Разработка технологии построения специальных геодезических сетей с использованием спутниковых систем позиционирования: На примере построения высокоточной опорной геодезической аэродромной сети Республики Беларусь

Научно-технический прогресс создал условия для стремительного развития и внедрения в картографо — геодезическое производство принципиально и качественно новых измерительных и обрабатывающих технологий. Эти технологии закладывают основы формирования и практического применения результатов геодезических измерений [1- 5, 7 — 9, 20 — 22, 24, 25. 27, 31, 35 — 37, 41, 42, 58 — 62, 64 — 68, 72 — 81 и др.], отличающихся большей по сравнению с традиционными технологиями производительностью, технологичностью и, что принципиально важно, существенно большей точностью. Особое место и роль в этом вопросе заслуженно принадлежит спутниковым глобальным позиционным системам «GPS — NAVSTAR» США и «ГЛОНАСС» Российской Федерации, по которым накоплен к настоящему времени определенный задел их практического применения в различных странах мира. На основе системы «NAVSTAR» уже в настоящее время налажено массовое производство спутниковых приемников зарубежными фирмами «LEICA», «ASHTECH», «TRIMBLE NAVIGATION» и др., которые получили широкое распространение и практическое применение в мире. В последние годы начато производство и внедрение в гражданское производство приемников системы «ГЛОНАСС», а также совмещенных приемников систем «ГЛОНАСС — NAVSTAR», обладающих определенными преимуществами как по точности, так и спектрам решаемых задач. Следует отметить, что с использованием этих систем в настоящее время реализован на практике миллиметровый уровень точности в статическом дифференциальном режиме (во взаимном положении) на расстояниях от десятков до сотен километров [8, 22, 24, 31, 59 и др.]. Из государств бывшего Советского Союза приоритет и наибольший опыт исследований по спутниковым технологиям в геодезии вполне заслуженно принадлежит российским ученым (Бойко Е. Г., Бойков В. В., Генике А. А., Жонголович И. Д., Пеллинен Л. П., Побединский Г. Г., Ямбаев X. К. и др.). Вместе с этим следует отметить, что в Республике Беларусь и других странах бывшего Советского Союза спутниковые технологии для решения геодезических задач еще не нашли массового практического применения на производстве и носят скорее экспериментальный характер.

В связи с изложенным представляются актуальными исследования возможностей широкого практического применения такого рода измерительных систем на реальных объектах, при особых условиях и определенных характеристиках существующей геодезической сети, отнесенной к референцным системам координат. Эти вопросы представляют не только большой практический интерес, но также имеют вполне определенное научно-техническое значение, поскольку реальные данные позволяют не только апробировать существующие технологии, получать реальные статистические данные для анализа, но и искать новые пути рационального и доступного применения спутниковых методов координирования для решения самого широкого спектра задач. Это дает новые возможности к расширению круга потребителей спутниковых геодезических технологий и, в конечном итоге, повышению уровня картографо-геодезического обеспечения самых различных отраслей хозяйственной деятельности.

Исследованиям этих вопросов посвящена настоящая работа, в этом ее научная и практическая значимость, что определяет ее актуальность для развития и модернизации государственной геодезической основы Республики Беларусь при обеспечении возможности ее интеграции с государственной геодезической основой Российской Федерации и других стран. Поэтому в настоящей работе за основу исследований приняты условия, регламентированные основополагающими документами по применению спутниковых методов координирования как в мировой практике, так и Концепцией Российской Федерации [1, 8, 23, 31 и др.].

В 1993 году Республика Беларусь стала полноправным членом Международной организации гражданской авиации (ИКАО), которая была создана в 1944 году для содействия безопасному и упорядоченному развитию международной гражданской авиации. Являясь специализированным учреждением Организации Объединенных Наций, ИКАО устанавливает согласованные с ведущими странами международные стандарты и правила, необходимые для обеспечения безопасности полетов, эффективности и регулярности международных гражданских воздушных перевозок.

Одной из программ ИКАО является разработанный план перехода от существующих национальных наземных аэронавигационных систем к Глобальной аэронавигационной спутниковой системе (GNSS), что позволит значительно повысить точность навигации и обеспечить безопасность полетов как внутри стран, так и между ними.

