Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Разработка технологии дифференциальных фазовых GPS-измерений применительно к территории Сирии
ВАК РФ 25.00.32, Геодезия

Автореферат диссертации по теме "Разработка технологии дифференциальных фазовых GPS-измерений применительно к территории Сирии"

На правах рукописи

Мусбах Асаад Али

Разработка технологии дифференциальных фазовых GPS - измерений применительно к территории Сирии

Специальность 25.00.32. - Геодезия

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 9 МАЙ 2011

Москва 2011

4847430

Работа выполнена в Московском государственном университете геодезии и картографии (МИИГАиК) на кафедре высшей геодезии

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Анатолий Николаевич Голубев

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Станислав Николаевич Яшкин

кандидат технических наук, профессор Владимир Кондратьевич Писаренко

Ведущая организация: Центральный научно-исследовательский

институт геодезии, аэросъемки и картографии (ЦНИИГАиК)

Защита состоится _2_ ¿№#9 2011г. в _часов на заседании диссертационного совета Д 212.143.03 в Московском государственном университете геодезии и картографии (МИИГАиК) по адресу: 105064, Москва, Гороховский переулок, дом 4, зал заседаний Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета геодезии и картографии (МИИГАиК).

Автореферат разослан 29_ 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета —Ю.М.Юшмков

2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Существующая на территории Сирии геодезическая сеть, созданная в результате работ, проведенных в разные годы французскими, советскими и сирийскими специалистами, не отвечает современным требованиям, поскольку при ее построении были допущены существенные ошибки, приведшие к ее деформации. Поэтому возникает необходимость обновления сети, которое должно выполняться с применением современных методов спутникового позиционирования. Это весьма масштабная и актуальная задача, при решении которой следует не только использовать известные методы, открываемые применением глобальных спутниковых систем, но и исследовать новые возможности усовершенствования этих методов.

Цель работы. Выполнение теоретических и экспериментальных исследований для разработки новой технологии получения дифференциальных поправок при фазовых СРБ-измерениях, обеспечивающей повышение точности определения вектора базы (СРБ-дальнометрии) для построения векторных геодезических сетей в Сирийской Арабской Республике и работ метрологического назначения. Целью диссертационной работы было также исследование особенностей спутниковых наблюдений на территории Сирии.

Научная новизна. Впервые предложен метод определения дифференциальных поправок, которые могут вводиться непосредственно в конечный результат фазовых измерений - разности одноименных координат двух пунктов, на которых установлены спутниковые приемники. Новизной отличаются также исследования геометрического фактора на территории Сирии, в результате которых выработаны рекомендации по обеспечению оптимальной геометрии наблюдений.

з

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Анализ и систематизация сведений о современном состоянии государственной геодезической сети Сирии.

2. Метод дифференциальных фазовых СРБ-измерений с введением разност-но-координатных поправок.

3. Аналитические выражения для разностно-координатных поправок при фазовых измерениях.

4. Результаты экспериментальной проверки метода на геодезических сетях.

5. Особенности геометрического фактора при спутниковых наблюдениях в Сирии.

6. Исследование связи существующей национальной системы координат Сирии с результатами спутниковых измерений.

Практическая ценность работы. Повышение точности определения координат и веетора базы для построения векторных геодезических сетей на территории Сирии.

Апробация работы. По результатам выполненных исследований по теме диссертации опубликованы четыре статьи в журналах, рекомендованных ВАК России, а также тезисы доклада на научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК (Москва, апрель 2011).

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с подразделами, заключения, списка литературы из 38 наименований и приложения. Работа изложена на 96 страницах машинописного текста, содержит 13 таблиц, 25 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, указываются цель и задачи, раскрываются научная новизна работы, практическая значимость полученных результатов.

В первой главе - «Современное состояние геодезической сети на

4

территории Сирии» - рассмотрены этапы построения сети, требования к геодезическим сетям и особенности их создания в Сирийской Арабской Республике, (рис. 1).

Приводятся сведения о геодезических работах, проведенных французскими геодезистами и затем советскими специалистами на территории Сирии. Отмечено, что в результате выполненных измерений Сирийская государственная сеть оказалась состоящей из нескольких частей, построенных независимо друг от друга и в разное время, что ставит актуальную задачу связать эти сети и на их основе построить единую государственную геодезическую сеть для всей страны. Перечислены условия, которым должна удовлетворять государственная сеть Сирии, и даны некоторые рекомендации по ее созданию с применением современных спутниковых технологий.

Кроме того, содержатся общие сведения о наиболее распространенных проекциях, применяющихся для математической обработки результатов геодезических измерений в настоящее время в Сирийской Арабской Республике: • Универсальная поперечно-цилиндрическая проекция Меркатора (1ЛМ) как общегосударственная для целей обороны, где в качестве поверх -

ности относимости используется эллипсоид вращения с параметрами Хей-форда 1924 г.;

• Коническая проекция Ламберта с параметрами эллипсоида вращения Кларка 1880 г. для создания общегосударственных топографических карт гражданского назначения;

• Стереографическая проекция Руссиля на секущей плоскости с параметрами эллипсоида Кларка 1880 г. для целей кадастра и для геодезических работ местного значения в Сирийской Арабской Республике.

Во второй главе - «Режимы работы глобальных спутниковых систем» - даны основные характеристики существующих в настоящее время космических навигационных систем, включая краткое описание абсолютных и относительных определений, кодовых и фазовых измерений, дифференциального метода при кодовых измерениях. Приводятся сведения о точности определения положения пунктов спутниковыми методами и использовании спутниковых систем при геодезических работах.

В третьей главе - «Получение дифференциальных поправок из фазовых измерений» - излагается предлагаемый в работе метод определения раз-ностно-координатных поправок, выводятся аналитические выражения для этих поправок, описывается экспериментальная проверка метода на геодезических сетях и приводятся соображения об уточненной ОРБ-дальнометрии.

Основная идея предлагаемого в работе метода заключается во введении дифференциальных поправок непосредственно в разности координат, получаемые из фазовых измерений. В какой-то степени это распространение на фазовые измерения способа, используемого при кодовых измерениях.

