Технология планово-высотной привязки опознаков с применением глобальных навигационных спутниковых систем

Бурное развитие науки и техники в последние десятилетия позволило создать принципиально новый метод определения координат и приращений координат - спутниковый. В этом методе вместо привычных геодезистам неподвижных пунктов геодезической сети с известными координатами используются подвижные спутники, координаты которых можно вычислить на любой интересующий геодезиста момент времени.

В настоящее время в полной мере используются две спутниковые системы определения координат: российская система ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система) и американская система NAVSTAR GPS (NAVigation System with Time And Ranging Global Positioning System - навигационная система определения расстояний и времени, глобальная система позиционирования). В данном случае под словом «позиционирование» подразумевается определение координат. Обе системы создавались для решения военных задач, но в последние годы нашли широкое применение в геодезии, обеспечивая исключительно высокие точности определения приращений координат со средней квадратической погрешностью 5 мм + D× 10(-6), координаты одиночного приёмника могут быть определены со средней квадратической погрешностью от 10 до 100 м.

Всю навигационную спутниковую систему определения местоположения принято делить на три сегмента: космический (искусственные спутники Земли), наземный (станции контроля и управления) и пользовательский (приёмники спутниковых сигналов).

В настоящее время, все чаще и чаще, плановые и высотные координаты опознаков определяют через орбитальный комплекс навигационных искусственных спутников Земли.

Сущность привязки опознаков спутниковой технологией состоит в использовании глобальной навигационной спутниковой системы и системы вычислительной обработки для получения координат и высот планово- высотных опознаков.

Отечественная глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС в результате полного развёртывания включает в себя 24 спутника, находящихся на высоте 19 100 км.

Глобальная навигационная спутниковая система США GPS (Global Positioning System) включает не менее 21 рабочего и 3 резервных спутников, находящихся на высоте 20 000 км.

Аппаратура для приёма спутниковых радиосигналов (спутниковый приёмник) состоит из следующих функциональных элементов:

- антенны;
- блока приёма радиосигналов;
- микропроцессора;
- блока управления;
- блока индикации с дисплеем;
- запоминающего устройства;
- устройство связи с внешней ЭВМ;

- блока питания.

Определение местоположения точки, на которой размещён спутниковый приёмник, осуществляется по измеряемым с помощью этого приёмника дальностям до наблюдаемых спутников или приращениям координат до исходного пункта с известными координатами.

Местоположение точки может быть получено с использованием глобальных навигационных спутниковых систем, как из абсолютных, так и из относительных определений.

Абсолютные определения выполняются по принципу пространственной обратной линейной засечки, образованной измеренными псевдодальностями до 4-х и более спутников с одной точки, на которой̆ размещён спутниковый приёмник. Точность абсолютных определений местоположения точек ограничена рядом факторов. Всё это приводит к тому, что стандартная точность определения местоположения абсолютным методом может достигать 100 метров, а такая точность не позволяет использовать этот метод при развитии съёмочного обоснования.

Метод относительных (дифференциальных) определений основан на использовании не менее двух приёмников. Один приёмник постоянно установлен в пункте с известными координатами в общеземной системе координат WGS – 84 или ПЗ – 90. Его называют опорной станцией или базовой станцией (БС). Второй приёмник находится в точке, координаты которой необходимо определить. Для этого приёмника используется термин – мобильная станция (МС). В основе этого метода положен принцип компенсации источников погрешностей при одновременном определении расстояний до одних и тех же спутников.

Спутниковые определения относительными методами обеспечивают определение плановых координат и высот в системе координат и высот пунктов геодезической основы.

Различают следующие методы относительных спутниковых определений:

- статический (статика) – метод, при котором синхронные наблюдения на базовой станции и мобильной станции, расположенной на определяемой точке, выполняют одним приёмом продолжительностью не менее 1 часа;

- быстрый статический̆ (быстрая статика) – метод, при котором синхронные наблюдения на базовой и мобильной станции, находящейся на определяемой точке, выполняют одним приёмом продолжительностью 5-20 минут. Время наблюдения зависит от числа наблюдаемых спутников. Продолжительность наблюдений на точке при применении быстрого статического метода приведена в таблице 1.

