Разработка методов вычисления нормальных высот по результатам спутниковых измерений в инженерно-геодезических работах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.32, кандидат технических наук Кравчук, Иван Михайлович

• Кравчук, Иван Михайлович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кравчук, Иван Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР НАУЧНОЙ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ПО СПУТНИКОВОМУ НИВЕЛИРОВАНИЮ.

1.1. Нормативная документация.

1.2. Научно-техническая литература.

1.3. Примеры определения высот с помощью спутниковых технологий.

1.3.1. Исследование точности спутникового нивелирования при коротких векторах.

1.3.2. Исследование точности определения высотных отметок с помощью спутниковых приемников в хвойном лесу.

1.3.3. Измерение высотной деформации покрытия аэродрома Шереметьево-2 с применением спутниковой аппаратуры.

1.3.4. Мониторинг оседания нефтяного месторождения с помощью системы GPS.

2. НОРМАЛЬНЫЕ И ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ ВЫСОТЫ.

2.1. Физический смысл высоты. Типы гипсометрических высот.

3. ОБЗОР МЕТОДОВ СПУТНИКОВОГО НИВЕЛИРОВАНИЯ.

3.1. Дифференциальный и относительный методы определения координат пункта.

3.2. Применение спутниковой альтиметрии.

4. ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ СПУТНИКОВОГО НИВЕЛИРОВАНИЯ.

4.1. Вычисление геодезической высоты по прямоугольным координатам.

4.2. Оценка точности вычисления геодезической высоты по результатам спутниковых измерений.

4.3. Оценка точности вычисления разности геодезических высот по результатам спутниковых измерений.

5. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ НОРМАЛЬНЫХ ВЫСОТ МЕТОДОМ СПУТНИКОВОГО НИВЕЛИРОВАНИЯ.

5.1 Использование спутниковых методов для определения нормальных высот.

5.2. Особенности определения нормальных высот по результатам спутниковых измерений.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов вычисления нормальных высот по результатам спутниковых измерений в инженерно-геодезических работах»

Применение методов определения местоположения по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем GPS и ГЛОНАСС (ГНСС) для геодезических целей началось в России в начале 90-х годов прошлого века. Выявились их существенные преимущества по сравнению с традиционными геодезическими методами. К ним относятся широкий диапазон точностей (от десятков метров до миллиметров на значительных расстояниях), независимость от погоды, времени суток и года, отсутствие необходимости взаимной видимости между пунктами, высокая автоматизация и, как следствие, оперативность, возможность работы непрерывно и в движении. Эти качества обусловили высокую производительность и экономичность ГНСС, что особенно заметно в труднодоступных и малообжитых районах, которые занимают значительную часть нашей страны. Кроме этого, преимуществом явилась возможность совместного позиционирования в трехмерном пространстве.

В настоящее время по результатам измерений двухчастотными спутниковыми приемниками достигнута средняя квадратическая ошибка вычисления приращений координат, равная 3 мм+1-10"6Д где D - расстояние между спутниковыми приемниками. Но превышения между этими же пунктами могут быть получены со средней квадратической ошибкой 10-30 мм, которая значительно возрастает при увеличении расстояния D на десятки километров.

Существует мнение, что низкая точность вычисления превышений связана с неудачной засечкой высот антенн спутниковых приемников, вызванной неудачным расположением спутников в период наблюдения. С этим мнением трудно согласиться. Например, на экваторе с долготами, равными 0°, 90°, 180° и 270°, высоты пунктов совпадают с осями прямоугольных координат X и У, но и в этих местах как координаты пунктов, так и разности координат вычисляются с той же точностью, что и в других регионах Земли. Наиболее вероятно, что причина относительно невысокой точности спутникового нивелирования заключается в особенностях вычисления геодезических и нормальных высот, которая объясняется принципиальным различием между традиционными и спутниковыми методами геодезии, которое состоит в следующем.

В традиционной геодезии определения высот и превышений производятся относительно поверхности квазигеоида, то есть в основе измерений лежит физический принцип измерений. В результате геодезические сети, построенные традиционными методами, делятся на плановые (В и Ь) и высотные И1 сети, практически не связанные друг с другом.

В основе спутниковых методов лежит геометрический принцип измерений, когда измеряются расстояния, являющиеся инвариантными величинами, связанными с пространственными прямоугольными координатами относительно центра масс Земли, и не дающие связь с квазигеоидом.

