Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Исследования деформационных процессов на локальных геодинамических полигонах современными спутниковыми методами

ВАК РФ 25.00.32, Геодезия

Автореферат диссертации по теме "Исследования деформационных процессов на локальных геодинамических полигонах современными спутниковыми методами"

На правах рукописи

ВУ ВАН ДОНГ

ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ НА ЛОКАЛЬНЫХ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПОЛИГОНАХ СОВРЕМЕННЫМИ СПУТНИКОВЫМИ МЕТОДАМИ

Специальность - 25.00.32 - Геодезия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005 г.

Работа выполнена на кафедре астрономии и космической геодезии Московского государственного университета геодезии и картографии (МИИГАиК)

Научный руководитель:

кандидат технических наук, профессор Генике А. А.

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Клюшин Е. Б. кандидат технических наук, Неверов П. А. Институт физики земли РАН, г. Москва

Защита диссертации состоится «_»_2005 г.

в_часов на заседании диссертационного совета Д.212.143.03 при Московском Государственном Университете Геодезии и Картографии по адресу: 105064, г. Москва К-64, Гороховский пер., д.4, ауд. 321.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан «_»_2005г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Климков Ю. М.

Щб-Г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

/¿¿Гс? МО

Актуальность работы

В настоящее время изучение деформаций земной поверхности стало актуальной проблемой в различных странах, вызывающей большое внимание ученых и исследователей. По разделу локальной геодинамики опубликовано большое количество статей и сделано много докладов на различных научных конференциях и симпозиумах, что свидетельствует о постоянно нарастающем интересе к изучению геодинамических процессов на локальных участках земной поверхности. Актуальность проблемы обусловливается, в первую очередь, прогрессирующим нарастанием различного рода недопустимых деформаций земной поверхности в урбанизированных регионах и в зонах расположения крупных инженерных сооружений, а также сопровождающими эти деформации разрушениями различных объектов жизнеобеспечения людей и ухудшением экологической обстановки в контролируемых регионах.

Причины деформаций различны. Их можно разделить на две группы: природные и техногенные, связанные с деятельностью человека. К техногенным причинам могут быть отнесены такие воздействия, как возрастание нагрузки на окружающую среду (особенно в крупных городах), разработка и эксплуатация крупных инженерных сооружений, изменения уровня грунтовых вод, вибрационные воздействия, связанные с интенсивными транспортными потоками, а также другие негативные техногенные причины.

К локальной геодинамике относят, во многих случаях, регионы протяженностью до 100 км, на которых проявляются деформации земной поверхности под воздействием перечисленных выше факторов, активно воздействующих на приповерхностные геологические структуры. Повышенный интерес к изучению геодинамических явлений проявляется, как правило, в зонах строительства и эксплуатации крупных инженерных сооружений, а также на территориях крупных городов. В то же время некоторые вопросы, связанные с рассматриваемой проблемой, не нашли своего законченного решения. Поискам этого решения посвящена настоящая диссертация.

Цель и задачи работы

Разработка спутниковой технологии построения высокоточных геодинамических сетей, используемых для изучения деформации в локальных масштабах. Для решения поставленной задачи в настоящей работе произведена разработка принципа построения локальных геодинамических сетей спутниковыми методами и минимизации основных источников спутниковых координатных определений применительно к локальным геодинамическим полигонам. Научная новизна

Научная новизна данной диссертационной работы заключается в решении следующих проблем:

1) обоснование особенностей построения локальных геодинамических полигонов современными спутниковыми методами, обеспечивающими оперативность выполнения на них необходимых измерений и требуемый высокий уровень точности, относящийся к реальным значениям изучаемых деформаций;

2) теоретическая разработка и экспериментальная проверка эффективности предложенных нестандартных методов минимизации влияния основных источников ошибок спутниковых координатных определений;

3) разработка и реализация нестандартных методов обработки результатов спутниковых измерений, характерных для решения задач геодинамики;

4) комплексирование геодезических координатных определений с другими методами геодинамических исследований (геологическими и геофизическими). Методы исследования

При работе над диссертацией использованы следующие методы исследований:

-разработка общей концепции решения рассматриваемой проблемы на основе опубликованных материалов по изучению геодинамических процессов спутниковыми методами, а также накопленного автором личного опыта в этой области;

-создание теоретического обоснования по реализации общих принципов построения локальных геодинамических полигонов, а также методов миними-

зации влияния основных источников ошибок спутниковых измерений;

-проведение широкомасштабной экспериментальной апробации эффективности разработанных в диссертации теоретических предпосылок по определению деформаций земной поверхности на локализованных участках местности;

-практическое решение поставленной задачи посредством организации мониторинга отслеживания деформационных процессов в зоне расположения такого крупного инженерного сооружения, как Загорская Г АЭС;

-согласование результатов спутниковых геодинамических измерений с другими методами, базирующимися на геологических и геофизических исследованиях.

Практическая ценность

Разработанные в диссертации методы спутниковых координатных определений применительно к решению геодинамических задач позволили реализовать высокоточный мониторинг по выявлению и отслеживанию деформационных процессов в зонах расположения крупных инженерных сооружений. Публикация и апробация

Основные положения диссертации и результаты исследований, изложенные в ней, опубликованы в 5 научных статьях в журнале Известия вузов серии "Геодезия и Аэрофотосъемка" и сборниках сообщений международных конференций в МИИГАиК и в Алуште. Структура работы

Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка источников информации. Общий объём работы - 129 страниц машинописного текста. В него включено 10 таблиц, 32 рисунков, 27 формул. В списке источников информации упомянут 61 источник на русском, английском и вьетнамском языках.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ГЛАВ ДИССЕРТАЦИИ

Введение посвящено актуальности рассматриваемой проблемы, а также постановке научных и технических задач. Оно достаточно полно раскрывает

содержание настоящей работы.

В первой главе "Отличительные основополагающие особенности решения геодинамических задач спутниковыми методами" рассмотрено современное значение геодинамики применительно к глобальным, региональным и локальным областям на примерах известных проектов. Проведен анализ полученных результатов, на основе которого выявлена рациональность использования спутниковых систем типа GPS и ГЛОНАСС при решении современных геодинамических задач. Особое внимание в этой главе уделено рассмотрению особенностей решения геодинамических задач спутниковыми методами применительно к изучению деформационных процессов на локальных геополигонах.

Одна из особенностей, связанных с созданием геодинамических полигонов, обусловлена необходимостью обоснованного подхода к общим принципам их построения современными спутниковыми методами. Обобщение проведенных в этой области исследований свидетельствует о целесообразности применения двухзвенной схемы построения геодинамических сетей и связанных с ними оптимизированных методов наблюдений и обработки результатов измерений. При этом подразумевается, что первое звено образует каркасное построение, включающее в себя набор наиболее стабильных (опорных) пунктов, которое в наименьшей степени подвержено влиянию деформационных процессов. Оно является отправным при определении смещений пунктов, входящих во второе звено. Последнее включает в себя набор расположенных в пределах полигона рабочих (контрольных) пунктов, ответственных за изучаемые деформации земной поверхности и объектов, находящихся в пределах упомянутого полигона.

Выбор мест расположения опорных пунктов неразрывно связан с проведением предварительных геологических и геоморфологических исследований, ориентированных на установление причин возникновения изучаемых деформаций. Окончательное решение об обоснованности выбора мест расположения опорных пунктов базируется при этом на основе проведения многократных спутниковых координатных определений, подтверждающих выводы геологиче-

ских и геоморфологических исследований.

При построении первого звена немаловажным фактором является выбор оптимального количества опорных пунктов, которое существенно влияет как на технико-экономические показатели, так и на качество получаемой информации в сочетании с её полнотой. Для решения поставленной задачи были проведены специальные экспериментальные исследования на опорных пунктах Московской геодинамической сети, цель которых состояла не только в отработке методов определения координат рабочих пунктов с максимально достижимой точностью, но и с изысканием возможности получения раздельной информации о реальных значениях изучаемых деформаций и об остаточном влиянии систематических ошибок спутниковых измерений.

Для получения ответа на поставленную задачу была реализована специальная локальная геодезическая сеть, включающая в себя несколько опорных и один рабочий пункт, на которых проведены многократные спутниковые наблюдения со смещением антенны на рабочем пункте на заданную величину и в заданном направлении. Вместе с тем была применена специализированная методика обработки, позволяющая оценить потенциальные возможности по выявлению изучаемых деформационных процессов.

