
момент сразу в нескольких странах ведутся работы по созданию собственных
независимых спутниковых навигационных систем. В этом обзоре мы
расскажем вам о том, как на текущий момент обстоят дела с национальными
навигационными сетями Европы, Китая, России и Индии, а также о том, в
каком состоянии на текущий момент находится американская система GPS.
14
Раздел 2. Фундаментальные задачи
Специфика традиционных геодезических измерений, проводимых на
земной поверхности, заключается, прежде всего, в высоких требованиях к
точности измерений, проводимых в среде с постоянно меняющимися
параметрами, к которой с полным основанием могут быть отнесены
приземные слои атмосферы. При этом требования к повышению точности
постоянно
растут,
что
обусловливает
необходимость
постоянного
совершенствования технических средств и методов. Большинство созданных
к
настоящему
времени
высокоточных
геодезических
инструментов
(теодолиты, нивелиры, светодальномеры, тахеометры и др.) достигли
достаточно высокого совершенства как за счет удачных технических
решений, так и за счет хорошо продуманной технологии их использования.
Однако
многие
из
перечисленных
выше
приборов
базируются
на
использовании оптического диапазона электромагнитных волн, что породило
целый ряд существенных недостатков, которые были уже перечислены во
введении (властности, необходимость обеспечения прямой и оптической
видимости
между
смежными
пунктами,
трудности
организации
круглосуточных измерений и, как следствие, сложность организации
мониторингов
для
отслеживания
различного
рода
деформационных
процессов, трудности проведения геодезических измерений в динамике и т.
д.).
Другой существенной особенностью традиционных геодезических
измерений является весьма широкое распространение угловых измерений,
которым во многих случаях отдаются предпочтения перед линейными
измерениями (прежде всего, по экономическим соображениям), хотя по
своим
потенциальным
возможностям
современные
высокоточные
светодальномеры обеспечивают более высокий уровень точности.
Наконец, еще одна специфика традиционных наземных геодезических
методов
состоит
в
необходимости
15
проведения
измерений
в
высокодинамичных
приземных
слоях
атмосферы,
что
существенно
осложняет процедуру выполнения измерений и снижает потенциальный
уровень точности.
Альтернативный подход к выполнению геодезических измерений на
принципиально иной основе состоит в использовании пространственных
методов измерений с применением в качестве опорных точек мгновенных
положений искусственных спутников Земли. Базирующиеся на таких
принципах измерительные комплексы получили название глобальных систем
позиционирования, первоначальное назначение которых состояло в решении
навигационных задач. Однако проведенные исследования показали, что за
счет совершенствования аппаратного и программного обеспечения, а также
технологии использования таких систем, они могут с полным успехом
применяться и для решения широкого круга геодезических задач, резко
повышая
эффективность
проводимых
геодезических
работ
при
одновременном значительном повышении потенциального уровня точности.
С учетом этого рассмотрим основные характерные особенности современных
геодезических спутниковых измерений. При выборе наиболее подходящего
диапазона
электромагнитных
волн,
используемого
при
выполнении
измерений, приходится учитывать тот факт, что создаваемая спутниковая
система должна быть все погодной, т.е. обеспечивать выполнение измерений
при любых условиях погоды. Это требование является вполне обоснованным
как для навигации, так и для геодезии. Кроме того, для одновременного
обслуживания
неограниченного
числа
потребителей,
находящихся
в
пределах всего земного шара, с помощью весьма ограниченного количества
спутников необходимо, чтобы диаграмма направленности установленной на
спутнике излучающей системы охватывала всю видимую со спутника
земную поверхность. В дополнение к вышеизложенному приходится также
учитывать необходимость сведения к минимуму влияния атмосферы (как
тропосферы, так и ионосферы). Обобщение многочисленных, проведенных к
16
настоящему времени исследований, свидетельствует о том, что наиболее
полно перечисленным выше требованиям отвечает ультракоротковолновый
(в частности, дециметровый) диапазон радиоволн.
При
анализе
различных
геодезических
спутниковых
методов
заслуживают внимания такие методы, как глобальная триангуляция,
основанная на использовании угловых измерений, и глобальная спутниковая
трилатерация, базирующаяся на измерении расстояний до спутников с
применением излучений различных участков спектра электромагнитных
волн. При разработке методов всемирной спутниковой триангуляции,
которые начали развиваться сразу же после запуска в 1957 г. Первого
советского искусственного спутника Земли, предпочтение было отдано
методам фотографирования спутников на фоне звезд. Были разработаны
специальные метрические фотокамеры в сочетании с соответствующими
фотограмметрическими методами, позволяющими получать на основе этих
снимков
необходимую
информацию
используемых
при
построении
Характерная
для
этого
метода
об
ориентирных
глобальной
аппаратура
направлениях,
геодезической
сети
[7].
