Ворошилов А.П. Спутниковые системы и электронные тахеометры в обеспечении строительных работ

Подождите немного. Документ загружается.

координат и фактическими данными, особенно вблизи гра-

ниц растянутых зон.

Оценим величины искажений в региональных кадастро-

вых системах координат (КСК) без учета перехода в СК-95.

Рассмотрим их на примере Челябинской области.

Длины D

линий в КСК не будут совпадать с фактиче-

скими расстояниями S на местности на величину AD, состо-

ящую из поправок:

AD = AD

+Д#

+АОгк, (1.7)

где AD

— поправка за наклон (превышение) линий;

— поправка за редукцию расстояния на поверхность

относимости; &D

— поправка за редукцию расстояния на

плоскость в проекции Гаусса — Крюгера.

При этом D

= S + AD, а составляющие поправки AD

можно оценить по формулам:

ДЯ

=-|1;

(1.8)

° xD; (1.9)

ADr^-^xD

(1.10)

где D — горизонтальное проложение линии S; h — пре-

вышение между ее крайними точками; Н

— средняя отмет-

ка точек линии; Н

— отметка поверхности относимости;

— средний радиус кривизны референц-эллипсоида Кра-

совского в районе работ; Y

~ среднее удаление линии от

осевого меридиана.

Поправка AD

может быть оценена по превышению h,

которое определяется по каталогу координат, и не связана с

системой координат.

Поправка AD

в соответствии с формулой (1.9) возраста-

ет с увеличением средней отметки района работ. В Челябин-

ской области Н

меняется от 120 метров на востоке

(Октябрьский район)

до

1003...

1406 м на

западе

горных

районах (Саткинский,

г.

Златоуст

другие). Поэтому иска-

жения

могут достигать

0,2 м на 1 км.

Поправка

М)

гк

соответствии

формулой

(1.10)

возрас-

тает

удалением

от

осевого меридиана КСК.

Челябин-

ской области наибольшее значение

имеет

на

западе город

Аша,

для

которого &D

достигает

0,^8 м на 1 км, и на

вос-

токе

— в

Октябрьском районе, достигая искажений

0,58 м

на

1 км.

Даже

областном центре,

г.

Челябинске, искаже-

ния длин линий ЛО

гк

в КСК

составляют

0,08...0,12 м, а в

прилегающем

нему Красноармейском районе

0,13...0,32 м

на

1 км.

Поэтому длины линейных сооружений (автомобиль-

ных

железных дорог, линий электропередач, трубопрово-

дов),

имеющих немеридианальное направление, будут иска-

жены

в КСК на

величины, достигающие

40 м на

линии

Че-

лябинск

— Аша и 74 м на

пути Шумиха

—

Челябинск

—

Аша.

Искажение длин линий приводит

и к

искажению площа-

дей.

Так, по

Ашинскому району

в КСК

площади искажены

примерно

на 106 га, а по

Октябрьскому району

на 201 га.

Аналогичную оценку можно провести

по

любому району.

Следует отметить,

что

приведенные здесь оценки искаже-

ний геодезических данных

в КСК

выполнены только

уче-

том одной величины AD

fIC

Величины искажений значитель-

ны,

поэтому необходим

их

точный учет, особенно

при ин-

вентаризации промышленных предприятий

линейных

со-

оружений,

использование такой

КСК в

геодезическом обес-

печении недопустимо.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

К ГЛАВЕ

Назовите основные направления автоматизации совре-

менных геодезических работ.

В чем

состоит непрерывность автоматизации основных

процессов геодезического обеспечения строительного произ-

водства?

3. В

каких геодезических приборах наиболее полно осу-

ществлена автоматизация полевых геодезических измерений?

Какие процессы

в них

автоматизированы?

4. Выделите основные факторы, повышающие качество

геодезических работ при измерениях электронными прибо-

рами.

5. Какие приборы считаете наиболее перспективными для

геодезических работ на строительной площадке и почему?

6. Перечислите основные этапы математической обработ-

ки результатов геодезических измерений, выполненных элек-

тронными приборами.

7. В чем отличие режима «реального времени» от режима

постобработки при математической обработке результатов

геодезических измерений?