Для создания специальной единой опорной геодезической основы определения местоположения воздушных судов в 1989 году ИКАО приняла Всемирную геодезическую координатную систему 1984 года (WGS — 84) в качестве стандартной геодезической системы отсчета для международной гражданской авиации [42]. Кроме того, в средине 90-х годов ИКАО приняты соответствующие документы, регламентирующие показатели точности определения географических координат, основанных на геодезической системе отсчета WGS — 84. Эта система принята также в качестве международной общеземной геодезической системы координат. В Российской Федерации также разработаны параметры аналогичной глобальной системы координат, известной как Параметры Земли — 90 (ПЗ -90).

Уникальность географического и геополитического положения Беларуси и ее воздушного пространства, в котором обеспечиваются кроме внутренних полетов и воздушные сообщения из стран Европы в Россию и страны Тихоокеанского региона, объективно предопределяет важность развития авиационной транспортной инфраструктуры страны.

Таким образом, создание на территории Республики Беларусь аэродромной сети геодезических пунктов в системе координат WGS — 84 является первым шагом на пути интеграции аэронавигационной службы Республики Беларусь с современными международными системами, опирающимися на средства и методы спутниковой навигации, рекомендованные ИКАО для использования во всем мире. Данные разработки и исследования организованы в Беларуси силами белорусских геодезистов по инициативе и непосредственном участии автора настоящей диссертационной работы. Разработкой программы и содержания работ, выборе методики и приборов для их проведения, а также в их практическом исполнении автор руководил и принимал непосредственное участие.

Республика Беларусь первой среди стран СНГ реализовала на своей территории «Высокоточную опорную геодезическую аэродромную сеть» во Всемирной системе координат WGS — 84. Некоторые соседние страны (Польша, Украина, Литва, Латвия, Эстония) выполнили работы по созданию геодезических опор в указанной выше системе координат. Необходимо отметить, что эти работы они выполнили за счет средств и с привлечением западных иностранных фирм и специалистов.

Основной объем производства полевых и камеральных работ выполнен Белорусским научно — производственным объединением (БНПО) «Аэрогеодезия» согласно Договору от 20 марта 1998 года N 200Д-1997/6IX — 98 с Государственным предприятием (ГП) «Белаэронавига-ция» .

В диссертационной работе представлены основные результаты исследований и анализа разработанной технологии определения координат высокоточной опорной геодезической аэродромной сети Республики Беларусь, состоящей из пяти пунктов: Минск — 1, Гомель, Витебск, Гродно и Брест, по данным кодовых и фазовых измерений сигналов навигационных спутников GPS и ГЛОНАСС (Глобальная система определения местоположения) в системе координат WGS — 84. Приводятся разработанные методики выполнения полевых и камеральных работ, анализ количественного и качественного состава наблюдений, метода и технологии выполнения предварительных вычислений и уравнивания координат определяемых пунктов, оценка их точности .

Учитывая отсутствие недостаточного опыта выполнения данных работ как в Республике Беларусь, так и других странах Содружества независимых государств, а также то, что система WGS — 84, как и ПЗ — 90, в Беларуси пока не приняты в качестве государственной системы координат, выполненные работы носят научно — исследовательский (экспериментальный) характер. По нашему мнению, эти исследования могут лечь в основу предложений по выработке государственной программы Республики Беларусь по созданию высокоточной геодезической основы, отвечающей современным требованиям.

Научная ценность выполненных работ, заключается в том, что в основу анализа и разработки методики положены не только результаты экспериментальных исследований на специально созданном для этих целей испытательном полигоне ведомственной аэродромной сети (ВАС), но и реальных производственных спутниковых измерений по определению координат пунктов ВОГАС в глобальной геоцентрической системе координат WGS — 84. Результаты, полученные при построении пунктов ВОГАС, позволяют рекомендовать их использование при определенных условиях в качестве фрагмента модернизированной государственной геодезической основы Республики Беларусь, а также при решении ряда прикладных задач. Диссертационная работа носит экспериментально — научный и производственный характер.

На защиту выносятся следующие положения: разработанная технология построения специальных опорных геодезических сетей в масштабах крупных регионов, таких как Республика Беларусь (на примере построения высокоточной опорной геодезической аэродромной сети) — методика и результаты исследования современного состояния государственной геодезической сети Республики Беларусь.

В настоящую работу включены результаты исследований, выполненных лично автором.

