Раздел 5. Проектирование, организация и предварительная обработка спутниковых измерений

Вопросы практического использования спутниковых геодезических приемников с целью решения различных геодезических задач представляют наибольший интерес для геодезистов-производствен- ников. При этом особое внимание уделяется таким вопросам, как точность и надежность определения координат при отсутствии взаимной видимости между пунктами; влияние внешних условий (наружных знаков, растительности, зданий); редуцирование полученных координат в принятые у нас в стране координатные системы; производительность и экономическая эффективность новых технических средств. Повышение эффективности современных спутниковых технологий неразрывно связано с рациональной организацией всего комплекса спутниковых измерений, от планирования до получения каталогов координат и баз данных.

Поскольку методы организации спутниковых измерений существенно отличаются от традиционных геодезических методов на всех этапах их проведения, то в настоящем разделе изложены основные специфические особенности проектирования, организации и проведения полевых работ, базирующихся на использовании спутниковых технологий.

В процессе проектирования возникает необходимость обоснования принципов построения геодезических сетей на заданные регионы на основе применения спутниковых технологий, что вызывает необходимость их краткого описания. При этом нестандартные требования предъявляются к выбору мест расположения пунктов, на которых, прежде всего, должны обеспечиваться благоприятные условия наблюдения спутников. В то же время обеспечение взаимной видимости между пунктами не имеет существенного значения. С учетом того, что спутниковые измерения позволяют получать как плановые, так и высотные координаты, специфические требования предъявляются к конструкции центров геодезических пунктов, которые должны обеспечивать необходимую устойчивость по всем трем координатным направлениям, их закреплению и внешнему оформлению на местности. Вместе с тем при проектировании приходится учитывать и целый ряд других специфических особенностей, которые могут приводить к нарушению нормального приема радиосигналов от спутников.

177

При организации и проведении спутниковых наблюдений на пунктах одним из основных требований является обеспечение одновременности работы всех приемников, участвующих в одном сеансе наблюдений. Накопленный опыт работы со спутниковой аппаратурой свидетельствует также о том, что к немаловажным факторам следует отнести легкость доступа к пункту наблюдений, удобство расположения аппаратуры на пункте, обеспечение необходимой точности центрирования антенного блока и надежности его закрепления, обеспечение непрерывности электропитания, ведение полевого журнала.

В процессе проведения наблюдений спутниковый геодезический приемник не только осуществляет регистрацию измеряемых величин и другой вспомогательной информации, но и производит целый комплекс вычислений. Такие вычисления выполняются в автоматическом режиме по заранее введенной в приемник программе, в результате чего оператор, как правило, не может активно воздействовать на ход таких вычислений. Тем не менее, обслуживающий персонал должен иметь четкое представление о сущности таких вычислений, а также об информации, которая накапливается в устройствах памяти на выходе приемника, с тем, чтобы иметь хотя бы общее представления о качестве такой информации.

5.1. Специфика проектирования и организации спутниковых измерений

Исходным моментом при проектировании геодезических сетей, создаваемых спутниковыми методами, является разработка общей стратегии наблюдений. Основные положения стратегии обычно излагаются в соответствующих концепциях, предшествующих разработке технического проекта. К таким положениям могут быть отнесены:

1)общие принципы построения сети, базирующейся на спутниковых измерениях;

2)обоснование выбора того или иного метода спутниковых наблюдений и последующих вычислений;

3)формулировка предпосылок, связанных с выбором всего комплекса технических средств и условий наблюдений;

4)технико-экономическое обоснование выбранных спутниковых технологий.

Создаваемые на основе спутниковых измерений геодезические сети принято классифицировать по размерам охватываемой ими территории. Исходя из этого, различают глобальные, континентальные, региональные и локальные сети. Примером наиболее крупных сетей, к которым могут быть отнесены глобальные и континентальные сети, следует назвать сети типа IGS (Международная геодинамическая сеть, охваты-

178

вающая весь земной шар) и EUREF (Европейский референцный каркас). В нашей стране за последние годы разработана концепция перевода топографо-геодезического производства на автономные методы спутниковых определений [32], в соответствии с которой предусмотрено построение государственных геодезических сетей различного класса точности, охватывающих всю территорию России. Применительно к таким крупным сетям разрабатываются индивидуальные подходы, учитывающие предъявляемые к ним специфические требования.

