Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка современной схемы и модернизации государственной геодезической сети Эфиопии на основе спутниковых технологий (GPS)

ВАК РФ 25.00.32, Геодезия

Автореферат диссертации по теме "Разработка современной схемы и модернизации государственной геодезической сети Эфиопии на основе спутниковых технологий (GPS)"

На правах рукописи

Гудето Гетачеу Брхане Мескел

РАЗРАБОТКА СОВРЕМЕННОЙ СХЕМЫ И МОДЕРНИЗАЦИИ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ГЕОДЕЗИЧЕСКОЙ СЕТИ ЭФИОПИИ НА ОСНОВЕ СПУТНИКОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ (GPS)

25.00.32 - «Геодезия»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Москва - 2006.

Работа выполнена на кафедре геодезии Московского Государственного Университета Геодезии и Картографии.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Маркузе Юрий Исидорович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Матвеев Станислав Ильич.

кандидат технических наук Мельников Сергей Васильевич.

Ведущая организация: Московский Городской Геодезический Трест.

Зашита диссертации состоится « _ »_2006 г., в_часов

в аудитории 321 на заседании диссертационного совета Д212.143.03 при Московском государственном университете геодезии и картографии (МИИГАиК) по адресу: 105064, г. Москва, Гороховский пер., д.4.

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

Автореферат разослан «_»_2006г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ^^ш-л^^/'Климков Ю.М.

¿¿<9(96 А

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы.

Федеральная Демократическая Республика Эфиопии относится к числу слабо изученных в топографо-геодезическом и картографическом отношении государств. Интенсивное экономическое развитие Федеральной Демократической Республики Эфиопии требует выполнения больших объемов топографо-геодезических и картографических работ. Геодезические и картографические работы, выполненные к настоящему времени на территории Эфиопии, не обеспечивают нужд народного хозяйства. Существующие карты Эфиопии являются мелкомасштабными. Только лишь на незначительной площади страны (городов) имеются кадастровые планы масштаба 1:5000. Однако для многих регионов страны в настоящее время, не говоря уже о будущем, требуются топографические и другие карты средних масштабов от 1:25000 до 1:10000 и крупных масштабов от 1:5000 до 1:2000. Потребность в картах крупного масштаба с течением времени будет возрастать.

Геодезической основой при топографических съемках, как отдельных регионов, так и всей страны в целом является государственная геодезическая сеть, которая по точности построения и по плотности пунктов в ней должна обеспечивать картографирование территории не только в средних, но и в крупных масштабах. Построенные в Эфиопии в 1957 - 1961 гг. астрономо-геодезическая сеть триангуляции 1-1П класса и высотная сеть 1-Ш класса обслуживают не более 30% территории страны. Кроме того, эта сеть ни по площади, ни по точности построения, ни по строгости математической обработки не отвечает современным требованиям и не обеспечивает запросы народного хозяйства страны.

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С.-Петербург

оэ гоо&ктУГ^

Назрела необходимость создания на всей территории Эфиопии современной государственной геодезической сети, позволяющей выполнять на ее основе топографические съемки и картографирование территории страны в разных масштабах, в том числе крупных; решать геодезическими методами разнообразные научные и практические задачи в соответствии с запросами народного хозяйства. В связи с этим перед соискателем была поставлена задача разработать проект создания на часть территории Эфиопии (семи районов) современной государственной геодезической сети, обеспечивающей дальнейшее развитие народного хозяйства Эфиопии на должном уровне. Решению этой задачи, имеющей важное народнохозяйственное значение, и посвящена настоящая диссертация. Все это определяет важность и актуальность рассматриваемой проблемы.

Цель диссертационной работы.

Основной задачей диссертационной работы является разработка научно обоснованной схемы и модернизации построения высокоточной государственной геодезической сети, на территории Эфиопии, которая отвечала бы современным требованиям и обеспечивала выполнение топографических съемок в средних и крупных масштабах, включая 1:2000, а также решение научных и инженерно-технических задач народнохозяйственного значения на высоком уровне.

Научная новизна работы.

В диссертации получены следующие новые научные результаты:

- сформулированы и научно обоснованы основные теоретические положения, которым должна удовлетворять современная государственная геодезическая сеть страны;

- показано, что существующая астрономо-геодезическая сеть Эфиопии ни по обслуживаемой ею территории страны (около 30%),ни по точности построения, ни по строгости математической обработки

не отвечает современным требованиям;

- разработан по карте проект построения геодезической сети (TTC) на часть территории Эфиопии (в обжитых и экономически перспективных регионах);

- на основе уравнивания, выполненной на ЭВМ в двух разных вариантах, доказано, что совместно уравниваемые спутниковая и наземная геодезическая сеть (расположенная в разных координатных зонах) позволяют определять взаимное положение смежных пунктов в ГГС с точностью, которая достаточна для геодезического обеспечения не только топографических съемок в масштабе 1: 2000, но и для решения множества научных и инженерно-технических задач народнохозяйственного значения на высоком уровне;

- показано, что эллипсоид Кларка II из-за больших погрешностей его полуосей дает искажение линейного масштаба опорной геодезической сети на его поверхности, достигающее 1:11000.

Практическая ценность работы.

Выполненные теоретические исследования, подтвержденные многочисленными расчетами, могут служить в качестве научной основы при разработке схемы и модернизации построения государственной геодезической сети, которые обеспечивают решение научных и инженерно-технических задач народнохозяйственного значения на высоком уровне.