Для успешной реализации результатов спутниковых измерений и получения неискаженных координат пунктов в государственной геодезической системе координат и, особенно, для спутникового нивелирования, необходима точная модель высот квазигеоида. В России последний вариант модели высот квазигеоида над эллипсоидом Красовского, созданный методом астро-номо-гравиметрического нивелирования, был получен при завершении общего уравнивания астрономо-геодезической сети в 90-х годах прошлого века. Для большей части России средние квадратические ошибки высот квазигеоида относительно исходного пункта в Пулково не превышают 1 м, а для наиболее удаленных регионов (северная часть полуострова Ямал и восточные части Чукотки и Камчатки) ошибки доходят до 1,5 м из-за ошибки передачи высот в эти районы астрономо-геодезическим нивелированием. Превышения высот квазигеоида между пунктами, находящимися в пределах одного листа карты масштаба 1:1 ООО ООО, характеризуются средними квадратическими ошибками не более 0,2 м. Для решения региональных задач для сравнительно небольших территорий создавались модели высот квазигеоида по гравиметрическим данным, а также модели, сочетающие определения высот квазигеоида по спутниковым и нивелирным измерениям с гравиметрическими определениями высот квазигеоида. Для обеспечения геодезических работ вдоль железной дороги Москва-С.-Петербург, а также для геодезических работ в г. Москве были созданы отдельные модели высот квазигеоида. Следует особо отметить, что в настоящее время нет модели высот квазигеоида с точностью, необходимой для успешной обработки результатов спутниковых измерений и, особенно, для спутникового нивелирования. В результате нормальная высота, найденная с использованием спутниковых данных, существенно уступает по точности высоте, найденной из высокоточного геометрического нивелирования, которое является одним из наиболее точных видов геодезических работ.

В связи с этим для повышения эффективности геодезического применения спутникового нивелирования требуется совершенствовать методику и технологическое обеспечение спутниковых измерений. Для России это особенно важно, поскольку подавляющая часть аппаратуры и программного обеспечения до последнего времени поступала к нам из-за рубежа. Техническая документация к ним обычно ограничивалась описанием возможных опций без приведения алгоритмов выполнения основных видов расчетов.

Целью данной работы является сформулировать особенности определения нормальных высот по спутниковым измерениям. Для этого предлагается следующее:

- рассмотреть достоинства и недостатки метода определения нормальных высот с точки зрения использования спутниковых технологий;

- выполнить аналитический обзор применения спутникового нивелирования при решении различных геодезических задач, возникающих в производстве;

- рассмотреть формулы, связывающие геоцентрические прямоугольные и криволинейные (эллипсоидальные) координаты с целью получения рабочей формулы вычисления геодезической высоты непосредственно через декартовы координаты, полученные из спутниковых измерений; выполнить оценку точности определения геодезических высот и разностей высот, а также учесть влияние основных источников ошибок;

- разработать метод высокоточного определения нормальных высот по результатам спутниковых измерений.

Перед автором диссертации поставлена научная задача: на основе тщательных точностных исследований разработать методы повышения точности определения нормальных высот по результатам спутниковых измерений.

Данная работа содержит 116 страниц машинописного текста, состоит из пяти разделов с подразделами, включающих в себя 4 таблицы и 19 рисунков.

Заключение диссертации по теме «Геодезия», Кравчук, Иван Михайлович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Обзор нормативной и научной литературы, посвященный использованию спутниковых методов измерений для определения геодезических и нормальных высот показывает, что в настоящее время нет детальных точностных исследований спутникового нивелирования. Практически полностью отсутствует научно обоснованная методика обработки результатов спутниковых измерений при определении высот и превышений. В связи с этим в диссертации разработана методика вычисления геодезических высот, используя результаты спутниковых измерений, и получены рабочие формулы, которые исключают необходимость использования криволинейных координат. Это позволило выполнить теоретические исследования точности вычисления геодезических высот и разностей геодезических высот.

Впервые доказано, что относительно невысокая точность вычисления разностей геодезических высот связана не с особенностями условий пространственной засечки, а в большей степени зависит от необходимости использовать абсолютные координаты пунктов, которые определяются с невысокой точностью (3 — 5 м).

Выполненные исследования создали основу для разработки научно обоснованной методики обработки результатов спутниковых измерений.

