Теоретические основы и практическая реализация координатного обеспечения спутниковой системы межевания земель: проект «Москва»

Спутниковые технологии прочно вошли в практику геодезического производства и другие сферы научной и хозяйственной деятельности человека. Их важность для геодезического производства в России подтверждена документами и решениями на государственном уровне, такими, как Федеральная целевая программа (ФЦП) «Глобальная навигационная система"[1], ФЦП «Создание автоматизированной системы ведения государственного земельного кадастра и государственного учёта объектов недвижимости (2002;2007 гг.)"[14], Решение Межведомственного совещания 1 декабря 2004 года по вопросу «Государственная политика в области геодезии и картографии"[9]. Роль и значение спутниковых технологий в создании современной координатной основы в России отражены в «Основных положениях о государственной геодезической сети Российской Федерации"[6].

Основным техническим средством создания современной координатной.

I ' основы России в соответствии с вышеназванными ФЦП [1,14] является отечественная глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС) ГЛОНАСС.

Преимущество спутниковых технологий перед классическими технологиями (триангуляцией и полигонометрией на основе оптико-механических и оптико-электронных средств измерений) заключается в более высокой эффективности, основанной на более высокой точности и производительности, высокой автоматизации измерительных и вычислительных процессов, возможности оперативного получения результатов независимо от погодных условий и времени суток, условий взаимной видимости между пунктами наблюдений, и как следствие, более низких затратах на производство единицы продукции [9,11].

Актуальность темы

диссертации. Активная работа по внедрению спутниковых технологий ведётся в области кадастра недвижимости, что предусмотрено соответствующей Федеральной целевой программой [14]. В 5 землеустройстве, впервые в Российской Федерации, внедрены две Спутниковые системы межевания земель (проекты «Москва» и «Санкт-Петербург»), основанные на использовании постоянно действующих сетей референцных станций. Это качественно новый уровень развития применяющихся в последнее время спутниковых технологий. Они обеспечивают ещё более высокую эффективность по точности, производительности и себестоимости продукции.

В мире все экономически развитые страны применяют новую технологию, основанную на работе постоянно действующих сетей референцных станций (SAPOS в Германии, SWEPOS в Швеции, GEONET в Японии, CORS в США и т. д.), которая обеспечивает точность в режиме постобработки на уровне средней квадратической ошибки 1 см и в режиме реального времени 2−3 см [18,24].

Спутниковая система межевания земель (проект «Москва») внедрена в 2004 г. на основе Соглашения между Правительствами Российской Федерации и Швейцарской Конфедерации от 30 марта 2001 г., одобренного постановлением Правительства Российской федерации от 9 июля 2001 г. № 525. Название Спутниковой системы межевания земель отражает ведомственную принадлежность Системы, по существу же она имеет более широкое применение, чем просто межевание земель, в связи с чем в дальнейшем будем именовать её Спутниковой системой точного позиционирования или сокращённо Спутниковой системой.

В условиях неполного развёртывания системы ГЛОНАСС и безотлагательного выполнения ФЦП [14] Спутниковая система (проект «Москва») реализована на основе системы GPS. При полном развёртывании системы ГЛОНАСС она без особых технических затруднений может быть перенастроена на использование системы ГЛОНАСС или совместное использование двух систем. Приобретённый опыт её внедрения и эксплуатации будет востребован для быстрейшего внедрения новой технологии на основе отечественной системы ГЛОНАСС.

Данная Спутниковая система состоит из 22 референцных станций, 6 расположенных на территории г. Москвы и Московской области, вычислительного центра (ВЦ) и приборного пула из 50 двухчастотных спутниковых приёмников. ВЦ связан с референцными станциями высокоскоростными каналами связи, по которым измерительная информация, полученная от спутников ГНСС, в непрерывном режиме поступает в ВЦ. ВЦ организует работу в двух режимах. В режиме постобработки по измерительной информации референцных станций и пользовательской аппаратуры вычисляются координаты объектов со средней квадратической ошибкой 1″ см [24]. В режиме реального времени ВЦ вычисляет, формирует и передаёт пользователям корректирующую информацию (дифференциальные поправки к кодовым и фазовым измерениям) по каналу мобильной связи (GSM). Обрабатывая совместно корректирующую информацию и спутниковую информацию, полученную на объекте с помощью полевого приёмника, пользователь в течение 1 минуты определяет координаты объекта со средней квадратической ошибкой 2−3 см [24].

