Построение спутниковой геодезической сети в Индокитае и методы определения аномалии высоты во Вьетнаме тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.24.01, кандидат технических наук Ле Минь

• Ле Минь
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ле Минь

введение

глава построение спутниковой геодезической сети gps в индокитайском регионе

1.1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СЕТИ.

1.1.1. ТЕХНИЧЕСКИЕ НОРМЫ.

1.1.2. ЦЕЛИ И ТРЕБОВАНИЯ К СЕТИ.

1.2. ОБРАБОТКА СЕТИ ИНДОКИТАЙСКОГО РЕГИОНА.

1.2.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ АБСОЛЮТНЫХ КООРДИНАТ.

1.2.1 Л Метод псевдодальностей.

1.2.1.2 Исследование точности абсолютных координат пунктов наблюдения, полученных методом псевдодальностей.

1.2.1.3 Определение относительных абсолютных координат дифференциальным методом.

1.2.2 Ориентирование индокитайской сети GPS в системе координат WGS-84.

1.3. ПРИВЯЗКА ИНДОКИТАЙСКОЙ СЕТИ GPS К МЕЖДУНАРОДНОЙ ГЕОДЕЗИЧЕСКОЙ СЕТИ IGS И ГЕОДЕЗИЧЕСКОЙ СЕТИ АЗИАТСКО-ТИХООКЕАНСКОГО РАЙОНА.

1.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ МЕЖДУ ИНДОКИТАЙСКОЙ СЕТЬЮ GPS В СИСТЕМЕ WGS-84 И ГЕОДЕЗИЧЕСКИМИ СЕТЯМИ КАЖДОЙ СТРАНЫ.

1.5. ОРИЕНТИРОВАНИЕ РЕФЕРЕНЦ-ЭЛЛИПСОИДА.

1.6. РЕЗУЛЬТАТЫ ОБРАБОТКИ ИНДОКИТАЙСКОЙ СЕТИ GPS.

1.6.1. АБСОЛЮТНОЕ ОРИЕНТИРОВАНИЕ - МЕТОД ПСЕВДОДАЛЬНОСТЕЙ.

1.6.2. ОТНОСИТЕЛЬНОЕ ОРИЕНТИРОВАНИЕ.

1.6.2.1. Вычисление приращений АХ, AY, AZ и их точностей при использовании модуля Wave программы GPSurvey V2.3:.

1.6.2.2 Результаты координат точек после уравнирования сети

1.6.2.3 Сравнительные результаты между двумя методами абсолютного ориентирования и относительного ориентирования

1.6.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ АБСОЛЮТНЫХ КООРДИНАТ ИСХОДНОГО ПУНКТА ВЬЕНТЬЯНА ( ЛАОС) - АБСОЛЮТНОЕ ОРИЕНТИРОВАНИЕ ИСХОДНОГО ПУНКТА.

1.6.4. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРИВЯЗКИ ИНДОКИТАЙСКОЙ СЕТИ GPS К МЕЖДУНАРОДНОЙ ГЕОДЕЗИЧЕСКОЙ СЕТИ IGS.

1.6.5. РЕЗУЛЬТАТЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПЕРЕХОДА МЕЖДУ ГЛОБАЛЬНОЙ СИСТЕМОЙ КООРДИНАТ WGS-84 И ЛОКАЛЬНОЙ КООРДИНАТНОЙ СИСТЕМОЙ.

А. Вьетнам.

Б. Лаос.

1.6.6 ОРИЕНТИРОВАНИЕ РЕФЕРЕНЦ-ЭЛЛИПСОИДА ВО ВБЕТНАМЕ49 1.7. ГЛАВНЫЕ ВЫВОДЫ.

глава совместное использование gps нивелированного метода и глобальной модели egm-96 для определения высоты геоида

2.1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

2.2. МЕТОД ИНТЕРПОЛЯЦИИ ПО ФУНКЦИИ ВТОРОГО ПОРЯДКА.

2.3. МЕТОД ИНТЕРПОЛЯЦИИ ПО ФУНКЦИИ СПЛАЙНА.

2.4. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

2.4.1. ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ МОДЕЛИ EGM-96.