В настоящее время спутниковое нивелирование находит широкое применение в различных областях геодезии, в том числе и в инженерно-геодезических работах. Итоговой целью способа, разработанного в диссертации, является получение нормальных высот пунктов. По результатам спутниковых измерений вычисляется геодезическая высота пункта, и для определения нормальной высоты необходимо в районе выполняемых работ наличие пунктов с известными нормальными высотами. Следует помнить, что после обработки спутниковых наблюдений получаем прямоугольные координаты в системе WGS-84 или ПЗ-90 (при использовании спутниковой навигационной системы NAVSTAR GPS или ГЛОНАСС соответственно), которые существенно отличаются от координат пунктов с известными нормальными высотами в системе координат СК-42, СК-63 либо СК-95. Такие расхождения не могут не сказаться на точности определения нормальных высот вновь определяемых пунктов. Однако ни в научной, ни в технической литературе нет рекомендаций по вопросу преобразования координат при выполнении спутникового нивелирования. Помимо этого жесткая конкурентная борьба между фирмами привела к тому, что все программные продукты стали закрытыми от специалистов и представляются потребителям как конечная разработка, которую он вынужден покупать, полагаясь на авторитет фирмы.

Поэтому отсутствие на данный момент детального анализа методов решения тормозит развитие весьма перспективной технологии.

В результате проведенных исследований на тему повышения точности определения нормальных высот по данным спутниковых измерений для решения прикладных задач геодезии предложена следующая методика:

1. Необходимо наличие как минимум трех пунктов с известными координатами и нормальными высотами в национальной или местной системе координат.

2. Определение координат одного из пунктов в системе WGS-84 или ПЗ-90 при использовании спутниковой навигационной системы NAVSTAR GPS или ГЛОНАСС соответственно. Эти координаты определяются только один раз и остаются неизменными на весь цикл работ, и по ним вычисляются координаты определяемых пунктов, для которых необходимо вычислить нормальные высоты. Назовем этот пункт опорным.

3. По результатам фазовых измерений определяются приращения координат до пунктов с известными координатами в национальной или местной системе координат.

4. Используя координаты опорного пункта и приращения координат, вычисляют координаты остальных пунктов с известными координатами в национальной или местной системе координат.

5. Вычисляются параметры преобразования координат из общеземной системы координат в национальную или местную систему координат.

6. Вычисляются параметры оформляющей плоскости (при наличии трех общих пунктов) или поверхности, если количество общих пунктов более трех.

7. Выполняются полевые измерения для вычисления приращений координат между опорным пунктом и определяемыми пунктами. Используя ранее определенные координаты опорного пункта, вычисляют координаты определяемых пунктов.

8. Вычисляют геодезические высоты определяемых пунктов относительно эллипсоида Красовского и затем их нормальные высоты, используя параметры оформляющей плоскости или поверхности.

Представленный алгоритм позволяет обрабатывать результаты спутниковых наблюдений в соответствии с требованиями выполнения геодезических работ на территории нашей страны. Точность вычисления нормальных высот будет зависеть от степени совпадения оформляющей поверхности с поверхностью квазигеоида в районе выполняемых работ. Другими словами, насколько аппроксимирует условная поверхность кривую изменения высот квазигеоида в данном районе. Если имеется только три общих пункта с известными координатами, то можно построить только оформляющую плоскость. При большем числе исходных пунктов можно получить более сложную аппроксимирующую поверхность, что положительно скажется на повышении точности нормальных высот, определенных предложенной выше методикой.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кравчук, Иван Михайлович, 2010 год

1. Антонович K.M. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии. Т. 2.- М.: ФГУП «КАРТГЕОЦЕНТР», 2006.- 360 С.

2. Бородко A.B., Макаренко Н.Л., Демьянов Г.В. Развитие системы геодезического обеспечения в современных условиях. Геодезия и картография, 2003, № 10, с. 7-13.

3. Васильев A.C. Лупачев Ю.В. Характерные закономерности поведения среднего уровня морей России в период потепления климата. В сб.: Исследования океанов и морей, выпуск 207, Гидрометеоиздат, 2000, с. 131-141.

4. Временная инструкция по обследованию и восстановлению пунктов и знаков государственной геодезической и нивелирной сетей СССР. РИО ВТС, М.,1970, с. 23.

5. Гайрабеков И.Г., Кравчук И.М. Оценка точности вычисления геодезической высоты по результатам спутниковых измерений. Геодезия и картография. № 6, 2010, с. 5-7.

6. Генике A.A., Лобазов В.Я., Ямбаев Х.К. Результаты исследований аппаратуры спутникового позиционирования GPS Wild-System 200. Геодезия и Картография.-1993.- №10. С.8-13.