Публикации и апробация работы.

По теме диссертации опубликованы 4 научные статьи. Результаты работы доложены на 60-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК (Москва,6-7 апреля 2005г.), 61-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК (Москва,5-6

апреля 2006г.), и выполненные в диссертации исследования обсуждались на заседании кафедры геодезии Московского Государственного Университета Геодезии и Картографии и получили одобрение.

Практическая реализация.

Выполненные в диссертации исследования и разработки найдут практическое применение при создании современной государственной геодезической сети Эфиопии. С точки зрения соискагеля они могут быть использованы также в научно - исследовательской работе и, что очень важно, в учебном процессе при подготовке инженеров -геодезистов.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации 211 стр., из них 133 стр. текста, 29 рисунков, 13 таблиц, приложения на 78 стр.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы. Здесь же определены основные научные задачи и цель работы.

Глава 1 .Анализ состояния существующей государственной геодезической сети Эфиопии и постановка проблемы проектирования.

В начале главы отражены физико-географические и климатические особенности Эфиопии, которые необходимо учитывать при разработке проекта и основных научных положений о построении современной опорной геодезической сети страны. Отмечается, в частности, что территория Эфиопии сравнительно мала (1,2 млн.км2) и что по своему широтному положению территория Эфиопии относится к субэкваториальному поясу, и ландшафты

включают вершины гор, поднимающихся на 4000 м и более над уровнем моря, и высокогорные луга, и волнистые плоскогорья с полями и селениями, и своеобразные горные степи, и типичные равнинные саванны, и каменистые пустыни. Климат Эфиопии обычно относят к типу экваториально - муссонного. Общая приподнятость территории страны и сложный рельеф увеличивают климатические контрасты ее разных частей. В горах амплитуда суточных и сезонных колебаний температур довольно велика. Хотя Эфиопия расположена почти у экватора, в горах нередки ночные заморозки. Дожди выпадают в Эфиопии строго по сезонам. В Эфиопии обычно выделяются четыре сезона года. Особенности сезонов хорошо выражены в названиях: «время цветов» - эфиопская весна (сентябрь -декабрь), «жаркое время» - сухой сезон (декабрь - март), «время посевов» (апрель- май), «время тяжелых дорог»,т.е. сезон «больших дождей» (июнь - сентябрь).

Дано описание сплошной геодезической сети триангуляции 1-Ш класса, построенной американскими специалистами в 1957 - 1961 гг. (Геодезический Проект Бассейна Реки Голубого Нила), см рис.1. В этой сети были построены базисные сети и на их основе определены длины выходных сторон. На концах некоторых выходной или базисной стороны определены астрономические широта, долгота и азимут, т. е. конечные пункты этих сторон, являются пунктами Лапласа. Длины сторон треугольников в зависимости от форм рельефа (равнины, горы) изменяются от 15 до 60 км и в среднем равны 35 км. Базисы длиной 6-12 км измерены базисным прибором в прямом и обратном направлении.

Эта сеть имеет следующие основные технические показатели:

Число пунктов I класса 252, II класса 86, Лапласа 11, измеренных базисов 9. Длины базисов (км) 5-14, и средняя длина стороны треугольников в сети (км):1 класса; 35, II класса; 21. Средняя

квадратическая ошибка измеренного угла (по невязкам треугольников):в сети I класса; 0,87", в сетях II класса; 1,20". Средняя квадратическая ошибка измерения базисов: наибольшая 1:287000, наименьшая 1:160000, средняя 1:220000. Средняя квадратическая ошибка астрономических определений: широты 0,35", долготы 0,46", азимута 0,55".Средняя квадратическая ошибка положения конечного пункта ряда триангуляции I класса север-юг относительно исходного пункта(м) 3,8.

15е 14"

13" 12" 11" 10" 9"

а"

7"

Рис. 1. Геодезическая сеть Эфиопии

В данной главе приведены также сведения о нивелирных работах. Нивелирная сеть на рис.2 состоит из линии нивелирования от Гедарифа, (Судана), через Метемма, Аддис- Земена и Комболча, к Ассабу, (линии 1 до 6 протяженность^ 282,3 км); большой замкнутый полигон от Комболча до Аддис-Абебы, Асосса Губа, и Бахир Дара Аддис- Земену (линии 7 до 14 протяженность^ 112,7 км). За начало счета высот принят средний уровень Средиземного моря в Г.Александрии.

Рис.2. Нивелирная сеть Эфиопии

В 1981 - 1983 гг. на территории Эфиопии в системе WGS-72 были определены 12 доплеровские пункта, из которых 6 совмещены с пунктами триангуляции I, II, III классов, причем 4 из них с пунктами Лапласа. Все эти пункты были использованы как опорные при картографировании страны в масштабе 1: 50000.

В 1989 г. по методу транслокации было определено еще 6 доплеровских пунктов в районе Афара. Они предназначались для развития на их основе геодезических сетей более низкой точности. Совместное уравнивание геодезической сети с доплеровскими пунктами не выполнялось.