Координаты объекта в обоих режимах вычисляются в системе координат ITRF2000, в которой определены координаты референцных станций. Затем, по запросу пользователя они могут быть перевычислены в любую другую систему координат, использующуюся на территории г. Москвы и Московской области. Для этого Центром спутниковых технологий ФГУП «Госземкадастрсъёмка» -ВИСХАГИ разработана соответствующая технология и на территорию г. Москвы и Московской области получены параметры трансформирования координат объектов из системы ITRF2000 в государственные и локальные системы координат, в том числе в системы координат СК-95, СК-42, СК-63, Московскую городскую (МГТС). Высоты объектов могут быть вычислены в геодезических системах и Балтийской системе высот со средней квадратической ошибкой 6 см [43].

Спутниковая система обладает также способностью определять координаты объектов со средней квадратической ошибкой первых единиц миллиметров, что 7 открывает возможности применения Спутниковой системы для мониторинга геологической среды, в том числе определения смещений грунтов (например, оползней) и сооружений (например, зданий повышенной этажности), крупных природных образований, например, участков земной коры и разломов в ней, территорий, подверженных техногенным воздействиям, например, Московского мегаполиса или его локальных областей (типа Нагатинской поймы) и т. д.

Внедрение Спутниковой системы потребовало проведения ряда сложных мероприятий. Основными среди них явились:

• подбор мест установки референцных станций и вычислительного центра;

• монтаж и наладка оборудования и программного обеспечения;

• освоение обслуживающим персоналом аппаратно-программных средств;

• испытания отдельных компонентов и Спутниковой системы в целом;

• создание геодезической инфраструктуры;

• разработка нормативной технической и финансовой документации" по обслуживанию пользователей;

• организация эксплуатации Спутниковой системы.

Автор участвовал в реализации этих мероприятий. Но главнымvпредметом его деятельности стало создание геодезической инфраструктуры в части практической реализации координатной основы Спутниковой системы, основным содержанием которой стали геодезическая привязка сети референцных станций к системе координат ITRF2000, мониторинг созданной координатной основы, методы её применения для решения практических задач, в первую очередь, координатного обеспечения кадастра недвижимости.

Важность и актуальность решения этих задач заключается в важности и актуальности задач координатного обеспечения кадастра на основе спутниковых технологий. Для обеспечения высокой точности определения границ земельных участков, координат объектов в государственных и местных системах координат необходимо с ещё более высокой точностью определить координаты референцных станций в геоцентрической системе координат ITRF2000, а затем получить и применить локальные параметры перехода из системы ITRF2000 в государственную и местные системы координат. Опубликованные параметры перехода [29] не решают задачи с необходимой для земельного кадастра точностью, поскольку представляют эту связь глобально, на территорию всей страны или крупных регионов, в то время как геодезические сети, особенно созданные традиционными методами, в том числе ГГС, имеют различного рода локальные искажения (деформации) [11,31,40]. В такой ситуации, чтобы получать координаты объектов, согласованные с координатами пунктов геодезической сети, находящихся в районе работ (локальной^ области), необходимо в этой локальной области определять параметры трансформирования. Такой локальной областью может быть территория субъекта Российской Федерации, например, Московская, область или её отдельный район, или отдельная картографическая трапеция. Задача определения параметров трансформирования в локальнойобласти будет актуальной до тех пор, пока точность Государственной геодезическойсети не сравняется с точностью геодезической сети, создаваемой с помощью спутниковых технологий, то есть не достигнет средней квадратической ошибки взаимного положения пунктов на уровне 1 см или менее.

Вместе с тем Спутниковая система может быть использована не только для координатного обеспечения кадастра. Она может быть применена при решении задач геодезии, в строительстве, при мониторинге смещений грунтов и сооружений, в других сферах хозяйственной деятельности, где требуется определение координат объектов на уровне средних квадратических ошибок первых единиц миллиметров. Для этого, наряду с практической реализацией координатной основы Спутниковой системы, необходимо разработать, испытать и внедрить методическую основу, обеспечивающую эту точность.

