Научная статья на тему 'Основные положения дальнейшего развития системы геодезического обеспечения Монголии на основе применения глобальных навигационных спутниковых систем'

Основные положения дальнейшего развития системы геодезического обеспечения Монголии на основе применения глобальных навигационных спутниковых систем Текст научной статьи по специальности «Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук»

CC BY
170
63
Поделиться

Текст научной работы на тему «Основные положения дальнейшего развития системы геодезического обеспечения Монголии на основе применения глобальных навигационных спутниковых систем»

© Ж. Наранцацралт, М. Саандарь,

М. Энхбаяр, 2008

Ж. Наранцацралт, М. Саандарь, М. Энхбаяр ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДАЛЬНЕЙШЕГО РАЗВИТИЯ СИСТЕМЫ ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ МОНГОЛИИ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ГЛОБАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ

1. Анализ структуры существующей системы геодезического обеспечения территории Монголии в условиях перехода к спутниковой технологии

уществующие наземные геодезические методы по точ-ности, оперативности, и экономической эффективности не отвечают многим крайне важным современным требованиям науки и практики. В частности требованиям, возникающим при крупномасштабных съёмках городов и поселков, при строи-тельных изысканиях, при геодезическом решении навигации, геодинамики и изучении природной среды. Эти проблемы на современном уровне требований могут быть решены с исполь-зованием спутниковых методов.

Главным приемуществом современных геодезических спутниковых методов являются технологии оперативных координатных и высотных определений, основанные на использова-нии глобальных навигационных спутниковых систем GPS и Глонасс.

Система координат 1942 года и существующая сеть ГГС, созданная 60 лет тому назад традиционными методами геодези того времени не могут в качестве исходной геодезической основы, в полной мере обеспечить возможности для реализа-ция всего потенциала современных спутниковых методов.

Здесь имеется в виду не только реальная точность пунктов ГГС, но и недостаточная их доступность и возможность обеспечения благоприятных условий для спутниковых наблю-дений. Современные спутниковые технологии даже при опе-ративном режиме обеспечивают возможность передачи коор-динат на большие расстояния и с меньшими относительными ошибками.

Применение современных спутниковых методов при реше-нии раз-личных практических и научных задач требует и развития со-

ответствующей им высокоточной и свободно доступной геодезической основы.

Исходя из вышеизложенного нами была разработана новая концепция создания системы геодезического обеспечения Монголии на основе применения глобальных навигационных спутни-ковых систем.

Задача заключалась в том, что современная система геодезического обеспечения, с одной стороны, должна создавать оптимальные условия для эффективного использования современных спутниковых технологий и в то же время должна использовать весь достижимый потенциал, существующей геодезической сети Монголии, созданный на основе традиционных методов геодезических измерений. На первом этапе нами были определены какие изменения должны произойти в структуре системы геодезического обеспечения в целях создания оптимальных ус-ловий для внедрения современных спутниковых технологий. Главным условием этих структурных изменений должно быть обеспечение комплексного использования спутниковых техно-логий для всех трех главных компонентов общей системы геоде-зического обеспечения: плановой, высотной и гравиметрической.

Для этой цели мы провели тщательный анализ структуры существующей системы геодезического обеспечения террито-рии Монголии в условиях перехода к спутниковым методам координатных и высотных определений.

Государственная геодезическая сеть триангуляции Монголии реализует референцную систему координат, основанную на фундаментальных параметрах системы координат 1942 года:

эллипсоид Красовского

а - большая полуось = 6378245.00, сжатие 1: 298.3

Система высот Монголии в виде государственной нивели-рной сети 2-го класса и заполняющих сетей 3 и 4-го классов, практически реализует Балтийскую систему высот с исходным пунктом в Кронштадте.

Система силы тяжести реализована в виде опорной гравиметрической сети 1 и 2 классов. Значение силы тяжести определено на основании связи главного гравиметрического пункта Монголии с международным пунктом России - п. Ледово, выполненной маятниковым комплексом АГАТ с ср. кв. ошибкой ± 0,02 мГал. Ср. кв. ошибка передачи значений силы тяжести от главно-

го гравиметрического пункта до пунктов 1-го класса не превышает ± 0,05 мГал.