Как известно, при дифференциальном методе кодовых измерений на референцной станции, установленной в точке с известными координатами, вычисляются по координатам станции и спутника «эталонные» расстояния и сравниваются с измеренными псевдодальностями, в результате чего получают дифференциальные поправки, передаваемые на роверный приемник. На

референцной станции могут также вычисляться не расстояния, а разности

б

между известными координатами этой станции и координатами, определенными по измерениям в автономном режиме, и этими разностями исправляются координаты роверного приемника. Такой дифференциальный метод, как уже было сказано, применяется при кодовых измерениях.

Если использовать фазовые измерения, то открывается новая возможность получения дифференциальных поправок. Опуская некоторые детали, суть метода, с принципиальной точки зрения, можно пояснить следующим образом.

Два приемника А и В устанавливаются в пунктах с известными координатами. По этим координатам вычисляются три «эталонных» разности одноименных координат пунктов: (ХА - Хв), (УЛ - Ув), - гв). В результате фазовых измерений получают три те же разности, которые будут отличаться от вычисленных. Расхождения между вычисленными (эталонными) и измеренными разностями будут представлять собой поправки, которые вводятся в измеренные разности на других трассах, когда приемники устанавливаются в точках с неизвестными координатами. Поскольку по разностям координат можно вычислить длину трассы:

о = у/(хА - хву + (УА - Уву + (гА - 1ву (1)

то введение поправок в измеренные разности координат на других трассах позволяет получить исправленные значения их длин (а если на этих трассах один из приемников находится в точке с известными координатами, то можно, как обычно, получить и исправленные значения координат второго приемника).

Отличие метода от существующих состоит в том, что в начале работ оба приемника устанавливаются в пунктах с известными координатами (точнее, на концах известного базового вектора), в то время как при фазовых измерениях во всех кинематических режимах, в том числе и 11ТК, на твердом пункте устанавливается только один из двух приемников (базовая станция). В режиме статики иногда устанавливаются и оба приемника в твердых пунктах, но это осуществляется только для инициализации (разрешения неодно-

7

значности) и при этом не определяются дифференциальные поправки. Другое отличие метода заключается в том, что поправки вводятся сразу в конечный продукт фазовых измерений - в разности координат, в то время как в известном способе получения дифференциальных поправок при фазовых измерениях они вводятся в фазовые дальности, содержащие числа неоднозначности, В настоящей работе подробно исследован предлагаемый метод и выполнена его экспериментальная проверка на геодезических сетях.

Преимуществом предлагаемого метода является возможность создания уточненной GPS-дальнометрии, которая может использоваться для построения пространственной векторной геодезической сети и в работах метрологического назначения.

Как известно, вторая фазовая разность, выраженная в линейной мере (вторая разность фазовых псевдодальностей Р1', где индексы 1 и i обозначают номера двух спутников) связана с координатами двух спутников (X¡,Y¡,Z¡), (Xí,Yí,Z¡) и приемников (Х.\,У.\Лл), (Xn,Yi¡,Z¡¡) соотношением:

Ри ~хл? +0',-УАУ -za? -yBf +(z, -zj -

-y¡(- +(r¡-rAT +(Zi-ZAf +T¡(xi-xriY +(z,-znY +

+ ¿A я , (2)

где ¿>A'á - двойная разность атмосферных задержек, отражающая остаточное влияние атмосферы на трассах распространения сигналов от спутников 1 и / к пунктам А и В.

Вторые разности Ph содержат в себе вторые разности геометрических расстояний от приемников А и В до спутников 1 и i вида {р\-р\)-{р\ - p',¡)-Любая разность р'д - р'„, где j равно 1 или i, зависит от составляющих базисного вектора D = АВ:

Ра~Рв= ajDx +bjDy +с jDz , (3)

где aJ.Xj~Xep-,bj.r'~r'p\cJ.Z/~Zep- ;

Pcp.j ^cp-j ^cp-j

ХСР = А + Л' в}УСР =^(УА +Гв\7-СР = }(2А

РСР = ^(рл * Р в)-

Опорные значения (Ха-Хц), (Уа—Ув), (¿а-¿в), вычисленные по твердым координатам, обозначим ДХо ,АУо, AZ^).

На основе формулы (3) при наблюдении четырех спутников с номерами 1,2,3,4 можно получить систему уравнений:

где

"12 °Х +Л12/)У + с12 ®2 =

12

°13£>Л- +А13дг +с1з°г =

аи°Х +Ь\А°У = АРАВ

14

°12 = а1 ~ а2' ^12 = Ь\ •С12 = С1 "с2

*13 = ах "в3- 613 = ьх С13 = С1 -сз-

°14 = а1 -а4. Л4 = 61 -ь4„ •С14 = с, -с4

(4)

(5)

^Р1={р\-Рв)-(РЛ-Р2в) ЬРлв={р\-Л)-{рЪл-р1) А Рлв=(р\-Рв)-(Р4А-Р4в)

(6)

Определитель системы (4) будет

°12 612 с12

й13 с13

_а14 *14 с14

а определители для неизвестных

ед,

Л 12 Л

АРЛВ 12 с12 *13 613

14

ЬРЛВ *14 ЬЫ

Оог

й12 "13 °14

12

ьрлв

л 13

^Лй е13

л 14

А рАВ С] 4

12

е°г

Решением системы (4) будет:

^D у

°12 Ь12 а?АВ . . 13 °13 "13 ЬрАВ 14

"14 »14

(8)

Я,

в,

'г =

О .