На основе результатов экспериментальных исследований была внесена рекомендация о целесообразности использования на локальных геодинамических полигонах не менее 3-5 опорных пунктов, что было реализовано при построении соответствующих сетей на рассмотренных в работе геодинамических полигонах.

К особенностям организации спутниковых наблюдений следует отнести такие факторы, как оптимальная длительность сеанса наблюдений, выбор приёмников с соответствующими техническими характеристиками, интервал времени, в течение которого производят измерения с минимальными значениями геометрического фактора.

При решении вопроса о размещении рабочих пунктов сделан вывод о целесообразности их размещения в тех местах, где представляется возможным

получать наиболее полную информацию о деформации земной поверхности на участках нахождения исследуемого объекта. Применительно к спутниковым методам желательно, чтобы на выбираемых пунктах обеспечивались благоприятные условия для наблюдения спутников. Поскольку на практике такие требования не всегда удается реализовать, то возникает необходимость как в применении нестандартных методов спутниковых наблюдений, так и последующей обработки получаемых результатов измерений.

Упомянутые выше предпосылки были использованы нами при организации многократных циклов спутниковых наблюдений на создаваемых геополигонах. Получаемые при этом результаты систематически обрабатывались с применением подходов, ориентированных на получение высококачественной и достоверной информации, позволяющей сделать объективные выводы о наличии деформаций приповерхностных геологических структур и закономерностях их развития, включая и деформации расположенных в зоне геополигона тех или иных объектов.

На стадии обработки информации, относящейся к рабочим циклам, выявлена необходимость в использовании специфических подходов к процедуре уравнивания, которая может обуславливать необоснованное перераспределение величин смещений отдельных пунктов. И на этой же стадии особое внимание было уделено нами вопросам эффективного отделения реальных смещений пунктов из-за подвижек земной поверхности от остаточного влияния источников систематических ошибок спутниковых измерений.

На заключительной стадии изложения материала данной главы повышенное внимание уделено формулировке базовых предпосылок к общему решению задач геодинамики с использованием как традиционных геодезических методов, так и спутниковых технологий.

На основе обобщения материала данной главы отмечена необходимость рационального сочетания теоретических и экспериментальных исследований при решении поставленных задач. Такой подход и предопределил дальнейшее изложение материала рассматриваемой диссертационной работы.

Во второй главе "Теоретические предпосылки к обоснованию методов спутниковых координатных определений на локальных геодинамических полигонах" рассмотрен комплекс вопросов, связанных с теоретическими исследованиями в области разработки методов спутниковых координатных определений на локальных геодинамических полигонах. В качестве предпосылки к проведению таких исследований сформулированы специфические требования, предъявляемые к точности упомянутых определений при решении задач геодинамики на сравнительно небольших участках земной поверхности.

Основное внимание в данной главе уделено изложению нестандартных подходов и их решениям, ориентированным на минимизацию влияния основных источников ошибок спутниковых измерений. Разработанные при этом методы ориентированы на их использование как в процессе организации спутниковых наблюдений, так и при последующей обработке результатов измерений.

При учете влияния исходных данных, к которым, в первую очередь, отнесены используемые эфемериды наблюдаемых спутников, предпочтение отдано апостериорному методу, базирующемуся на применении способа пространственной линейной засечки с наземных пунктов с известными координатами.

При изучении проблемы, касающейся учета влияния ионосферы на результаты спутниковых измерений, безоговорочного предпочтения заслуживают двухчастотные методы, основные особенности которых достаточно подробно изложены в опубликованных работах.

Применительно к учету влияния тропосферы нами произведен критический анализ тех широко используемых методов, которые базируются на использовании стандартной атмосферы и моделировании закономерностей изменения метеофакторов по высоте. В качестве альтернативного метода в диссертации рассмотрен метод, основанный на вычислении тропосферной поправки из решения системы уравнений, содержащих избыточное количество наблюдаемых спутников. При этом тропосферная задержка в произвольном направлении определяется по формуле:

¿У, =т( £)£/., (1)

где ¿У, - тропосферная задержка при реальном возвышении спутника, значение которой может быть найдено по вычисляемому параметру <Х/ ;

т( Е) -так называемая картирующая функция, позволяющая установить взаимосвязь между соответствующими тропосферными задержками в зенитном и реальном направлениях на наблюдаемый спутник.

Для вычисления параметра т(Е) предложена следующая формула:

1 + - в

1 +

т(Е) =-^--, (2)

ьтЕ +--:-

Б1П -

вт^ + с

где а, Ь и с- эмпирические коэффициенты, для количественной оценки которых в диссертации приведены соответствующие формулы и таблицы вычисленных значений.

Проведенная экспериментальная проверка подтвердила обоснованность использования такого метода учета влияния тропосферы, причём его преимущества наиболее контрастно проявляются в условиях неустойчивого состояния погоды.

Наряду с тропосферой повышенное внимание уделено нами разработке теоретических предпосылок для учета влияния многопутности. При этом на основе анализа взаимодействия между прямым и отраженным сигналами получена формула для оценки изменений величины измеряемого расстояния до спутника, которая имеет следующий вид:

(3)

где а- угол, характеризующий взаимный сдвиг по фазе результирующего и прямого сигналов;

А - длина волны несущих колебаний.

При дальнейшем развитии такого подхода нами выведена формула для оценки влияния отражений применительно к кодовым сигналам:

где а, - фазовый сдвиг из-за отражений применительно к модулирующим сигналам;

Я, - длина волны модулирующих колебаний.

Проведенный анализ позволил теоретически обосновать возникновение больших по величине ошибок из-за отражений, характерных для кодовых сигналов и оцениваемых несколькими метрами.

По результатам выполненных теоретических исследований в области мно-гопутности предложены методы, позволяющие существенно ослабить упомянутое влияние (в частности, за счет исключения из вычислений тех участков орбиты спутника, на которых зарегистрирован повышенный уровень ошибок из-за отражений). Сделанные выводы были использованы в качестве базовых при организации мониторинга по отслеживанию деформаций на Загорском геополигоне.

В области инструментальных источников ошибок определяющим фактором является неопределенность знания положения фазового центра приёмной антенны. При разработке методов установления положения отмеченной точки относимости с повышенным уровнем точности возникает необходимость в изучении реальной формы фазовой диаграммы направленности конкретной антенны. Для такого изучения в полевых условиях разработаны специальные "роботы", позволяющие последовательно изменять положение антенны по всем трём координатам. Для оценки вариаций фазового центра на стадии теоретических исследований рекомендована следующая формула:

Аф(а,г) = Аф (а,г) + Д/\е , (5)

где а иг- азимут и зенитное расстояние, характерные для наблюдаемого спутника;

Аф (а,г) -функция, моделирующая вариации фазового центра относительно его среднего весового значения;

Аг -вектор, характеризующий среднее положение фазового центра по отношению к референцной точке антенны;

е -единичный вектор в направлении "спутник-приёмник".

Положение вектора Ar определяется при этом исходя из выполнения следующего условия:

J |дф(а, z)sin zdzda = min. (6)

а-О .--О

При вычислении положения фазового центра приходится учитывать тот факт, что этот параметр оказывается различным для разных несущих частот.

Изложенные предпосылки принимались во внимание как при проведении соответствующих экспериментальных исследований, так и при организации производственного мониторинга на Загорском геополигоне. При этом внесена рекомендация, касающаяся минимизации влияния неопределенностей знания положения фазового центра антенны. Сущность такой рекомендации сводится не только к целесообразности использования антенн с наиболее стабильными характеристиками, но и к обеспечению идентичной воспроизводимости условий наблюдений во всех последующих циклах повторных измерений, что характерно при решении задач геодинамики.

При исследовании проблемы ослабления влияния остаточных квазисистематических ошибок результатов спутниковых измерений и их отделения от искомых значений сдвигов из-за деформаций нами обоснован метод преобразования систематического характера упомянутых ошибок в близкий к случайному за счет определения значений координат искомого пункта от нескольких пространственно разнесенных опорных пунктов.

В целях установления обоснованной взаимосвязи между геодезической высотой, определяемой спутниковыми методами, и нормальной, характерной для нивелирных измерений, автором диссертации обоснован и экспериментально апробирован высокоточный метод такого перехода, базирующийся на использовании достаточно строгой геометрии расположения соответствующих площадок геополигона на поверхностях квазигеоида и эллипсоида. При решении такой задачи повышенное внимание уделено выбору количества опорных точек с известными значениями геодезических и нормальных высот и их распо-

ложению с тем расчетом, чтобы они с максимально возможной точностью определяли взаимное положение упомянутых выше площадок. Искомая нормальная высота, определяемая спутниковыми методами для любого рабочего пункта геополигона, вычислялась нами при таком подходе по формуле:

= н™г - + ЬУш,,(?) где Нш1г- геодезическая высота, получаемая из спутниковых измерений;

лг„„ри у1тг- плановые координаты интересующей нас точки; а, Ь и с- экспериментально определяемые коэффициенты на основе использования метода наименьших квадратов.