В данной главе приведены также сведения об аэрофотосъемочных и картографических работах. Картографирование страны выполнено в масштабах 1:1000000, 1:250000, частично 1:50000. Приблизительно 55 % страны были нанесены на картах. Это включает главным образом центральные, Западные и Северозападные части, которые имеют высокие сельскохозяйственный, геотермический, гидроэлектрический потенциалы, лес, минерал и потенциал водных ресурсов. В настоящее время возникла потребность

в топографических картах средних и крупных масштабов от 1:10000 до 1:2000 включительно на - важнейшие экономические районы, в том числе перспективные.

В данной главе показано, что существующая в стране плановая опорная геодезическая сеть ни по обслуживаемой ею территории, ни по точности построения, ни строгости математической обработки не отвечает современным требованиям и не обеспечивает народное хозяйство геодезическими данными требуемой точности и в необходимом объеме. Возникла острая необходимость создания на всей территории- страны современной высокоточной опорной геодезической сети. Для успешного решения данной задачи необходимо разработать в первую очередь научно обоснованную схему сети, причем с учетом физико-географических и других особенностей, характерных для Эфиопии.

Глава 2.Разработка основных положений и проекта построения современной государственной геодезической сети Эфиопии

Государственная геодезическая сеть предназначается: для детального изучения фигуры, гравитационного поля Земли и их изменений во времени (в пределах территории страны); распространения единой системы координат на всю территорию страны; картографирования страны в разных масштабах, причем в единой системе координат и высот; решения на основе сети разного рода научных и инженерно-технических задач народнохозяйственного и оборонного значения. Для успешного решения этих и ряда других задач государственная геодезическая сеть должна отвечать трем основным требованиям: по схеме построения сеть должна быть сплошной на территории всей страны, а по плотности геодезических пунктов и по точности определения их взаимного положения должна

обеспечивать постановку топографических съемок наиболее крупного масштаба, 1:2000.

В диссертации сделаны расчеты необходимой плотности и точности геодезических пунктов государственной геодезической сети для целей картографирования территории Эфиопии (см. табл.1 и 2).

Таблица. 1

Класс триангуляции Средняя длина стороны Площадь обслуживаемая одним пунктом, ктг Число пунктов

1 2 3 4

I 30 900 1333(4%)

II 17 289 2818(9%)

III 10 100 7847(23%)

IV 6 36 21333(64%)

Таблица.2

Показатель Графическая точность карты в метрах, на местности(тМ). Допустимая средняя квадратическая ошибка длин сторон т„ в метрах

1 2 3

1:50000 10 2,50

1:25000 5 1,25

1:10000 2 0,50

1:5000 1 0,25

1:2000 0,40 0,10

1:1000 0,20 0,05

В Эфиопии и во многих Африканских странах в качестве поверхности относимости принят -эллипсоид Кларка II, полуоси которого существенно отличаются по величине от полуосей общего земного эллипсоида, рекомендованного в качестве референц -системы WGS-84. Параметры эллипсоида WGS-84 определены с очень высокой точностью. Следуя Ф.Н.Красовскому, в диссертации показано что при использовании эллипсоида Кларка II из-за- больших погрешностей его полуосей (До= +112,145 м и АЛ =-237,445 м) происходит искажение линейного масштаба на его поверхности, достигающее 1:11000, т.е. 9 см на каждый километр расстояния между ' пунктами.

В этой главе детально рассмотрены применения формул для

вычисления геодезических координат по геодезическим координатам

для одной зоны:

х = X + я/ + а/ + а/ + а/ + aj10 +..........

у = Ь11 + Ь/+Ь,1'+Ь,Г +Ь/+......................^

где

а2,а^а6,аг,а10,Ь„Ь3,Ь5,Ь7,Ь9,.....- коэффициенты в рядах

X - длина дуги меридиана, / - разность долгот в радианах ( L - Lg )

и вычисления прямоугольных координат по геодезическим координатам для широкой полосы:

х = + а2 sin 2¿¡ch2r¡ + а4 sin 4¿¡ch4r/ + а6 sin 6£сА6// +...)

(2)

х = R(r¡ + а2 cos 2¿¡sh2r¡ + а4 cos4£y/¡4r; + a6 cos 6&Ii6t] + ...), где

4 = arctan(tanpsec/) ;

1, l + cos®sin/ 1. 1 + / rj-—ln---= —In-;

2 1-cos^sin/ 2 1 -/

21 1 + i2 . , 2

shir} = —=-= cos^>sin/;z = 1 -t;

z z

sh4i] = 2sh2rjch2!j;ch4ij - shit]1 + chltj2;

sh6rj = sh4r]ch2t] + ch4rjsh2ij;ch6T] = cMt]ch2r\ + sh4Tjsh2ij;

R - радиус шара;

£,77 -сферические координаты;

а2,а4а6- коэффициенты;

/ -разность долгот.

В результате вычисления плоских координат по формулам (1) и (2) на эллипсоиде Кларка II, на широте 5=10° и ¿¡,=33° в проекции Гаусса-Крюгера для некоторых точек, расположенных в Эфиопии, получены следующие результаты (см табл.( 3 )).

Таблица 3. Сравнение результатов вычисления по формулам (1) и (2)

1 п° 1 формуле (О l = L-L0 J х По формуле (2) X разность между х коор. По формуле (1) У По формуле (2) У разность между У коор.