2.4.2 ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ ФУНКЦИИ ИНТЕРПОЛЯЦИИ ВТОРОГО

ПОРЯДКА И ИНТЕРПОЛЯЦИИ ПО СПЛАЙН ФУНКЦИИ.

2.4.3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИНТЕРПОЛИРОВАНИЯ АНОМАЛИЙ ВЫСОТ ПО СПЛАЙН ФУНКЦИЯМ ВО ВЬЕТНАМЕ.

2.5. ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛИ ГЕОИДА ДЛЯ ТЕРРИТОРИИ ВЬЕТНАМА.

2.6. ГЛАВНЫЕ ВЫВОДЫ.

глава совместное использование нивелирного спутникового метода и значений местной силы тяжести для определения аномалий высот о

3.1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ.

3.2. РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫЧИСЛЕНИЯ АНОМАЛИИ ВЫСОТЫ МЕТОДОМ ГРАВИМЕТРИЧЕСКОГО СПУТНИКОВОГО НИВЕЛИРОВАНИЯ ВО ВЬЕТНАМЕ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Построение спутниковой геодезической сети в Индокитае и методы определения аномалии высоты во Вьетнаме»

Спутниковая геодезия становится в настоящее время основным методом создания и развития глобальных геодезических сетей во многих странах. Применение спутниковых измерений (GPS-измерений) дает возможность определить не только абсолютные координаты точек в глобальной координатной системе WGS-84 с метровой точностью, но и относительные координаты с сантиметровой точностью для расстояний в несколько сотен километров. С другой стороны, спутниковая технология обеспечивает объединение геодезических сетей разных стран в единую сеть в одной координатной системе.

Одной из важных областей применения спутниковой технологии является непосредственное определение геодезической высоты Н относительно эллипсоида WGS-84 с высокой точностью. Согласно [2], геодезическая высота Н сети GPS Вьетнама, определяемая дифференциальным методом, имеет точность, эквивалентную точности геометрического нивелирования первого класса: тн < 1 -Js (мм).

С получением вышеуказанной точности открываются широкие возможности совместного использования метода спутникового нивелирования, глобальной модели EGM-96 и значений аномалий местной силы тяжести для создания геоидальной модели с высокой точностью в индокитайском регионе и в каждом государстве этого региона в отдельности: Вьетнаме, Лаосе и Камбодже. Точная модель геоида Индокитая необходима не только для более точного редуцирования геодезических измерений на поверхность референц-эллипсоида, т.е. для более точной математической обработки астрономо-геодезической сети, но и открывает перспективы использования спутникового нивелирования, которое в этом случае заменяет точное геометрическое нивелирование. Целью диссертационной работы является:

• Разработка спутниковой технологии при создании высокоточной геодезической сети на индокитайском полуострове в единой системе координат и высот для всего региона.

• Совместное использование метода спутникового нивелирования с моделью EGM-96 и значениями местной силы тяжести для определения высоты геоида в Индокитае.

Для достижения указанных целей необходимо решить следующие задачи:

• Разработать и исследовать методы построения, ориентирования и математической обработки спутниковой сети Индокитая.

• Определить параметры перехода между системами координат каждой страны и системой координат GPS. Ориентирование референц-эллипсоида спутниковым нивелированным методом. Исследовать варианты использования единой индокитайской геодезической сети в целях объединения систем локальных высот и определения высоты геоида.

• Разработать методы определения высоты геоида путем совместного использования метода спутникового нивелирования с моделью EGM-96 и значениями локальных аномалий силы тяжести: с помощью интерполяционных функций для вычисления точных значений аномалии высот. с помощью построения геоидальной модели для всей территории Вьетнама с точностью < 0.5м. 6

В процессе работы над диссертацией были получены следующие основные результаты:

• Разработаны методы ориентирования и математической обработки астрономо-геодезической спутниковой сети с целью установления единой системы координат для Индокитая.

• Разработан метод совместного использования спутникового нивелирования и глобальной геоидальной модели для определения высоты геоида.

• Разработан метод совместного использования спутникового нивелирования и значений местной силы тяжести для определения высоты геоида во Вьетнаме.

• Разработан метод интерполяции высоты геоида с помощью функции интерполирования второго порядка и Сплайн функции.

