Применение современных геодезических технологий для создания крупномасштабных топографических планов

      Появление этих точных, мобильных  приборов позволило пересмотреть значительную часть методик выполнения геодезических работ. В следующих подразделах работы представлены все методы съёмки, описаны причины выбора определённых технологий проведения полевых работ, а также рассмотрены методы сгущения съёмочного обоснования на базе государственной геодезической сети и приспособления, применяемые для этого.

 

 

2.1 Обоснование  оптимальной технологии ведения  полевых работ с целью сгущения  планово-высотного обоснования

 

 

      В данном разделе работы отражены основные понятия и принципы спутниковой технологии и её применения для решения задач крупномасштабных топографических съёмок. Рассмотрены методы сгущения съёмочного обоснования на базе государственной геодезической сети и приспособления, применяемые для этого.

Проектирование  съемочного обоснования должно производиться  с учетом требований настоящей Инструкции в зависимости от масштаба и метода предстоящей съемки. При этом должны быть также учтены специальные требования к геодезическим сетям проектных и других организаций. Основой для проектирования должны служить: сбор и анализ сведений и материалов обо всех ранее выполненных геодезических работах на объекте съемки; изучение района предстоящих работ по имеющимся картам наиболее крупного масштаба и литературным источникам; изучение материалов проведенного специального обследования района работ, включающее обследование и инструментальный поиск геодезических знаков ранее выполненных работ; выбор наиболее целесообразного варианта развития геодезических построений с учетом перспективы развития территорий.

      Геодезической основой при создании  съемочного обоснования, а также  при съёмке ситуации и рельефа,  могут служить следующие геодезические  построения:

• Государственные Геодезические Сети (ГГС):

· триангуляция и полигонометрия 1,2,3 и 4 классов;

· государственная  нивелирная сеть 1,2,3 и 4 классов;

· фундаментальная  астрономо-геодезическая сеть (ФАГС);

· высокоточная геодезическая сеть (ВГС);

· спутниковая  геодезическая сеть 1 класса (СГС-1)).

• Геодезические сети сгущения (триангуляция 1 и 2 разрядов, полигонометрия 1 и 2 разрядов; техническое нивелирование)
• Съёмочное обоснование (плановые и планово-высотные съёмочные сети или отдельные пункты (точки))[2].        

    В соответствии с «Инструкцией по топографическим съемкам в масштабах 1:5000, 1:2000, 1:1000, 1:500» сети сгущения проектируются таким образом, чтобы плотность геодезической основы была доведена развитием геодезических сетей сгущения в городах и прочих населенных пунктах не менее чем 4 пунктов триангуляции и полигонометрии на 1  км² в застроенной части и 1 пункта на 1  км² на незастроенной территории.

Предельные  погрешности положения пунктов  планового съемочного обоснования, относительно пунктов государственной  геодезической сети не должны превышать на открытой местности и на застроенной территории 0,2 мм в масштабе карты или плана и 0,3 мм - при крупномасштабной съемке на местности, закрытой древесной и кустарниковой растительностью.

Пункты съемочного обоснования закрепляют на местности долговременными знаками с таким расчетом, чтобы на каждом съемочном планшете, как правило, имелось не менее двух точек при съемке в масштабе 1:2000, включая пункты государственной геодезической сети и сетей сгущения (если технические условия заказчика в техническом проекте не требуют большей плотности закрепления).

На территории населенных пунктов и промышленных площадок все точки съемочного обоснования  закрепляют знаками долговременного  закрепления[3].

     Сети сгущения могут представлять собой систему треугольников называемую микротриангуляцией, либо систему  полигонов, (теодолитные хода, замкнутые и разомкнутые, опирающиеся на один или два пункта полигонометрии). Не зависимо от вида съёмочного обоснования, способы измерения координат пунктов для них одинаковы. Опираясь на базисные стороны и пункты опорной сети, координаты которых известны, привязка планово-высотного обоснования выполняется:

  1) определением  примычного угла между стороной  опорной сети и сети сгущения;

  2) способом прямой и обратной угловой засечки.

      В настоящее время для сгущения  планово-высотного обоснования целесообразнее  и намного эффективнее применять  методы, основанные на использовании GPS-оборудования.