8. На каком этапе проводится уравнивание при обработке

геодезических измерений?

9. В каких системах координат может выполняться обра-

ботка геодезических измерений в строительных работах?

Глава 2. ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ РАБОТЫ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СПУТНИКОВЫХ

СИСТЕМ

2.1. Спутниковые радионавигационные

системы

Системы спутниковых определений координат первона-

чально развивались для навигационных целей и обеспечива-

ли точность, не превышающую нескольких метров. Однако

современные геодезические приёмники, методы математиче-

ской обработки позволяют определять плановые координа-

ты с погрешностями 5... 10 мм, высотные —

15...30

мм и

меньше. Их точность удовлетворяет требованиям построе-

ния опорных геодезических и межевых сетей, обеспечения

кадастровых, землеустроительных, изыскательских и дру-

гих инженерно-геодезических работ. При этом не требуется

обеспечивать взаимную видимость между пунктами, строить

над ними высокие сигналы, проводить комплекс точных уг-

ловых и линейных измерений. Спутниковые измерения вы-

полняются в любых погодных условиях в течение несколь-

ких минут, что существенно упростило производство поле-

вых работ. Однако для наблюдения навигационных спутни-

ков (НС) небесный свод над приёмником должен быть до-

статочно свободен от застройки и растительности.

Для геодезических определений координат точек местно-

сти и различных объектов применяются спутниковые радио-

навигационные системы (СРНС). Геодезические приёмники

работают в основном в системе GPS

(Global

Positioning

System),

которая создана и находится под управлением и

контролем служб США. Система, являясь глобальной, обес-

печивает возможность определения точных координат 24 часа

в сутки, она постоянно развивается и модернизируется.

В нашей стране создана СРНС ГЛОНАСС (глобальная на-

вигационная спутниковая система), которая находится под уп-

равлением

контролем служб

РФ. Она

создавалась

инте-

ресах Министерства обороны, однако

в 1999

году

ей

офици-

ально придан статус военного

гражданского назначения.

Ра-

боты

по

созданию этой СРНС были начаты

середине

60-х годов,

а с 1982

года проводились

её

испытания.

В 1995

году практически завершено развертывание системы.

сожа-

лению,

за

последнее десятилетие число эффективно работаю-

щих

НС в

ГЛОНАСС существенно сократилось,

восстанов-

ление системы

до

проектного штатного уровня

(24 НС) шло

медленными темпами. Поэтому геодезических приёмников,

работающих

ГЛОНАСС,

настоящее время мало. Вместе

тем при

разработке ГЛОНАСС использован высокий фунда-

ментальный уровень отечественной науки, благодаря качеству

заложенных

в ней

идей

проектов система обладает потенциа-

лом, превосходящим

по

ряду параметров GPS.

Ряд

приборос-

троительных компаний выпускают геодезические приёмники,

работающие

двух системах

—

GPS

ГЛОНАСС. Опыт

их

использования показал,

что

даже

неполной комплектации

ГЛОНАСС

они

превосходят

по

эксплуатационным показате-

лям односистемные. Наличие даже одного

НС

ГЛОНАСС

рабочем созвездии спутников существенно повышает точность

в режиме RTK. Восстановление ГЛОНАСС ускорилось

в 2007

году, появились новые

НС

«Глонасс-М», разрабатываются

«Глонасс-К»

последнее время появились разработки отече-

ственного геодезического приёмника ГЛОНАСС/GPS

ГЕО-161 Российским институтом радионавигации

времени.

Кроме использования

качестве самостоятельной навигацион-

ной системы ГЛОНАСС дополняет

GPS,4TO

увеличивает чис-

ло одновременно наблюдаемых спутников, улучшает геомет-

рические факторы используемых созвездий

НС, а в

конечном

итоге повышается точность геодезических определений.

Разработан проект СРНС Европейского сообщества

GALILEO.

Решение приступить

к её

разработке Евросоюз

принял

ещё в 1999

году, однако оперативной

эта

система

должна стать

к 2008

году. Общая стоимость проекта оцени-

валась

более

чем три

миллиарда евро. Появление

ещё од-

ной навигационной спутниковой системы расширит возмож-

ности технологий спутниковых геодезических определений.