• Осуществлена передача высоты геоида во Вьетнаме с ошибкой порядка 0.03м на 1км нивелирного хода.

• Построена модель геоида для всей территории Вьетнама с точностью ±0.5м.

Диссертация содержит 91 стр. текста, 14 рисунков, 17 таблиц. Список использованной литературы содержит 19 наименований. Структура содержания диссертации отражена в оглавлении.

Заключение диссертации по теме «Геодезия», Ле Минь

2.6. ГЛАВНЫЕ ВЫВОДЫ

По результатам интерполирования аномалий высот с помощью функции интерполяции второго порядка и сплайн функции, можно сделать следующие выводы: Точность вычисления аномалий высот интерполяционными функциями второго порядка и Сплайн функциями получилась практически одинаковой:

• Если в трапеции размером 100км* 100км все нивелирные спутниковые точки распределяются равномерно с расстоянием между ними 8=3 5 км, то точность интерполирования аномалий высот Синтер. получается порядка щ = 0.24м.

• Если не учитывать ошибки измерений ОРБ и ошибки нивелирования 40Г0 класса, то точность интерполирования высот будет равняться т^ = 0.17м.

• Ошибка передачи аномалии высот на 1 км равняется ±0.03м.

• Интерполирование по Сплайн функции для отдельной трапеции требует знать только 4 нелинейных коэффициента щ и 3 коэффициента Ьо, Ьь Ьг для того, чтобы определить интерполированные аномалии высот для всех точек в трапеции. Следовательно, в каждой трапеции необходимо иметь не меньше 4 нивелирных спутниковых точек для вычисления 4х

81 коэффициентов ai , а 3 коэффициента Ьо, Ьь Ьг можно определить с помощью точек соседних трапеций.

• Достигнута следующая точность высот геоида полученная методом интерполирования по Сплайн функции для Вьетнама : Случай определения коэффициентов а* и Ь, для отдельной трапеции размером 300км*300км: Точность определения аномалии высоты достигает щ < 0.24м.

• Построена модель геоида для территории Вьетнама с точностью 0.5м.

ГЛАВА 3

СОВМЕСТНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НИВЕЛИРНОГО СПУТНИКОВОГО МЕТОДА И ЗНАЧЕНИЙ МЕСТНОЙ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АНОМАЛИЙ ВЫСОТ &

3.1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

Можно определять аномалию высоты любой точки i методом спутникового нивелирования :

С = (3-1)

Где: Hi - Геодезическая высота от точки i до поверхности эллипсоида WGS-84 определяемая GPS методом, hi - Нормальная высота.

Однако аномалия высоты может быть определена формулой:

3-2)

Где:

Гравиметрическая аномалия высоты, которая выражается формулой:

0-Уо Ь цг0-ж

3.3)

Здесь:

Со-ч-о -Гравиметрическая аномалия высоты, которая определяется значения аномалии силы тяжести Agi зоны с радиусом То вокруг точки i.

Гравиметрическая аномалия высоты,, которая определяется с помощью значения аномалии силы тяжести всей поверхности земли вне зоны с радиусом вокруг точки i.

SCi - Разность между эллипсоидом WGS-84 и гравиметрическим эллипсоидом.

Поставив (3.3) в (3.2), получим:

3.4) или £ - +SÇ, (3.5)

Если имеются значения Agi в круге с достаточным большим радиусом то можно считать, что часть + SÇ, ) регулярно изменяется и её можно определить методами интерполирования для значений £ и . Следовательно когда имеются к точек спутникового нивелирования и их значения , то можно составить следующие выражения интерполирования: А/ Функция интерполяции второго порядка: [ск "Со-п ) = ао +а1хк +агУк +агхкУк +алх2к + а5у2к Б/ Интерполирование по Сплайн функции: i=i

Решая эту систему уравнений ошибок по методу наименьших квадратов, находим коэффициенты ai и ty. Поставляя найденные значения в (3.4), будет находиться для точки i по формуле:

С- = + ¿С, (3.6)

3.2 РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫЧИСЛЕНИЯ АНОМАЛИИ ВЫСОТЫ МЕТОДОМ ГРАВИМЕТРИЧЕСКОГО СПУТНИКОВОГО НИВЕЛИРОВАНИЯ ВО ВЬЕТНАМЕ

Согласно [8], во Вьетнаме аномалия силы тяжести определяется с помощью значений гравиметрических аномалий зоны с радиусом R vj/q =300км.