Изложенная вкратце методика подвергнута нами экспериментальной проверке. На её основе произведен перерасчет геодезических высот для 12 рабочих пунктов, входящих в состав Загорского геополигона. Для контроля были использованы также результаты нивелирных определений Н-го класса, относящиеся к тем же пунктам. Полученные при этом данные приведены в табл. 1.

Таблица 1 .Значения нормальных высот, полученные на основе спутниковых и нивелирных измерений, а также их расхождения.

№ № п/ п Условное название пункта Значения нормальных высот (М) Расхождения (мм)

Спутниковые измерения Нивелирные измерения

1 002 204,428 204,424 4

2 003 214,155 214,151 4

3 004 205,916 205,917 -1

4 006 227,029 227,027 2

5 010 212,673 212,673 0

6 011 194,096 194,103 -7

7 012 215,248 215,249 -1

8 013 218,816 218,817 -1

9 014 223,565 223,567 -2

10 020 217,217 217,219 -2

11 027 259,089 259,086 3

12 124 166,385 166,387 -2

Анализ приведенных в этой таблице результатов свидетельствует о хорошем согласовании по точности спутниковых и нивелирных измерений.

В процессе совершенствования методов обработки спутниковых измере-

ний применительно к решению задач геодинамики нами были проанализированы различные варианты уравнивания результатов координатных определений рабочих пунктов, входящих в состав создаваемых геодинамических полигонов. На основе такого анализа сделан вывод о целесообразности использования уравнивания, характерного для лучевого метода определения координат рабочих пунктов, который в отличие от сетевого метода позволяет исключить нежелательную взаимосвязь между рабочими пунктами при установлении конечных значений координат этих пунктов.

В 3-й главе диссертационной работы "Экспериментальные исследования спутниковых координатных определений на геодинамических полигонах" изложен достаточно широкий круг решаемых задач, позволивший не только объективно оценить достоверность выводов теоретических исследований, но и выявить новые подходы к установлению причин возникновения тех или иных ошибок и внести предложения по их учету.

При реализации двухзвенного принципа построения локальных геополигонов нами на примере Загорского геополигона апробирована обоснованность рекомендаций по выбору мест расположения опорных пунктов, позволяющих обеспечить их стабильность в течение длительного времени. Проверка этого требования базировалась на анализе многократных, разнесенных во времени результатов спутниковых измерений и на оценке их изменяемости как в плане, так и по высоте. Приведенные в диссертации данные свидетельствует о том, что на основе реализации предложенной методики была обеспечена воспроизводимость значений координатных определений опорных пунктов за трехлетний период на миллиметровом уровне точности.

Применительно к обоснованию возможности использования укороченных сеансов наблюдений были проведены соответствующие исследования как на Загорском, так и на Тенгизском геополигонах. В качестве примера на рис. 1 приведены графики, отображающие закономерности изменения результатов координатных определений, относящиеся к наблюдениям на Тенгизском геополигоне, в зависимости от длительности сеанса.

Анализ закономерности изменения этих графиков свидетельствует о том, что при использовании 6-часовых сеансов наблюдений рассматриваемые уклонения не превышает 2 мм по все трём координатным осям. По результатам выполненных исследований сделан вывод о допустимости применения такой длительности сеансов наблюдений при определении координат рабочих пунктов на локальных геодинамических полигонах.

При проведении экспериментальных исследований по минимизации влияния тропосферы повышенное внимание было уделено апробированию способа учета этого источника ошибок на основе использования метода вычисления тропосферных поправок в процессе обработки спутниковых измерений. С этой целью был выбран сеанс, во время проведения которого наблюдались резкие изменения погоды (а частности, прохождение грозового фронта), что обуславливало повышенные вариации значений тропосферных поправок. Для упомянутого сеанса, относящегося к линии протяженностью около 25 км, были применены два метода учета влияния тропосферы: метод стандартного моделирования и рекомендованный нами метод определения тропосферных поправок на основе соответствующих вычислений в процессе обработки спутниковых измерений. Полученные при этом закономерности изменений как плановых, так и высотных координат для отмеченных двух подходов отображены на рис.2 и рис.3.

Анализ закономерности изменения приведенных на рис.2 графиков в тече-

ние суток свидетельствует о существенных уклонениях вычисляемых координат в период прохождения грозового фронта (максимальные уклонения высотной компоненты оцениваются величиной более 5см). При втором подходе (метод вычислений) отмеченные уклонения существенно сглаживаются. Диапазон их изменений - от +1 см до -2 см. Характер этих изменений становится более близким к закономерностям изменения случайных величин.

МССС, с учетом тропосферных поправок методом стандартного моде-

лирования.

Рис.3. Графики изменения координат для того же пункта МССС с учетом тропосферных поправок методом вычислений в процессе обработки.

С учетом вышеизложенного нами сделан вывод о целесообразности применения метода вычисления тропосферных поправок при организации мониторинга по изучению деформаций на локальных полигонах.

Наряду с тропосферой в диссертации уделено соответствующее внимание

проблеме эффективного ослабления влияния многопутности. Этот источник ошибок применительно к рассматриваемому кругу задач является одним из основных. Его влияние не удается ослабить за счет применения стандартных подходов, в том числе и за счет использования относительных (дифференциальных) методов измерений.

Основная цель проведенных нами в этой области экспериментальных исследований состояла в практическом подтверждении эффективности сформулированных в предыдущей главе теоретических предпосылок, изыскании надежных критериев оценки влияния многопутности и конкретизации практической реализации рекомендуемых методов.

На первом этапе таких исследований была построена специальная сеть на полигоне Ледово с включением в неё удаленного примерно на 22 км пункта МИИГАиК. Схема такой сети изображена на рис.4.

На одном из пунктов такой сети (в частности, на пункте Лёдово-Е) были специально созданы условия для возникновения сильных отражений. С этой целью спутниковый приёмник располагался на расстоянии около полутора метров от вертикальной стены кирпичного здания.

Ледово-С

Рис.4. Схема специально созданной сети для изучения влияния многопутности.

На отмеченной сети было проведено несколько сеансов наблюдений как в пределах небольшого участка, ограниченного пределами полигона Лёдово, так и с включением в него удаленного пункта МИИГАиК.

На первом этапе рассматриваемых исследований была оценена степень влияния многопутности на конечные результаты спутниковых измерений, при-

менительно к пунктам, находящимся на небольшом удалении друг от друга. При анализе полученных данных было установлено, что из всех трёх координат наиболее контрастно проявилось влияние в нашем эксперименте на координату Y при использовании геоцентрической систем координат. С учетом этого на рис.5 приведены графики изменений разностей координат для упомянутой компоненты с использованием одновременных наблюдений на трёх пунктах, входящих в состав полигона Ледово.

Вид этих графиков свидетельствует о том, что на линии, образованной пунктами без отражений (линия "Ледово" - "Лёдово-С") изменения упомянутой разности лежат в пределах от -4 мм до +4 мм, в то время как для линий, включающих в себя пункт "Лёдово-Е" с сильными отражениями, этот диапазон изменений существенно увеличивается (он лежит в пределах от -22 мм до +18 мм). Ситуация существенно не улучшается даже в том случае, когда на пункте "Лёдово-Е" была использована антенна повышенного качества (в частности, антенна Dome Margolin Trim).

тами, расположенными на полигоне Ледово.

В развитие отмеченных выше исследований нами были проведены аналогичные эксперименты по изучению влияния отражений с использованием линий повышенной протяженности. Для решения такой задачи были организованы многосуточные спутниковые измерения на линиях протяженностью около 22 км (в частности, от пункта МИИГАиК до пунктов, расположенных на полигоне Лёдово). При обработке таких измерений были получены графики, анало-

гичные тем, которые отображены на рис.5. Их вид приведен на рис.6.

ток на линиях повышенной протяженности.

Вид этих графиков свидетельствует о резком возрастании уклонений для линии, включающей в себя пункт "Лёдово-Е" с сильными отражениями. При проведении измерений на этой линии отмечались случаи, когда в отдельные периоды времени нарушалась работа станции из-за чрезмерного уменьшения величины принимаемого сигнала, что лишний раз позволяет сделать вывод о принятии необходимых мер по исключению отдельных неблагоприятных участков сеанса наблюдений из результатов вычислений.

