автореферат диссертации по геодезии, 05.24.01, диссертация на тему:Разработка проекта построения современнойГосударственной геодезической сети Тунисас использованием спутниковой навигационной системыGPS

" ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ГЕОДЕЗИИ И КАРТОГРАФИИ

На правах рукописи УДК S28-31

Ганем Али

Разработка проекта построения современной Государственной геодезической сети Туниса с использованием спутниковой навигационной системы

GPS.

05 - 24 - 01 - ГЕОДЕЗИЯ.

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук.

Москва 1997.

Работа выполнена на кафедре геодезии Московского Государственного Университета геодезии и картографии.

Научный руководитель - Доктор технических наук

профессор Ю.И.Маркузе.

Официальные оппоненты -Профессор доктор технических

наук Матвеев С.И. Доцент кандидат технических наук Верницкий М.И.

Ведущая организация -Метротонельгеодезия (Минстрой

России).

Защита состоится " " ыньнЯ- 1997 г. в ^^ час. на заседании специализированного совета К.063.01.01 в Московском Государственном Университете геодезии и картографии по адресу : 103064, Москва, К-64, Гороховский пер., д. 4 (ауд.321)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИИГАиК.

Автореферат разослан "¿32 " О & - 1997 г.

Учёный секретарь Диссертационного совета

В.А.Монахов.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы.

В республике Тунис в настоящее время не существует государственной геодезической сети, которая охватывала бы всю территорию страны. Построенная в предыдущие годы сеть обеспечивает лишь 50% территории, лежащей к северу от 34° северной широты. Картографирование страны идёт в мелкомасштабном виде. Существующая сеть ни по точности, ни по строгости математической обработки . не отвечает требованиям народнохозяйственных и инженерно-технических нужд.

В Тунисе, как и во всех странах, по мере развития народного хозяйства возрастают требования к объёмам и качеству топографо-геодезической и картографической продукции. Однако, для северной части Туниса, особенно для побережья, требуется более детальные карты. В целом, для многих регионов требуются карты средних и крупных масштабов.

Для решения этих задач необходимо создать государственную геодезическую сеть, которой в настоящее время нет.

В ближайшей перспективе планируется обновление инфраструктуры дорожных сетей Туниса, развитие гидротехнических сооружений и расширение строительства на протяжённость побережья для развития туризма. Поэтому, есть необходимость создать на всей территории страны современную геодезическую сеть, обеспечивающую решение как научных, так и инженерно-технических задач народнохозяйственного значения, причём не только текущего периода, но и ближайших десятилетий. В связи с этим автору диссертации была поставлена важная актуальная задача - разработать научно обоснованную схему и программу построения современной геодезической сети на всей территории

Туниса, обеспечивающей дальнейшее развитие народного хозяйства страны на должном уровне.

Целью настоящей работы является изучение и разработка схемы и программы построения современной государственной геодезической сети, используя новейшие достижения космической геодезии, связанные с использованием спутниковых геодезических систем GPS, а также хорошо зарекомендовавшие себя на практике классические методы высшей геодезии.

Научная новизна работы:

- Выполнен анализ точности методов построения государственных сетей;

- Составлена программа расчёта точности сетей сгущения;

- Разработан строгий метод расчёта плотности проектирования опорной геодезической сети и сети сгущения Туниса;

- Выполнен тщательный анализ спутниковой технологии и его подготовки к режиму работ;

- Составлена программа "TRANSFER" для объединения спутниковых и наземных сетей;

- Получены результаты программы объединения сетей при уравнивании существующей сети и проектируемой опорной сети;

- Рассмотрены редукционные задачи;

- Составлгны параметрические уравнения оценки точности проектируемой сети;

- Выполнена априорная оценка точности уравненных величин проектируемой геодезической сети. По результатам уравнивания составлен расчёт средних квадратических ошибок длин сторон и азимутов и ошибок положения пунктов в сети;

- Составлен график закономерности распределения ошибок при реализации проекта;

- Сделано сравнение по составленной программе и доказано превосходство точности проектируемой сети над существующей сетью.