По [14], формула вычисления гравиметрической аномалии высоты для зоны с радиусом щ вокруг рассматриваемой точки выражается в виде: п Уо 2лг о-г0 (3.7)

4лу о о

Где:

А - Азимут 1ой направления от исследуемой точки до бегущей точки, соответствующей у/ - Сферический угол от исследуемой точки до бегущей точки.

М - функция Стокса (БТОКБ).

Для вычисления была использована программа Геоид разработанная ЦНИГАИКом.

Заменив, согласно [8], в выражении (3.7) интервал суммой по трапеции Л8Ь получим:

3.8)

Здесь:

Д^,- Среднее значение аномалии силы тяжести для Гои трапеции стандартных размеров.

N - Число трапецией, принадлежащих интервалу (0, у/0) в зоне интегрирования.

АЗ 1 - площадь 1ой элементарной трапеции или часть её попадающей в зону интегрирования.

АЗ,. О?) - Среднее значение функции Стокса соответствующее стандартной трапеции I

По оценкам в работе [8] следует, что значения гравиметрической аномалии Agi вычисляемые для нормированных трапеций размером 5'*5' (9км*9км), расположенных на суше территории Вьетнама, достигают точности /яд& =8мГал и т^ =15 мГал для трапеций, находящихся вне территории Вьетнама. По [8], точность гравиметрической аномалии высоты, определяемой по гравиметрическим аномалиям нормированных трапеций размером 5'*5', вычисляется по формуле:

0.0017з|и»^у) (3.9)

Где: 8=9км. т{в-г) " Средняя квадратическая ошибка аномалии силы тяжести стандартной трапеции размером 5""б'.

Территория Вьетнама ограничена параллелями с широтами от <р = 8° до <р = 23°,её наибольшая ширина - 500км, а наименьшая ширина - 60км. Чтобы вычислить гравиметрическую аномалию высоты для всех точек зоны с радиусом =300км большинство значений силы тяжести нормированных трапеций были взяты вне суши территории Вьетнама. Поэтому можно принять значение т{^у) = 15мГал.

Отсюда следует, что точность гравиметрической аномалии высоты достигает: т- = 0.11м. (3.10) о-То

Таким образом, точность вычисления аномалии любой точки, определяемая гравиметрическим спутниковым нивелированием будет определяться следующим образом: Перепишем (3.4) в форме средней квакратической ошибки, получим выражение для определения точности аномалии ^ любой точки по методу гравиметрического спутникового нивелирования:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании теоретических исследований, практических экспериментов и полученных результатов, показанных в диссертации, можно сделать следующие основные выводы: 1/ Это первое применение технологии спутникового нивелирования на индокитайском полуострове для создания геодезической сети в глобальной системе координат WGS-84, используемой для объединения местных систем координат и высот отдельных стран Индокитая.

2/ Координатная сеть GPS Индокитая была построена строго не только по схеме сети, времени наблюдения, плотности пунктов наблюдения, методам наблюдения, но и по математическим методам обработки сети, что позволило создать новую спутниковую геодезическую сеть с высокой точностью для всей зоны:

• Точность абсолютных координат в системе WGS-84: Мр < 1,25м.

• Точность относительных координат: Мр < 0.022м, Мн < 0.055м.

3/ В диссертации был использован метод спутникового нивелирования совместно с глобальной моделью геоида EGM-96 для определения аномалий высот во Вьетнаме и были рассмотрены методы интерполирования аномалий высот: интерполирование второго порядка и интерполирование с помощью сплайн функции. В этой части были рассмотрены детально интерполирования аномалий высот по функции второго порядка и по Сплайн функции для стандартных трапеций разных размеров: 100км* 100км, 200км*200км, и 300км*300км с разными расстояниями между спутниковыми нивелирными точками.

Точность интерполирования аномалий высот с помощью двух метода оказалась одинаковой и порядка 0.17м для расстояния 35км между двумя спутниковыми нивелирными точками, что соответствует точности передачи аномалий высот 0.03м на 1км расстояния.