Применительно к рассмотренному циклу спутниковых измерений были изучены невязки разностей координатных компонент в замкнутых геометрических построениях, которые позволили получить интересные выводы. Так, например, было установлено, что включение в такой анализ линии с сильными отражениями результирующие значения невязок становятся неравными нулю при использовании одновременных измерений в замкнутых построениях, что явно противоречит теоретическим предпосылкам, встречающимся во многих опубликованных источниках.

Для подтверждения этого несоответствия на рис.7 приведены полученные нами графики изменения невязок, относящихся к координатной компоненте АУ для треугольников как содержащих линии с сильными отражениями, так и при их отсутствии.

Проведенный анализ показал, что выявленное нарушение нулевого баланса

невязок неразрывно связано с наличием пункта с сильными отражениями. При этом представляется возможность оценивать степень влияния отражений на результаты спутниковых координатных определений по величине упомянутых

невязок.

ДУ, для треугольников, содержащих пункт с сильными отражениями и при отсутствии такового.

Наряду с вышеизложенным в диссертации сформулированы некоторые предпосылки для разработки нестандартных методов минимизации влияния многопутности на спутниковые измерения. В частности, представляет несомненный интерес установление связи между точностью прямых измерений линий, содержащих пункт с сильными отражениями, и косвенных измерений с использованием расположенного вблизи вспомогательного пункта, который не подвержен сильным отражениям. Для ответа на такую постановку вопроса нами в рамках проведенных исследований произведены почасовые вычисления координатной компоненты ДУ в пределах суток как для прямых измерений линии повышенной протяженности, соединяющей пункты МИИГАиК—Лёдево-Е, так и косвенных измерений этой линии через вспомогательные пункты Лёдово и Лёдово-С. Полученные при этом графики отображены на рис.8.

Вычисленные на основе таких исследований данные свидетельствуют о том, что за счет косвенных измерений удается уменьшить разброс одночасовых значений примерно в 3 раза.

- МИИГАиК-ЛСдово Е

- МИИГАиК-Ледово С—Лйдово Е

Рис.8. Графики почасовых изменений координатной компоненты ДУ, полученных из прямых измерений линии МИИГАиК--Лёдово-Е и через вспомогательные пункты Лёдово и Лёдово-С.

На базе отработки оптимальных методов определения местоположений рабочих пунктов, входящих в состав локальных геодинамических построений, несомненный интерес представляет объективное сравнение выявленных смещений пунктов с реальными значениями изучаемых деформаций. Для решения поставленной задачи проведен специальный эксперимент, сущность которого состояла в выполнении натурных повторных спутниковых измерений, в процессе реализации которых антенна на контролируемом пункте после первого сеанса наблюдений смещалась на известную величину и в заданном направлении, а затем производился повторный сеанс.

При выполнении такого эксперимента использовались оптимизированные методы наблюдений и последующей обработки, позволяющие реализовать максимальный по точности уровень координатных определений. При организации данного эксперимента было использовано три опорных пункта и один рабочий пункт, на котором осуществлялись упомянутые выше смещения антенны спутникового приёмника между двумя сеансами наблюдений.

На первой стадии описываемого эксперимента была использована специально созданная локальная сеть, которая включала три опорных пункта со взаимным удалением от двух до пяти километров и расположенного в центральной части образованного треугольника одного рабочего пункта. На упомянутой сети в два последовательных дня было проведено по два сеанса наблюдений,

причём в первый день после первого сеанса антенна на рабочем пункте смещалась в плане в заданном направлении на величину 12,5 мм, а во второй день - на 5,5 мм.

Анализ обработанных результатов измерений показал, что в случае определения координат от одного опорного пункта уклонения составили величину около 7 мм. В то же время при одновременном использовании трёх опорных пунктов погрешность уклонений оценивалась на уровне 2-3 мм. Последние данные и были приняты нами за основу при оценке точности интересующих нас деформаций.

На основе обобщения результатов проведенного эксперимента представилась возможность сделать вывод о необходимости использования на локальных геодинамических полигонах каркасного построения, включающего в себя несколько опорных пунктов, равномерно окружающих всю территорию полигона. Вместе с тем для более строгого учета изменений вертикальной компоненты внесено предложение о целесообразности осуществления дополнительного контроля за счет проведения вспомогательных высокоточных нивелирных измерений и предложенной автором методики их взаимного трансформирования.

Совокупность приведенных экспериментальных исследований нашла своё отражение при реализации методов, которые были использованы в процессе организации мониторинга изучаемых деформаций земной поверхности. В частности, на Загорском геодинамическом полигоне отслеживание смещений рабочих пунктов осуществляется по разработанной нами методике на протяжении нескольких лет с интервалами около полугода. Полученная при этом информация позволила сделать соответствующие заключения о реальных значениях смещений упомянутых пунктов как в плане, так и по высоте на всей территории выбранной местности.

В частности, на основе изложенной в диссертации методики изучения деформационных процессов были зафиксированы отдельные смещения рабочих пунктов, обусловленные влиянием внешних факторов на стабильность закрепленных в фунте центров (такими, как промерзание грунта).

Аналогичные исследования были выполнены нами и в отношении изменений вертикальной компоненты с течением времени. При этом было зафиксировано как монотонное понижение этой компоненты на уровне нескольких миллиметров в год, так и сезонные ее изменения с амплитудой, достигающей 2 см. По результатам проведенных исследований высказано предположение о том, что отмеченные изменения могут быть связаны, в частности, с промерзанием грунта и изменением уровня грунтовых вод. Для более уверенного установления причин, порождающих подобного рода смещения, была разработана комплексная программа изучения деформационных процессов, включающая в себя наряду с геодезическими методами геологические и геофизические исследования. Краткая информация об организации таких комплексных исследований приведена в заключительной части диссертационной работы. Заключение

На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований в рамках диссертационной работы разработаны методы изучения деформаций земной поверхности, приуроченные к зонам расположения крупных инженерных сооружений и к территориям крупных городов. При реализации результатов таких исследований представилась возможность решить следующие задачи:

1) разработать на базе применения спутниковых методов концепцию по построению локальных высокоточных геополигонов, включающую в себя двухзвенный принцип развития местных геодинамических сетей, технологию создания референцного каркаса и его взаимосвязь с набором контрольных рабочих пунктов, по смещениям которых изучаются искомые деформации;

2) обосновать и реализовать методы минимизации влияния основных источников ошибок спутниковых измерений, что позволяло обеспечить на практике точность определения местоположений пунктов созданных и создаваемых геополигонов на уровне нескольких миллиметров;

3) усовершенствовать процесс проведения на полигонах полевых спутниковых наблюдений и процедуру последующей обработки результатов измерений с тем, чтобы на их основе получать надежные значения изучаемых дефор-

маций без воздействия на эти значения ог тематических ошибок измерений;

24

»237 64

4) реализовать разработанные методь ниторинга по выявлению и прогнозирован ностных геологических структур;

5) сформулировать обоснованные по; новения тех или иных деформаций с при^

геодезическими методами геологических и геофизических исследований.

Перечисленный выше круг задач и вынесен нами на защиту основных положений данной диссертационной работы. Публикации по теме диссертации

1. Ву Ван Донг. Специфика создания локальных геодинамических полигонов современными спутниковыми методами - Изв.вузов. Сер. "Геодезия и аэрофотосъемка". - 2003. - Специальный выпуск;

2. Ву Ван Донг. Особенности метода определения нормальных высот на локальном геодинамическом полигоне. - Сборник сообщений на IX Международном симпозиуме "Геоинформационный мониторинг внешней среды: GPS и GIS технологии". - Алушта, Крым. - 6-11 сентября 2004г.

3. Генике А. А., Ву Ван Донг. Особенности учета влияния многопутности при спутниковых геодезических измерениях. - Изв.вузов. Сер."Геодезия и аэрофотосъёмка".- 2004,- №2.

4. Генике А. А., Ву Ван Донг. Экспериментальные исследования влияния многопутности на спутниковые измерения. - Изв.вузов. Сер. "Геодезия и аэрофотосъёмка". - 2004. -№3.

5. Генике А. А., Ву Ван Донг. Особенности создания локальных геодинамических сетей спутниковыми методами. - Сборник "Международная научно-техническая конференция, посвященная 225-летию МИИГАиК". - М.-2004.