оказалась
тяжелой
и
дорогостоящей, сами наблюдения были малопродуктивными, так как
приходилось выбирать такие периоды времени, когда соблюдались условия
чистого неба одновременно как минимум на двух пунктах, разнесенных на
большие расстояния. При этом точность измерений оказалась сравнительно
невысокой.
Из-за
перечисленных
выше
недостатков
данный
метод
достаточно быстро был вытеснен глобальной спутниковой трилатерацией.
Последний метод, основанный на использовании спутниковых дальномерных
систем, широко применяется в настоящее время для построения глобальных,
региональных и локальных геодезических сетей.
В свою очередь, развитие упомянутых спутниковых дальномерных
систем происходило по двум основным направлениям. Одно из них было
связано с созданием дальномеров, работающих в оптическом диапазоне. В
результате были созданы лазерные спутниковые дальномерные системы, с
17
помощью которых был достигнут весьма высокий уровень точности. Однако
созданные
лазерные
комплексы
оказались
сравнительно
дорогими,
громоздкими и требующими для работы наличия чистого неба. В связи с
этим применение таких систем ограничивается, в большинстве случаев,
использованием их на специально оборудованных пунктах, входящих в
состав обсерваторий или других исследовательских центров. Причем с
помощью
таких
систем
решаются,
как
правило,
различные
специализированные задачи (в частности, уточнение элементов орбит
спутников, определение длин высокоточных базисов для сравнительной
оценки точности других спутниковых систем и др.).
Другое
направление
базировалось
на
совершенствовании
радиодальномерных систем. При этом был использован накопленный опыт,
связанный с созданием наземных радиодальномерных систем (таких, как
«Декка», «Хиран» и др.). Одна из специфических особенностей созданных за
последние
десятилетия
спутниковых
радиодальномерных
систем
заключалась в достаточно широком применении метода измерений,
основанного на использовании доплеровского эффекта. Созданная в США на
такой основе военно-морская навигационная спутниковая система NNSS,
известная также, как система «Транзит», получила весьма широкое
распространение
как
в
навигации,
так
и
в
геодезии,
и
явилась
предшественницей современной глобальной системы позиционирования
GPS. Аналогичная система с условным названием «Цикада» была создана и в
бывшем Советском Союзе.
18
Раздел 3. Прикладные задачи
Высокая
определений
точность
на
возможностью
современных
линиях
различной
проведения
спутниковых
протяженности
измерений
в
самых
координатных
в
сочетании
с
разнообразных
физикогеографических условиях создали предпосылки для эффективного
использования спутниковых методов при решении широкого круга задач
прикладной геодезии. В последние годы такие методы стали все чаще
использоваться
проложении
при
строительстве
магистральных
тоннелей,
трубопроводов,
сооружении
создании
и
мостов,
дальнейшей
эксплуатации линейных ускорителей заряженных частиц и других крупных
инженерных сооружений.
Специфика использования спутниковых методов на вышеупомянутых
видах работ состоит не только в оперативном определении координат
замаркированных точек с высокой точностью, но и в разработке методов
определения ориентирных направлений. При этом измерения приходится,
зачастую, проводить в условиях частичной экранировки поступающих от
спутников радиосигналов различными видами конструкций создаваемых
объектов.
Отмеченные
особенности
обусловливают
целесообразность
разумного сочетания наземных и спутниковых методов геодезических
измерений, объединяющих в себе спутниковую приемную аппаратуру с
такими традиционными геодезическими инструментами, как теодолиты,
тахеометры, нивелиры и створные лазерные системы.
Применительно
к
строительству
тоннелей
с
использованием
спутниковых методов последние применяют с целью построения наземных
высокоточных геодезических сетей, перекрывающих всю площадь между
входными порталами и устанавливающих связь с опорными сетями
соответствующего класса. При создании тоннелей в сложных рельефных
условиях
преимущество
спутниковых
методов
становится
наиболее
ощутимым. Накопленный к настоящему времени опыт на такого вида
работах свидетельствует о том, что при расстоянии между порталами до 10
19
км спутниковые методы обеспечивают точность на уровне около 1 см.
Отработанные на их основе специализированные методы определения
ориентирных направлений обеспечивают разрешающую способность на
уровне около одной угловой секунды при взаимном расстоянии между
пунктами не менее 400 м.
При создании различного рода дамб возникает необходимость
проведения геодезических работ не только в процессе строительства, но и
при дальнейшей их эксплуатации с целью идентификации и анализа
возникающих деформаций и смещений элементов конструкции, находящихся
под большим внешним давлением. Для достижения повышенной точности
получаемой информации и ее объективности спутниковые методы во многих
случаях
объединяют
использовании
с
наземными
тахеометров
и
методами,
высокоточных
базирующимися
нивелиров.
на
Совместное
использование перечисленных выше технических средств и методов
позволяет
своевременно
и
достаточно
надежно
выявлять
опасные
деформации и смещения.