Существующая геодезическая сеть Монголии, созданная традиционными методами геодезии, не может в полной мере реализовать весь потенциал современных спутниковых методов. Основное препятствие для эффективной реализации спутниковых методов в системе геодезического обеспечения состоит в том, что в силу специфики построения геодезических сетей традицион-ными методами триангуляции геодезические пункты в основном расположены в труднодоступных местах, а наличие наружных знаков (сигналов, пирамид) является дополнительным осложне-нием для спутниковых наблюдений. Для внедрения спутниковых методов построения и развития высокоточной системы коорди-нат и высот требуется построение специальных спутниковых гео-дезических сетей.

2. Новая схема построения системы геодезичес-кого обеспечения при переходе на спутниковые тех-нологии

Анализ точностных и организационно-технических условий решения задачи координатного обеспечения Монголии с использованием спутниковых методов позволяет заключить, что наиболее рациональное создание единой по точности сети - в надежно закрепленных на местности геодезических пунктов со средним расстоянием между ними порядка 30-35 км (средняя плотность 1 пункт на 1000 кв. км).

На городских территориях, а также в экономически развитых и густонаселённых районах потребуется более густая сеть опорных пунктов со средним расстоянием между пунктами 10-15 км.

В менее обжитых районах плотность опорной сети целесообразно уменьшить, допуская расстояние между ее пунктами 40 и даже 50 км (средняя плотность 1 пункт на 2000 кв. км) и учитывая специфику малонаселенности и труднодоступных районов Монголии, где потребность в геодезических съёмках часто носит специфический характер (например, отдельные месторождения полезных ископаемых).

С учётом этого по преварительным оценкам спутниковая геодезическая сеть (СГС) для территории Монголии будет насчитывать около 1000-1200 пунктов и являться той основой, которая непосредственно используется при повседневном реше-нии

любых координатных задач с точностями, лимитирумыми только точностными достижимыми возможнос-тями используемой спутниковой аппаратуры.

Требуемая точность взаимного положения пунктов опорной сети СГС долна быть со средними квадратическими ошибками, не превосходящими 1,0-1,5 см. Такая задача в настоящее время может быть решена со спутниковой аппаратурой, но при ус-ловии, что сеть будет опираться на построения более высокого уровня, обеспечивающие исключение деформаций регональ-ного и глобального характера в создаваемой сети и отнесение ее к единой для всей страны геоцентрической системе коор-динат: Такими построениями являются Первоклассная и Фун-даментальная геодезические сети (ПГС и ФГС).

При построении с ПГС и ФГС следует использовать уже созданные к этому времени на территории Монголии пункты гравиметрических сетей 1 и 2-го классов, а также фундамен-тальные реперы нивелирной сети 2-го класса на основе спутни-ковых наблюдений.

Проектируемая Первоклассная геодезическая сеть представляет собой однородное по точности пространственное построение со средними расстояниями между смежными пунктами, лежащими в пределах 150-300 км. В этом случае общее число пунктов ПГС составляет 52, взаимное положение пунктов ПГС, как пространственного построени, должно быть определено с относительной погрешностью 1/1000 0000.

Другим важным назначением ПГС в намеченной концепции координатного обеспечения является создание основы для высокоточного определения высот геоида (квазигеоида) на всей территории Монголии. С учётом этого все пункты ПГС практи-чески полностью совмещены с пунктами гравиметрической сети 1 и 2-го классов и фундаментальными реперами нивелир-ной сети 2-го класса, которые расположены в аймачных и сомонных центрах, тем самым наиболее благоприятные условии для спутниковых наблюдений. Кроме того, эти пункты имеют на-дежную конструкцию и заложены на достаточную глубину с учё-том геокриологических условий Монголии. Определенные рас-стояния между пунктами ПГС непосредственно связаны с тре-бованием к точности нивелирных превышений и характером ошибок высот геоида, квазигеоида, определенного по грави-метрическим данным.

ПГС должна создаваться, начиная с освоенных в экономическом отношении и геодинамически астивных регионов и, по возможности, сразу с требуемой точностью и плотностью.

Высшим звеном предлагаемой структуры координатного обеспечения будет Фундаментальная геодезическая сеть (ФГС). Основными функциями в этой структуре являются:

- задание и оперативное воспроизведение общеземной геоцентрической системы координат,

- устранение возможных искажений СГС и ПГС в региональном и глобальном масштабах,

- экспериментальное выявление и учёт деформирующего влияния геодинамических процессов на стабильность координатной основы,

- метрологическое обеспечение координатных определений другими системами.