МГУГиК

105064, Москва К-64, Гороховский пер., 4

Подп. к печати 02.11.2005 Формат 60x90 Бумага офсетная Печ. л. 1,5 Уч.-изд. л. 1,5 Тираж 80 экз. Заказ №184 Цена договорная

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Ву Ван Донг

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ОСНОВОПОЛАГАЮЩИЕ ОСОБЕННОСТИ РЕШЕНИЯ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ЗАДАЧ СПУТНИКОВЫМИ МЕТОДАМИ.

1.1. Современное значение геодинамики при различных масштабах ее использования (глобальные, региональные и локальные).

1.2. Методы решения поставленных задач с акцентом на рациональность использования спутниковых систем типа GPS и ГЛО-НАСС.

1.3. Роль локальных геодинамических построений и их специфика ® применения на основе использования спутниковых измерений.

1.4. Комплексное изучение решаемой проблемы с использованием теоретических и экспериментальных исследований.

1.5.Специфика учета влияния основных источников ошибок спутниковых измерений на основе теоретических и экспериментальных ф исследований.:.

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К ОБОСНОВАНИЮ МЕТОДОВ СПУТНИКОВЫХ КООРДИНАТНЫХ ОПРЕДЕЛЕНИЙ НА ЛОКАЛЬНЫХ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПОЛИГОНАХ.

2.1. Исходные требования, учитывающие специфику спутниковых ф координатных определений при решении геодинамических задач.

2.2. Основополагающие теоретические предпосылки, использованные при решении геодинамических задач.

2.3. Классификация основных источников ошибок применительно к решению геодинамических задач. 2.4. Специфика учета влияния исходных данных, связанных с выбором для спутников координатно-временных систем и методов а определения эфемерид.

2.5. Учет влияния атмосферы применительно к решению геодинамических задач.

2.6. Разработка нестандартных теоретических предпосылок для ми-^ нимизации влияния многопутности.

2.7. Анализ инструментальных ошибок и неопределенности положения фазового центра приёмника.

2.8. Нестандартные методы обработки и анализа спутниковых измерений применительно к решению задач геодинамики.

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СПУТНИКОВЫХ КООРДИНАТНЫХ ОПРЕДЕЛЕНИЙ НА ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПОЛИГОНАХ. 3.1. Исследование стабильности положения опорных пунктов и обоснования длительности сеансов наблюдений на локальных геодинамических полигонах.

3.2. Результаты исследований по учету влияния тропосферы на созданных геополигонах.

Ф 3.3. Экспериментальная проверка эффективности ослабления влияния многопутности за счет применения нестандартных методов.

3.4. Оценка влияния квази-систематических ошибок спутниковых измерений и методов их минимизации.

• 3.5. Практическая реализация reo динамического мониторинга на локальных геополигонах.

3.6. Комплексное изучение деформаций в зонах расположения крупных инженерных сооружений.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Исследования деформационных процессов на локальных геодинамических полигонах современными спутниковыми методами"

Современный этап развития наук о Земле быстро прогрессирует, что, во многом, объясняется интенсивным внедрением спутниковых технологий, обеспечивающих, в частности, развитие такого направления, как геодинамика, под которой понимается наука, занимающаяся изучением динамической реакции Земли на воздействие различных внутренних и внешних сил [15]. В её развитии важную роль сыграли спутниковые методы позиционирования, позволяющие на высоком уровне точности изучать геометрические формы Земли, неравномерность её вращения, движения литосферных плит, деформации земной коры, приливные явления, параметры гравитационного поля Земли, различные техногенные процессы, а также целый ряд других, связанных с Землей научных направлений.

Актуальность использования многогранных возможностей геодинамики наиболее отчетливо проявилась, в частности, при анализе недавно произошедшей крупной катастрофы в регионе Индийского океана, связанной с движением литосферных плит. При этом на основе использования современных спутниковых технологий удалось не только оперативно определить смещения целого ряда островов (таких, как Суматра), но и зафиксировать изменения скорости вращения Земли и положения её оси вращения. Упомянутая информация, лишний раз, свидетельствует о целесообразности дальнейшего развития различных направлений геодинамики, среди которых повышенного внимания заслуживает проблема движения земной коры.

В опубликованных за последние годы многочисленных источниках информации ([15], [20], [42] и др.) принято отмеченную проблему разделять на такие основные составные части, как глобальная, региональная и локальная геодинамика. При такой классификации под глобальной геодинамикой будем понимать динамические процессы, охватывающие весь земной шар, включая и отмеченные в работе [15] такие крупномасштабные геодинамические явления, как движения литосферных плит, динамические изменения поверхности морей и океанов, крупномасштабные вариации геопотенциала во времени и другие аналогичные по масштабам, связанные с Землей изменения.

Под региональной геодинамикой в полном соответствии с публикацией [15] будем понимать региональные изменения положений точек земной поверхности, а также вариации гравитационного поля, относящиеся к регионам протяженностью от 100 до 1000 и более километров. Примерами могут служить такие участки земной поверхности, как Сан-Андреасский разлом в Калифорнии, неовулканическая рифтовая зона в Исландии, регионы повышенной вулканической деятельности в Японии и другие подобные зоны [42].

К локальной геодинамике нами в соответствии с классификацией других авторов публикаций по космической геодезии ([15], [42]) отнесены регионы протяженностью до 100 км, на которых проявляются деформации земной поверхности, обусловленные тектоническими, техногенными и другими факторами, активно воздействующими на приповерхностные геологические структуры. Повышенный интерес к изучению геодинамических явлений проявляется, как правило, в зонах строительства и эксплуатации крупных инженерных сооружений, а также на территориях крупных городов. За последние годы по данному разделу геодинамики опубликовано большое количество статей и сделано много докладов на различных научных конференциях и симпозиумах ([5], [6], [18]), что свидетельствует о постоянно нарастающем интересе к изучению геодинамических процессов на локальных участках земной поверхности.

Анализ методов изучения геодинамики современными спутниковыми методами свидетельствует о том, что на различных этапах решения упомянутых задач возникает необходимость в использовании нестандартных подходов, существенно отличающихся от решения аналогичных задач традиционными наземными геодезическими методами. Такие особенности затрагивают, прежде всего, сферу изучения динамических процессов, характерных для состояния земной поверхности на сравнительно небольших территориях.

Упомянутый анализ послужил основой для выбора темы настоящей диссертационной работы, ключевыми составными частями которой являются:

1)обоснование особенностей построения локальных геодинамических полигонов современными спутниковыми методами, обеспечивающими оперативность выполнения на них необходимых измерений и требуемый высокий уровень точности, относящийся к реальным значениям изучаемых деформаций;

2)теоретическая разработка и экспериментальная проверка эффектива ности предложенных нестандартных методов минимизации влияния основных источников ошибок спутниковых координатных определений;

3)разработка и реализация нестандартных методов обработки результатов спутниковых измерений, характерных для решения задач геодинамики;

4)практическая апробация всего комплекса выполненных исследований на созданных геодинамических полигонах в зонах расположения крупных инженерных сооружений и крупных городов;

5)комплексирование геодезических координатных определений с другими методами геодинамических исследований (геологическими и геофизическими).

С учетом вышеизложенного в 1-й главе в систематизированном изложении рассмотрены основные особенности решения геодинамических задач спутниковыми методами применительно к изучению геодинамических проблем. Повышенное внимание при этом уделено формулировке базовых предпосылок к общему решению задач геодинамики геодезическими методами на основе применения спутниковых технологий. В развитие такого подхода рассмотрены характерные особенности современных геодезических построений на геодинамических полигонах в сочетании с организацией на них комплекса геодезических измерений спутниковыми методами. Необходимость обеспечения высокой точности координатных определений обусловили целесообразность обоснования методов по минимизации влияния основных источников ошибок, характерных для решения задач геодинамики. Наряду с этим уделено соответствующее внимание методам обработки и оценке точности спутниковых координатных определений на геодинамических полигонах, выбору соответствующих координатных систем и повышенной роли высотной компоненты с учетом особенностей её определения спутниковыми методами. На основе обобщения материала данной главы отмечена необходимость рационального сочетания теоретических и экспериментальных исследований при решении поставленных задач.