б ' в " е

а выражения для дифференциальных поправок будут иметь вид:

вп,-

Зх = их - ЛХ0

8у = Эу - ДГ0

6г = ~ д2о =

е

"г а

ДА"

О >

-- Л Г,

О '

дг

о •

(9)

(10)

(П) (12)

Вычислив определители (7) и (8) (по правилу Саррюса) и подставив результаты в формулы (10) - (12), получим окончательные аналитические выражения для дифференциальных поправок:

1 1 +

4 + Ар\\К

ЬаК 4 + ¿>13^5 + 6,4^6

_ А

спК7 + саК, + сиК9

-А Г»

(13)

где

К,=Ьис,4-c,3b,4 , К2=с,2Ь,4-Ь,2с14 , K3=bi2c,3- с,2Ьи, К4=с,3а,4-а,3с14 , Ks=a,2cl4-ci2a,4 , А^с^/з-а,2с,3, (14) К7^а]3Ь14 - b13a14 , Ks=b12a14 - a12b14, K9=a12h13 - h12a13. Здесь необходимо отметить следующее. Величины АХ<>, AYq , AZq есть «эталонные» значения разностей координат, которые должны быть известны точнее, чем получаемые из измерений (определяемые первыми членами в (13)). Следовательно, АХо, AY0, AZo должны быть вычислены по «эталонным» координатам пунктов А и В, т.е. таким, точность которых выше, чем получаемая из «обычных» GPS-наблюдений с использованием фазовых измерений. Классические геодезические (не спутниковые) методы не могут обеспечить такую точность, так как они дают большую ошибку, чем спутниковые измерения. На первый взгляд, получается замкнутый круг: в качестве «эталонных» должны фигурировать координаты более точные, чем получаемые из спутниковых измерений, в то время как максимальную точность определения координат в настоящее время обеспечивают именно спутниковые методы (в частности, метод РРР - Precise Point Positioning). Выход из этого положения может быть в том, чтобы для нахождения эталонных значений использовать результаты многосуточных наблюдений, которые будут точнее, чем результаты, полученные из кратковременных рабочих сеансов. Непрерывные наблюдения с использованием точных эфемерид, поправок часов и информации о задержках сигнала в ионосфере и тропосфере производятся, например, на пунктах сети IGS. Однако на эти пункты (которые к тому же расположены на слишком больших расстояниях друг от друга) нельзя поставить приемники, так как на них уже находится постоянно работающая аппаратура. Поэтому целесообразно использовать другой способ получения эталонных значений разностей координат, основанный на измерении трех сторон треугольника, т.е. трех векторов, образующих замкнутую фигуру. В этом случае возникает теоретическое условие, что суммы приращений (разностей) координат (т.е. составляющих D.y, Dy Dz) по каждой координатной оси рав-

11

ны нулю; подстановка же в это условие измеренных значений Dx , Dy, Dz приводит к появлению соответствующих невязок и к задаче нахождения поправок к измеренным значениям, решаемой коррелатным способом уравнивания по методу наименьших квадратов. Исправленные значения и будут являться эталонными разностями координат АХ о, AYo, AZq .

В этой же главе выполнена проверка метода разностно-координатных поправок на точках некоторых геодезических построений. Использовались два варианта:

• Сырые данные брались из измерений ряда точек, находящихся на территории Сирии. Измерения выполнялись двухчастотными спутниковыми приёмники Leica GPS 1200, и обработка данных производилась с помощью программы Leica Geo Office (пример 1).

• Скачивались готовые данные наблюдений с постоянно действующих базовых станций (ПДБС), выложенные в Интернете, в частности, данные с постоянно действующих базовых станций сети IGS (http://sopac.ucsd.edu/), и обработка данных производилась с помощью программы Leica Geo Office (пример 2).

Пример 1. Из измерений, проведенных на территории Сирии, была

выбрана следующая сеть (рис. 2):

Рис. 2. Схема сети на территории Сирии 12

Приемники Leica GPS 1200 стояли на каждой точке по 40 минут. Сырые данные из приемников были введены в программу для обработки Leica Geo Office 5.0, где уравнивали сеть (методом наименьших квадратов) и получили сырые (измеренные) разности координат по сторонам и уравненные разности координат. Для определения дифференциальной поправки 8 выбираем одну из этих сторон. Предпочтительно выбрать короткую сторону, поскольку точность измерения ее компонентов по осям может быть лучше, чем у длинных сторон. Мы выбрали линию SI - S2. Дифференциальные поправки получаются как разности абсолютных величин измеренных и уравненных значений разностей координат:

Sy = IAr«J - |Дуурт8|, (15)

8z = \&ZuzJ - hzy/Msl-Этими поправками исправляем измеренные значения разностей координат на других линиях (вводя получаемые по (15) поправки с обратным знаком). Результаты коррекции представлены в таблице 1, где ошибки в разностях координат указаны в миллиметрах. Там же приведены средние квадра-тические ошибки тп в длинах линий до и после коррекции.

Таблица 1. Сравнение погрешностей в разностях координат

До исправления (измер. - уравн.), мм После исправления (исправ. - уравн.), мм

Сторона S1-S4

-11 -10

drsisi -2 -1

JZÄI-sj -3 0

11,6 10.1

Сторона SI — S6

-14 -13

*J YS1-S6 -5 -4

dz SI-KÖ -24 -21

mDSJ-S6 28,2 25,0

Сторона S1 - S3

Продолжение таблицы 1

Дг -1 0

^ Г 33 33 -6 -5

Д 2 51-53 -42 -39

31-33 42,4 39,3

Сторона Б1

-Зхзззз -13 -12

-3 -2

¿¡¡¡-а -18 -15

1Пр 31-35 22,4 19,3

Сторона Б2 - Бб

Дх 52-56 -2 -1

Лузззб -2 -1

Л ¿32-36 -2 1

тр 3,5 1,0

Сторона 53 - Б4

Лхзз-з-! -2 -1

Л У 3*34 -34 -33

-2 1

Шр 33-3-1 34,1 33,0

Сторона БЗ - Б5

33-35 -20 -19

-36 -35

^ 2 ЯЗ-КЗ -25 -22

Юр 53-55 48,2 45,5

Сторона Э4 - Б5

'1x3-1-3; -18 -17

з! г 34-35 -3 -2

^23435 -21 -18

Мр 34-35 27,8 24,8

Сторона Б4 - Бб

Дх 54-56 -17 -16

У 34^6 -26 -25

Лгзч-м -50 -47

П'р 34-33 58,9 55,6

Сторона 85 - 86

ДГ 55-56 -1 0

Л Г 55-56 -28 -27

Л г 55-56 -28 -25

тр 35-36 39,6 36,8

Мы видим, что расхождения между измеренными и уравненными разностями координат стали меньше, т.е. точность стала больше. Но чтобы иметь большую уверенность в работоспособности метода, надо сравнить исправленные разности координат с разностями твердых координат, как в примере 2.