7. Генике A.A., Побединский Г.Г. Глобальные спутниковые системы определения местоположения и их применение в геодезии. Изд. 2-е, перераб. и доп.- М.: КАРТГЕОЦЕНТР, 2004.- 355 С.

8. Гофман-Велленгоф Б., Мориц Г. Физическая геодезия. М.: 2005.

9. Дронов A.B., Помогаев О.Н. (Hl 111 «Навгеоком») Исследование точности определения с помощью GPS высотных отметок в хвойном лесу, http ://www.navgeocom.ru/proj ects/5 700forest/index.htm.

10. Еремеев В.Ф. Теория ортометрических, динамических и нормальных высот// Труды ЦНИИГАиК. 1951. Выпуск 86. с. 11- 52.

11. Жалковский Е.А, Демьянов Г.В., Зубинский В.И., Макаренко П.Л., Пьян-ков Г.А. О концепции и программе перехода топографо-геодезического производства на автономные методы спутниковых координатных опреде-лений//Геодезия и картография. 1998, № 5.

12. Жданов Н. Д., Макаренко Н. Л. О концепции перехода топографо-геодезического производства на автономные методы спутниковых координатных определений. — Геодезия и картография, 1998, № 3).

13. Инструкция по вычислению нивелировок. Утверждена ГУГК и ВТУ. М.: Недра, 1971.

14. Инструкция по нивелированию I, II, III и IV классов. М., Недра, 1990.

15. Инструкция по нивелированию I, И, III и IV классов ГКИНП (ГНТА)-03-010-03, МОСКВА, ЦНИИГАИК. 2004.

16. Инструкция по построению государственной геодезической спутниковой сети ГКИНП (ГНТА) 01-006-03. - М., Федеральная служба геодезии и картографии России, 2003 г.

17. Инструкция по развитию съемочного обоснования и съемке ситуации и рельефа с применением глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС И GPS. ГКИНП (ОНТА)-02-262-02. Москва, ЦНИИГАиК, 2002.

18. Инструкция по составлению технических отчетов о геодезических, астрономических, гравиметрических и топографических работах. М.: Недра, 1971.

19. Кашин Л.А. Построение классической астрономо-геодезической сети России и СССР. М., Картгеоцентр-Геодезиздат, 1999, 192 с.

20. Клюшин Е.Б. Перспективы развития спутниковых методов измерений в геодезии// Геодезия и картография. 1997. № 3. С. 11-13.

21. Кравчук И.М., Семеонова А.Е. Спутниковое нивелирование. Доклад на 64-й Юбилейной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК, посвященной 230-й годовщине со дня его основания. М., 7-8 апреля 2009.

22. Клюшин Е.Б., Кравчук И.М. Спутниковое нивелирование. Сборник статей по итогам Международной научно-технической конференции, посвященной 230-летию основания МИИГАиК. Выпуск 2, часть II, МИИГАиК, М.: 2009.

23. Кравчук И.М. Особенности вычисления нормальных высот по результатам спутниковых измерений. Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. № 4, М.: МИИГАиК, 2010.

24. Крылов В.И. Космическая геодезия: Учебное пособие М.: Изд. МИИГАиК УПП «Репрография», 2002.

25. Куприянов А. О., Бородко Е. А. Комплексные испытания интегрированной картографо-геодезической спутниковой аппаратуры// Геодезия и картография, 2006, №10. С.41-45.

26. Логинов С.А., Бойков В.В., Рогозин В.П., Монахова М.А. Исследование точности Государственной геодезической сети на территории Московской области с использованием Спутниковой системы (проект «Москва»). // Геодезия и картография, 2006, №6. С.23-28.

27. Майоров А.Н. Разработка технологии и создания модели высот квазигеоида с использованием спутниковых данных. Диссертация кандидата технических наук. М.: 2008.

28. Методические указания. Нивелирование морских уровенных постов. Вып. 9, ч. 1. Л., Гидрометеоиздат, 1980, с. 48.

29. Михедов Е.Ю. GPS-нивелирование при коротких базах.- Донецк, 2005. -129 с.

30. Михедов Е.Ю. Исследование точности GPS-нивелирования при коротких векторах, http://masters.donntu.edu.ua/2004/ggeo/mikhedov/diss/index.

31. Наставление гидрологическим станциям и постам. Вып. 9, ч. 1- Л., Гидрометеоиздат, 1968, с. 424.

32. Непоклонов В. Б., Чугунов И.П., Яковенко П.Э., Орлов В.В. Новые возможности развития сети нормальных высот на территории России// Геодезия и картография. 1996. № 7. с. 20-22.