Основные положения диссертации докладывались автором и одобрены на: международной научно — технической конференции, посвященной 220-летию со дня основания МИИГАиК (Москва, 1999 г.) — международной научной конференции «Проблемы комплексного картографирования и создания межрегиональных ГИС стран СНГ» (Минск, 1999 г.) — научно — технической конференции «Землеустройство и земельный кадастр», посвященной 220 — летию государственного университета землеустройства (Москва, 1999 г.) — научно — техническом совете Государственного комитета по земельным ресурсам, геодезии и картографии Республики Беларусь (Минск, 1999 г.) международной научно-технической конференции «Геодезия, картография и кадастры «(Новополоцк, 2000 г.) научной конференции «Жизнь и деятельность ученого, геодезиста и географа генераллейтенанта Иосифа Ивановича Ходьзко.

Актуальность его работ в современных исследованиях. К 200 летию со дня рождения" (Минск, 2000 г.).

По результатам разработок и исследований опубликовано следующее:

1. Ермаков В. И., Мкртычян В. В. В системе координат WGS — 84 // Гражданская авиация — 1999 — № 9 — с. 18−19.

2. Кузнецов Г. И., Мкртычян В. В., Ковалев А. А. Создание в Республике Беларусь основы для модернизации государственной геодезической сети. // Геодезия и картография — 1999, № 7 с. 9−13.

3. Мкртычян В. В. Опыт создания высокоточной опорной геодезической сети в системе координат WGS — 84 на территорию Республики Беларусь. Тез. Докл. На международной научно-техн. конф., посвященной 220-летию со дня основания МИИГАиК — М.: 1999; с. 35−36.

4. Мкртычян В. В. Использование GPS — технологий для модернизации и сертификации ГГС Республики Беларусь. Тез. Докл. На межд. научн. конф. «Проблемы комплексного картографирования и создания межрегиональных ГНС стран СНГ. БГУ, Минск, 1999, с. 130.

5. Мкртычян В. В. Создание высокоточной опорной геодезической аэродромной сети Республики Беларусь в системе координат WGS — 84 — М., 1999, 45 е.- Деп. В ЦНИИГАиК 02. 11. 1999, № 690-гд 99 деп.

6. Соломонов А. А., Бондарук Н. Ф., Мкртычян В. В., Фурман Б. А., Зенькович А. И., Хрусталев В. В. Совершенствование плановой государственной геодезической опоры с использованием спутниковых координатных определений. // Землеустройство и земельный кадастр. Теория, методика, практика. Тезисы докл. научн.-техн. конф., поев. 220-летию ГУ 3. М, 1999, с. 187.

7. Мкртычян В. В. Опыт практического применения спутниковых систем позицирования (GPS-NAVSTAR, ГЛОНАСС)."Геодезия, картография. Кадастры и экология" Труды международной научно-технической конференции г. Новополоцк Полоцкий государственный университет 25−27 октября 20 000 г е.-149 -153.

8. .Мкртычян В. В. Научно-технические принципы построения, модернизации и развития государственной геодезической сети Республики Беларусь. «Жизнь и деятельность ученого, геодезиста и географа генерал-лейтенанта Иосифа Ивановича Ходьзко. 1800−1881.» Материалы международной научной конференции. Минск, 2000.с.24.

9. В. Ю. Минько, В. В. Мкртычян, А. П. Пигин. Трансформирование координат пунктов геодезических сетей из одной системы в другую.

Автоматизированные технологии изысканий и проектирования." 2000 -N.

3(5)-с.19−22.

10. Минько В. Ю., Мкртычян В. В., Пигин А. П. Теория и практика образования местных систем координат в населенных пунктах (производственное справочное пособие). Госкомзем РБ. Минск 2001;31с.

11. Минько В. Ю., Мкртычян В. В., Пигин А. П. Аффинное трансформирование локальных геодезических сетей из одной системы координат в другую по способу наименьших квадратов. Госкомзем РБ. Минск 2001;24 с.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Исследования, представленные в настоящей диссертационной работе, выполнены с целю разработки технологии измерений спутниковыми системами позицирования GPS — ГЛОНАСС при создании ВОГАС Республики Беларусь. Опыта производства и анализа подобных работ в Беларуси, да и в СНГ не имеется. В результате выполненных исследований построена ВОГАС и все гражданские аэропорты Беларуси с 1999 года имеют возможность интегрироваться в международную аэродромную сеть и работать в режиме, регламентированном ИКАО. Поскольку предложенная технология по своей сути, приборному комплексу измерений и, качеству полученных результатов уникальна, она может быть использована в качестве практического применения спутниковых систем позицирования для различных целей как в Беларуси, так и в других странах СНГ.