Пример 2. Скачивались готовые данные наблюдений с постоянно действующих базовых станций, выложенные в Интернете. Была выбрана следующая сеть (рис.3):

\ \

/ / / *

\

А

/ / \ .......

/ .. / /

/ у

у

\ \

"" / \

N ( ......

'•ЙИ-

\

и......

\

'>"¿33

Ч

/

У

'Г^/ив

Рис. 3. Схема сети, взятой из интернета

Для определения дифференциальных поправок 5 выбираем линию Р233 -Р238. Имеем:

й = \Ах„эм\ - \Ьхт«р\ = -0,005Л(,

= |Ду„™1 - \^тсер\ = 0,009 Л/, (16)

5г = - \^гитр\ = -0,012 Л/. Исправляем этими поправками (с обратным знаком) разности координат на других линиях и получим (таблица 2):

15

Таблица 2. Сравнение погрешностей в разностях координат

До исправления (измер. - твер.), мм После исправления (исправ. - твер.), мм

Сторона Р234-Р235

АхР234-Р235 -17 -12

Лур234-Р235 10 1

^2Р234-Р233 -16 -4

тРР234-Р233 25 13

Сторона Р234-Р236

¿ХР234-Р236 -25 -20

ДуР234-Р236 8 -1

Д2Р234-Р236 -10 2

"'й Р234-Р236 28 20

Сторона Р234-Р238

¿ХГ234-Р238 -36 -31

Лур2М-Р238 33 24

¿2Р234-Р238 -10 2

тОР23±Р238 50 39

Сторона Р235 - Р236

^ХР233-Р236 -8 -3

ДуР235-Р236 18 9

^2Р233-Р23б -26 -14

тОР233-Р236 33 17

Сторона Р235 -Р788

ДхР235-Р783 -13 -8

ДуР233-Р788 43 34

Г233-Р7ЯЯ ■66 -54

™ОР233-Р788 80 64

Сторона Р235-Р238

¿ХР23УР238 -17 -11

Лур235-р238 21 11

^2Р233-Р238 -3 10

"'о Р235-Р238 27 18

Сторона Р233 -Р788

ДХР233-Р783 -12 -6

Л ГР233-Р788 11 1

¿2Р233-Р788 -57 -44

тОР233-Р788 59 44

Сторона Р236 - Р238

ЛхР236-Р233 -11 -5

ДуР236-Р238 42 32

Л2Р236-Р238 -20 -7

ЮоР236-Р23а 48 33

Сторона Р233 - Р235

ЛхГ233-Р233 -24 -18

Лур233-Р235 31 21

ЛгР233-Р23! -9 4

Мп Р233-Р233 40 28

Продолжение таблицы 2

Сторона Р238-Р788

Лдт:зя-р78я -3 3

Луг:зя-Р78з 22 12

¿2Р233-Р783 -71 -58

П'ППЫГУпа 74 59

Сторона Р234 - Р239

¿ХР234-Р239 -31 -25

¿УР234-Р239 17 7

Д2Р234-Р239 -34 -21

1пРР234-Р239 49 33

Сторона Р236 - Р239

А Л ~Р23Л-Р239 -7 -1

ЛуР23<*Р239 8 -2

ЛгР236Т239 -23 -10

Р230-Р239 25 10

Сторона Р238 - Р239

■1хР23Н-Р239 -3 3

■1уР23И-Р239 48 38

^2Р23$-Р239 -36 -23

мПР23.Ч-Р239 60 45

Сторона Р238 - Р242

^ХР23И-Р242 -5 1

А у Р23Л-Р2-12 12 2

-35 -22

Р23Н-Р242 37 22

Сторона Р239-Р242

^ХР239-Р242 -9 -3

Л У Р239-Р2-42 36 26

А 7. Г239-Р242 -8 5

тПР239-Р242 38 27

Сторона Р236 - Р242

ЛхР23П-Р2-12 -16 -10

Лур23Л^2-12 28 18

'1гР236-Р242 -15 -2

П1пР23Л-Р2-12 33 21

Из таблицы 2 видно, что после коррекции точность определения разностей координат ощутимо повышается.

Таким образом, проверка на двух вышеприведенных примерах геодезических сетей наглядно демонстрирует эффективность использования разработанного в диссертации метода.

Получив таким образом уточненные значения ДА", Д Y, AZ , можно вычислить уточненное значение длины вектора базы, т.е. геометрическое расстояние между приемниками:

D=,j{&Xj+{AY)2+{AZy . (17)

При этом ошибка то будет примерно равна ошибкам в разностях координат. Действительно, обозначив эти ошибки через гпах,М\у ,"t&z, можно записать:

• (18)

Полагая для простоты /Идлт&}= тлХ.....тА (пренебрежем здесь тем, что

высотная составляющая определяется хуже плановых) и подставив значения производных, найдем:

mD=mh. (19)

Таким образом, уточненная GPS-дальнометрия, позволяя более точно вычислить длину пространственного вектора, является подходящим средством для построения векторной геодезической сети и может быть использована при спутниковых измерениях на территории Сирии.

Четвертая глава — «Особенности спутниковых измерений на территории Сирии» - содержит две части.

Первая часть - «Геометрический фактор при спутниковых наблюдениях в Сирии». В принципе известно, каковы наивыгоднейшие геометрические условия выполнения спутниковых наблюдений. Желательно, чтобы спутники более или менее равномерно были бы расположены по небосклону. Из чисто геометрических соображений ясно, что желательно наблюдать спутники в направлении на юг, в направлениях на восток и на запад, а также в направлении на север. Но над северным полюсом нет спутников. Орбиты спутников наклонены к плоскости экватора под углом примерно в 60 градусов. Над северным полюсом и над южным полюсом спутники GPS и ГЛО-НАСС не летают. Поэтому рассмотрим сначала вариант, когда в направлении

севера спутника нет. При такой геометрии наблюдений матрица А коэффициентов системы параметрических уравнений, матрица N коэффициентов системы нормальных уравнений и ковариационная матрица О имеют вид:

гЗ/2 0 —3/4-1

1 0 1" "1 0 1

А = 0 -1 1 ; N = ... 2 0 ; Q =

.0 1 1. 3.