Из приведенного выше перечня наиболее массовое распространение получили региональные и локальные сети, для которых разработаны рациональные методы их построения. С учетом этого представляет интерес анализ основных концептуальных подходов, используемых при разработке технических проектов для региональных и локальных сетей.

Прежде всего, следует отметить, что широко используемые в геодезии спутниковые координатные определения базируются на применении дифференциальных методов. Такие методы позволяют определять не абсолютные значения координат, а только их разности между интересующими нас пунктами. Вместе с тем конечными результатами создаваемой сети должны быть не только приращения, но и полные значения координат всех пунктов в той или иной координатной системе. Исходя из этого, возникает необходимость иметь в составе сети хотя бы один опорный пункт с заранее известными полными значениями всех трех координат. Такой пункт принято называть референцным. Оптимальным вариантом является наличие в составе сети трех референцных пунктов.

При использовании современных спутниковых систем местоопределения предпочтение отдают представлению координат референцного пункта в геоцентрической декартовой системе координат (X, У, Z). От точности знания этих координат зависит положение всей создаваемой сети в более общей координатной системе. Точность координат референцного пункта может оказывать влияние на масштаб геометрических построений в создаваемой сети.

Весьма простые математические расчеты свидетельствуют о том, что относительная погрешность базисных линий, вычисляемых на основе спутниковых измерений, связана с погрешностью определения измеряемых расстояний до спутников следующим приближенным со-

отношением:

Sp^SD

(5.1) где р и 5р - расстояние от приемника до спутника и погрешность его определения; D и 5Z) — длина базисной линии между двумя пункта-

179

ми наблюдений на земной поверхности и соответствующая ей погрешность.

Как уже отмечалось ранее (см. подраздел 2.1), погрешность определения расстояний до спутников на основе использования общедоступного С/А-кода может достигать 100 м, что соответствует отношению 5р/р = 2-10-6.

При наличии двух и более референцных пунктов такая же погрешность будет свойственна и масштабу создаваемой сети, что, во многих случаях, оказывается недопустимым. С учетом этого абсолютные значения координат референцного пункта стремятся получать не на основе навигационного режима работы приемника, установленного на референцном пункте, а на базе совместных дифференциальных измерений до пунктов, входящих в современные глобальные или континентальные опорные сети (такие, как IGS или EUREF). При этом может быть обеспечена точность абсолютных значений координат референцного пункта на дециметровом уровне.

Существуют следующие режимы работ спутниковых геодезических приемников:

статический режим (Static);

ускоренный статический режим (Rapid Static); режим измерений с возвращением (Reoccupation); режим измерений «стою-иду» (Stop & go); кинематический режим измерений (Kinematic);

кинематический режим измерений в полете (Kinematic 2); навигационный режим.

Статический режим (Static) подразумевает выполнение дифференциальных спутниковых наблюдений, по крайней мере, между двумя неподвижными приемниками. Используя программное обеспечивание фирмы-изготовителя, можно произвести обработку как псевдодальностей, так и результатов фазовых измерений несущих колебаний. Статический режим является идеальным видом измерений на больших расстояниях при наблюдениях четырех и более спутников. Для реализации этого режима требуется порядка одного часа наблюдений.

При определенных условиях наблюдений показатели статического режима могут быть значительно улучшены. На коротких линиях и при наблюдениях, по крайней мере, четырех или пяти спутников с хорошим геометрическим фактором можно получить результаты на сантиметровом уровне точности при продолжительности наблюдений всего в течение нескольких минут. Скорость измерений и увеличение производительности зависят от применяемых алгоритмов обработки, реализованных в программном обеспечении SKI. Эти возможности реализуются при использовании ускоренного статического режима (Rapid Static).

180

Режим измерений с возвращением (Reoccupation) также является статическим, но при своей реализации требует, чтобы измерения на пункте выполнялись более, чем один сеанс. Все данные, которые собираются на таком пункте в один и тот же день или в разные дни, могут быть объединены вместе для получения одного решения при камеральной обработке. Режим измерений с возвращением является идеальным режимом работы в тех случаях, когда наблюдается небольшое количество спутников. Оператор может наблюдать на точке стояния в течение от 5 до 10 минут, скажем, три спутника, а затем вернуться на ту же точку позже в тот же или в другой день в другое время и отнаблюдать еще три спутника. Все данные, которые собираются, будут объединены и обработаны как данные, полученные в этой точке от шести спутников. Режим «реоккупация» оказывается полезным также в случаях, когда не удается разрешить неоднозначность с данными, собранными при первом сеансе наблюдений на пункте. Оператору необходимо только повторить измерения на пункте, а затем объединить все данные.