      GPS (англ.  Global Positioning System) — обеспечивающие измерение времени и расстояния навигационные спутники; глобальная система позиционирования — спутниковая система навигации, часто именуемая GPS. Позволяет определять направление и скорость движения объектов, определять координаты при помощи специальных приёмников. Причём делают они это при любой погоде, и в любое время суток.

      В настоящее время работают  или готовятся к развертыванию  следующие системы спутниковой  навигации:

 

1)NAVSTAR(GPS) более известна под названием GPS. Принадлежит министерству обороны США. Единственная полностью работающая спутниковая навигационная система. Главенствующее положение она занимает благодаря непрерывной модернизации.

Например, команда разработчиков компании Lockheed Martin, специализирующаяся в области авиастроения, авиакосмической техники, судостроения, автоматизации почтовых служб и аэропортовой логистики и др., сообщила о завершении тепловых испытаний в вакууме для навигационных элементов одного из тестовых наземных стендов GPS III (GNST).  
     Программа GPS III предусматривает замену устаревших спутников группировки GPS для удовлетворения возросших требований гражданских, корпоративных и военных пользователей системы.  
Испытания являются частью программы тестирования оборудования на соответствие заложенным в проект требованиям.  
Стенд GNST представляет собой полноразмерный прототип спутника GPS III. Использование таких прототипов позволяет значительно снизить риски и издержки разработки навигационного оборудования, производить быструю отладку и вносить иные необходимые изменения.  
По контракту с ВВС США компания Lockheed Martin должна поставить 4 первых спутника GPS III. Всего ВВС США намерены закупить до 32 подобных спутников[4].

 

      Так же спутник известный как FM3, 01.12.12 начал транслировать сигналы в частотном диапазоне Е1, который используется для интеграции с GPS. А 04.12.12 также были переданы сигналы в диапазонах Е5 и Е6.  
В Реду (Бельгия) расположена станция, построенная специально для тестирования спутника FM3. На ней установлены 15-метровая антенна S-диапазона для отправки запросов и получения сигналов со спутника, а также 20-метровая спутниковая тарелка L-диапазона для отслеживания формы и качества навигационных сигналов при высоком разрешении. Данные поступают также из центров, расположенных в Германии под Мюнхеном (Oberpfaffenhofen Control Centre) и Италии в Фучино (Galileo Mission Control Centre)[5].

 

      И наконец, экспериментальный GPS-приемник компании Surrey Satellite Technology Limited (SSTL), смог успешно определить местоположение на высоте 23300 километров. Приемник SGR-GEO собирает данные, которые помогут SSTL разработать приемник для навигации космических кораблей на геостационарной орбите (GEO) или даже в дальнем космосе.  
Система GPS, использующаяся на спутниках низкой околоземной орбиты, позволяет определять орбитальное положение и является источником синхронизации времени для спутников. Космический корабль на орбите выше группы GPS-спутников может принимать лишь небольшое количество сигналов, распространяющихся с дальней стороны Земли.  
При поддержке Европейского космического агентства (ESA) и программы ARTES 4 компания SSTL разместила приемник SGR-GEO на спутнике GIOVE-A, чтобы доказать то, что он сможет определить местоположение и на более высоких орбитах. SGR-GEO сконструирован на основе приемников серии SGR, разработанной компанией SSTL, и оснащен антенной с высоким коэффициентом усиления и высокоточным термостатированным тактовым генератором[6].

 
2)ГЛОНАСС принадлежит министерству обороны России. Находится на этапе повторного развёртывания спутниковой группировки (оптимальное состояние орбитальной группировки спутников, запущенных в СССР, было в 1993—1995 гг.). Используется как вспомогательная система, улучшающая результаты GPS позиционирования в областях с закрытыми участками неба (в условиях плотной городской застройки) и в приполярных широтах.  
Основой системы являются 24 спутника, движущиеся над поверхностью Земли в трёх орбитальных плоскостях с наклоном орбитальных плоскостей 64,8° и высотой 19 100 км. Принцип измерения аналогичен американской системе навигации NAVSTAR GPS. Основное отличие от системы GPS в том, что спутники ГЛОНАСС в своем орбитальном движении не имеют резонанса (синхронности) с вращением Земли, что обеспечивает им большую стабильность.

      В 2013г запланирован запуск на орбиту спутника "ГЛОНАСС-К", модели космических аппаратов, которые должны придти на смену работающим КА "ГЛОНАСС-М[7].