1/4 О ... 1/2

(20)

Как видно, геометрия наблюдений далека от идеальной. Элементы, расположенные на главной диагонали матрицы О, то есть обратные веса неизвестных плановых координат вектора базы и высотной координаты этого вектора, неодинаковы. Существует сильная отрицательная корреляция между ошибками в компонентах X и 2. Вместе с тем геометрия для определения компоненты У благоприятна. Обратный вес этого неизвестного наименьший, и отсутствует корреляция ошибок этого неизвестного с ошибками остальных неизвестных. Скорее всего, причиной этого является то, что вдоль оси Трас-положены два спутника: в направлении востока и в направлении запада. Чтобы улучшить геометрию наблюдений, дополним созвездие наблюдаемых спутников. Пусть пятый спутник расположен в горизонте пункта и в направлении севера. Для такой геометрии по аналогии с (20):

А =

1 0 1

0 -1 1

0 1 1

-1 0 1

N =

2 0 0 ... 2 0

...... 21

Q =

1/2 0 0 ... 1/2 0 ...... 1/2.

(21)

Как видно, в этом случае геометрия наблюдений является идеальной. Все компоненты вектора базы определяются с одинаковыми весами и независимо. Полную уверенность в доступности требуемого количества спутников и конкретное значение геометрических факторов потери точности могут дать специальные компьютерные программы. Была использована программа Web Mission Planning, которая является не Windows-программой, а взятой из Интернета на сайте http://asp.ashtech.com/wmp/. Полученные результаты сведены в таблице 3.

Таблица 3. Азимуты и зенитные расстояния спутников

№ спутника Тип спутника Время Азимут Зенитное расстояние

G08 GPS 07:55 0° 52"

G12 GPS 14:55 0° 60и

G21 GPS 18:40 0и 62°

R03 ГЛОНАСС 12:56 ои 47«

R04 ГЛОНАСС 14:30 ои 58"

R09 ГЛОНАСС 20:37 ои 46°

Это позволяет сделать следующие выводы:

• На территории Сирии можно наблюдать спутники в направлении точки севера или близком к направлению на точку севера, т.е. на основе (21) можно сказать, что при спутниковых наблюдениях на территории Сирии геометрические условия наблюдений близки к оптимальным, и ошибка единицы веса наименьшая.

• Наилучшие результаты получим, когда наблюдаем спутники GPS вместе со спутниками ГЛОНАСС.

• При наблюдении спутников ГЛОНАСС вместе со спутниками GPS увеличится количество спутников, и можно получить хорошие значения геометрического фактора - PDOP в значительно большем интервале времени.

• Как уже было сказано, геодезическая сеть на территории Сирии получилась деформированной. Поэтому при спутниковых наблюдениях на территории Сирии мы получим координаты с большей точностью, чем твердые координаты пунктов опорной сети, однако вопрос о трансформировании требует отдельного исследования.

Вторая часть - «О связи существующей национальной системы координат Сирии с результатами спутниковых измерений». Существуют два типа трансформирования координат из одной системы координат в другую:

• Трансформирование пространственных прямоугольных или эллипсоидальных координат одной координатной системы в другую координатную

систему того же типа с использованием точно определенных параметров перехода,

• Трансформирование одной координатной системы в другую координатную систему того же типа с использованием пунктов, координаты которых известны в двух системах.

В качестве эксперимента было выбрано 16 пунктов, которые имеют координаты и в системе WGS-84, и в локальной системе координат, и была использована программа 3D-Transformation (автор данной программы - Habib Moeen, профессор, преподаватель в Университете Дамаска).

Статистика различия между фактическими и вычисленными координатами с использованием двух моделей преобразований приведены в таблицах 4 и 5.

Таблица 4. Статистика различия между полученными и известными координатами пунктов с использованием общего метода трансформирования

Значения (р- X" h Вектор

минимальные -0,0270 -о,оз8а -0,163м 0,773м

максимальные 0,083D 0,087 а 0,519м 3,194м

средние 0,032П 0,039 □ -0,184м 1,837

5г 0,030 □ 0,044 □ 0,392м 0,645м

Таблица 5. Статистика различия между полученными и известными координатами пунктов с использованием полиномиального метода трансформирования

Значения ср" X" h Вектор

минимальные -0,017 □ -0,023 □ -0,119м 0,541м

максимальные 0,050 □ 0,061 □ 0,399м 2,835м

средние 0,019D 0,025 □ 0,135м 1,397

5г 0,013 □ 0,029 □ 0,231м 0,495м

На основе выполненного исследования можно сделать следующие выводы:

• Полиномиальный метод дает лучшие результаты, чем общий метод.

• Учитывая, что координаты пунктов сети в Сирии не очень точны, использование данного метода даст нам координаты, близкие к известным (при переходе от \VGS-84 к локальной системе координат).

• Для большей верности при применении этого метода надо использовать большое количество точек с известными координатами в обеих системах координат (\VGS-84 и локальной).

Заключение.

Полученные в данной работе результаты можно сформулировать следующим образом:

1. Освещена геодезическая изученность территории Сирии, систематизированы сведения о построении государственной геодезической сети и описана история ее создания в результате работ французских, советских и сирийских геодезистов. Указано на ошибки, допущенные при построении сети, которые привели к ее деформации, и сделан вывод о необходимости обновления ГГС Сирии с использованием глобального спутникового позиционирования.

2. При измерениях глобальными спутниковыми системами наиболее точными являются фазовые измерения, а дифференциальный метод еще более повышает их точность. В работе предложен вариант дифференциального метода, при котором дифференциальные поправки вводятся сразу в конечный результат фазовых измерений - в разности одноименных координат двух пунктов, в которых установлены спутниковые приемники. Преимуществом предлагаемого метода является возможность создания уточненной ОРБ-дальнометрии, которая может использоваться для построения пространственной векторной геодезической сети и в работах метрологического назначения.

3. Получены аналитические выражения для дифференциальных поправок,

вводимых в составляющие Д\-, Оу Г)7 вектора линии, соединяющей два приемника, т.е. в измеренные приращения (разности) координат.