Во 2-й главе данной диссертационной работы рассмотрен комплекс вопросов, связанных с теоретическими исследованиями в области разработки методов спутниковых координатных определений на локальных геодинамических полигонах. В качестве предпосылки к проведению таких исследований сформулированы специфические требования, предъявляемые к точности координатных определений на создаваемых локальных геополигонах. Наряду с этим приведены и прокомментированы исходные основополагающие математические соотношения, используемые при спутниковых координатных определениях применительно к решению рассматриваемой проблемы. Основное внимание в данной главе уделено изложению нестандартных подходов и их решениям, ориентированным на минимизацию влияния таких основных источников ошибок спутниковых измерений, как учет влияния атмосферы и многопутности, а также анализу ошибок, связанных с работой приёмно-вычислительной аппаратуры пользователей. Разработанные при этом методы ориентированы на их использование как в процессе организации спутниковых наблюдений, так и при последующей обработке результатов измерений. В этом контексте повышенный интерес представляют такие, ранее не рассматриваемые проблемы, как определение нормальных высот спутниковыми методами на миллиметровом уровне точности, а также установление взаимосвязи между погрешностями измерений разности координат и длин линий между двумя взаимодействующими пунктами сети. Применительно к изучению деформаций на геодинамических полигонах несомненный интерес, представляют вопросы, связанные с получением надежных реальных значений изучаемых деформаций на фоне остаточного влияния квазисистематических ошибок спутниковых измерений.

Большинство из затронутых выше теоретически рассмотренных проблем подвергнуты нами экспериментальным проверкам, результаты которых изложены в 3-й главе. В частности, таким проверкам подвергнуты методы учета влияния атмосферы и многопутности применительно к созданным геодинамическим полигонам. На основе анализа продолжительных во времени спутниковых измерений на одном из созданных геополигонов рассмотрены методы обработки спутниковых измерений, позволяющие оценить реальную картину возникающих деформаций земной поверхности и сформулировать рекомендации по их выявлению в зоне расположения упомянутого геополигона.

В заключительной части диссертационной работы сделаны обобщающие выводы о результатах проведенных исследований и сформулированы рекомендации, касающиеся комплексных методов изучения деформационных процессов на локальных геодинамических полигонах при совместном использовании геодезических, геологических и геофизических исследований. Вместе с тем в сжатой форме приведена информация о проведении аналогичных исследований другими авторами в различных регионах земного шара и перспективы их дальнейшего развития.

Заключение Диссертация по теме "Геодезия", Ву Ван Донг

Выводы, относящиеся ко 2-й главе.

На основе проведенных в настоящей главе исследований представляется возможным сделать следующие выводы:

1) Построение сети на локальных геодинамических полигонах целесообразно производить двухзвенным методом, включающим в себя каркасную сеть опорных пунктов и сеть рабочих пунктов, используемых для установления изучаемых деформаций. Каркасная сеть должна включать в себя несколько (не менее трёх) опорных пунктов, расположенных на периферийных, наиболее стабильных участках рассматриваемого полигона.

2) Для реализации максимально достижимого уровня точности спутниковых координатных определений применительно к решению задач геодинамики следует использовать нестандартные методы минимизации влияния различных источников ошибок спутниковых измерений.

3) При учете влияния исходных данных, к которым, в первую очередь, могут быть отнесены используемые эфемериды наблюдаемых спутников, предпочтения заслуживает апостериорный метод, базирующийся на применении способа пространственной линейной засечки с наземных пунктов с известными координатами.

4) При решении вопросов, касающихся учета влияния ионосферы на результаты спутниковых измерений безоговорочного предпочтения заслуживает двухчастотный метод, а применительно к учету влияния тропосферы -метод, основанный на вычислении тропосферной поправки при условии использования избыточного количества наблюдаемых спутников.

5) Для минимизации влияния многопутности наряду с выбором благоприятного места расположения пункта наблюдений заслуживает также внимания и нестандартный подход, основанный на исключении из обработки тех участков траектории наблюдаемого спутника, на которых создаются предпосылки для возникновения повышенного уровня ошибок, обусловленных отражениями.

6) В области инструментальных источников ошибок определяющим фактором являются неопределенности знания положения фазового центра приёмной антенны, для минимизации влияния которых наряду с целесообразностью использования антенн с наиболее стабильными характеристиками следует рекомендовать также обеспечение идентичной воспроизводимости условий наблюдений во всех последующих циклах повторных измерений, что характерно для решения задач геодинамики.

7) При исследовании проблемы ослабления влияния остаточных квазисистематических ошибок результатов спутниковых измерений и их отделения от искомых значений деформационных сдвигов нами обоснован метод преобразования систематического характера упомянутых ошибок в близкий к случайному за счет определения значений координат искомого пункта от нескольких пространственно разнесенных опорных пунктов.

8) В целях установления обоснованной связи между геодезическими высотами, определяемыми спутниковыми методами, и нормальными высотами, характерными для нивелирных измерений, автором диссертации обоснован и экспериментально апробирован высокоточный метод такого перехода, базирующийся на использовании геометрии расположения соответствующих площадок геополигона на поверхности квазигеоида и эллипсоида.

9) При критическом анализе проблемы уравнивания результатов спутниковых измерений на геодинамических полигонах внесено предложение о необходимости использования для рабочих пунктов геополигонов метода уравнивания, характерного для лучевого метода.

10) Для решения проблемы установления обоснованной взаимосвязи между ошибками определения разностей координат двух пунктов сети и соответствующей длиной базисной линии внесено предложение о необходимости учета при этом векторного характера производимых вычислений, а как следствие, учета не только взаимного удаления двух пунктов, но и ориентир-ных направлений, соединяющих упомянутые два пункта. Такой подход адаптирован к решению рассматриваемых нами геодинамических задач.

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СПУТНИКОВЫХ КООРДИНАТНЫХ ОПРЕДЕЛЕНИЙ НА ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПОЛИГОНАХ

3.1. Исследование стабильности положения опорных пунктов и обоснования длительности сеансов наблюдений на локальных геодинамических полигонах.

При проведении экспериментальных исследований, связанных с орга низацией отслеживания деформационных процессов в зонах расположения крупных инженерных объектов, повышенного внимания заслуживают вопросы, относящиеся к апробированию общих принципов построения геодинамических сетей спутниковыми методами. Как уже отмечалось ранее, при решении данной проблемы установлена целесообразность применения двухзвен-ной схемы построения геодинамических сетей. Первое звено включает в себя каркасное построение, состоящее из набора стабильных опорных пунктов, в то время как второе звено формирует набор расположенных в пределах полигона рабочих пунктов, ответственных за изучение деформационных процессов. По такому принципу построена, в частности, локальная сеть на Загорском геодинамическом полигоне. Для иллюстрации на рис.3.1 приведена схема расположения опорных и рабочих пунктов на упомянутом полигоне.

Основное требование, которое предъявляется к отображенным на данном рисунке пяти опорным пунктам и к технологии их закрепления на местности, сводится к обеспечению максимальной стабильности их местоположения с течением времени. Экспериментальная проверка этого требования базируется на анализе многократных, разнесенных во времени результатов спутниковых измерений и на оценке их изменяемости как в плане, так и по высоте.

Особенности использованного нами подхода к ежегодной воспроизводимости значений координатных отметок опорных пунктов состояла в том, что с учетом специфики задач геодинамики положение всего каркасного построения принималось неизменным с течением времени, поскольку при решении поставленной задачи наибольший интерес представляют изменения местоположений отдельных рабочих пунктов, расположенных в пределах созданного геополигона, а не перемещения всего геополигона вместе с движением тектонических плит.

Рис.3.1. Схема расположения опорных и рабочих пунктов на Загорском геодинамическом полигоне.

Исходя из сделанных предпосылок в таблице 3.1 приведены условные геодезические координаты в проекции Гаусса - Крюгера, характеризующие стабильность положения опорных пунктов за период с 2002 г. по 2004 г. При выполнении спутниковых измерений в отдельных циклах использовались, как правило, трёхсуточные сеансы наблюдений с применением двухчастот-ных спутниковых приёмников.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе исследований, проведенных в настоящей диссертационной работе представляется возможным сделать обобщенный вывод о том, что представленный материал охватывает практически весь перечисленный во введении комплекс вопросов, относящихся к разработке методов исследования деформационных процессов применительно к локальным геодинамическим полигонам, создаваемым в зонах расположения крупных инженерных сооружений. При этом в процессе реализации упомянутого комплекса решены следующие задачи:

1) произведено обоснование актуальности рассматриваемой проблемы;

2) разработаны общие принципы построения локальных геодинамических полигонов;

3) проведены исследования по теоретическому обоснованию реализованных методов минимизации влияния основных источников ошибок спутниковых измерений;

4) экспериментально исследованы в широких масштабах основные особенности определения деформаций земной поверхности на локализованных участках местности с обеспечением миллиметрового уровня точности;

5) произведена практическая апробация эффективности разработанных в диссертации методов на производственных объектах в процессе организации многолетних измерений;

6) обоснована целесообразность совместного использования спутниковых методов в сочетании с геологическими и геофизическими исследованиями.