На основании этих результатов, сплайн функция была использована для определении аномалий высот по всей территории Вьетнама и в установлении модели геоида ¥N99 во Вьетнаме с точностью Щ; < 0.5м (модель геоида Вьетнама была построена на основании интерполяционной сплайн функции для трапеций стандартных размеров 300км*300км, точность аномалии высот которых достигает щ < 0.24м). Вышеуказанные результаты были использованы в целях уточнения геодезических сетей Вьетнама и Лаоса.

4/ В диссертации были рассмотрены также варианты совместного использования спутниковой нивелирной технологии и значений местных аномалий силы тяжести для определения аномалий высот.

Результаты оценок показывают, что если вокруг исследуемой точке Р с радиусом 1?¥0 = 300 км имеются значения средних аномалией силы тяжести стандартных трапецией размером 5'*5' с точностью 15мГал и расстояния между спутниковыми точками равняются 30-40км, то можно определить аномалию высоты с точностью тс < 0.21м.

Все рассмотренные вопросы продолжают совершенствоваться и изучаться в целях практического применения спутниковой нивелирной технологии, которая постепенно заменит точное геометрическое нивелирование во Вьетнаме.

Статьи, опубликованные автором диссертации по вопросу определения высоты геоида

1/ Jle Минь, Чан Динь Лы, Ха Минь Хоа. Способ обработки высоты в работе установления морской карты во Вьетнаме.

Доклад национальной конференции о Море, Ханой 1998.

2/ Ле Минь. Применение кинематической технологии GPS в работах аэрофотосъёмки, геодезии и картографии.

Доклад о научно-исследовательской работе Главного Земельного

Управления Геодезии, Ханой 1998.

3/ Ле Минь. Использование метода спутникового нивелирования и глобальной модели геоида EGM-96 в определении высоты всех пунктов геодезической сети.

Журнал 'Геодезия и Картография', Земельный Исследовательский Институт, Ханой 1999.

4/ Ле Минь. Применение технологии GPS с целью объединения локальных систем высот и определения высоты геоида. Журнал 'Геодезия и Картография', Земельный Исследовательский Институт, Ханой 1999.

5/ Ле Минь. Совместное использование метода спутникового нивелирования и значения силы тяжести в определении высоты геоида во Вьетнаме.

Журнал 'Геодезия и Картография', Земельный Исследовательский Институт, Ханой 1999.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ле Минь, 2000 год

1. Alfred Leick. GPS Satellite Surveying. Department of Surveying Engineering University of Maine Orono, Maine 1989. Page 205.

2. Доклад о построения государственной системы координат Вьетнама. Ханой 12-1998.

3. Cheng P., Li X.Y., Wang Q. Data Processing and Analysis of the APRGP98 GPS compain. Beijing, P.R. China 1998.

4. David Wells and onother authers. Guide to GPS Positioning. CANADIAN GPS Associates 1986.

5. Ю.И. Маркузе, E. Г. Бойко, B.B. Голубев. Геодезия. Вычисление и уравнение геодезических сетей. Москва 1994.

6. Пеллинен Л.П. Высшая геодезия. Москва 1978.

7. World Geodetic System 1984: its Definition and Relationships with local Geodetic Systems. NDVLA-Technical Report. 7-1997.

8. Фам Хоанг Лан. Вычисление аномалии силы тяжести во Вьетнаме. Научный доклад 46А-01-01. Ханой 1992.

9. Shigeru Matsuzuka, Akiko Yamada and Shoichi Matsumura. GSI Analysis of APRGP98. GPS Data Set. Geographical Survey Institute Japan 1998.

10. Rummel R. and Tennissen (1998). Height Datum definition, height datum Connection and the Role of the Geodetic Boundary value problem. Bulletin Geodesique 62. Pages 477-498.

11. B.A. Василенко. Сплайн функции: Теория, Алгоритмы, Программы. Наука, Новосибирск 1983.

12. Морозов В.П. Курс сфероидической геодезии. Страница 72. Москва 1969.

13. Dr. Mike Stewart. Advanced GPS Inside the Black Box. University of technology Western Australia 1998.