4. Исследован вопрос об «эталонных» значениях разностей координат, с

которыми должны сравниваться измеренные значения для получения

дифференциальных поправок. Показано, что «эталонные» значения мо-

22

гут быть взяты из многосуточных GPS-наблюдений на двух пунктах, но при отсутствии такой возможности допустимо считать «эталонными» значения разностей координат, полученные из уравнивания векторного треугольника как замкнутой фигуры.

5. Выполнена экспериментальная проверка метода разностно-координатных поправок на реальных геодезических построениях. Проверка выполнялась для двух случаев: 1) на участке сети, построенной на территории Сирии; 2) на участке сети, данные о которой взяты из Интернета. В первом случае эталонные значения разностей координат брались из уравнивания, во втором - как разности твердых координат, полученных по результатам измерений в сети постоянно действующих базовых станций. В обоих случаях использование метода разностно-координатных дифференциальных поправок увеличило точность результатов фазовых измерений в среднем в 1,5-2 раза.

6. Показано, что на основе разработанной технологии дифференциальных фазовых GPS-измерений возможна реализация уточненной GPS-дальнометрии, позволяющей более точно вычислить длину пространственного вектора. Она является подходящим средством для построения векторной геодезической сети и может быть использована при спутниковых измерениях на территории Сирии, а также может найти применение при создании метрологических полигонов и может быть включена в поверочную схему средств линейных измерений.

7. Рассмотрены особенности геометрического фактора на территории Сирии. С использованием программы Web Mission Planning выяснено, что на территории Сирии возможно наблюдать спутники в направлении точки севера или в близком к ней направлении, что позволяет реализовать геометрию наблюдений, близкую к оптимальной. Показано, что применение двухсистемных приемников, позволяющих наблюдать как спутники GPS, так и спутники ГЛОНАСС, дает возможность получать хорошие значения PDOP в значительно большем интервале времени.

23

8. Приведены соображения о связи существующей национальной системы координат Сирии с результатами спутниковых наблюдений. На основе общих принципов трансформирования систем координат выполнено сравнительное исследование двух методов трансформирования из системы \VGS-84 в локальную систему координат на территории Сирии и показано, что наиболее подходящим является полиномиальный метод трансформирования.

Основные положения диссертационного исследования опубликова-

1. Голубев А.Н., Мусбах Асаад Али. Аналитические выражения для дифференциальных поправок при фазовых измерениях спутниковыми системами// Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 2011 №1. С. 6 - 10.

2. Мусбах Асаад Али. Современное состояние геодезической сети на территории Сирийской Арабской Республики// Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 2011 №3.

3. Мусбах Асаад Али. О связи существующей национальной системы координат Сирии с результатами спутниковых измерений// Геодезия и картография, 2011 №5.

4. Мусбах Асаад Али. Геометрический фактор при спутниковых наблюдениях в Сирии// Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 2011 №4.

Подписано в печать 27.04.2011. Гарнитура Тайме Формат 60^90/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Объем 1,5 усл. печ. л. Тираж 80 экз. Заказ №100 Цена договорная Издательство МИИГАиК 105064, Москва, Гороховский пер., 4

ны в следующих работах:

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Мусбах Асаад Али

Введение.

Глава 1. Современное состояние геодезической сети на территории Сирии.

1.1. Средства построения геодезической сети.

1.2. Геодезические проекции, применяемые в Сирийской Арабской Республике.

Глава 2. Режимы работы глобальных спутниковых систем.

2.1. Абсолютные и относительные определения.

2.2. Кодовые и фазовые измерения.

2.2.1 Кодовые измерения.

2.2.2. Фазовые измерения.

2.3. Дифференциальный метод кодовых измерений.

Глава 3. Получение дифференциальных поправок из фазовых измерений.

3.1. Идея метода разностно-координатных диффер енциальных поправок.

3.2. Аналитические выражения для дифференциальных поправок.

3.3. Экспериментальная проверка метода разностно-координатных поправок на геодезических сетях.

3.4. Уточненная вР8-дали,нометрия и ее возможное применение.

Глава 4. Особенности спутниковых измерений на территории Сирии.

4.1. Геометрический фактор при спутниковых наблюдениях в

Сирии.

4.1.1. Общие сведения о геометрическом факторе.

4.1.2. Исследование геометрии наблюдений на территории Сирии.

4.2. О связи существующей национальной системы координат Сирии с результатами спутниковых измерений.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка технологии дифференциальных фазовых GPS-измерений применительно к территории Сирии"

Существующая на территории Сирии государственная геодезическая сеть, созданная в результате работ, проведенных в разные годы французскими, советскими и сирийскими специалистами, не отвечает современным требованиям, поскольку при ее построении были допущены существенные ошибки, приведшие к ее деформации (подробно об этом сказано в главе 1). Поэтому возникает необходимость обновления сети, которое должно выполняться с применением современных методов спутникового позиционирования. Это весьма масштабная задача, при решении которой следует не только использовать известные методы, открываемые применением глобальных спутниковых систем, но и исследовать новые возможности усовершенствования этих методов.

Одной из таких возможностей является разработка новой технологии получения дифференциальных поправок при фазовых измерениях глобальными спутниковыми системами с целью повышения точности определения вектора базы (ОР8-дальнометрии) для построения векторных геодезических сетей на территории Сирии.

ОРБ-дальнометрия, т.е. измерение расстояний между двумя пунктами без знания их координат, хорошо известна и обеспечивается при фазовом режиме измерений, когда определяются три разности одноименных координат двух пунктов. В диссертации предложена и исследована возможность повышения точности ОРБ-дальнометрии на основе введения дифференциальных поправок непосредственно в разности координат, получаемые из: фазовых! измерений; В какой-то степени это распространение на фазовые измерения? способа, используемого при кодовых измерениях. .

Как известно; при; дифференциальном; методе* кодовых измерений на) референцной станции, установленной в точке с известными координатами; вычисляются «эталонные» расстояния и сравниваются с измеренными псевдодальностями, в результате чего получают дифференциальные поправки, передаваемые на роверный приемник. На референцной станции; могут также вычисляться не расстояния; а разностт между известными координатами этой станции и координатами, определенными но измерениям в автономном режиме, и этими разностями исправляются координаты роверного приемника. Такой дифференциальный метод, как уже было сказано, применяется при; кодовых измерениях.