Число наблюдаемых спутников	Продолжительность наблюдений, мин.
	20 и более
	10-20
6 и более	5-10

Таблица 1 - Продолжительность наблюдений на точке при применении быстрого статического метода

- кинематический (кинематика) – метод, при котором один приёмник работает на базовой станции, а второй (подвижная станция) находится в режиме непрерывной работы как во время выполнения приёма на точке, так и во время перемещения между точками.

На каждом пункте и пикете необходимо определять высоту антенны для учёта, при определении отметок опознаков.

Перед началом работы по планово- высотной привязке опознаков необходимо определить базовую станцию. Это точка (пункт), на которой устанавливается базовый приёмник и относительно которой будут производится в дальнейшем спутниковые определения планово-высотных опознаков. В качестве исходных пунктов, с которых будет определяться базовая станция, следует использовать пункты геодезической основы, находящиеся в пределах объекта как можно ближе к его границам или за его пределами. Рекомендуется использовать все пункты ГГС, но не менее 4 пунктов с известными плановыми координатами и не менее 5 пунктов с известными высотами, для того чтобы обеспечить приведение планово- высотного обоснования в систему координат и высот пунктов геодезической основы. При выборе исходных высотных пунктов необходимо следить, чтобы они не располагались вблизи одной линии.

Для определения базовой станции и планово-высотной привязки опознаков с использованием спутниковой технологии, при создании планов крупного масштаба, следует применять метод построения сети, приведённый на рисунке 1.

- базовая станция;
- пункты ГГС.

Рисунок 1 - Схема определения базовой станции методом построения сети

Места расположения опорных станций должны выбираться, исходя из их пригодности для наблюдений с помощью глобальных навигационных спутниковых систем. Хорошее месторасположение опорной станции должно иметь следующие характеристики:

- под углами выше 15 градусов над горизонтом не должно быть никаких препятствий;

- должны отсутствовать отражающие поверхности, которые могли бы создавать многопутность;

- с точки зрения безопасности следует выбирать места установки в стороне от движущегося транспорта и от случайных прохожих не оставляя аппаратуру без присмотра;

- в окрестности не должны располагаться мощные радио- и телевизионные передатчики.

Следует отметить, что опорный приёмник необязательно должен быть установлен на пункте с известными координатами. Значительно лучше организовывать временные опорные станции на пунктах, которые полностью отвечают перечисленным выше требованиям, чем пытаться производить установку опорного приёмника в точке с известными координатами, не соответствующей условиям наблюдений с помощью глобальных навигационных спутниковых систем.

Для удобства работ базовые точки располагают на крышах зданий, в которых разместились бригады топографов. В этом случае в качестве базовых точек используют винты или трегеры с винтом, закреплённые на крыше, для установки антенны спутникового приёмника.

Чем точнее будет определена «база», тем качественнее будет выполнена планово-высотная привязка с использованием спутниковой технологии. Поэтому для определения «базы» выбирают статический метод спутниковых наблюдений. На всех пунктах геодезической основы, участвующих в определении «базы», сеанс спутниковых наблюдений длится не менее 60 минут. Время наблюдения, необходимое для Статических измерений зависит от многих факторов.

Технология Статических измерений обычно используется в проектах, требующих повышенной точности. Этот метод рекомендован ввиду того, что наблюдаемые пункты геодезической сети могут находятся в залесённой местности. Увеличивая время для наблюдения можно получить возможность выбора, при обработке измерений, наиболее лучших интервалов наблюдений с наименьшими помехами отстоящих вокруг деревьев.

Как и для всех спутниковых измерений Статика требует использования как минимум двух приёмников, при этом каждый приёмник должен одновременно записывать измерения от четырёх общих спутников.