1 6 2 3 4 5 6 7

1111762,654 1111762,652 0,002 658989,235 658989,236 -0,001 I

12 1130113,760 1130113,753 0,007 1324889,092 1324889,105 -0,013

18 1161832,082 1161832385 -0,303 2004959,349 2004959,769 -0,420

24 1208779,022 1208783,068 -4,046 2707195,899 2707201,436 -5,537

30 1273917,154 1273949,288 -32,134 3440793,299 3440834,927 -41,628

36 1361744,761 1361930,312 -185,551 4216720,725 4216939,496 -218,771 |

На основе табл. 3 доказано, что в условиях Эфиопии, территория которой сравнительно мала (1,2 млн. ктг ), что при удалении точек от осевого меридиана до 12° результаты вычисления по формулам (1) и (2) примерно одинаковы, а при значительном удалении точек от осевого меридиана расхождения между результатами вычисления по этим формулам (1) и (2) резко увеличивается. Еще эти формулы (2)

были использованы при уравнивании обширных геодезических сетей, расположенных в нескольких шестиградусных зонах (см. рис.3).

Рис.3. Схема сети триангуляции семи районов Эфиопии из четырнадцати.(Часть юго-западного блока государственной геодезической сети из проекта голубого Нила (Е'Ш 3) и сеть (Git.3) Эфиопии.)

Наконец, в этой главе приведены сводки формул для преобразования геодезических координат в прямоугольные на плоскости и обратно, в пространстве и обратно.

Глава 3. Спутниковая навигационная система (GPS).

В данной главе приведены сведения о сущности внедрения спутниковых технологий в топографо-геодезическое производство. Отмечено что при внедрении спутниковых технологий в топографо-геодезическое производство резко изменились не только организационные и технические принципы проведения полевых и камеральных работ, но и многие другие основополагающие принципы, что дает основание говорить о революционных

преобразованиях в геодезии, связанных со спутниковыми методами геодезических измерений на земной поверхности.

В данной главе рассмотрен источник ошибок, возникающий вследствие неоптимального взаимного расположения наблюдаемых спутников (геометрический фактор), характерный для спутниковых измерений, и сделан пример численного расчета геометрического фактора СБОР. На основе расчета геометрического фактора СтООР сделан вывод о том, что необходимо при определении координат точки использовать наибольшее количество спутников, чтобы геометрический фактор наименьшим образом влиял на определение координат точки.

В данной главе для иллюстрации механизма понижения точности из-за геометрии расположения участвующих в измерениях спутников рассмотрен объем многогранной фигуры, вершины которой совмещаются с местоположениями спутников и пункта наблюдения (см. рис.4 а и б).

а

б

Рис.4. Объем многогранной фигуры, вершины которой совмещаются с местоположениями спутников и пункта наблюдения.

В этой главе сделано заключение о том, что наиболее эффективным методом ослабления влияния геометрического фактора на точность GPS позиционирования является выбор наиболее благоприятных периодов наблюдений, который производится при составлении расписаний GPS-измерений на стадии планирования спутниковых наблюдений.

Глава 4 Экспериментальные исследования по объединению наземных и спутниковиых геодезических сетей Эфиопии.

При создании специальных геодезических или модернизации уже существующих сетей с целью повышения их точности традиционные методы геодезических измерений должны сочетаться с новейшими спутниковыми технологиями. При этом возникает задача совместной обработки и объединения наземных геодезических и спутниковых сетей.

В данной главе приведены результаты экспериментальных исследований по уравниванию, объединению, и моделированию части сети GPS Эфиопии.

Для уравнивания сети на рис.3 (ЕТН 3) дан перечень всех координат точек в геодезической системе B,L и Н в соответствии с выполненной нумерацией пунктов, начиная от исходных пунктов. Для подготовительной работы разработана программа "Getachi" для перехода от эллипсоидальных координат к прямоугольным координатам. Для составления этой программы применяли уравнение (2) (уравнение для широкой полосы).

Далее по полученным координатам В и L по программе преобразования координат В L - х у ("Getachi") вычислены плановые наземные координаты 151 пункюв, переведённые в одну 6-ую зону. Были известны также ортометрические высоты всех пунктов. По

специальной программе "GPSPROJ" приведены все эти ортометрические высоты в эллипсоидальные (геодезическые) высоты.

Для моделирования наземных и спутниковых геодезических сетей необходимо иметь семь реальных параметров преобразования. Реальные параметры были определены из фрагмента спутниковой сети "GIT3 (см. рис.3), и были определены 19 базисных векторов. Эти базисные векторы были измерены GPS приемниками. Три наземные координаты идентичных пунктов были известны на эллипсоиде Кларка II в проекции Гаусса - Крюгера, расположенные в 8-ой координатной зоне. Параметры понадобились для моделирования сети из 151 пунктов сети триангуляции и выполнения её уравнивания.

Затем с помощью программы TERSPACE и с использованием семи параметров преобразования вычислены геоцентрические координаты X,Y,Z и все базисные векторы с учётом тех же связей, что и в сети триангуляции, и моделированием ковариационных матриц (одинаковых) для всех базисных векторов. Для назначения связи между пунктами и уравнивания сети использована программа "CAD - NEW".разработанная д. т. н. Маркузе Ю.И.

Моделирование выполнялось с помощью программы "MODEL". Оператор вводит длину стороны треугольника S в метрах, средние квадратические ошибки измерения углов (в секундах) и единицы веса (0,05). В измеренные углы программным путем вводятся распределенные по нормальному закону ошибки. Затем выполняется уравнивание смоделированной сети триангуляции по программе уравнивания линейно-угловых сетей.