По первому направлению проведенный расширенный обзор современных задач геодинамики позволил сделать обоснованный вывод о возрастающей актуальности затронутой тематики как в глобальном; так и региональном масштабах. При этом основное внимание уделено особенностям изучения деформационных процессов применительно к локализованным участкам земной поверхности в зонах расположения крупных инженерных сооружений.

На базе использования упомянутых предпосылок в рамках второго направления рассмотрен круг вопросов, связанных с обоснованием общих принципов построения геополигонов в отмеченной выше зоне. Такое рассмотрение выявило необходимость использования двухзвенного принципа построения геодинамических сетей применительно к поставленной задаче. Исходя из этого, в первое звено, образующее референцный каркас, включен набор высоко стабильных опорных пунктов, располагаемых по всей протяженности периферийной зоны создаваемого полигона. Входящие во второе звено рабочие пункты, по смещениям которых оцениваются изучаемые деформации, располагаются по всей площади геополигона, отдавая предпочтение тем местам, где по результатам предварительных исследований ожидается с наибольшей вероятностью возникновение тех или иных опасных деформаций земной поверхности.

Поскольку к результатам определения координат пунктов рассматриваемых геополигонов предъявляются весьма высокие требования по уровню точности, то в третьем из упомянутых выше направлений предпринята попытка систематизированного изложения теоретических предпосылок, ориентированных на минимизацию влияния основных источников ошибок. При этом повышенное внимание уделено таким трудно учитываемым источникам ошибок, как влияние тропосферы и многопутности. Наряду с этим в данном разделе диссертации рассмотрены некоторые нестандартные методы, имеющие отношение к отдельным особенностям решения поставленной задачи. В частности, внесено предложение о целесообразности применения так называемого лучевого метода построения сети на геополигонах, характерные для этого метода принципы вычисления координат рабочих пунктов и нестандартные принципы уравнивания результатов измерений. Наряду с этим изложен эффективный для геополигонов метод перехода от определяемых спутниковыми методами геодезических высот к нормальным высотам, обеспечивая при этом точность определения вертикальной координатной компоненты на уровне нескольких миллиметров. В контексте решения перечисленных выше проблем разработан принцип выделения интересующих потребителей реальных значений изучаемых деформаций на фоне остаточного влияния квазисистематических ошибок спутниковых измерений.

Наиболее эффективной обоснованностью правильности выбора изложенных во 2-й главе теоретических предпосылок следует признать сопутствующие экспериментальные исследования, составляющие основу четвертого из вышеперечисленных направлений. Анализ проведенных в этой области исследований позволил сделать обобщенный вывод о том, что упомянутые теоретические предпосылки могут быть базой при решении проблемы минимизации влияния ошибок спутниковых измерений. В частности, многолетние координатные определения на рассматриваемом геополигоне, относящиеся к опорным пунктам, подтвердили возможность обеспечения требуемой высокой точности спутниковых измерений на основе использования изложенных во 2-й главе методов. Наряду с этим достаточно эффективными оказались и разработанные в процессе экспериментальных исследований методы таких измерений, примененные на рабочих пунктах, входящих в состав создаваемых геополигонов.

При выполнении экспериментальных исследований, связанных с влиянием тропосферы, подтвердилась обоснованность использования метода, базирующегося на оценке тропосферной рефракции за счет применения специализированного подхода в процессе обработки результатов спутниковых измерений. При этом проявилась возможность оперативного отслеживания соответствующих изменений результатов, обусловленных недостаточно строгим учетом влияния неблагоприятных состояний тропосферы.

В общем комплексе проведенных экспериментов повышенное внимание было уделено проблеме минимизации влияния многопутности. На основе предварительно разработанных теоретических предпосылок была подтверждена эффективность ослабления такого влияния за счет исключения из обработки тех участков орбиты спутников, на которых создаются условия для возникновения сильных отражений радиосигналов от объектов, окружающих пункт наблюдения.

В качестве дополнительной меры рассмотрена возможность минимизации ошибок из-за многопутности за счет организации наблюдений с использованием вспомогательного, близ расположенного пункта, не подверженного влиянию сильных отражений. При решении задачи, связанной с установлением критерия, по которому можно оценивать удельный вес ошибок из-за отражений в процессе обработки спутниковых измерений, сделан нестандартный вывод о возможности использования для этих целей результатов, получаемых при анализе невязок замкнутых геометрических построений при одновременном проведении наблюдений на пунктах, образующих такие построения.

С целью повышения надежности определения вертикальной координатной компоненты применительно к локальным геополигонам в процессе проведения исследований апробирован достаточно эффективный и легко реализуемый на практике метод перехода от геодезических высот к нормальным при использовании спутниковых измерений. Экспериментальная проверка подтвердила высокий (миллиметровый) уровень точности трансформирования упомянутых высот, характерный для упомянутого метода.

При анализе конечных результатов спутниковых координатных определений, на основе которых должен быть сделан вывод о величинах изучаемых деформаций, возникает необходимость отделения упомянутых значений от остаточного влияния квазисистематических ошибок спутниковых измерений. Проведенные в представленной работе исследования показали, что упомянутая задача достаточно успешно решается за счет совместного использования результатов наблюдений от нескольких (не менее трёх) опорных пунктов, окружающих рабочий пункт, на котором оцениваются изучаемые смещения приповерхностных геологических структур. При этом отмеченные смещения удается регистрировать на миллиметровом уровне точности.

Вся перечисленная выше совокупность проведенных по 5-му направлению, включающему в себя теоретические и экспериментальные исследования, была практически апробирована в процессе проведения геодинамического мониторинга в зоне расположения Загорской ГАЭС. На основе описанной в работе методики спутниковых измерений, охватывающих четырёхлетний период, представилась возможность регистрировать на миллиметровом уровне точности изменения как горизонтальных, так и вертикальных отметок, характерных для мест расположения рабочих пунктов геополигона. При таком" отслеживании были зафиксированы также периодические сезонные смещения пунктов по высоте на отдельных участках данного геополигона. Накопленный опыт в области решения задач геодинамики на локализованных территориях был распространен и на другие геодинамические полигоны (в частности, на Тенгизский полигон).

При дальнейшем совершенствовании геодинамического мониторинга возникла целесообразность в комплектовании спутниковых методов координатных определений с другими методами, базирующимися на геологических и геофизических исследованиях. Такая совокупность различных подходов в сжатой форме представлена в заключительном шестом направлении.

Как уже отмечалось в 3-й главе данной диссертационной работы, такой комплексный подход позволяет не только производить количественную оценку возникающих деформаций земной поверхности, но и получить ответ, касающийся причин их возникновения. Применительно к базовому Загорскому геополигону вскрыты те геологические прослойки, которые не обеспечивают необходимую устойчивость и провоцируют возникновение оползней. Предпринятые инженерные решения позволили стабилизировать пространственное положение таких локальных геологических структур. Результаты проведенных в последние годы на этом полигоне спутниковых координатных определений подтвердили эффективность предпринятых предохранительных мер.

В заключение следует отметить тот факт, что результаты всех проведенных в данной работе исследований хотя и сконцентрированы на решении геодинамических задач, относящихся к локализованным участкам земной поверхности, но, по нашему мнению, они могут оказаться полезными и при проведении исследований в области глобальной геодинамики, актуальность которой в последнее время резко возросла.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Ву Ван Донг, Москва

1. Ананьин И.В., Багмет A.J1. Землетрясения и их проявления на территории Москвы. - Развитие методов и средств экспериментальной физики. - Вып.2. -1996.

2. By Ван Донг. Специфика создания локальных геодинамических полигонов современными спутниковыми методами. Изв. вузов. Сер. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2003. - Специальный выпуск.

3. By Ван Донг. Особенности метода определения нормальных высот на локальном геодинамическом полигоне. IX Международный симпозиум "Геоинформационный мониторинг внешней среды: GPS и GIS технологии". -Алушта, Крым. - 6-11 сентября 2004 г.

4. Генике А.А. Исследования в области геодезических радиодальномерных измерений. М. Недра. - 1974.

5. Генике А.А., By Ван Донг. Особенности создания локальных геодинамических сетей спутниковыми методами. Международная научно-техническая конференция, посвященная 225-летию МИИГАиК,- М. 2004.