Результаты экспериментальных, научно-исследовательских и производственных работ использованы при модернизации и реконструкции государственной геодезической сети Республики Беларусь. По итогам исследований и разработок автора можно сделать следующие выводы:

• при развитии специальных геодезических сетей с использованием спутниковых систем позицирования целесообразно использование разработанной технологии построения специальных геодезических сетей.

• Оптимальный выбор места закрепления центра специальных геодезических сетей является основополагающим фактором достижения требуемой высокой точности результатов измерений. При включении в сеть существующих геодезических знаков и при выборе места размещения нового пункта должны обеспечиваться надлежащие условия для выполнения наблюдений: отсутствие препятствий для прохождения и экранирования сигналов со спутника, обеспечение необходимых углов возвышения, возможность выполнения работ круглосуточно и т. д. Особое внимание следует обратить на недопустимость расположения пункта сети вблизи мощных источников радиоизлучения (радиолокатор, линии электропередач и т.

Д.).

Несоблюдение указанных рекомендаций существенно ухудшает точность высокоточных спутниковых определений и даже при значительном увеличении продолжительности сеансов наблюдений (до 3 суток и более) не удается достичь высокой точности определения взаимного положения пунктов.

• антенны спутниковых приемников желательно оснастить отражающими экранами.

• для выполнения наблюдений при развитии высокоточных специальных геодезических сетей рекомендуется использование только двухчастотных спутниковых геодезических приемников как GPS и ГЛОНАСС, а также совмещенных (GPS / ГЛОНАСС).

• при организации работ желательно использовать спутниковые приемники одинаковых фирм — производителей.

• результаты наблюдений необходимо переписывать на жесткие диски персональных компьютеров, при этом обязательно снимать копии файлов с наблюдениями.

• длительность сеансов наблюдений должна иметь продолжительность не менее 3−4 суток, при измерении базисных линий длиной до 300−400 км., а свыше 300−400 км — 5−8 суток.

• дискретность приема сигналов со спутников не менее 15−30 сек.

• минимальный угол возвышения над горизонтом — 15°.

• предварительную и окончательную обработку результатов полевых наблюдений можно выполнять как с использованием программ, прилагаемых к спутниковой аппаратуре фирмами — изготовителями оборудования, а так же адекватными программами других фирм.

Данными исследованиями подтверждается реальная возможность внедрения в картографо — геодезическое производство принципиально и качественно новых измерительных и обрабатывающих технологий, которые закладывают основы формирования и практического применения новых стандартов геодезических измерений, отличающихся большей по сравнению с традиционными технологиями производительностью, технологичностью и, что принципиально важно, существенно большей точностью. Показано особое место и значимость в этом вопросе спутниковых позиционных систем «NAVSTAR» США и «ГЛОНАСС» ' Российской Федерации.

Обоснована и реализована с учетом накопленного опыта по развитию ВОГАС, оптимальная программа создания высокоточных специальных геодезических сетей. Результаты исследований при развитии ВОГАС нашли применение при модернизации государственной геодезической сети Республики Беларусь.

Решены задачи по определению точных параметров связи различных систем координат применяющиеся на территории Республики Беларусь и ее практическому применению.

Последовательно получены две согласованные высокоточные спутниковые сети (ВОГАС и ВГС) покрывающие всю территорию страны и имеющие важное значение при работах по дальнейшему развитию и модернизации ГГС РБ.

Решены задачи по определению точностных характеристик и определению деформаций существующей геодезической сети Беларуси.

Внедрение в геодезическую отрасль Республики Беларусь системы координат СК-95 позволяет найти пути обеспечения точности сети, необходимой для практического использования.

Показаны пути исключения локальных деформаций ГГС связаные с техногенными процессами в районе Речицкого нефтянного месторождения и обеспечения высокой точности АГС.

Для геодезического обеспечения страны на уровне современных требований определена важность и актуальность проведения работ по определению точных карт высот квазигеоида над эллипсоидом Ф. Н. Красовского на всю территорию страны.

Анализ результатов достаточно большого объема спутниковых измерений, исполненных в различных режимах, условиях и различными приемниками, показал возможности рационального применения отработанной технологии полевых и камеральных работ для дальнейшего развития государственной геодезической основы Республики Беларусь.

Выполненные разработки могут лечь в основу государственной программы Республики Беларусь по созданию высокоточной модернизированной геодезической основы, отвечающей современным требованиям и возможностям науки и техники.