Примером описанного подхода может служить Сергиево-Посадская
гидроаккумулирующая электростанция. На этом объекте для слежения за
деформациями
и
смещениями
наиболее
ответственных
компонентов
конструкции гидроузла использованы в комплексе наземные и спутниковые
геодезические методы. При этом пункты, ответственные за величину
изучаемых деформаций, закреплены непосредственно на компонентах
конструкции
гидроузла,
а
опорные
пункты,
относительно
которых
определяются деформации и смещения, размещены на окружающей
территории
за
пределами
электростанции.
Полученные
результаты
исследований свидетельствуют о том, что разрешающая способность
использованных
комплексных
методов
соответствует
нескольким
миллиметрам как в плановой плоскости, так и по высоте.
При выполнении геодезических работ на таких крупных инженерных
сооружениях, как современные линейные ускорители заряженных частиц,
20
основные особенности связаны с тем, что замаркированные пункты
располагаются практически на одной прямой.
При использовании наземных методов, основанных на измерении углов
и расстояний, возникает необходимость в организации дополнительных
пунктов с целью улучшения геометрии сети, что неизбежно приводит к
неоправданным дополнительным технико-экономическим затратам и другим
осложнениям. В отличии от наземных методов спутниковые методы не столь
критичны к геометрии расположения пунктов и сказываются вполне
пригодными
для
обеспечения
требуемой
точности
координатных
определении на пунктах, расположенных вдоль прямолинейной трассы.
На ускорителях рассматриваемого типа в местах стыковки необходимо
обеспечить миллиметровый уровень точности как в плане, так и по высоте.
Для удовлетворения столь высоких требований так же, как и в предыдущем
случае, возникает необходимость в комплексном использовании наземных и
спутниковых технических средств. На основе анализа спутниковых
измерений на упомянутом ускорителе в Стэнфорде установлено, что в
горизонтальной плоскости размеры больших полуосей эллипсов стандартных
уклонений не превышают 3 мм. Для оценки точности вертикального
компонента было выполнено сравнение разностей высот над выбранным
референц-эллипсоидом (что характерно для спутниковых измерений) с
разностями нивелирных высот. Полученное расхождение оказалось равным 5
мм, что объясняется недостаточно строгим учетом наклона поверхности
квазигеоида.
Для выверки створности установки элементов конструкции линейного
ускорителя была применена створная лазерная система, позволяющая
определять уклонения от оси линейного базиса, имеющего длину около 3 км,
с точностью лучше, чем 0,1 мм. Использование для этих целей векторных
решений, основанных на применении GPS, обеспечило расхождения, не
превышающие ±1 мм. Круг задач, решаемых в прикладной геодезии с
21
применением спутниковых технологий, не ограничивается приведенными
выше примерами.
22
Заключение
Стремительное расширение сфер применения спутниковых систем типа
GPS и ГЛОНАСС стимулирует постоянно увеличивающийся рост количества
поступающей в обращение спутниковой приемной аппаратуры и ее
совершенствование, включая методы наблюдений и последующей обработки.
По опубликованным в последнее время данным выпуском приемной
аппаратуры потребителей занимаются более 60 фирм, которыми создано
более
400
различных
типов
спутниковых
приемников,
при
этом
совершенствованию подвергаются и все спутниковые системы в целом.
Прогрессу в этой области способствуют многочисленные исследования,
ориентированные на совершенствование процесса наблюдений и обработки
спутниковых измерений.
Такие исследования позволили существенно минимизировать влияние
различных источников ошибок, что привело к значительному повышению
как точности, так и надежности конечных результатов измерений. В
заключение в сжатой форме изложим основные направления дальнейшего
совершенствования рассматриваемых систем, а также некоторые вопросы их
совместного использования, включая и объединение таких систем с другими
техническими средствами, позволяющими определять местоположения как
неподвижных точек на местности, так и движущихся объектов. Особого
внимания заслуживают проблемы метрологической аттестации спутниковых
приемноычислительных комплексов, основная роль которой состоит в
обеспечении единства измерений в области координатных и линейных
измерений, а также в оценке реальной, а не формализованной точности
получаемых данных.
23
Список использованной литературы
1.
Б. Т. Мазуров., И.Е. Дорогова., Геодинамика и геодезические методы
изучения. Новосибирск, СГГА., 2014.
2.
А.А. Генике., Г.Г. Побединский., Глобальные спутниковые системы
определения местоположения и их применение в геодезии., Издание 2е, перераб. и дополненное, Москва, Картгеоцентр 2004.
3.
И.И. Краснорылов., Ю.В. Плахов., Основы космической геодезии.,
Москва «Недра»., 1976.
4.
Б.Б. Серапинас., Глобальные системы позиционирования., Издание 3-е,
исправленное и дополненное, Москва., 2002.
24