Если использовать фазовые измерения, то открывается новая возможность получения дифференциальных поправок. Опуская некоторые детали, суть метода, с принципиальной точки зрения; можно пояснить; следующим образом.

Два приемника А и В устанавливаются в пунктах с известными координатами. По этим координатам вычисляются три «эталонных» разности одноименных координат пунктов: (ХА- Хв), (УА- Ув), - Ъъ). В результате фазовых измерений получают три те же разности, которые будут отличаться от вычисленных. Расхождения между вычисленными (эталонными) и измеренными разностями будут представлять собой поправки, которые вводятся в измеренные разности на других трассах, когда приемники устанавливаются в точках с неизвестными координатами. Поскольку по разностям координат можно вычислить длину трассы: = у1(хА - ХвУ + (УА - УвУ + - гву, (1) то введение поправок в измеренные разности координат на других трассах позволяет получить исправленные значения их длин (а если на этих трассах один из приемников находится в точке с известными координатами, то можно, как обычно, получить и исправленные значения координат второго приемника).

Отличие метода от существующих состоит в том, что в начале работ оба приемника устанавливаются в пунктах с известными координатами (точнее, на концах известного базового вектора), в то время как при фазовых измерениях во всех кинематических режимах, в том числе и КГК, на твердом пункте устанавливается только один из двух приемников (базовая станция). В режиме статики иногда устанавливаются и оба приемника в твердых пунктах, но это осуществляется только для инициализации (разрешения неоднозначности) и при этом не определяются дифференциальные поправки. Другое отличие метода заключается в том, что поправки вводятся сразу в конечный продукт фазовых измерений — в разности координат, в то время как в известном способе получения дифференциальных поправок при фазовых измерениях они вводятся в фазовые дальности [4, 24]. Таким образом, предлагаемый метод разностно-координатных поправок обладает существенной новизной. В настоящей работе выполнено его подробное исследование и экспериментальная проверка на геодезических сетях, подтвердившая его достоверность и эффективность.

Преимуществом предлагаемого метода является возможность создания уточненной ОР8-дальнометрии, которая может использоваться для построения пространственной векторной геодезической сети и в работах метрологического назначения.

В диссертации рассматриваются также вопросы оптимальной геометрии спутниковых наблюдений на территории Сирийской Арабской республики и приводятся соображения о связи существующей национальной системы координат Сирии с результатами спутниковых наблюдений. Исследована проблема трансформирования координат из системы ^^38-84 в локальную систему применительно к территории Сирии. Полученные результаты также являются новыми и имеют практическую значимость для выполнения геодезических работ в Сирии с использованием глобальных спутниковых систем. Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Анализ и систематизация сведений о современном состоянии государственной геодезической сети Сирии.

2. Метод дифференциальных фазовых ОРБ-измерений с введением разностно-координатных поправок.

3. Аналитические выражения для разностно-координатных поправок при фазовых измерениях.

4. Результаты экспериментальной проверки метода на геодезических сетях.

5. Особенности геометрического фактора при спутниковых наблюдениях в Сирии.

6. Исследование связи существующей национальной системы координат Сирии с результатами спутниковых измерений.

Заключение Диссертация по теме "Геодезия", Мусбах Асаад Али

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные в данной работе результаты можно сформулировать следующим образом:

1. Освещена геодезическая изученность территории Сирии, систематизированы сведения о построении государственной геодезической сети и описана история ее создания в результате работ французских, советских и сирийских геодезистов. Указано на ошибки, допущенные при построении сети, которые привели к ее деформации, и сделан вывод о необходимости обновления ГГС Сирии с использованием глобального спутникового позиционирования.

2. При измерениях глобальными спутниковыми системами наиболее точными являются фазовые измерения, а дифференциальный метод еще более повышает их точность. В работе предложен вариант дифференциального метода, при котором дифференциальные поправки вводятся сразу в конечный результат фазовых измерений — в разности одноименных координат двух пунктов, в которых установлены спутниковые приемники. Преимуществом предлагаемого метода является возможность создания уточненной GPS- дальнометрии, которая может использоваться для построения пространственной векторной геодезической сети и в работах метрологического назначения.

3. Получены аналитические выражения для дифференциальных поправок, вводимых в составляющие Эх, £>г, Ог вектора линии, соединяющей два приемника, т.е. в измеренные приращения (разности) координат.

4. Исследован вопрос об «эталонных» значениях разностей координат, с которыми должны сравниваться измеренные значения для получения дифференциальных поправок. Показано, что «эталонные» значения могут быть взяты из многосуточных ОРБ-наблюдений на двух пунктах, но при отсутствии такой возможности допустимо считать «эталонными» значения разностей координат, полученные из уравнивания векторного треугольника как замкнутой фигуры.

5. Выполнена экспериментальная проверка метода разностно-координатных поправок на реальных геодезических построениях. Проверка выполнялась для двух случаев: 1) на участке сети, построенной на территории Сирии; 2) на участке сети, данные о которой взяты из Интернета. В первом случае эталонные значения разностей координат брались из уравнивания, во втором - как разности твердых координат, полученных по результатам измерений в сети постоянно действующих базовых станций. В обоих случаях использование метода разностно-координатных дифференциальных поправок увеличило точность результатов фазовых измерений в среднем в 1,5-2 раза.

6. Показано, что на основе разработанной технологии дифференциальных фазовых ОРБ-измерений возможна реализация уточненной ОР8-дальнометрии, позволяющей более точно вычислить длину пространетвенного вектора. Она является подходящим средством для построения векторной геодезической сети и может быть использована при спутниковых измерениях на территории Сирии, а также может найти применение при создании метрологических полигонов и может быть включена в поверочную схему средств линейных измерений.

7. Рассмотрены особенности геометрического фактора на территории Сирии. С использованием программы Web Mission Planning выяснено, что на территории Сирии возможно наблюдать спутники в направлении точки севера или в близком к ней направлении, что позволяет реализовать геометрию наблюдений, близкую к оптимальной. Показано, что применение двухсистемных приемников, позволяющих наблюдать как спутники GPS, так и спутники ГЛОНАСС, дает возможность получать хорошие значения PDOP в значительно большем интервале времени.