Режимы измерений «стою-иду» (Stop & go) и кинематический (Kinematic) позволяют быстро отнаблюдать большое количество точек, но требуют, чтобы приемник удерживал захват спутников в течение всего времени перемещения между точками. На первой точке необходимо находиться до тех пор, пока не будет собрано достаточное количество измерений, чтобы разрешить неоднозначность (это называется периодом инициализации). После инициализации приемник может перемещаться между точками до тех пор, пока поддерживается захват наблюдаемых спутников. Если захват спутников нарушен, то оператор должен снова оставаться в стационарном положении до тех пор, пока снова не будет собрано достаточного для разрешения неоднозначности количества данных.

Режим измерений «стою-иду» (Stop & go) является идеальным для малых площадей, на которых точки наблюдений располагаются рядом друг с другом и на которых отсутствуют препятствия для прохождения радиосигналов от спутников.

Кинематический режим измерений (Kinematic) используется при определении траектории движущегося приемника относительно другого неподвижного сенсора. Местоположения точек вычисляются с заранее установленными интервалами времени. Кинематический режим является идеальным при отслеживании траектории движущихся транспортных средств (например, при профилировании дорог), движущихся судов, при определении местоположений вынесенных в открытое море платформ и при позиционировании летящих самолетов.

Геодезические спутниковые приемники могут использоваться также при навигационном позиционировании. Как правило, индици-

181

руемое местоположение точки в координатной системе WGS-84 определяется с точностью около 40 м. Если используются поправки, передаваемые по каналу связи с помощью RTSM, то тогда навигационная точность может быть улучшена до 2-5 м.

При создании и реконструкции геодезических сетей с использованием спутниковых приемников в большинстве публикаций рекомендованы следующие методы измерений:

— лучевой метод — определяемые пункты сети координируются с одного из опорных пунктов;

- сетевой метод - измерения производятся на каждой линии или на каждом пункте сети.

К недостаткам лучевого метода построения сети следует отнести недостаточную надежность критериев оценки точности определяемых координат. В этой связи заметим, что на практике иногда применительно к таким построениям применяют оценки, базирующиеся на анализе замкнутых геометрических построений. Такие оценки не всегда оказываются корректными. Так, например, в треугольнике, образованном пунктами, на которых производились одновременные спутниковые наблюдения, невязки разностей координат между пунктами, по определению, независимо от потенциальных точностных возможностей применяемых спутниковых методов должны быть равными нулю. Если же в отдельных случаях при вычислениях и наблюдаются невязки, отличающиеся от нулевых, то эти отличия обусловлены, как правило, неблагоприятными условиями наблюдений спутников и несовершенством методов обработки результатов наблюдений. Такие критерии недостаточно объективно отражают реальную точность координат определяемых пунктов.

Реальным контролем при лучевом методе является независимый контроль измерений на определяемых пунктах, например, другими средствами измерений, от других исходных пунктов, между определяемыми пунктами и др. Примером использования такого метода является реконструкция сети полигонометрии 2 разряда в г. Нижнем Новгороде, когда каждый определяемый пункт хода непосредственно был связан с предыдущим и последующим пунктами аналогично трехштативной системе в полигонометрии.

Критерии точности и надежности проектируемой сети повышаются в случае организации сетевых измерений по первому или второму способу - выполнения измерений на каждой линии или на каждом пункте сети. Однако использование одного независимого референцного пункта обусловливает необходимость дополнительных контролей независимыми методами, которые по точности могут оказаться недостаточными.

182

Существенно повышаются критерии точности и надежности проектируемой сети в случае организации сетевых или повторных измерений и при использовании в сети не одного, а нескольких референцных пунктов. Однако непосредственное включение в сеть нескольких независимых референцных пунктов обусловливает необходимость того, чтобы разность координат между такими референцными пунктами была по своей точности выше той, которая характерна для разности координат определяемых пунктов, что равносильно требованию, чтобы базисные линии, соединяющие референцные пункты, были более точными, чем входящие в состав сети определяемые линии между рядовыми пунктами. Сама постановка такого требования является вполне правомерной, но реализовать его на практике чрезвычайно сложно.