Практическая ценность работы;

Результаты выполненного анализа и расчётов могут быть использованы при геодезическом обеспечении построения современной государственной геодезической сети в условиях Туниса. Разработаны рекомендации по использованию спутниковых технологий.

Апробация работы:

Основные результаты работы обсуждены на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных МИИГАиК.

Объём и структура:

Диссертационная работа состоит из введения, 3 глав, заключения и содержит 169 страниц машинописного текста (в том числе 131 страниц основного текста, .19 таблиц , .19 рисунков). Список литературы включает 31 наименование, из них 5 на иностранных языках.

Содержание работы.

Во введении кратко обосновывается актуальность данной работы, сформулированы цели и задачи проекта.

В первой главе даны выводы и описания физико-географических особенностей.

Систематизированы по видам работ существующих геодезических обоснований за всю историю Туниса.

Выполнен детальный анализ по точности каждого вида геодезических, астрономических и гравиметрических измерений.

Приведено описание существующей геодезической, астрономической и гравиметрической сети и целесообразность их использования при проектировании современной Государственной геодезической сети Туниса.

На основании выполненных измерений рассмотрена целесообразность использования геодезических, астрономических, гравиметрических и нивелирных пунктов для перспективного проектирования Государственной геодезической сети Туниса.

По имеющейся информации можно сделать заключение, что астрономическая сеть, сеть трилатерации, нивелирная сеть и гравиметрические пункты могут быть использованы для проектирования сети.

Качество всех произведенных геодезических работ не вызывает сомнений, так как они выполнены квалифицированными специалистами.

К недостаткам выполненных работ следует отнести отсутствие Государственной программы всех геодезических работ, а также их разрозненность в территориальном отношении.

Аппаратура, применяемая при выполнении геодезических работ, соответствовала требуемой точности.

Использованные центры, знаки и марки, при надлежащей их сохранности могут надежно хранить все геодезические сведения; сведениями об обследовании их сохранности мы не располагаем.

Во второй главе из выполненных расчетов сделаем следующие выводы:

Проанализирована возможность создания Государственной геодезической сети с использованием современных спутниковых

технологий. Для этой цели сформулированы основные требования к современной Государственной геодезической сети.

Выполнен расчет плотности опорной геодезической сети и сети сгущения страны со следующими требованиями:

Государственная геодезическая сеть должна удовлетворять современным требованиям к точности положения пунктов во времени и в пространстве, особенно в эпоху использования новых спутниковых технологий типа GPS, которая позволяет по новому решать все практические и научные геодезические задачи, и создавать единую систему координат для всей территории страны.

Современная геодезическая сеть должна служить основой решения практических и научных задач (анализ деформацией земной поверхности, изменение координат во времени, а также изучение различных тектонических явлений и др.)

При составлении проекта топографической съёмки на заданную территорию должна быть тщательно обоснована норма плотности геодезической сети в зависимости от ближайшей перспективы экономического развития методов и техники геодезических и топографических работ и использования достижений новейших технологий GPS.

Норма плотности геодезических сетей нв данной территории должна обеспечивать её топографическую съёмку в заданном масштабе. По точности геодезические сети должны удовлетворять наиболее крупному масштабу съёмки (1:2000), а по норме плотности они должны удовлетворять непосредственно масштабу предстоящих в ближайшее время топографических съёмок.

Требуемая плотность геодезических пунктов при общегосударственном картографировании территории Туниса зависит от масштаба топографической съёмки площади территории, а также от методов создания государственного обоснования.

По формуле

Р

где Р0 = —¡— площадь, обслуживаемая одним пунктом/

S4 4

Р - площадь территории страны; л - число пунктов; S - средняя длина сторон.

Б соответствии с этой формулой рассчитаем количество пунктов геодевической сети Туниса при площади территории страны 164500 км2:

п=164500/7225=22.

В связи с этим среднее расстояние меаду пунктами сети трилатерации равно 85 км, и общее количество пунктов геодезической сети получится равным 22.