Вышеизложенное является обоснованием актуальности темы диссертации и решаемых в ней задач.

Цель диссертации. Целью диссертации явились разработка методов создания и мониторинга координатной основы Спутниковой системы (проект «Москва»), практическая реализация координатной основы путём геодезической привязки сети референцных станций к системе координат ITRF2000, разработка, испытание и внедрение метода мониторинга смещений грунтов и соружений.

Для достижения цели диссертации решались следующие задачи:

1. обоснование требований к точности координатного обеспечения кадастра недвижимости и на основе этого обоснование требований к точности создания координатной основы Спутниковой системы.

2. разработка методов создания и мониторинга координатной основы Спутниковой системы.

3. практическая реализация координатной основы Спутниковой системы в виде координат референцных станций в системе координат ITRF2000.

4. разработка, испытание и внедрение метода мониторинга смещений грунтов и сооружений с применением Спутниковой системы:

Методы исследований. Для разработки теоретических вопросов и получения числовых результатов при решении задач, поставленных в диссертации, использованы методы космической геодезии, математической статистики, компьютерных технологий.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Обоснование требований к координатной основе Спутниковой системы.

2. Разработка методов создания и мониторинга координатной основы Спутниковой системы.

3. Практическая реализация координатной основы Спутниковой системы в виде координат референцных станций на конкретные эпохи.

4. Разработка метода мониторинга смещений грунтов и сооружений с.

10 помощью Спутниковой системы. Научная новизна. Новыми научными результатами являются:

• обоснование требований к координатному обеспечения кадастра недвижимости и на этой основе обоснование требований к координатной основе Спутниковой системы.

• методы создания и мониторинга координатной основы Спутниковой системы.

• метод мониторинга смещений грунтов и сооружений с использованием Спутниковой системы.

• вывод условий оптимизации определения и применения параметров перехода между плоскими системами координат.

Практическая значимость. Практическая значимость результатов, выносимых на защиту, заключается в том, что созданная при участии автора координатная основа обеспечивает эффективное применение Спутниковой системы (проект «Москва») при решении координатных задач широким кругом пользователей. В первую очередь это относится к координатному обеспечению кадастра недвижимости на территории г. Москвы и Московской областии к координатному обеспечению строительства. Спутниковая система используется более чем 50 частными и государственными землеустроительными и геодезическими предприятиями для определения границ землепользований, планово-высотной подготовки аэрофотоснимков, определения* координат центров фотографирования при аэрофотосъёмке, разрешения земельных споров. С её применением в качестве высокоточного измерительного средства спроектирована и создана геодезическая инфраструктура аэропорта Домодедово (НФП «Талка-TDB») и аэродрома ЛИИ им. Громова (г.Жуковский). Спутниковая система активно используется ГУЛ «Мосгоргеотрест» при геодезическом обеспечении строительства на территории г. Москвы, предприятием ПК «Румб» при проектировании и строительстве 4-го транспортного кольца и реконструкции Ленинградского шоссе в г. Москве,.

Институтом физики Земли РАН при изучении смещений грунтов и сооружений в пойме Москва-реки, Московским областным БТИ при координировании объектов недвижимости, ФГУП «НИиПИградостроительства» Московской области при планировании территорий и т. д.

Реализация основных результатов. Основные результаты, полученные в диссертации, внедрены в Спутниковой системе (проект «Москва»), которая используется, как отмечено выше, для координатного обеспечения кадастра недвижимости, строительства, а также в других сферах деятельности на территории г. Москвы и Московской области государственными и частными предприятиями, перечисленными в предыдущем разделе.

Аппробация работы: Аппробация работы осуществлена на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных МИИГАиК 2006 и 2007гг., на конференции ФГУП «Госземкадастрсъёмка— ВИСХАГИ» в 2007 г.

Публикации по теме диссертации. Основные результаты исследований опубликованы в 3 научно-технических статьях [20,21,22], из которых две [21,22] подготовлены самим автором, одна [20] в соавторстве, содержатся в 2 [42,44] научно-технических отчётах и 4 технических отчётах [47,48,49,50], разработанных и утверждённых ФГУП «Госземкадастрсъёмка» -ВИСХАГИ.