8. Приведены некоторые соображения о связи существующей национальной системы координат Сирии с результатами спутниковых наблюдений. Освещены общие принципы трансформирования систем координат. Выполнено сравнительное исследование двух методов трансформирования из системы WGS-84 в локальную систему координат на территории Сирии и показано, что наиболее подходящим является полиномиальный метод трансформирования.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Мусбах Асаад Али, Москва

1. Абдул Разак Аед Аджадж. Разработка и исследования методов построения наземных пространственных геодезических сетей на территории САР. Дисс. на соиск уч. степ. канд. техн. наук, М., 1992.

2. Аль Ашраф Набшъ. Положение и перспективы геодезических работ в Сирии (пер. с арабского). Premier Congress Scientifique International., Liban, Beirut, Septembre 2001, p. 151 -158.

3. Антонович KM. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии. Часть 1. —Новосибирск, 2005.

4. Антонович КМ. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии. Часть 2. -Новосибирск, 2006.

5. Ачкасов С.Н. Метрологическая аттестация геодезической КНС аппаратуры. «Геодезия и картография». 1993, № 12 с. 16 19.

6. Бшани X. О системе карт Сирии и их математическом обоснова-нии.//Изв. .вузов, "Геодезия и аэрофотосъемка", 1991, №2,с.149-153.

7. Болдин В.А., Зубинскай В.Е., Зурабов ЮТ. и др. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС. -М., ИПРЖР,1999.

8. Большаков В.Д., Деймлих ФГолубев А.Н., Васильев В.П. Радиогеодезические и электрооптические измерения. -М., Недра, 1985.

9. Виноградов A.B., Войтенко A.B., Жигулин А.Ю. Оценка точности метода Precise Point Positioning и возможности его применения при кадастровых работах. Геопрофи, 2010, № 2. С.27-30.

10. Генике A.A., Побединский Г.Г. Глобальная спутниковая система определения местоположения GPS и ее применение в геодезии.-М., «Картгео-центр»,2004.

11. Голубев А.Н. Глобальные спутниковые навигационно-геодезические системы. -М., изд. МИИГАик, 2003.

12. ГОСТР 51794 — 2001. Аппаратура радионавигационной глобальной навигационной спутниковой системы и глобальной системы позиционирования. Системы координат. Методы преобразований координат определяемых точек.

13. ГОСТ 8.503 — 84. ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений длины в диапазоне 24 — 75 000 м.

14. Жуков A.B., Серапинас Б.Б. Практикум по спутниковому позиционированию. —М., изд. МГУ, 2002.

15. Калинин А.И. Распространение радиоволн на трассах космических и наземных радиолиний. -М., «Связь», 1979.

16. Кауфман М. Навигационная система GPS — генератор координатно-временного поля. -В кн.: Одуан К, Гино Б. Измерение времени. Основы GPS. -М.,«Техносфера», 2002.

17. Колосов М.А., Арманд H.A., Яковлев О.И. Распространение радиоволн при космической связи. -М.,«Связь», 1969.

18. Пушкарев ГЛ., Купко В. С., Соболь В.В., Мазаев Г.А. К созданию эталона единицы длины для дальнометрии. « Геодезия и картография». — 1996. № 6.-С. 11-15.

19. Пушкарев Г .П., Лукин И.В., Соболь В.В., Тесленко В.В. К единству линейных измерений. « Геодезия и картография». — 1988. № 9. - С. 16—18.

20. Саастпамойнен Ю. Тропосферная и стратосферная поправки радиослежения ИСЗ. Использование искусственных спутников для геодезии. М., 1975.

21. Салим Асад Али. Исследование вопросов практического применения общей теории описания геодезических проекций. Дисс.на соиск уч. степ, канд.техн.наук, Новополоцк, 2003.

22. Салищев В.А. Космическая радионавигация. М., 1995.

23. Серапинас Б.Б. Геодезические основы карт. Учеб. пособие . — М.: Изд-во Моск. ун-та ,2001.с 112 113.

24. Серапинас Б.Б. Глобальные системы позиционирования. М., 2002.

25. Серапинас Б.Б. Основы спутникового позиционирования. —М., изд. МГУ, 1998.

26. Шануров Г.А., Мельников С.Р. Геотроника. —М., изд. МИИГАиК,2001.

27. Шануров Г.А., Мельников С.Р. (Россия), Лопес-Кьерво С., МескваХ., Роблес X. (Испания). Геометрия спутниковых наблюдений при создании метрологического полигона. //Геодезия и картография, № 7,2001.

28. Шануров Г.А., Остроумов В.З. Влияние геометрии спутниковых наблюдений на точность определения геодезических высот уровенных постов.// Изв. Вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 2004 №1. С.3-12.

29. Dawod Gomaa М., An introduction to the global positioning system: GPS (in Arabic), Holly Mekkah, Saudi Arabia, 2010,242 pp.

30. Dilution of precision(GPS), http://en.wikipedia.org/wiki/Dilution of precision (GPSVfcite note-0.

31. Habib M., Abu Rabah R., An Alternative Approach for Making Maps Compatible with GPS. Damascus University Journal. 2006 Vol. 22, № 1. pp. 13-29.

32. Hofmann-Wellenhof В., Lichtenegger H., Collins J. Global Positioning System. Theory and Practice. -Springer-Varlag, Wien/New York, 2001.

33. Hopfield H. Improvements in the tropospheric refraction correction for range measurements. -Phil. Trans. Roy. Soc. 1979, A 294.

34. Hopfield H. Two-quadratic refractivity profile for correcting satellite data. -JGR, 1969, v.74, No.18.

35. Marini J.W. Correction of satellite tracking data for arbitrary tropospheric profile. -Radio Sci., 1972, V.7 ,p 223.

36. Mikhail E. Anderson J. Surveying Theory and Practice. McGraw-Hill 1988.

37. Saastamoinen J.J. Contributions to the theory of atmospheric refraction. — Bull. Geod.l07(l), 1973.

38. Seeber G. Satellite geodesy: foundations, methods, and application. — Berlin /New York, 1993.