В связи с тем, что современную геодезическую сеть Туниса планируется развивать с использованием последних достижений спутниковой технологии GPS, которая коренным образом меняет научные подходы к созданию такого типа сетей, при расчёте плотности пунктов государственной геодезической сети следует использовать площадь обеспечения одним пунктом GPS:

Р г0

где Р0 - площадь, обслуживаемая одним пунктом GPS; Р - площадь территории Туниса;

л=164500/484=340.

На основе этих вычислений решена общая задача по определению количества пунктов GPS, но на реальной территории страны с учётом физико-географических условий реальное количество пунктов нами принято 367.

С учетом современных требований к созданию спутниковых геодезических сетей выполнен расчет общего числа геодезических пунктов для территории Туниса.

Разработана наиболее целесообразная схема построения современной Государственной геодезической сети с использованием СРБ-измерений, причем проектирование осуществлялось с учетом тщательного анализа физико-географических условий страны.

Для надежности создания Государственной геодезической сети проектирование осуществлялось в два этапа. На первом этапе спроектирована каркасная , а на втором — спутниковая сеть(будет приведена далее карта проектируемых сетей).

Рассмотрены вопросы закрепления спутниковой геодезической сети на местности с использованием для этих целей специальных знаков, центров и марок.

Даны практические рекомендации по технологии выполнения спутниковых измерений на территории страны и обработки этих наблюдений. Детально проанализирована технология выполнения спутниковых наблюдений с использованием СРЭ-аппаратуры, так как при планировании ранее описанных дифференциальных измерений необходимо помнить, что наблюдения желательно проводить непрерывно. Во время этих наблюдений желательно наблюдать оптимальное количество спутников (5-8). При планировании работ на предстоящий день необходимо выбрать такой период, во время которого будет оптимальное количество спутников. При наличии препятствий необходимо выбирать такие азимуты, в которых спутники могут беспрепятственно передавать сигналы на приемники. Такая методика ускорит обработку СРЭ-измерений и даст возможность получить наивысшую точность, при условии, что в обработку будут брать только те спутники, которые находились выше 20° над горизонтом.

Даны конкретные рекомендации по переходу от системы координат ¥93-84 в систему координат принятого в Тунисе референц-эллипсоида (к1агк, 1880), а также по последующему пересчету координат на плоскость в проекции Неркатора. Запроектированная геодезическая сеть спутниковых наблюдений, состоящая из 367-ми пунктов, в координатном отношении будет относится к общему земному эллипсоиду, так как се спутники вращаются по соответствующим орбитам, в реальном гравитационном поле. Независимо от страны система координат, в которой осуществляется прием сигналов от спутников, будет общей земной. Для обработки СР5-измерений применяют систему координат ¥СЗ-84,

в целях практического использования спутниковых измерений можно выполнить перевод из системы УСБ-34 в систему координат принятого в стране референц-эллипсоида. В Тунисе принят референц-эллипсоид Кларка, поэтому рассматривая общие соображения по уравниванию, следует перевести из системы ¥05-84 в систему координат референц-эллипсоида Кларка, для использования в практических целях необходимо осуществить переход из системы координат эллипсоида Кларка на плоскость. Для топографических карт ряда стран в настоящее время применяется в шестиградусных меридианных зонах универсальная поперечно-цилиндрическая проекция Меркатора (и.Т.М.). Эта проекция очень близка к проекции Гаусса-Крюгера, только масштабирование ее вокруг осевого меридиана ведется секториально, и длина та равна не единице, а 0,9996 и долгота Ь выражается в радианах при разности долгот в 3°30' и точность вычисления до 0,001 м. В качестве множителя вводится коэффициент £-0.9996.

Нулевые изоколы в проекции (U.T.M.), проходят в обе стороны параллельно среднему меридиану в 200 км от него, и для ее получения существуют различные способы.