Структура и объём работы. Диссертация содержит 182 страницы машинописного текста, состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка использованной литературы. В работе представлены 43 таблицы и 59 рисунков.

выводы. Экспериментальные исследования возможностей Спутниковой системы по мониторингу смещений грунтов и сооружений выполнены в двух вариантах. Первый вариант заключался в мониторинге смещений при относительно благоприятных условиях наблюдений, когда объектом мониторинга являлась референцная станция Ершово с полностью открытой для.

168 наблюдений верхней полусферой, относительно хорошо защищённая от помех, в том числе и от влияния многолучёвости, с одно и четырёхсуточными интервалами наблюдений. Это позволило построить модель собственного движения объекта мониторинга и определить координаты с точностью на уровне средних квадратических ошибок первых единиц миллиметров, выявить понижение точности определения координат в зимние месяцы по невязкам в замкнутой фигуре, применив математический аппарат в виде рядов Фурье.

Второй вариант исследований основан на производственном материале, полученном при неблагоприятных условиях спутниковых измерений. Объектом мониторинга послужил склон к Москва-реке в районе Борисовских прудов. Но и в этих условиях сходимость результатов, полученных в две даты наблюдений, оказалась на уровне первых единиц миллиметров. Превышения также получены с этой точностью. Сравнение результатов, полученных по представляемой спутниковой технологии, тахеометрией и геометрическим нивелированием, показало, что плановые координаты при 12-часовом интервале наблюдений с использованием в качестве опоры 6 референцных станций определены со средними квадратическими ошибками 2−3 мм, а превышения — со средними квадратическими ошибками 3−4 мм. Приближение условий спутниковых наблюдений к оптимальным будет повышать точность до уровня, полученного в первом варианте.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В соответствии с поставленной целью в диссертации решены, по мнению автора, задачи по разработке методов создания и мониторинга координатной основы Спутниковой системы (проект «Москва»), её практической реализации, мониторинга смещений грунтов и сооружений с использованием самой Спутниковой1 системы. Непосредственно’автором при разработке диссертации получены’следующие результаты, которые выносятся на защиту:

1. Обоснованы требования к координатной основе Спутниковой-системы. Основными из них являются требования' к точности геодезической привязки сети референцных станций* к системе координат ITRF2000 со средней квадратической ошибкой" менее 5 см по каждой из координат, определение взаимного положения референцных станций со средней квадратической ошибкой 1 см. по каждой координате, а для референцных станций, участвующих в мониторинге смещений" грунтов, и сооружений, взаимное положение должно быть, определено1 со средней квадратической^ ошибкой на уровне первых единиц миллиметров. Предложения автора по координатному обеспечению кадастра сведены к изменению требований к точности координат поворотных точек границ* земельных участков, точности координат и плотности пунктов ОМС. С внедрением новой технологии на базе сети референцных станций можно отказаться от закладки пунктов ОМС, используя" вместо них пункты Г1ГС и референцные станции Спутниковой системы. Это гарантирует определение координат поворотных точек границ земельных участков со средней квадратической ошибкой 3 см.

2. Разработаны методы создания и мониторинга координатной основы Спутниковой системы с экспериментальным подтверждением их эффективности. Они предусматривают несколько вариантов привязки сети референцных станций к системе координат ITRF2000. С точки зрения временных затрат целесообразным является вариант привязки к ITRF2000.

6−7 центральных референцных станций, а затем привязка к ним остальных 15−16 станций. Мониторинг координатной основы предусматривает периодическое определение координат всех референцных станций в системе координат ITRF2000, определение взаимного положения станций с точностью на уровне средней квадратической" ошибки менее одного-сантиметра и первых единиц миллиметров, что предполагает создание моделей собственных движений референцных станций, как функций времени. Для этого автором использованы" тригонометрические ряды Фурье, позволяющие наиболее просто решить задачу и выполнить анализ результатов.

Созданная и, поддерживаемая на требуемом-уровне точности координатная основа позволяет Спутниковой системе решать все координатные задачи по обеспечению создания государственного кадастра, недвижимости. Для этого с. использованием самой Спутниковой системы определяются параметры перехода от системы координат ITRF2000' к государственной (СК-95) и местным системам' координат. Переход к местным системам координат осуществляется! по 4-х-параметрическим формулам. Оптимальными условиями решения этой задачи является использование не менее 4-х пунктов с известными координатами в обеих системах и расположение координируемого объекта внутри фигуры, образованной этими пунктами.