СРНС включает

себя

три

сегмента:

—

космический

орбитальной группировкой навигацион-

ных спутников;

— наземный комплекс управления и контроля;

— сегмент потребителя.

Космический сегмент GPS состоит из 24 основных и не-

скольких резервных НС, расположенных на шести орбитах,

близких к круговым. В плоскости каждой орбиты спутники

равномерно разнесены по долготе через 60 градусов, это по-

зволяет одновременно наблюдать четыре и более НС с любой

точки планеты. Период обращения спутников по орбитам

12 часов, высота над поверхностью Земли около

20000

ки-

лометров.

Полная орбитальная группировка ГЛОНАСС также вклю-

чает 24 НС, но в трёх орбитальных плоскостях по 8 спутни-

ков в каждой. Период обращения 11 часов 15 минут 44 се-

кунды, высота орбиты над поверхностью Земли 19100 км.

Время активной работы НС на орбите составляет в среднем

3,5 года. Внешний вид навигационного спутника ГЛОНАСС

представлен на рис. 2.1 [25].

Рис. 2.1. Спутник ГЛОНАСС

Питание всех подсистем производится от солнечных бата-

рей, ширина которых в раскрытом виде составляет 7,23 мет-

ра. Служебные системы и специальная аппаратура спутника

расположены в цилиндрическом термоконтейнере диаметром

1,35 метра. Если рассматривать НС в положении штатной

ориентации, то в нижней части находится платформа с ан-

тенно-фидерными устройствами и уголковыми отражателя-

ми,

а в верхней — топливные баки и штанга магнитометра.

Запуск осуществляется сразу тройки НС, один остаётся на

рабочей позиции, а два других разводятся в соседние рабо-

чие точки. Приведение спутника в проектную орбитальнуи

позицию осуществляется длительно в несколько этапов, вклкя

чающих операции определения параметров орбиты, коррем

ции, торможения и другие. После приведения в заданнош

положение с требуемой точностью уточняются параметра

орбиты, проводится высокоточная синхронизация бортово1

шкалы времени, определяются временные поправки с зак-

ладкой их на борт НС. Только после этого спутник включу

ется в сегмент СРНС.

Наземный комплекс управления и контроля в GPS со

стоит из сети станций слежения, расположенных по всем|

миру. Имеется главная станция, контрольные станции сле-

жения за НС и станции закладки данных на борт спутника.

Станции слежения оснащены высокоточной аппаратурой я

регистрируют сигналы, поступающие от всех НС системы!

передают результаты на главную станцию, где они обраба-

тываются. По ним рассчитываются параметры орбит, поправ-

ки бортовой шкалы времени, уточняются параметры модели

тропосферы и ионосферы. Вычисленные необходимые по-

правки передаются на борт НС. Проводится непрерывный

мониторинг работы спутников.

Благодаря надёжному комплексу контроля и управления

обеспечивается постоянная бесперебойная работоспособность

системы, периодически обновляется содержание радионави-

гационных сообщений всех спутников, уточняются их эфе-

мериды и параметры синхронизации. Служба мониторинга

включает НС GPS и ГЛОНАСС.

Геодезический сегмент потребителей состоит из геоде-

зических приёмников, пакетов программного обеспечения,

наземных постоянно действующих базовых станций (сетей),

сообщества пользователей. Всю аппаратуру, принимающую

радионавигационные сигналы спутников, по назначению,

определяемым величинам и точностным характеристикам

можно подразделить на геодезическую, навигационную и

туристско-бытовую. Геодезические приёмники могут рабо-

тать в одной системе (например, GPS или ГЛОНАСС), в

двух системах: GPS + ГЛОНАСС. А в дальнейшем предпо-

лагается использование трёх систем: GPS, ГЛОНАСС,

GALILEO.

Производятся измерения на одной частоте L1

или на двух частотах L1 и L2, определения выполняются

по кодовой или фазовой информации полученного сигна-

ла. Наибольшую точность обеспечивают геодезические двух-

частотные приёмники, работающие одновременно по фазе

и кодам. Навигационные приёмники наряду с координата-

ми определяют дополнительные навигационные параметры

движущегося объекта, их точность ниже геодезических и

оценивается величинами от долей до десятков метров. Ту-

ристско-бытовые приёмники обеспечивают более низкую

точность.