В третьей главе на основании геодезической изученности страны и существующей геодезической сети спроектирована модель каркасной геодезической сети. Составлена программа "TRANSFER" для перехода от геодезических координат В,L,H к прямоугольным X,Y,Z и от прямоугольных к плановым x,y,z. При объединении спутниковой и наземной сети, которая входит в проектируемую каркасную сеть, получены результаты уравнивания существующей сети трилятерации (таблица 1), и объединение спутниковой и наземной сети(таблица 2)-доказывающая уменьшение ошибок положения пунктов в проектируемой сети максимально в 3 раза для идентичных пунктов.

Вычисление матрицы обратных весов идентичных пунктов сети

трилатерации и спутниковой сети.

Таблица 1

Номер Q х х Q х у Q У У М (ю)

11 0.35ЭЭ7 -0.9033 2.94224 0.091

10 1.07195 -1.3762 1.97767 0.087

9 0.24519 -0.4386 1.13965 0.059

8 0.07354 +0.0948 1.02075 0.052

7 0.59294 +0.0612 0.09489 0.041

6 0.68060 -0.5228 0.50101 0.054

5 0.08489 -0.1325 0.58723 0.041

4 0.07108 +0.1232 0.41935 0.035

3 0.06171 -0.0268 0.04676 0.016

2 0.00000 +0.0000 0.00000 0.000

1 0.00000 +0.0000 0.00000 0.000

Расчёт ошибок положения пунктов при объединении сетей (спутниковой и наземной)

Таблица 2

№ пунктов М (т) № пунктов М (т)

1 0.000 12 0.031

2 0.000 13 0.031

3 0.003 14 0.023

4 0.009 15 0.038

5 0.010 16 0.037

б 0.013 17 0.046

7 0.016 18 0.055

8 0.012 19 0.063

9 0.010 20 0.056

10 0.015 21 0.074

11 0.017 22 0.099

Выполнена априорная оценка точности проектируемой

геодезической сети Туниса. Составлены параметрические уравнения вычисляемых элементов.

При использовании карты 1:500000 для проектирования государственной геодезической сети Туниса, геодезические высоты пунктов были не определены. Поэтому решили выполнить оценку точности положения геодезических пунктов лишь на поверхности эллипсоида, и разность геодезических высот принять равной нулю. На уровне априорной оценки точности для данного пункта независимо измеряемыми величинами в геодезической сети являются ДВ, ДЬ, При вычислении по программе на компьютере, использовали оба варианта измеряемых величин, и результаты были получены одинаковые.

Разность геодезических координат параметрического уравнения для вычислений на компьютере были следующими:

VBi = - SBN + h

vLi = sL;-sLB + iL

где fia и SL — поправки приближенных координат В и L начального и конечного пунктов для измерений ABi и Д!^ .

Формулы, вычисляющие вес элементов

р —L

2

р = — " о*

дв

Параметрические уравнения поправок стороны на

эллипсоиде имеет вид:

6 + К = + + 4^2 +

Вычисления свободного члена и коэффициентов производятся по формулам:

<£ = -^-«>54° Кг"-у-

где

- - приближённый азимут, широта и длина сторон по приближённым координатам пунктов;

- МиМг - радиусы кривизна меридиана в пунктах 1,2;

- - радиусы кривизны первого вертикала в этих пунктах.

Вычисление свободного члена и коэффициента производится по формулам:

<к\ = — х — япД0,,- =

оог тл т1

N N

Ь=—!соз-З,0«»Ь=——^-соьЗ^созЛ^

т.

т.

{. — ———

Р"

Величины, составляющие параметры формулам :

т определяются по

[?~<И)4

1Г1

«"2 Е-*

- + со sгAZ-tgtB,

К1

Я ■

а

Л*,

К «!+»*. ^-1 + тгё,

1-е1 '

. егсозг£,г

где по приближенным координатам 5° и Ц, решая обратную геодезическую задачу на поверхности эллипсоида находим , А^ и 51г ? N1, N.1, Н;, Н2 — радиусы первого вертикала эллипсоида и кривизны меридиана на пунктах 1 и 2.

Е2-а — квадрат первого эксцентриситета и большая полуось которые были приняты при вычислении земного эллипсоида.