Практическим воплощением ФГС будет система закрепленных на земной поверхности геодезических пунктов с периодически определяемыми в единой системе координатами, материально реализующая фундаментальную геодезическую систему координат и обеспечивающая решение упомянутых выше науч-ных и прикладных задач.

Исходя из функционального назначения ФГС, проектируе-мые ее пункты равномерно расположены по территории Монго-лии со средними расстояниями между ними порядка 550 км. Общее их число составляет 14 пунктов. В качестве этих пунктов использованы пункты гравиметрической сети 1 и 2-го классов, имеющие нормальные высоты. Все проектирумые пункты распо-ложены в аймачных и сомонных центрах вблизи местных аэро-портов, из них 4 пункта Ховд, Улаан-баатар, Чойбалсан и Даланзадгад работают в настоящее время в постоянно действую-щем режиме, и они неоднократно включались в состав междуна-родных сетей постоянных наблюдений спутников ГНСС.

В ближайшем будущем еще 2-3 пункта могут быть введены в режим постоянно действующих, это пункты Мурен, Арвайхээр и Сайншанд.

На остальных пунктах планируются повторные полные циклы измерений с интервалами 5-8 лет, в зависимости от тектонической активности региона.

Нормальные высоты всех пунктов ФГС определены так же, как и пунктов ПГС и связаны с нивелирной сетью 2-го класса, развитой на территории Монголии, что позволит контроли-ро-вать и затем уточнять изменяющуюся во времени систему нормальных высот.

Для максимальной эффективности последующего использования результатов построения спутниковых пространственных сетей в системе геодезического обеспечения в соответствии с технологией их построения каждый пункт ФГС и ПГС должен представлять собой совокупность из пяти пунктов, связанных между собой точными GPS/ГЛОНАСС измерениями.

Желательно также предусматривать связь с пунктами аст-ро-но-геодезической сети и реперами нивелирной сети при развитии спутниковой сети последующих классов, в среднем через 100120 км. Строго говоря, существующая АГС Монголии не является принципиально необходимым элементом концепции, но существование этой сети в значительном числе случаев облегчит решение возникающих координатных задач с использованием спутниковой аппаратуры, позволяя применять ее на опреде-ленном уровне точности координатных определений. С созда-нием ФГС и ПГС существующая АГС Монголии может быть кон-кретно уточнена только в результате камеральных обработок, что еще расширит возможности использования ее пунктов при решении более точных задач. Следует отметить,что именно связь существующей АГС с пунктами СГС высшего класса точности в будущем позволит оценить АГС путем строгого уравнивания или трансформирования с опорой на пункты ФГС, ПГС и СГС, а главное - определить координаты пунктов всей существующей АГС в количестве несколько тысяч пунктов в единой геоцен-трической системе координат. Таким образом вся совокуп-ность пунктов АГС в системе геодезического обеспечения территории Монголии будет одновременно реализовывать две системы координат: референцную 1942 года и общеземную геоцентрическую ГГЯР. Поэтому современные спутниковые методы координатных определений на основе применения ГСНН создают условия для создания плановой и высотной основы в виде единой совокупности геодезических пунктов. На всех пунктах ФГС должны быть выполнены и регулярно повторяться абсолютные определения силы тяжести, что позволит контролировать стабильность гравитационного поля на территории Монголии. Для

максимально быстрой реализации предложенной концепции необходимо участие Монголии в рамках двухстороннего или многостороннего соотрудничества в близких по назначениям муждународных программах и экспериментах, нацеленных на создание мировой сети фундаментальных геодезических и гравиметрических пунктов, на изучение геодинамических процессов в сейсмоактивных регионах, на совершенствование координатных основ государств отдельных континентов. Создаваемая геодезическая основа будет по своей детальности в полной мере пригодна и для реализации активных дифференциальных координатных систем. Практически при решении таких задач преобразования координат из системы 1942 года в систему WGS-84 методами трансформирования выполняют в тех случаях, когда координаты в системе 1942 года известны, а информация о геодезических измерениях, на основе которых эти координаты были получены, утрачены.