3. Осуществлена практическая реализация координатной основы в виде координат референцных станций в системе ITRF2000; уточняемых 1—2 раза в год. Разработанный метод позволил осуществить привязку референцных станций к системе координат ITRF2000 со средней квадратической ошибкой менее 1 см по каждой координате, осуществить мониторинг, который подтвердил точность привязки на уровне средней квадратической ошибки менее 1 см. Для этого автором в системе координат ITRF2000 по 45 суточным интервалам измерений в апреле и октябре 2004 г, в марте 2005.

171 г определены координаты 22 референцных станций и обоснованы их точностные характеристики. В качестве окончательного варианта приняты координаты от октября 2004 г, поскольку мониторинг не выявил заметных смещений координат референцных станций. Подтверждением высокой точности координат референцных станций стал сертификат соответствия, выданный ВНИИМС Госстандарта России № 03.009.0293 от 31.10.2005 г. На основе разработанного метода определены модели собственных движений ряда референцных станций, которые обеспечивают точность взаимного положения станций на уровне ошибок первых единиц миллиметров и используются г при осуществлении мониторинга смещений, грунтов и сооружений. Доказательством состоятельности проведённых работ по вычислению координат референцных станций, мониторингу их положения, а соответственно и разработанных методов, стало совпадение полученных автором результатов с результатами) ранее проведённых исследований традиционными геодезическими * методами. Обеими технологиями обнаружено вековое смещение (оседание)' южной части Московского мегаполиса со скоростью 3 мм в год.

4. Разработан метод мониторинга смещений грунтов и сооружений с использованием Спутниковой системы, получено экспериментальное подтверждение его эффективности. Метод основан на вычислении координат объекта в следующие друг за другом моменты времени по измерительной информации, поступающей с самого объекта, и с нескольких (не менее трёх) референцных станций. Математической моделью являются временные ряды Фурье, аппроксимирующие смещения на любом по длительности интервале времени. Экспериментальное подтверждение метода осуществлено при благоприятных условиях наблюдений, когда в качестве объекта мониторинга выбрана референцная станция Ершово, и в производственных (неблагоприятных) условиях наблюдений при мониторинге смещений грунтов на склоне к Москва-реке.

При благоприятных условиях наблюдений мониторинг может быть осуществлён на уровне средней квадратической ошибки по каждой координате 1 мм, при неблагоприятных — на уровне средней квадратической ошибки по каждой координате первых единиц миллиметров. Сравнение результатов мониторинга в пойме Москва-реки, полученных спутниковой и традиционными1 технологиями^ (тахеометрия, нивелирование) подтвердило приведённые точностные характеристики. Перечисленные результаты внедрены* в производственную деятельность Спутниковой системы: Данная! Спутниковая система широкоиспользуется государственными ичастными, предприятиями в работах по геодезическому обеспечению кадастра недвижимости, строительства, планирования территорий, мониторинга смещений грунтов и сооружений.

По теме диссертации, автором* самостоятельно и в соавторстве опубликованььработы:

1. Бойков А. В. О выводе параметров связи систем координат WGS-84 и. СК-63. Известия.вузов. Геодезия и картография. Москва. 2006: № 5.

2. Бойков А. В". О координатном, обеспечении референцных станций Спутниковой системы межевания земель. Известия вузов. Геодезия и картография. Москва. 2007. № 1.

3. Бойков, А.В., Булаева Е. А., Монахова М. А. Возможности Спутниковой системы по высокоточному определению координат объектов. Геодезия и картография. № 8.2006. с.5−10.

Аппробация работы осуществлена на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных МИИГАиК 2006 и 2007 гг., на Конференции ФГУП «Госземкадастрсъёмка-ВИСХАГИ» в 2007 г.

Автор выражает искреннюю благодарность руководству ФГУП «Госземкадастрсъёмка"-ВИСХАГИ и коллективу Центра спутниковых технологий за помощь в работе над диссертацией.