Линейные элементы и поправки и £Ь; выражаются в метрах и секундах дуги соответственно. По следующим формулам находим веса измеряемых геодезических азимутов и сторон:

I

Рл-

"'-5Г-

Условием равенства влияния угловых и линейных измерений

S р- '

точность измерения азимутов А и длин сторон S согласована между собой.

В основу проектируемой сети заложены классические и современные методы использования спутниковых измерений.

Реализовано параметрическое уравнивание проектируемой сети GPS-измерений. Предложенный алгоритм априорной оценки точности в функциях уравненных элементов с использованием современных методик GP5 — измерений.

Используя поля распределения ошибок координат - пунктов, определяемой геодезической сети Туниса, даны весовые характеристики.

В результате полученных данных априорной оценки точности можно заключить, что как каркасная, так и сеть спутниковых измерений может служить основой Государственной геодезической сети Туниса.

Анализ используемого геодезического материала, а также данные проекта геодезической сети Туниса динамично связаны как по точности, так и по возможности их использования в реальных условиях территории страны.

Априорная оценка точности дает основание полагать, что спроектированная сеть спутниковых измерений с заданной густотой пунктов может полностью удовлетворять потребности картографирования вплоть до масштаба 1:1000.

Закрепление пунктов спутниковой геодезической сети может быть реализована с учетом конкретных рекомендаций к использованию всех типов знаков, ранее существующих и предложенных в диссертационной работе для территорий Туниса, причем закрепление пунктов выполнено с учетом физико-географических условий страны.

Система координат, основанная на использовании современных спутниковых GPS — измерений ( VGS-84 ) дает возможность решать различные задачи в единой инерциальной системе координат.

По результатам диссертационной работы даны рекомендации по использованию проекции Меркатора для выполнения сплошного картографирования всей территории Туниса в масштабе 1:5000, а для отдельных регионов в масштабе 1:2000 — 1:1000, в зависимости от финансово-экономического состояния страны.

Анализ исследования в диссертационной работе показал, что принятие единой системы высот, связанной с исходным пунктом Лалулет, дает возможность решать любые государственные задачи по ирригации,, мелиорации с целью решения крупных задач народного хозяйства.

- Функция Г уравненных элементов в которой оцениваются средние квадратические ошибки геодезической сети вычисляются по формуле:

где 1/Рг - обратный вес функции;

ц - ошибка единицы веса. Ошибка спутниковой системы GPS обычно используется в качестве известной величины ошибки единицы веса, которую при проектировании геодезических сетей задают заранее.

При составлении матрицы коэффициентов параметрических уравнений А и симметричной матрицы нормальных уравнений из-за известности состава измеряемых элементов в сети и отсутствии на стадии проектирования сети полевых измерений свободные члены остаются неизвестными. Вычисляется лишь обратная матрица AT'=g уравненных весовых коэффициентов:

Средние квадратические ошибки уравненных широт Б( и долгот пунктов определяются по формулам:

1

Си с» - с.. & Qa Qa ... 3»

.Gal См1 Cms -•• Сига

1

где ц^З. - ошибка единицы веса?

Qe.rQs^QL.r^ ~ диагональные элементы матрицы коэффициентов нормальных уравнений.

Средние квадратические ошибки, т1 и ту получаются из средних квадратических ошибок широты и долготы для которых существуют следующие формулы:

Р

rr. =^b-NcosB P

M и N - главные радиусы кривизны меридиана и первого вертикала

р - величина постоянная: р=2062б5". Практически для вычисления ошибок вместо М и N можно взять Rm - средний геометрический радиус, который вычисляется по формуле:

R^^jMhT}1

Ошибка положения геодезического пункта в соответствии с выше указанными определениями будет вычисляться по формуле:

т1 - \]т1 + ту

При вычислении средних квадратических ошибок азимута и длин сторон целесообразно использовать формулы, которые часто встречаются в практических вычислениях:

где tb и ts - весовые функции (векторы-столбцы).

ij и ?J- транспонированные векторы - столбцы.