Именно такой случай имеет место в Монголии. Поэтому возникает необходимость каким-то образом распространять ин-формацию об отличии систем координат с точек на окружаю-щую территорию Монголии, т.е. построить непрерывное поле разностей координат между системой 1942 года и WGS-84. Когда поле разностей построено, по известным координатами в одной системе легко получить координаты в другой, но это только техническая сторона задачи, т.к. спутниковые наблюде-ния требуют достаточно больших затрат. Поэтому исходя из финансовых возможностей и необходимости картографирования определенных конкретных районов Монголии, эта задача должна решаться поэтапно. В настоящее время в геодезической практике широкое применение получил аналитический метод трансформирования, основанный на использовании ортогонального преобразования координат. Математическая модель данного метода предусматривает, что междут началами двух пространственных прямоугольных системах координат существует сдвиг, описывае-мый параметрами: х, у, z, существуют углы между одноименными осями этих систем, учитываемые с помощью параметров Wx, Wy, Wz, и существуют отличия в масштабах длин, учитываемых масштабным коэффициентом т.

При использовании модели ортогонального преобразования для трансформирования координат из системы 1942 года в WGS-84 могут возникнуть некоторые затруднения, связанные не-посредственно с

малым количеством параметров. Эти проблемы могут быть решены с применением численного метода трансфор-мирования.

Современные спутниковые методы координатных опреде-лений на основе применения систем GPS/ГЛОНАСС обеспечивают условия для создания плановой, высотной и гравиметричес-кой основы в виде единой совокупности геодезических пунктов.

Кроме того, на всех пунктах ФГС должны быть выполнены и регулярно повторяться абсолютные определения силы тяжести, которые позволят контролировать стабильность гравитацион-но-го поля на всей территории Монголии. Проектируемая геодези-ческая основа будет по своей деятельности в полной мере пригодна для любой практической реализации активных диффе-ренциальных систем координатных определений.

Любые пункты СГС и в любом регионе Монголии могут быть незамедлительно использованы для этой цели в качестве исход-ных, в том числе и при аэрофотосъемочных работах, когда приемники GPS, устанавливаемые на самолете, используют в оперативном режиме для определения координат центров фото-графирования. Как известно, такая информация существенным образом модернизирует технологию фотограмметрической обработки аэроснимков и исключает или значительно сокращает трудоёмкие наземные работы по наземному геодезическому обеспечению аэросъе-мок. С другой стороны, использование спутниковой аппаратуры существенно облегчает процесс наземной геодезической привязки космических снимков высокого разрешения. В ближайщем будущем возникнут задачи создания цифровых электронных карт в реальном масштабе времени.

Наряду с созданием высокоточных опорных геодезических сетей GPS /ГЛОНАСС наблюдения все шире используются при проведении различных съемок. При этом обработка измерений и вычислений координат съемочных точек ведется в режиме реаль-ного времени - методом RTK.

В настоящее время RTK также совершенствуется. Если рань-ше этот метод предполагал привязку ровера только к одному базовому приёмнику, то в настоящее время во многих странах используется принцип “сетевого RTK”, когда в данном регионе развертывается сеть постоянно действующих станций. На терри-тории Монголии применение данного метода экономически оп-равдано только в регионах с интенсивной деятельностью и нали-чием мобильной сети GSM. Для других регионов более эффек-тивным будет метод RTK с применени-

ем мобильных передвиж-ных дифференциальных станций и радиоканалов связи.

3. Принципы построения системы высотного обес-печения на основе современных спутниковых техно-логий

При комплексом подходе к решению проблемы развития эффективной системы геодезического обеспечения в условиях широкого применения методов GPS/ГЛОНАСС измерений нами были рассмотрены принципы установления не только общезем-ной геоцентрической системы координат, но и единой системы нормальных высот на основе совместного использования спутни-ковых, гравиметрических и нивелирных данных.