Для преодоления отмеченных трудностей найдено компромиссное решение, сводящееся к построению двухранговой (а в общем случае и многоранговой) сети. При этом на первом этапе выбирается только один исходный референцный пункт, вокруг которого по усиленной программе наблюдений создается несколько взаимосвязанных между собой вторичных референцных пунктов (так называемая каркасная Ьеть). На втором и последующих этапах построения такой сети определяются все остальные пункты, причем в каждом сеансе наблюдений спутниковые приемники устанавливаются как на нескольких рядовых пунктах сети (их количество зависит от числа имеющихся в распоряжении приемников), так и не менее чем на двух взаимосвязанных референцных пунктах.

Рекомендуемые схемы геодезических сетей для каждого метода измерений приведены на рис. 5.1, 5.2, 5.3 и 5.4. Следует отметить, что максимальная точность геодезических построений достигается только при сетевом методе измерений. В зависимости от требуемой точности создаваемой сети применяют один из следующих режимов измерений:

статический режим (Static);

ускоренный статический режим (Rapid Static); режим измерений с возвращением (Reoccupation).

Режимы измерений «стою-иду» (Stop & go) и кинематический (Kinematic) для измерений в геодезических сетях не рекомендуются и могут применяться только при топографической съемке.

Кроме геометрических параметров построения сети и рекомендуемых методов выполнения измерений существуют и технологические особенности создания спутниковых геодезических сетей. Поскольку спутниковые геодезические приемники являются одновременно и дальномерами с паспортной точностью 5-10 мм + 1-5 мм-Д и системами определения координат, точность которых фирмами-изготовителя

183

| • I Определяемые пункты сети

Рис. 5.1. Лучевой метод измерений с контролем (1)

Рис. 5.2. Лучевой метод измерений с контролем (2)

| • | Определяемые пункты сети

Рис. 5.3. Сетевой метод измерений (одноранговая сеть)

Рис. 5.4. Сетевой метод измерений (многоранговая сеть)

ми не регламентируется, то в зависимости от технологии измерений может быть получена различная точность сети. На практике нашли применение две основные технологии [14, 82]:

-повторных измерений на пунктах, при которой задается количество обязательных повторных измерений на каждом пункте сети;

-обязательного измерения каждой линии сети.

Минимальное количество сеансов наблюдений N для сети с количеством пунктов S при использовании R приемников при количества повторных измерений Ы и количестве совместно используемых приемников в предыдущем и последующем сеансах О определяется для первой технологии по формуле:

а для второй технологии по формуле:

(5.3) Следует отметить, что первая технология не в полном объеме поз-

воляет реализовать наиболее точный сетевой метод построения сети, поэтому рассмотрим более подробно вторую технологию. На рис. 5.4 приведена схема, поясняющая порядок измерений и перестановок станций в этой технологии. Так для фрагмента сети из 20 пунктов количество сеансов измерений, определенное по формуле (5.3) при трех совместно используемых приемниках в предыдущем и последующем сеансах равно:

N = S-O _ 2 0 - 3 = 5,67.

R-0~ 6 - 3

185

| • | Четырехкратные измерения на пункте Трехкратные измерения на пункте

^ ^ Двухкратные измерения на пункте

•Однократные измерения на пункте

3,4 Номера сеансов измерений на пункте

Рис. 5.5. Схема измерений по второй сетевой технологии

Фактически требуется 6 сеансов (без учета внешних ограничений), при этом на 2-х пунктах будут выполнены однократные измерения, на 12-ти пунктах двукратные измерения, на 3-х пунктах трехкратные измерения и на 3-х пунктах четырехкратные измерения. Желательно (но необязательно), чтобы пункты с повторными наблюдениями располагались в сети равномерно.

Накопленный опыт проектирования и создания сетей, базирующихся на спутниковых технологиях, свидетельствует о том, что на практике могут возникать ситуации, существенно отличающиеся от стандартных рекомендаций. С учетом этого ниже приведены основанные на практическом опыте обобщенные рекомендации:

-с целью выявления грубых промахов на каждом определяемом пункте наблюдения следует производить дважды при различных условиях отслеживания спутников;

-одновременные наблюдения желательно предусматривать на соседних пунктах, так как разрешение неоднозначностей на коротких расстояниях производится более уверенно;

-для региональных и локальных сетей средних размеров хорошим компромиссом является использование от 4 до 10 приемников, что позволяет оптимально сочетать организационные возможности, скорость выполнения работ и надежность измерений;

-для проверки получаемой точности некоторое число базисных линий желательно измерять дважды.

186