Q - матрица 4-ого порядка, в которой соответствующие поправки вводятся в соответствующие координаты

(0», Qb^ Qtjg, Q^

С

Методика вычисления ошибок азимутов и длин сторон получена на основании классических формул, которые в настоящее время используются при априорной оценке точности.

Приведены результаты априорной оценки точности для каркасной сети Туниса.

В результате анализа таблиц можно заключить, что в среднем ошибка длин сторон 0,067, а в азимутах 0,06 при максимальной длине сторон 180 км и минимальной - 60 км. Всего в каркасной сети анализировалось 45 длин сторон, которые равномерно запроектированы по всей территории страны с учетом частично выполненных измерений. По результатам априорной оценки точности построена карта поля ошибок, по ней видно, что начиная от исходного пункта, Лагулет изолинии ошибок равномерно расположен на карте. Некоторые искривления приведенных ошибок на карте, которые отличаются от строгого концентрического расположения, связаны с тем, что при снятии приближенных координат с карты были допущены ошибки при интерполировании приближенных координат.

В целом, по полю распределения ошибок, которые показаны изолиниями, можно сделать вывод, что б целом запроектированная сеть может служить основой государственной геодезической сети Туниса при использовании современных спутниковых технологий.

j

Таблица 3

№ Оцениваемые элементы Величина ср. Кв. Ошибки, м.,"

1 Число пунктов 22

2 Длины сторон 180:60

45

0.05:0.09

0.067

6.0x10"''

3 Азимуты сторон

0.07:0.09

0.08

4 Координаты пунктов

М**

Мшд:Ми1ш , ц

МсрЦ 0.06:0.08

0.07

Анализ используемого геодезического материала, а также данные проекта геодезической сети Туниса динамично связаны как по точности , так и по возможности их использования в реальных условиях территории страны.

Априорная оценка точности дает основание полагать, что спроектированная сеть спутниковых измерений с заданной густотой пунктов - может полностью удовлетворять потребности картографирования вплоть до масштаба 1:1 ООО.

IJB 2.2

го

2J

Заключение

В диссертационной работе выполнены аналитические исследования о целесообразности разработки проекта Государственной геодезической сети с использованием современных спутниковых технологий измерений по рекомендации Тунисской Геодезической Службы на основе изучения опыта выполнения подобного вида работ в развитых странах:

- изучена вся территория Туниса в физико-географическом и геодезическом отношениях;

- проанализированы ранее выполненные геодезические , астрономические и гравиметрические работы;

- доказано, что существующие данные по всем указанным параметрам не смогут решать конкретные государственные задачи по обеспечению геодезическими координатами в любом регионе страны?

- картографические материалы, существующие в настоящее время, вплоть до масштаба 1: 25 ООО не могут удовлетворять возрастающим потребностям развития народного хозяйства страны;

- принято решение о создании принципиально новой Государственной геодезической сети , которая позволила бы решать не только текущие задачи, но и быть надежной основой для реализации перспективных проблем Туниса .

Опыт развития и создания геодезического обоснования показывает, что современная спутниковая система СРЗ - измерений должна быть основой всех будущих проектов по обеспечению координатной основы любых задач геодезии .

Рассчитанная плотность пунктов дает возможность построить такую геодезическую сеть , которая могла быть перспективой для решения любых задач народного хозяйства и обороны страны.

Для высотного обоснования в диссертационной работе умело использовались существующие материалы по нивелированию I и II классов , а также- использование всех пунктов GPS для обеспечения высотной основы всех регионов страны.

Используемый алгоритм для выполнения априорной оценки точности, предложенной Государственной геодезической сети , по результатам анализа поля распределения ошибок дает основания утверждать, что предложенный проект спутниковой и каркасной геодезических сетей может служить основанием для реализации проекта.

Список работ, опубликованных по теме диссертации и докладов на коференциях.

X.статья "Методика вычисления координат мобильной станции, оборудованной приёмником GP5." в журнале "Геодезия" № 5 1997 г.

2.Доклад на научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных МИИГАиК 23 апреля 1997 г.(Проект построения современной государственной геодезической сети Туниса с использованием спутниковой навигационной системы GPS).