6. Генике A.A., Ву Ван Донг. Особенности учета влияния многопутности при спутниковых геодезических измерениях. Изв. вузов. Сер. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2004. - № 2.

7. Генике A.A., Ву Ван Донг. Экспериментальные исследования влияния многопутности на спутниковые измерения. Изв. вузов. Сер. Геодезия и аэрофотосъёмка. - 2004. - № 3.

8. Генике A.A., Гусева Т.В., Власов С.С, Мишин A.B. Экспериментальные исследования по моделированию смещений пунктов геодинамических сетей. Электронный журнал "Вестник ОГГГГН РАН". - № 3(13) 2000.

9. Генике A.A., Карпунин В.А., Галкин Ю.С. Опыт геодинамического мониторинга территории с использованием GPS. -Международная конференция "Математические и физические методы в экологии и мониторинге природной среды" Москва.-23-25 октября 2001 г.

10. Генике A.A., Черненко В.Н. Исследование деформационных процессов на Загорской ГАЭС спутниковыми методами. Геодезия и картография. - №2003.

11. Генике A.A., Побединский Г. Г. Глобальные спутниковые системы определения местоположения и их применение в геодезии.- М., Картгеоцентр. -2004.

12. Крылов В.И. Космическая геодезия (Учебное пособие). М., "Репрография" МИИГАиК. - 2002.

13. Научно-технические отчеты за 1998, 1999, 2000 и 2001 гг. по тематике "Геодезический мониторинг по выявлению опасных деформационных процессов на примере Московского региона". -Проект К-282 по Федеральной целевой программе "Интеграция".

14. Огородова JI.B. Вычисление геодезической высоты по прямоугольным пространственным координатам. Геодезия и картография. - 2002. - № 12.

15. Прилепин М.Т. Концепция использования глобальных спутниковых систем для прогноза землетрясений. Электронный журнал "Вестник ОГГГТН РАН". -№1(3) 98.

16. Технические отчеты за 2002, 2003 и 2004 гг. по проекту "Изучение деформационных процессов в зоне эксплуатации Загорской ГАЭС на основе высокоточных спутниковых измерений".

17. Клюшин Е. Б., Киселев М. И., Михелев Д. Ш., Фельдман В. Д. Инженерная геодезия. Учеб. для вузов 2-е издание, исправленное - М.: Высшая школа, 2001 г.

18. Ямбаев Х.К. Создание современной опорной геодезической сети Москвы с применением GPS аппаратуры фирмы "Лейка".-М. Репортер. Картгео-центр-Геодезиздат. - 1997. - №1.

19. Beutler G. и др. Bernese GPS Software (Version 5.0).-Astronomical Institute, University of Berne.-2004.

20. Gorres B. Bestimmung von Hohenanderungen in regionalen Netzen mit dem Global Positioning System.-Dtsch. Geod. Kommis. Bayer Akad. Wiss Veroeff.-C.№461.1996.

21. Gorres B., Campbell J. Bestimmung Vertikaler Punktbewegungen mit GPS.- Z. Vermessungsw.-V. 123, №7,1998.

22. Hofmann-Wellenhof B., Lichtenegger H. Collins J. Global Positioning System. Theory and Practice.- 6th ed. Springer-Verlag.-Wien-New York.-2001.

23. Lambert W., Jens B.Verwendung Virtueller Referenz Stationen in regionalen GPS-Netzen.-Allg. Vermess-Nachs.- v.l05.-№4.1998.

24. Leick A. GPS Satellite Surveying (Second edition).-John Wiley&Son, JNC., USA.-1995.

25. Langley R.B. Propogation of the GPS signal.-GPS for Geodesy (2nd Edition).-Springer.-1998.

26. Mader G.L. GPS Antenna Calibration at the National Geodetic Survey.-NGS, NOAA.-Silver Spring, M.D.-2002.

27. Menz J., Breiberg Bian S. The local geoid determination by Stokes formula in an engineering and mining scale.-Alla. Vermess.-Nachr.-v.l05.-№2-1998.

28. Ollikainen Matti. GPS leveling results obtain in Finland.-Suomen geod. Laitolc. Tied.-№4-1998.

29. Reiner J., Holger M. Hohenanderungen im Bereich des Pegels Mainz. Deformations analyse der terrestrischen Epochen 1938-1995 und Ubergang aufeine. GPS-basierte Hohenuberwachung.-All. Vermess.-Nachr.-v. 105-№8-9-l998.

30. Rohrich Stefan. Untersuchung von GPS-Verfahren hinsichtlich des Einsatzes im Hohennetz (NivP-Netz).-Allg. Vermess.-Nachr.-v.l04-№3.-1997.

31. Teunissen Peter J.G. Quality Control and GPS.-GPS for Geodesy (2nd Editions-Springer-1998.

32. Teunissen Peter J.G. GPS Carrier Phase Ambiguity Fixing Concepts.-GPS for Geodesy (2nd Edition).-Springer-1998.

33. Ware R., Alber C., Rochen C., Solheim F. GPS surveying with 1mm precision using corrections for atmospheric slant path delay.-University Corporations for Atmospheric Research.-Boulder, CO,8037.-1998.

34. Werner B., Astrid S. GPS-Hohenmessungen im Raum Mainz-Wiesbaden.-Allg. Vermes.-Nachr.-v. 105-№8-9.-1998.

35. Habrich H. Geodetic Applications of the Global Navigation Satellite System (GLONASS) and of GLONASS/GPS Combinations.-Verlag des Bundesamtes für Kartographie und Geodäsie.-Franlcfurt am Main.-2000.

36. Seeber G. Satellite Geodesy (2nd Edition).-Walter de Gruyter.-Berlin-New York-2003.

37. Maier M., Lindner C., Kutterer H., Heck B. Deformations analyse zur Aufdeckung von Punkt- und Bloclcbewegunger im Bereich der Antarktischen Halbin-sel.-Dietrich(ed.).-2000.

38. Niemeier W. Ausgleichungsrechnung.-W.de Gruger-Berlin-new York.2002.

39. Voelksen C., seeber G., Foulger G.R., Plate tectonics in the northern part of the neovolcanic zone of Iceland between 187 and 1998.-Ann. Geophys.-v. 14,Suppl,№1.-1996.

40. Manzella G.M.R. h ^p. Potential use of satellite data to infer the circulation dynamics in a marginal area of the Mediterranean sea.-3rd ERS Symp. Space Serv. Our Environ.-Florence, 14-21 March 1997.

41. Kuhn M., Obermeier S., Heck B. Untersuchungen zum Eeisatz von GPS-Echtzeitvermessungssystemen in der Praxis.-Z. Vermessungsw.-v.l23,№5,-1998.

42. Wirth B., Donatsch G., Geodatishe Vermessung.-c.l 16,№44.-1998.

43. Egger K., Beitenmoser P., Walser F. Vermessung und Absteckung.-Schweiz. Ing. Und Archit.-vl 14, №29.-1996.

44. Bitelli G. h ^p. Mediciones de "GPS" parra controlar el hundimiento del sueloy para el calculo del geoide en la zone de Ravena.-Topogr. Y cartogr.-v.13, №761996.

45. Wanninger Lambert, Böhme Jens. Verwendung Virtueller Referenzstationen in regionalen GPS-Netzen.-Allg. Vermess.-Nachr.-v.l05,№4.-1998.

46. Dietrich R. h ^p. GAP: ein geodätisches Antarktisprojekt zur Losung geody-namischer Aufgabenstellungen GAP. Z.Vermessungsw. v.123, №2,1998.

47. Niell A. E. Global mapping functions for the atmosphere delay at radio wavelengths. Haystack Observatory, Massachusetts Institute of Technology, Westford, 1996.

48. Kouba J. A guide to using international GPS service (IGS) products. IGS publications. 2003.

49. Proceedings of the second workshop on regional geodetic network. Ho Chi Minh city-Vietnam Jun. 12th-13th 1999. Hosted by General Department of Land Administration of Vietnam.

50. Маркузе Ю.И., Бойко Е.Г., Голубев B.B. Геодезия-Вычисление и уравнивание геодезических сетей. -Москва "Картгеоцентр"-"Геодезиздат" 1994г.

51. На Minh Ho a. Nghien сшд irng dung cong nghe GPS de xac dinh chuyen dich vo trai dat tren khu vuc dut gay Lai Chau Dien Bien. Vien nghien сшд dia chinh - Bo tai nguyen moi tnrang. -2004.