 

3)GALILEO - европейская система, находящаяся на этапе создания спутниковой группировки.

    Четвертый спутник Galileo FM4 был запущен 12.10.12 совместно с FM3. Сейчас они переводятся на свои рабочие орбиты: на одно расстояние от Земли, но в разные орбитальные плоскости по отношению к первым двум спутникам, что обеспечит максимальную зону покрытия сигналом[5].

 

4)БЕЙДОУ, развёртываемая в настоящее время Китаем подсистема GNSS, предназначенная для использования только в этой стране. Особенность — небольшое количество спутников, находящихся на геостационарной орбите. 

5)IRNSS - индийская навигационная спутниковая система, в состоянии разработки.

 

      При создании съёмочного обоснования с применением спутниковой технологии геодезические сети сгущения, как правило, вновь не создают, а используют имеющиеся государственные геодезические сети.

      Пункты GPS заложены долговременно, с учетом взаимной видимости между смежными пунктами. Если видимость отсутствует, то закладываются временные пункты – пара на максимальном расстоянии не менее 500 м. Расстояние между пунктами GPS от 2 до 5 км[3].

      Любая спутниковая навигационная система делится на три сегмента: пользовательский, контрольный и космический сегменты.

      К пользовательскому сегменту относятся специализированные GNSS приемники, которые делятся на три группы: для задач ГИС, геодезические и навигационные. Точность обработки данных с этих приёмников рассчитывается за счёт метода дифференциальной коррекции.

      Главный центр управления, основная станция управления и станции слежения относятся к контрольному сегменту. Метеорологическое зондирование атмосферы и постоянный приём сигналов от спутников осуществляют станции управления, чтобы впоследствии определить искомое расстояние.

      Главный центр управления принимает результаты обработки сигналов и передаёт их на спутники, которые в свою очередь отправляют их на GNSS приемники пользователей. Корректировка орбит спутников осуществляется в станции управления.

     В последний космический сегмент входят спутники, которые вращаются вокруг Земли. Благодаря правильному расчёту орбит спутников, в любое время и в любом месте планеты можно постоянно наблюдать не менее четырёх спутников. Они служат для определения широты, долготы и высоты, то есть – пространственных координат.

       Методы определения местоположений с помощью GPS можно разделить на абсолютные и относительные. В результате применения абсолютного метода координаты пользователя определяются в общеземной системе координат в лучшем случае с ошибкой 1 м.

     Для геодезических работ, включая и топографическую съемку, применяют относительный метод, для которого необходимо иметь не менее двух спутниковых приемников. Один из них устанавливается на пункте с известными координатами (базовая станция), другой (или другие) – на точках, координаты которых определяются. Наблюдая в течение некоторого времени одновременно с двух станций одни и те же спутники, можно получить приращения координат относительно базовой станции с ошибкой 0,5 – 2,0 см.

     Точность относительных определений зависит в основном от времени наблюдений, поэтому различают три основные методики: статическую, кинематическую и динамическую.

      Окончательная обработка результатов измерений производится на персональном компьютере по специальной программе.

     Определение положения пунктов при работе с приемником спутниковых сигналов возможно в различных технологических последовательностях. Изложим две из них: статический метод и метод «Стой – Иди» (псевдокинематический).

      Статический метод (Static Positioning). Название метода означает, что приемники не перемещаются в течение всего наблюдательного интервала. Базовый приемник и приемник с неизвестными координатами одновременно выполняют наблюдения и записывают данные в течение 15 минут - 3 часов. Такая длительность сессии вызвана необходимостью определения целочисленной неоднозначности фаз в начале сессии. Этому способствует и заметное изменение со временем конфигурации спутниковой системы. Одночастотные приемники используются для измерения баз длиной до 10-15 км, а двухчастотные - для баз длиннее 15 км (преимущества двухчастотных приемников заключаются в возможности адекватного моделирования эффекта воздействия ионосферы, а также меньшей продолжительности наблюдений для достижения заданной точности). Работа на станции начинается с установки антенны. Штатив, на котором устанавливается антенна, должен быть надежно закреплен для обеспечения неизменности высоты антенны во время измерений. Центрирование и нивелирование антенны выполняется оптическим центриром с точностью ±2 мм. При наличии ориентирных стрелок (меток) антенна ориентируется на север.