Порядок работы на станции при этом следующий:

- развёртывают комплект спутниковой аппаратуры;

- центрируют штатив с трегером и адаптером над центром пункта;

- устанавливают на адаптер антенну;

- замеряют высоту от центра пункта до антенны, используя рулетку;

- соединяют кабелем антенну с приёмником (в случае необходимости);

- включают приёмник;

- после того как приёмник установит связь со спутниками (не менее 4-х спутников), включают запись измерений в карту памяти приёмника (режим регистрации данных);

- по окончании сеанса наблюдения выключают приёмник;

- сворачивают комплект спутниковой аппаратуры.

Одновременно со спутниковыми измерениями подвижным приёмником ведутся наблюдения и запись базовым приёмником, находящимся в удобном для длительной эксплуатации месте. Питание базового приёмника осуществляют от сети. В случае отключения электроэнергии приёмник автоматически переходит на питание от внутренних аккумуляторов.

По окончании спутниковых измерений выполняют вычислительную обработку данных наблюдений спутников. Вычислительная обработка производится по следующим этапам:

- предварительная обработка - разрешение неоднозначностей при фазовых измерениях до наблюдаемых спутников, получение координат определяемых точек в системе координат глобальной навигационной спутниковой системы и оценка точности;

- уравнивание геодезических построений и оценка точности.

В качестве программного обеспечения для производства вычислительной обработки используют программные пакеты, входящие в комплект спутникового приёмника.

Планово-высотная привязка опознаков заключается в опознавании на местности по аэрофотоснимкам чёткого контура в строго заданном проектом районе и определении его координат и отметки с помощью GPS- аппаратуры.

После того, как чёткий контур будет распознан и наколот с точностью 0, 1 мм в масштабе создаваемого плана, на лицевой стороне снимка накол обводят окружностью диаметром 10 мм и рядом показывают номер точки (название пункта). На обратной стороне аэрофотоснимка рисуется абрис расположения чёткого контура, а накол обводят меньшей окружностью. Здесь же подписывают номер точки и дают краткое описание.

При всех видах съёмочных работ действует правило организации перекрёстного контроля с использованием независимых измерений. В зависимости от характера выполняемой работы и требований к точности измерений имеет смысл применить те же самые принципы к съёмкам средствами глобальной навигационной спутниковой системы.

Перекрёстный контроль должен быть наиболее тщательно продуман применительно к режиму " Быстрая статика", характеризуемому короткой продолжительностью наблюдений. Если время наблюдений непродолжительное или наблюдается плохое расположение созвездия искусственных спутников земли (геометрический фактор - GDOP), или наблюдаются очень интенсивные изменения ионосферы, то может случиться, что программное обеспечение, применяемое при " постобработке", будет разрешать неоднозначность, но результаты могут выходить за установленные допуски по точности.

В зависимости от требуемой точности потребитель должен подготовить способы контроля заново снимаемых точек. Это особенно важно, если продолжительность сеанса наблюдений сведена к минимуму, а рекомендации, касающиеся GDOP, игнорируются.

Для полного независимого контроля необходимо:

- встать на точку второй раз в другое окно наблюдения спутников. При этом гарантируется тот факт, что установка приёмника, " созвездие" спутников и атмосферные условия будут различными;

- замкнуть траверсный ход базисной линией, соединяющей
последнюю точку наблюдений со стартовой точкой;

- провести независимые измерения между точками в такой сети.

Частичный контроль может быть произведён за счёт использования двух опорных станций вместо одной. При этом Вы получите для каждой точки два значения её местонахождения, но каждое значение будет базироваться на использовании наблюдений, полученных одним и тем же мобильным приёмником и при одной и той же его установке.

Ниже приведена схема наблюдений планово-высотных опознаков с применением глобальной навигационной спутниковой системы.

- базовая станция;

• - планово-высотный опознак.

Рисунок 2 - Схема GPS- наблюдений планово-высотных опознаков.