При моделировании нормально распределенные ошибки вводятся в истинные значения, как в коррелированные величины с ковариационной матрицей, одинаковой для всех базисных линий,

Кп = 10 х

(25 12.5 25 л 25 25 100)

или с точностью а>=оу 0,005 м, <т2 = 0,010 м и коэффициентом корреляции между измерениями г =0,5, что отвечает реальным измерениям.

В результате работы этой программы создаются все необходимые файлы для уравнивания GPS - измерений и выполняется моделирование идентичных пунктов (программа MODTER). Полученные таким образом координаты переводились в геоцентрическую систему с использованием параметров эллипсоида и с помощью программы TERSPACE. Затем выполнялись объединение наземной и GPS - сетей.

В данной главе для уравнивания координат 151 пунктов сети (сети ЕТН 3 (см. рис 3)) применена программа, основанная на методе рекуррентного уравнивания. Метод рекуррентного уравнивания позволяет без составления нормальных уравнений сразу получить матрицу обратных весов неизвестных по мере включения в сеть новых измерений, эффективно выполняет контроль грубых ошибок измерений и исходных данных, не прибегая к коррелатному способу, и даёт новые возможности для решения широкого круга задач уравнительных вычислений. Применены следующие рекуррентные формулы:

Для учета измерения у, с весом р, и уравнением поправок

V, = + /,,

где

1,=9,(.хм)-У,\ (3)

¥>, - вектор функции связи.

Ф, =<]>,_,+£/£,, при ; = 1;ф0=0,

где zj = ; g, = р;1 + a,z,r. (5)

Если i - е измерение избыточное, то контроль грубых ошибок выполняется путем сравнения свободного члена /, (3) с его допустимым значением

(О,. (6)

где число g, известно в (4.3);коэффициент г выбирается равным 2;2,5 или 3 в зависимости от принятой вероятности 0,95;0,987 или 0,997; о*0 - дисперсия единицы веса, известная априори. Если <т„ неизвестна, то необходимо заменить ее оценкой //, =^/(Ф,//;), при этом вместо t следует использовать коэффициент Стьюдента с заданной вероятностью р.

Для начала рекуррентного процесса можно применять исходную матрицу обратных весов неизвестных Q, =10'".Ем, где число т» О выбирается в зависимости от точности представления чисел в ЭВМ и длин сторон (для плановых сетей); Е - единичная матрица порядка к.

В сплошной сети на рис 3 ЕТН 3 имеются обширные окна. В этих окнах спроектированы и уравнены полигонометрические сети первого класса Pol.l, Ро1.2, Ро1.3 и Ро1.4 (см рис 5).

Исходными пунктами при уравнивании полигонометрических ходов являлись пункты триангуляции.

Рис.5. Спроектированные полигонометрические сети в обширных

окнах сплошной сети »

Исходными пунктами при уравнивании полигонометрических ходов являлись пункты триангуляции (см рис.6 и 7).

Рис.6. Полигонометрические ходы ро1.1 и ро1.2

IM

Рис.7. Полигонометрические ходы pol.3 и ро1.4

В этой главе сделано предложение о возможности объединении наземных и спутниковых (GPS) геодезических сетей, используя глобальные методы преобразования, при котором геодезические координаты B,L,H в системе СК2 получаются через координаты в системе СК1, минуя переход к прямоугольным координатам. Глобальные методы преобразования координат обеспечивают высокую точность при работе с точными координатными системами, например, ITRF.

При преобразовании локальных референцных координат ошибки могут значительно возрастать из - за того, что параметры связи координатных систем во многих случаях определяются по ограниченной выборке точек и не могут учитывать локальных нелинейных искажений в сетях. Например, точность перехода из системы WGS - 84 в CK - 42 оценивается в 5-7 м. Чтобы уменьшить эту ошибку в локальных областях в этой главе предложен о необходимости параметры перехода или часть из них определить по измерениям на геодезических пунктах в рассматриваемой области.

Рассмотрены два варианта уравнивания сети на рис.3 (ЕТН 3)(с использованием только диагональных элементов корреляционных

матриц наземных пунктов, и с помощью полной корреляционной матрицы) и сделан вывод о том, что в результате совместного уравнивания точность определения координат пунктов сети (рис.3) повышается в среднем в 1,6 раза (см.табл.4).

таблица. 4

1 -ый вариант 2-ый вариант

Показатель тх ту I", ту

Среднее 0,11 0,114 0,072 0,068

Мах 0,153 0,160 0,119 0,106

Min 0,067 0,069 0,025 0,030

(ms/s)min* 1:2500000 1:4000000

(ms/s)max* 1:1410000 1:2000000

* из файла .Reí 4

Заключение

В диссертации выполнен комплекс научных исследований, положенных в основу разработки современной схемы и модернизации государственной геодезической сети Эфиопии с использованием новейших спутниковых технологий. При этом получены следующие основные результаты:

1. Показано, что существующая в Эфиопии опорная геодезическая сеть ни по площади обслуживаемой ею территории страны (около 30%), ни по точности построения, ни по строгости математической обработки не отвечает современным требованиям и не удовлетворяет запросы науки и народного хозяйства.

2. Разработаны и научно обоснованы основные положения о создании государственной геодезической сети Эфиопии.

