CC BY
166
УДК 528.28
А.С. Глазунов
СГГ А, Новосибирск
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ В ГЕОДЕЗИЧЕСКОЙ АСТРОНОМИИ
A.S. Glasunov SSGA, Novosibirsk
MODERN TRENDS IN ASTROGEODESY
Field astronomical fixations have practically disappeared from geodetic practice in our country, though this method is the only one for direct construction of a plumb-line components ( УОЛ) £, and n .
For the field astronomical fixations to come back to geodetic works it is necessary to increase their efficiency alongside with accuracy. This problem can be solved by introducing new engineering solutions and above all charge-coupled devices (CCD matrix) as radiation detectors.
Some European universities (Hannover, Zurich) have already developed a digital zenith camera for prompt УОЛ determination, that allows you to estimate values £, and n automatically to an accuracy of min 0’’,1 within less than an hour observation. In so doing geodetic positions were determined by GPS-receiver. The cameras were used for geoid determination in Alpine zone, while constructing a railroad tunnel through St Gottard mountain chain, for localization of salt deposits in Germany. They are going to use the cameras for gravimetric- satellites GOCE-GRAND data control and for the construction of elementary particles accelerators TESLA in Germany and NLC in the USA.
The Siberian State Academy of Geodesy is working at the problem of astrofixes automation, upgrading astronomic theodolites by replacing the eye-piece micrometer for a CCD one.
Полевые астрономические определения практически исчезли из геодезической практики в нашей стране, хотя этот метод является единственным для непосредственного получения составляющих отвесных линий (УОЛ) £, и г). Определение составляющих уклонений отвесных линий с, и г| необходимы для связи геоцентрической и референцной систем координат, вывода разницы нормальных и геодезических высот, для обеспечения инженерно-геодезических работ при строительстве крупных гидросооружений, тоннелей, ускорителей элементарных частиц и других уникальных инженерных сооружений [1,2]. Как известно [3], влияние составляющих отвесной линии на измеренное горизонтальное направление записывается
V = (r|cosA - £,sinA)ctgZ. (1)
В табл. 1 приведены значения V при различных значениях выражения (r|cosA-E,sinA) и зенитного расстояния.
Как следует из результатов табл. 1, поправками в измеренные горизонтальные направления, нельзя пренебрегать даже при небольших углах наклона (h = 5°). Учёт этой поправки [4] в направления геодезической сети,
проложенной в горном районе Австрии, позволило уменьшить ср. кв. ошибки плановых координат на 30% . При этом средние значения составляющих отвеса и г| равнялись 10"-Н5", а астрономические координаты определялись с точностью 0.7"-0.8".
Таблица 1. Значения поправок в горизонтальное направление
Значения ("ПсовА - ^іпА) в " Значения V в "
Ъ = 85° Ъ = 80° Ъ = 75° о О г-' II N
5 0.43 0.88 1.34 1.82
10 0.87 1.76 2.66 3.64
15 1.31 2.64 4.02 5.46
20 1.79 3.52 5.36 7.28
Астрономо-геодезический метод определения и г| по своей точности и простоте не имеет себе равных. При известных астрономических координатах пункта ср и X и геодезических В и Ь составляющие уклонения отвесной линии в данной точке можно получить из выражений = ф -В - 0". 171 х Н х бш2В; г| = (к - Ь) х соъф.
Учитывая, что в настоящее время геодезические координаты можно оперативно и с высокой точностью определять из спутниковых наблюдений, возможности астрономо-геодезического метода определения УОЛ заметно возросли.
Главной причиной уменьшения объёмов полевых астрономических определений и даже полного отказа от них являются: значительная зависимость от погоды; длительность наблюдений на полевом пункте; сложная методика наблюдений и обработки результатов, требующая высококвалифицированных специалистов, подготовка которых требует значительных затрат. Эти причины влияли на стоимость астрономических определений и привели к значительному их сокращению.