Для современной геодезии система нормальных высот соответствует строгому методу определения высот квазигеоида, реализуемому только по результатам измерений на физической поверхности Земли, без привлечения каких-либо гипотез о ее внутреннем строении. Это дает нам принципиальную возможность строгого согласования высокоточных спутниковых измерений геодезической высоты со значениями нивелирных высот и высот квазигеоида, определенных по гравиметрическим данным. Для Монголии принципиально важно, что совместное использование спутниковых, нивелирных и гравиметрических данных может обеспечить задание общеземной системы нормальных высот, независимо от данных об уровнях морей. В данном случае нами рассматривается метод спутникового нивелирования в сущест-вующей на территории Монголии системе высот как эффек-тивной альтернативы геометрического нивелирования наиболее трудоёмкому, менее эффективному методу традиционной геоде-зии. По результатам спутниковых измерений могут быть получены геодезические высоты Нг пунктов относительно земного эллип-сиода. Для определения геодезической высоты и высот квазигеоида используют различные отчеты земного эллипсиода при реализации спутникового нивелирования. Эти отличия размеров отчётных эллипсоидов не имеют принципиального значения и полностью устраняются по данным в опорных пунктах.

Наоборот, гораздо сложную проблему представляет влияние региональных ошибок в аномалиях силы тяжести при вычислении высот квазигеоида по гравиметрическим данным.

Наиболее точный результат достигается при вычислении высот квазигеоида комбинированным методом. В данном случае полное значение высоты квазигеоида представляется в виде двух слагаемых

С= Со +

Первое слагаемое представляет собой влияние аномалии силы тяжести вокруг исследуемого пункта в центральной зоне радиусом Ro, вычисленным по детальным гравиметрическим данным.

Второе слагаемое представляет собой влияние аномальной силы тяжести по всей Земле и определяется по параметрам планетарной модели.

В частности, оптимальность расстояний между пунктами ПГС 220 км выбиралась также с учётом этого фактора. Поэтому ос-новное внимание при реализации метода спутникового нивели-рования было уделено исполнению детальных гравиметрических данных для территории Монголии. Для этой цели в рамках меж-дународного сотрудничества в 2004-2006 гг. была проведена аэрогравиметрия для всей территории Монголии и абсолютные определения силы тяжести на некоторых пунктах гравиметрической сети 1-го класса.

В результате данной работы были получены аномалии силы тяжести по трапециям 5х5 минут на всю территории Монголии, которые будут служить исходной информацией для построения детальной модели квазигеоида для территории Монголии. Опыт подобных работ в других странах, имеющих детальные гравиметрические съемки для своих территорий, показывает, что детальность представления аномалий силы тяжести по трапециям 5х5 минут является оптимальной для построения детального геоида.

Таким образом, для каждого пункта ФГС и ПГС и отдельных пунктов СГС, которые совмещены с пунктами государственной нивелирной и гравиметрической сети высших классов, будет иметь возможность составить уравнения:

н геог - н норг - Сгр = V,

Ягео ^

г - значение геодезической высоты по спутниковым дан-ным; Н норг - значение нормальной высоты по нивелирным дан-ным; ^гр -значение высоты квазигеоида, вычисленное по гравиметрическим данным;

Vг - суммарное влияние ошибок всех трех видов измерений, а также систематическое различие размеров полуосей общего земного эллипсоида и эллипсоида ГГЯР и отличие системы высот Монголии от общеземной.

Влияние двух последних факторов имеет систематический характер и полностью исключается в опорных пунктах. Приведение гравиметрического квазигеоида к системе высот Монголии, реализуемой реперами государственного нивелирования, осуществляется введением поправок V, в значение Сгр, используя при этом математическую интерполяцию ( метод сплайн = функций и т.п. ).

4. Основные научные и прикладные задачи

• Установление единой геоцентрической системы коорди-нат на территории Монголии.

• Геодезическое обеспечение изучения природных ресур-сов и землепользования, кадастра, разведки и разработки мес-торождений полезных ископаемых, проектирования городов и населенных пунктов, проектно-изыскательских работ для объектов инфраструктуры.

• Геодезическое обеспечение картографирования террито-рии страны.

• Обеспечение исходными геодезическими данными средств навигации.

• Изучение деформаций земной поверхности, определение зон аномальных деформаций на территории страны с целью уточнения ее сейсмотектонического районирования.

• Метрология средств и методов определения координат и ориентирования в пространстве. Построение высокоточных сетей специального назначения.

• Геодезическое и геоинформационное обеспечение делимитации, демаркации и привязка линий государственной границы, а также границы внутри стран, гатш

— Коротко об авторах ---------------------------------------------

Наранцацралт Ж. - Министр строительства и градоустройства, Саандарь М.. - директор компании «Монмэп»,

Энхбаяр М. - советник Министра строительства и градоустройства.