3. Разработаны основные научные положения и конкретный проект построения высокоточной опорной геодезической сети

Эфиопии, предусматривающий построение спутниковой сети на территории страны в обжитых и экономически перспективных регионах, а также проектирование и создание новых геодезических сетей сгущений.

4. Показано, что современная геодезическая сеть даже при использовании новейших спутниковых технологий должна создаваться в соответствии с принципом перехода от общего к частному, предусматривающего деление ее на классы.

5. Доказано, что сравнительно с эллипсоидом >У08-84, применяемый в Эфиопии эллипсоид Кларка II из-за больших погрешностей его полуосей дает искажение линейного масштаба на его поверхности, достигающее 1:11000 и сделано предложение о необходимости замены его на более точный.

6. Показано что разработанный в диссертации проект опорной геодезической сети по точности построения вполне отвечает современным требованиям и обеспечивает не только картографирование страны в таком крупном масштабе как 1:2000, но и решение на ее основе научных и инженерно-технических задач на высоком уровне. Проект сети может быть рекомендован для реализации в дальнейшем на практике.

7. Доказана необходимость применения алгоритма широкой зоны (полосы) при уравнивании обширных наземных геодезических сетей, расположенных в разных координатных зонах, и объединении спутниковых и наземных геодезических сетей.

8. Доказан и сделан вывод о том, что в результате совместного уравнивания наземных и спутниковых геодезических сетей (см.рис.З) точность определения координат пунктов сети повышается в среднем в 1,6 раза.

¿Р06А

24

Публикации по теме диссертации

Р1 1160**^

1.Маркузе Ю.И. Лашхов Н.П., Гудето Гетачеу Брхане Мескел. Варианты сгущения каркасной сети ОР8//Геодезия и картография.-2006,-№ 1.- С.23-24.

2. Маркузе Ю.И., Лашков Н.П., Гудето Гетачеу Брхане Мескел. Объединение спутниковых и наземных геодезических сетей, расположенных в разных координатных зонах //Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка.- 2006 -№ 1 .-С. 20 - 28.

3. Гудето Гетачеу Брхане Мескел. Референц - Эллипсоид, применяемый в Эфиопии. //Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка.-2006 -№1.-С. 67-72.

4. Гудето Гетачеу Брхане Мескел. Численный расчет геометрического фактора (ОБОР), возникающего вследствие неоптимального взаимного расположения спутников. //Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка,- 2006 -№2.-С.47 -53.

Подписано в печать 2.05.2006. Гарнитура Тайме Формат 60x90/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,5. Тираж 80 экз. Заказ 86. Цена договорная

УПП «Репрография» МИИГАиК 103064, Москва, Гороховский пер., 4

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Гудето Гетачеу Брхане Мескел

Введение.

1. Анализ состояния существующей государственной геодезической сети Эфиопии и постановка проблемы проектирования.

1.1. Физико-географические особенности и экономическое районирование территории Эфиопии.

1.1.1. Природа.

1.1.2. Климат.

1.1.3. Почвы, растительность и мир диких животных Эфиопии.

1.1.4. Промышленность и сельское хозяйство.

1.2. Топографо-геодезическая изученность территории Эфиопии.

1.2.1. Триангуляция I-III классов государственной геодезической сети Эфиопии.

1.2.2. Нивелирные сети I-III классов Эфиопии.

1.2.3. Доплеровские определения геодезических пунктов.

1.2.4. Аэрофотосъемочные работы.

1.2.5. Картографические работы.

Выводы.

2. Разработка основных положений и проекта построения современной государственной геодезической сети Эфиопии.

2.1. Основной принцип и методы построения государственной геодезической сети.

2.2. Необходимая плотность геодезических пунктов государственной геодезической сети для целей картографирования территории Эфиопии.

2.3. Необходимая точность построения современной государственной геодезической сети для целей картографирования территории Эфиопии.

2.4. Референц - эллипсоид, применяемый в Эфиопии.472.5. Преобразование геодезических координат в прямоугольные на плоскости и, наоборот, в проекции Гаусса Крюгера.

2.5.1. Вычисление прямоугольных координат по геодезическим для одной зоны.

2.5.2. Вычисление геодезических координат по прямоугольным для одной зоны.

2.5.3. Вычисление прямоугольных координат по геодезическим для широкой ПОЛОСЫ.;.

2.5.3.1. Масштаб изображения и сближение меридианов.

2.5.4. Вычисление геодезических координат по прямоугольным для широкой полосы.

2.6. Сравнение результатов плоских координат одной зоны и широкой полосы.

2.7. Вычисление пространственных прямоугольных координат по геодезическим координатам и наоборот.

Выводы.

3. Спутниковая навигационная система (GPS).

3.1. Устройство и принцип работы.

3.2. Сущность внедрения спутниковых технологий в топографогеодезическое производство.

3.3. Классификация источников ошибок, характерных для спутниковых измерений.

3.3.1. Пример численного расчета геометрического фактора GDOP, возникающий вследствие неоптимального взаимного расположения спутников.

3.3.2. Ослабления влияния геометрического фактора на точность GPS позиционирования.

Выводы.

4. Экспериментальные исследования по объединению наземных и спутниковиых геодезических сетей Эфиопии.

4.1. Подготовительные работы.

4.1.1. Построение модели наземных и спутниковых сетей.

4.1.2. Объединения наземных и спутниковых геодезических сетей.

4.1.3. Варианты уравнения наземных сетей.