Навигационные спутники с участием наземного комплек-

са управления и контроля формируют радионавигационное

сообщение, сигналы которого непрерывно передаются по-

требителям от всех НС и несут фазовую и кодовую инфор-

мацию в виде Р и С/А кодов. Кроме того, радионавигаци-

онное сообщение содержит оперативную цифровую инфор-

мацию: признаки достоверности данных, эфемериды НС,

поправки к ним, частотно-временные поправки к бортовой

шкале, время, к которому относятся эфемеридные данные и

поправки, альманах спутников, ионосферные поправки

и другие. Совокупность всех сигналов, излучаемых система-

ми НС, образует в околоземном пространстве радионавигаци-

онное поле, в котором работает принимающая аппаратура.

СРНС постоянно развиваются и совершенствуются. На-

чаты работы по пополнению и модернизации ГЛОНАСС,

выпуску работающего в этой системе геодезического обору-

дования. В GPS проводится совершенствование кодовой ин-

формации, добавлен С/А-код на L2, М-код на L1 и L2,

вводится третий гражданский сигнал на L5. Модернизиру-

ется орбитальная группировка НС запуском спутников Block

F и Block

III,

повышается точность поправок на службах

слежения и контроля.

Аппаратура потребителя принимает от НС GPS радиона-

вигационное сообщение, которое передается кадрами ёмко-

стью 1500 бит и длительностью 30 секунд. Каждый кадр

состоит из пяти субкадров (блоков) по десять слов, слово

занимает 30 бит. Длительность субкадра 6 секунд. Каждый

субкадр начинается словом TLM (телеметрия), оно содер-

жит признаки работоспособности НС и системы. Далее идёт

HOW

(hand-over

word)

— ключ, который содержит данные

временной метки.

Первый субкадр содержит признаки кодовой информа-

ции на частоте L2, характеристики точности спутника в ис-

кусственных единицах, параметры временных поправок НС,

коэффициенты модели ионосферного влияния.

Второй и третий субкадры содержат данные эфемерид НС.

Эти эфемериды являются предвычисленными и могут быть

уточнены при постобработке данными, опубликованными на

сайте GPS Интернета.

Четвёртый субкадр содержит служебные и резервные сооб-

щения, которые закрыты для гражданских пользователей, а

также параметры времени ионосферной модели в системе UTC.

Пятый субкадр содержит альманах спутников системы и

информацию об их работоспособности. Альманах включает в

себя информацию обо всех спутниках системы для планиро-

вания последующих наблюдений и содержит приближённые

параметры эфемерид. Этот массив информации является супер-

кадром, так как занимает

37500

бит и длится 12,5 мин.

В процессе измерений альманах записывается приёмником

автоматически, если за время его работы блок информации

альманаха прошел.

Эфемериды НС — астрономические данные об орбите и

положении на ней спутника в заданный момент времени

(эпоху наблюдения). Эфемериды всех спутников навига-

ционной системы формируются по данным наземных стан-

ций слежения и передаются станциями закладки информа-

ции в память бортовых компьютеров НС примерно через

каждый час. Эфемериды каждого спутника радионавига-

ционного сообщения относятся к эпохе t

указанной в кад-

ре,

и содержатв GPS следующие данные: корень квадрат-

ный из большой полуоси эллипса орбиты; эксцентриситет

орбиты; прямое восхождение восходящего узла орбиты и

скорость его изменения; угол наклона плоскости орбиты к

плоскости экватора и скорость его изменения; среднюю ано-

малию на данную эпоху; отклонение среднего движения

спутника от предвычисленного; элементы для вычисления

поправки в аргумент широты, а также в радиус и угол на-

клона орбиты спутника.

По полученным приёмником эфемеридам вычисляют пря-

моугольные координаты НС по формулам теоретической

астрономии (небесной механики). На практике это осуще-

ствляется программным обеспечением, поставляемым потре-

бителю с геодезическими приёмниками. В GPS за положе-

нием спутников системы и их орбитами проводится постоян-