33. Огородова JI.B. Высшая геодезия. Часть III. Теоретическая геодезия: Учебник для вузов.- М.: Геодезкартиздат, 2006.- 384 с.

34. Основные положения о государственной геодезической сети Российской Федерации ГКИНП (ГНТА) 01-006-03. - М., Федеральная служба геодезии и картографии России, 2003 г.

35. Остроумов В.З., Шануров Г.А., Масленников A.B. Повышение точности определения высот уровенных постов. Геодезия и картография, 2003, № 11, с. 25-29.

36. Остроумов В.З., Шануров Г.А., Епишин В.И. Высотная основа уровенных постов: геодезический аспект. Геодезия и картография, 2005, № 4, с. 20-29.

37. Перов А.И., Харисов В.Н. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования. М.: 2005.

38. Правила закладки центров на пунктах геодезической и нивелирной сетей. М., КГЦ Геодезиздат, 1993 г.

39. Правила закрепления центров на пунктах спутниковой геодезической сети. Утверждены Роскартографией как дополнение к ГКИНП-07-016-91 от 07.05.2001 г.

40. Правила по технике безопасности на топографо-геодезических работах. -М., Недра, 1991.

41. Проект «МОРЯ». Монографический справочник. «Гидрометеорология и гидрохимия морей». Т. VI, КАСПИЙСКОЕ МОРЕ. С.-Петербург, Гид-рометеоиздат, 1992.

42. РТМ. Применение приёмников спутниковой системы WILD GPS System 200 фирмы Лейка (Швейцария) при создании и реконструкции городских геодезических сетей. Нижний Новгород, Верхневолжское аэрогеодезическое предприятие, 1995.

43. Руководство по созданию и реконструкции городских геодезических сетей с использованием спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS. — М.: ЦНИИГАиК, 2003.

44. Руководящий технический материал. «Спутниковая технология геодезических работ. Термины и определения». РТМ 68-14-01. Москва, ЦНИИГАиК, 2001.

45. Руководящий технический материал. Высотная привязка уровенных постов. -ГКИНП-03-215-88, М., ЦНИИГАиК, 1988, с. 41.

46. Рутлетдж Д., Хэндерсон К., Коэрнер Р., Ремонди Б. Мониторинг оседания нефтяного месторождения с помощью системы GPS. Перевод статьи опубликованной в журнале GPS World в 2002. http://www.agp.ru/projects/oilmon/index.htm.

47. Серебрякова Л.И., Горобец В.П., Козлова Л.Ю., Сермягин Р.А. К вопросу оценки точности спутниковых определений, выполняемых на геодинамических полигонах. // Геодезия и картография, 2006. №6. - С.34-39.

48. Соловьев Ю.А. Спутниковая навигация и ее приложения. М.: 2003.

49. Технические условия на опытно-методические работы по использованию GPS при высокоточном нивелировании./ В.И. Забнев. Роскартография, 2004.

50. Федосеев Ю.Е. Особенности применения спутникового нивелирования для построения городских высотных сетей. Автоматизированные технологии изысканий и проектирования. №2(17), 2005, С. 18.

51. Филлипов М.В., Янкуш А.Ю. Сравнение GPS- и традиционных геодезических работ//Геодезия и Картография.-1995.- №9. С.15-19.

52. Центр «Геодинамика». Аэропорт «ШЕРЕМЕТЬЕВО» г. Москва, http ://avia. geodinamika.ru/rus/proj ects/aeroportsheremetevogmoskva/#.

53. Шануров Г.А., Мельников С.Р. Геотроника. МИИГАиК, НПП «Геокосмос». -М., 2001, с. 136.

54. Ярмоленко А.С., Богомья А.Н. Оценка точности GPS-измерений. Геодезия и Картография.-1996.- № . С. 14-16.

55. Яшкин С.Н. Некоторые аспекты спутниковой градиентометрии. ГЕОПРОФИ, №; 2007.

56. Alan Н. Phillips. Geometrical Determination of PDOP. Navigation: Journal of The Institute of Navigation. Vol. 31, No. 4, Winter 1984-85, p. 329-337.

57. Assessment of height variations by GPS at Mediterranean and Black Sea coast tide gauges from the SELF projects. Global and Planetary Change, 34 (2002), 5-35.

58. Modern adjustment of geodetic network considering the elimination both of the systematic errors and the blunders-Surveying Science in Finland, 2002, Volume 14, no.1-2, p. 47-55.