4.2. Геодезическая сеть ыущения.

Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка современной схемы и модернизации государственной геодезической сети Эфиопии на основе спутниковых технологий (GPS)"

Современный прогресс в геодезической науке с одной стороны, бурное развитие спутниковых измерительных средство и технологий на базе глобальных систем позиционирования типа GPS"NAVSTAR" и ГЛОНАС с другой стороны позволяют решать многочисленные научные, народнохозяйственные, оборонные и другие задачи на качественно новом уровне с высокой точностью. При этом решение перечисленных задач требует создание единой системы геодезических координат на территории страны.

Материальными носителем единой системы координат является государственная геодезическая сеть (ITC).

В классическом подходе построение и обработка составных компонентов государственной геодезической сети (плановая сеть, высотная гравиметрическая сеть) выполнялось раздельно. Однако современные спутниковые технологии позволяют реализовать единой подход к созданию государственной геодезической сети, которая строится в виде пространственного построения, состоящего из совокупности равномерно расположенных геодезических пунктов, относящихся ко всем компонентам государственной геодезической сети (к плановым ,высотным, гравиметрическим сетям).

Государственная геодезическая сеть Эфиопии строилась в течение ряда лет с результатами, полученными разными иностранными геодезистами (США, Великобритании, Франции, Италии и СССР (см рис 12) и местными специалистами, по разным нормативным документам (США,СССР (инструкция о построении государственной геодезической сети 1966г)), разными методами (триангуляция, полигонометрия ). Поэтому она оказалась неоднородной по плотности и точности, имеются разрывы и обширные окна в сети (см рис. 12 и 24).

Анализ показал, что государственная геодезическая сеть Эфиопии не отвечает современным требованиям, предъявляемым к опорной государственной геодезической основе.

В связи с этим государственной геодезической службой Эфиопии принято решение о полной модернизации и развитии государственной геодезической сети. При этом необходимо учитывать то обстоятельство, что арсенал технических средств построения государственной геодезической сети сильно изменился. Появились новые высокоточные высокопроизводительные, всепогодные спутниковые измерительные технологии. Внедрение данных технологий в производство, в свою очередь, требует решение ряда задач:

• разработка алгоритмов и технологий обработки спутниковых измерений,

• обработка наземных измерений в широкой зоне,

• объединение наземных и спутниковых сетей,

• исследование точности элементов объединенной сети.

В комплексе эти задачи представляют собой предмет исследования данной диссертационной работы.

Следует отметить, что в диссертации в качестве полигона исследований, выбрана часть юго-западного блока государственной геодезической сети Эфиопии из проекта Голубого Нила. Это ещё связано с тем, что соискателю не удалось собрать исходные материалы на всю территорию страны. Соискатель полагает, что разработанные в диссертации применительно к юго-западному блоку теоретические, методологические, практические положения вполне можно распространить и на другие блоки государственной геодезической сети Эфиопии.

Таким образом, вырисовывается следующая структура диссертационной работы:

В первом разделе приведены сведения о физико-географических условиях и топографо-геодезической изученности территории Эфиопии.

Во втором разделе приведены сведения об основных принципах и методах построения, необходимой плотности и точности государственной геодезической сети для целей картографирования территории, референц - эллипсоиде, применяемым в Эфиопии и о преобразовании геодезических координат в проекции Гаусса Крюгера.

В третьем разделе рассмотрены сущность внедрения спутниковых технологий в топографо-геодезическое производство и вопрос источников ошибок, характерных для спутниковых измерений и ослабления их влияний.

В четвертом разделе диссертации рассмотрены вопросы объединения наземных и спутниковых сетей.

Диссертация завершается заключением, где изложены выводы, спискам литературы и приложениями.

В заключение считаю своим долгом выразить свою благодарность своему научному руководителю д.т.н. профессору заслуженному деятелю науки Маркузе Ю.И., профессорско-преподавательскому составу кафедры геодезии.

Заключение Диссертация по теме "Геодезия", Гудето Гетачеу Брхане Мескел

125 Выводы

1. Назначены связи между пунктами и выполнено объединение наземных и спутниковых (GPS) геодезических сетей, опираясь на сеть триангуляции ЕТН 3 (рис.24).

2. На основании геодезической изученности Эфиопии и существующей геодезической сети спроектирована модель каркасной сети (рис.24). В основу этой сети заложены классические и современные методы использование спутниковых измерений и реализовано параметрическое (рекуррентное) уравнивание проектируемой сети с контролем грубых ошибок.

3. Доказано, что сеть ЕТН 3 на с заданной густотой пунктов может полностью удовлетворять потребности картографирования вплоть до масштаба 1:2000.

4. Приведены основные формулы и сведения о достоинстве применения рекуррентного уравнивания.

5. Рассмотрены два варианта уравнивания сети (с использованием только диагональных элементов корреляционных матриц наземных пунктов и с помощью полной корреляционной матрицы) и сделан вывод о том, что в результате совместного уравнивания точность определения координат пунктов сети ЕТН 3 повышается в среднем в 1,6 раза.

6. В сети ЕТН 3 на рис. 24 имеются обширные окна. В этих окнах спроектированы полигонометрические сети первого класса (см. рис 25, 26, 27, 28 и 29) и уравнены значения координат всех пунктов.