Для возвращения полевых астроопределений в геодезическое производство необходимо наряду с повышением точности заметно повысить их производительность. Решение этой проблемы возможно при внедрении новых технических решений и, прежде всего, приборов с зарядовой связью (ПЗС-матриц) в качестве приёмников излучения. ПЗС обладает преимуществами как перед фотопластинкой так и перед фотоумножителем. Во-первых, это возможность наблюдения более слабых объектов, во-вторых, цифровое представление материала наблюдения, позволяющее обрабатывать результаты с помощью компьютера в процессе наблюдений. Это повышает в конечном итоге как производительность, так и точность определений. Внедрение таких приборов в астрометрии позволило повысить в несколько раз точность и более чем на порядок производительность определений [5].
В ряде университетов Европы (Ганновер, Цюрих) в настоящее время созданы зенитные цифровые камеры для оперативного определения УОЛ, которые позволяют в автоматическом режиме получать значения ^ и г| с
точностью 0",1 и лучше менее чем за час наблюдений. Геодезические координаты при этом определялись с помощью GPS-приёмника. В связи с уникальными возможностями этих приборов рассмотрим их более подробно.
Предшественниками цифровых зенитных камер были фотографические зенитные камеры TZK 1,2,3 разработанные в университете Ганновера в 70-ые - 80-ые годы ХХ века (подобная разработка была выполнена в начале 70-х годов в НИИГАиКе К.М. Антоновичем). Эти камеры позволяли оперативно определять астрономические координаты, но требовали много времени для измерения снимков, что снижало их экономическую эффективность. С появлением дешёвых ПЗС-сенсоров в университетах Ганновера и Цюриха камеры TZK2 и TZK3 были переоборудованы. Вместо фотокамеры установлена ПЗС-матрица. Первую переоборудовали в Ганновере и назвали TZK2-D, вторую в Цюрихе и назвали «Диадема». Общий вид камер представлен на рис. 1.
I
Рис. 1. Зенитные камеры «Диадема» (слева) и TZK2-D (справа) на геодезической станции Циммервальд (Швейцария), 2003 г.
В камерах автоматизирован процесс нивелировки и фокусировки. Для измерения остаточного наклона на камеры установлены электронные уровни типа HRTM фирмы Липман, с точностью измерения наклона 0,05". Управление камерами осуществляется с помощью ноутбука по радиоканалу, обработка наблюдений выполняется с помощью специального программным обеспечением «Auriga». Обработка измерений ведётся в режиме реального времени. Как пишут авторы, для измерений требуется только один клик мыши.
Камеры используются для определения геоида в альпийской зоне. Отмечается, что по сравнению с гравиметрической методикой
астрономогеодезические наблюдения представляют независимый набор данных и их выборка может быть признана репрезентативной.
Рабочее место оператора представлено на рис. 2.
‘ ‘ ' I Ж<.
Рис. 2. Рабочее место оператора камеры «Диадема»
Для определения геодезических координат и УОЛ на камерах смонтирована антенна GPS-приёмника [6, 7]. Точность определения УОЛ зависит от продолжительности наблюдений. Достигнутые значения точности при различной продолжительности наблюдений представлены в табл. 2.
Таблица 2. Точность определения координат зенитными цифровыми
камерами
Тип наблюдений Продолжительность наблюдений Количество наблюдений Количество звёзд Уровень точности в"
Единственное наблюдение 30 секунд 1 40-100 0.2-0.3
Полевые определения 20 минут 50 2000-5000 0.08-0.1
Расширенные определения 2 часа 200 10000-20000 0.05
Высокоточные определения 10-20 часов >1000 >50000 0.02-0.03
Зенитные камеры использованы для определения УОЛ при строительстве 57-и километрового железнодорожного туннеля через горный массив Сент-Готтард (рис. 3).
Рис. 3. Системы ДИАДЕМА (слева) и TZK2-D на строительной площадке альпийского транзита. Правое изображение: измерение астрономического азимута в портальном столбе посредством системы ИКАРАС ETH Цюрих
Астрономогеодезические УОЛ в сочетании с гравиметрическими аномалиями силы тяжести позволили с максимальной точность локализовать соляные купола на месторождении в Германии. Эти работы выполнялись в рамках сотрудничества с немецкой соляной компанией K+S GmbH [6, 7].
Определения УОЛ с помощью цифровых зенитных камер также планируется использовать для контроля данных гравиметрических спутников GOCE-GRAND и для обеспечения работ по строительству новых линейных ускорителей TESLA в Германии и NLC в США. Утверждается, что сочетание астрономических определений и гидростатического нивелирования при строительстве линейных ускорителей позволяет определять производную эллипсоидальной разности высот на уровне 0.1 мм на км. В качестве резервной навигационной системы, подобные камеры планируют применять в ВМФ США [7].
В качестве замечаний по этим разработкам можно отметить большие габариты зенитных камер, а следовательно трудности при транспортировке и невозможность использования этих инструментов для определения азимута.
Нами предложен другой вариант автоматизации астрономических определений - модернизация существующих инструментов. Результаты этих разработок изложены в статьях [8-10].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Машимов, М.М. Высшая геодезия [Текст] / М.М. Машимов. - М.: ВИА, 1991. -
552 с.
2. Закатов, П.С. Курс высшей геодезии [Текст] / П.С. Закатов. - М.: Недра, 1976. -
511 с.
3. Пеллинен, Л.П. Высшая геодезия [Текст] / Л.П. Пеллинен. - М.: Недра, 1978. -
264 с.
4. Влияние измеренных и полученных БПФ-методом уклонений отвеса в точной инженерной сети = Effects of measured and FFT - evaluated deflections of the vertical in a precise engeneering network. Grimm-Pitzinger A., Weber R., Weinold Th. IAG Reg. Symp. Deform. and Crustal Mov. Invest. Using Geod. Techn., Szekesfehervar,Aug. 31 - Sept. 5, 1996: Proc. Szekesfehervar. - 1996. - С. 127-129.
5. Пинигин, Г.И. Телескопы наземной оптической астрометрии [Текст] / Г.И. Пинигин. - Николаев: Атолл, 2000. - 104 с.
6. Die digitalen Zenitcamerasysteme TZK2-D und DIADEM zur hochprazisen Geoidbestimmung [Электронный ресурс] / C. Hirt, G.Seeber, B. Burki., A. Muller. - Режим доступа: http://www.mplusm.at/ifg/download/hirt-05.pdf
7. Status of Geodetic Astronomy at the Beginning of the 21st Century [Электронный
ресурс] / C. Hirt, B. Burki. - Режим доступа: http://www.ife.uni-
hannover.de/mitarbeiter/seeber/seeber_65/pdf_65/hirt8.pdf
8. Глазунов, А.С. Оперативное определение уклонений отвесных линий из астоопределений на полевом оптоэлектронном астрономическом комплексе [Текст] / А.С. Глазунов, Д.Н. Голдобин // Фундаментальное и прикладное координатно-временное и навигационное определение. Вторая Всероссийская конференция. - СПб.: ИПА РАН, 2007. - С. 202-204 .
9. Глазунов, А.С. Астрономические определения с применением ПЗС-матрицы [Текст] / А.С. Глазунов, Д.Н. Голдобин, В.В. Коршиков // Геодезия, Геоинформатика, Картография, Маркшейдерия. Т. 1. Ч. 2. Третий Междунар. науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2007». - Новосибирск: СГГА, 2007. - С. 227-231.
10. Глазунов, А.С. Полевой астрономический оптико-электронный комплекс [Текст] / А.С. Глазунов, Д.Н. Голдобин, В.В. Коршиков // Геодезия, Геоинформатика, Картография, Маркшейдерия. Т. 1. Ч. 2. Третий Междунар. науч. Конгр. «ГЕО-Сибирь-2007». - Новосибирск: СГГА, 2007. - С. 231-233.
© А.С. Глазунов 2008