7. Показана возможность использования глобальных методов преобразования при объединении наземных и спутниковых (GPS) геодезических сетей, поскольку эти методы преобразования координат обеспечивают высокую точность при работе с точными координатными системами. Чтобы уменьшить ошибку перехода из одной системы в другую, в локальных областях необходимо определение параметров перехода или часть из них по измерениям на геодезических пунктах в рассматриваемой области.

8. Согласно табл.4 при топографической съемке территории Эфиопии в масштабе 1:2000 требуется, чтобы взаимное положение соседних пунктов сети было определено с ошибками ms < ОДСЫ. Доказано возможность достижния этой и даже более высокой точности при использовании совместного уравнивания наземных и спутниковых измерений.

127

Заключение

В диссертации выполнен комплекс научных исследований, положенных в основу разработки современной схемы и модернизации государственной геодезической сети Эфиопии с использованием новейших спутниковых технологий. При этом получены следующие основные результаты:

1. Показано, что существующая в Эфиопии опорная геодезическая сеть ни по площади обслуживаемой ею территории страны (около 30%), ни по точности построения, ни по строгости математической обработки не отвечает современным требованиям и не удовлетворяет запросы науки и народного хозяйства.

2. Разработаны и научно обоснованы основные положения о создании государственной геодезической сети Эфиопии.

3. Разработаны основные научные положения и конкретный проект построения высокоточной опорной геодезической сети Эфиопии, предусматривающий построение спутниковой сети на территории страны в обжитых и экономически перспективных регионах, а также проектирование и создание новых геодезических сетей сгущений.

4. Показано, что современная геодезическая сеть даже при использовании новейших спутниковых технологий должна создаваться в соответствии с принципом перехода от общего к частному, предусматривающего деление ее на классы.

5. Доказано, что по сравнению с эллипсоидом WGS-84 применяемый в Эфиопии эллипсоид Кларка II из-за больших погрешностей его полуосей дает искажение линейного масштаба на его поверхности, достигающее 1:11000, и сделано предложение о необходимости замены его на более точный.

6. Показано, что разработанный в диссертации проект опорной геодезической сети по точности построения вполне отвечает современным требованиям и обеспечивает не только картографирование страны в таком крупном масштабе как 1:2000, но и решение на ее основе научных и инженерно-технических задач на высоком уровне. Проект сети может быть рекомендован для реализации в дальнейшем на практике.

7. Доказано необходимость применения алгоритма широкой зоны (полосы) при уравнивании обширных наземных геодезических сетей, расположенных в разных координатных зонах и объединении спутниковых и наземных геодезических сетей.

8. Доказан и сделан вывод о том, что в результате совместного уравнивания наземных и спутниковиых геодезических сетей (ЕТН 3), точность определения координат пунктов сети повышается в среднем в 1,6 раза.

9. Показано, что применяемый во многих коммерческих программах способ объединения наземных и спутниковых сетей основан на раздельном уравнивании сети GPS с фиксацией одного пункта безошибочным, с последующим вычислением параметров преобразования координат упрощенным способом и преобразованием не окончательно уравненного вектора (S), хотя из-за высокой точности измерения базисных линий он и может приводить к удовлетворительным результатам, но как всякий приближенный способ требует специального исследования. При этом особенно сложным становится вопрос оценки точности результатов. Поэтому предпочтение следует отдать рассмотренным в диссертации строгим способам, тем более что объем вычислений увеличивается по сравнению с приближенным способом не намного.

129

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Гудето Гетачеу Брхане Мескел, Москва

1. Антонович К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии. М.:Картгеоцентр,2005. - 334 с.

2. Архангельский Б. В., Черняховский В.В.Поиск устойчивых ошибок в программах. М.:Радио и снизь, 1989. - 240 с.

3. Баранов В.Н., Бойко Е.Г., Краснорылов И.И. Космическая Геодезия: Учебник для вузов. М.: Недра, 1986. - 407с.

4. Бовшин Н.А., Зубинский В.И., Остач О.М. Совместное уравнивание общегосударственных опорных геодезических сетей.// Геодезия и картография, 1995, №8.

5. Бойков В.В., Галазин В.Ф., Каплан Б.Л. Опыт создания геоцентрической системы координат ПЗ-90 //. Геодезия и картография. 1993. - № 11. - С. 17 - 21.

6. Большаков В.Д., Маркузе Ю.И., Голубев В.В. Уравнивание геодезических построений: Справочное пособе. — М.: Недра, 1989. — 413с.

7. Бугаевский JI.M. Математическая картография .'Учебник для вузов. -М :1998. -400 с.

8. Генике А.А., Лобазов В .Я., Ямбаев Х.К. Результаты исследований аппаратуры спутникового позиционирования GPSWild System 200//. Геодезия и картография. 1993. - № 1.-С. 17-21

9. Генике А.А.,Побединский Г.Г. Глобальные спутниковые системы определения местоположения и их применение в геодезии.Изд.2е,перераб.и доп. М.:Картгеоцентр,2004. - 355с.

10. Герасимов А.П Уравнивание государственной геодезической сети . «М.:Картгеоцентр»-«Геодезиздат», 1996. - 216 с.

11. Глас Р. Руководство по надежному программированию. М.: Финансы и статистика. 1982. - 256 с.

12. Горнунг М. Б., Старушенко Г. Б. и др Восточная и Южная Африка.- М.: Мысль, 1981. 269 с.

13. Гудето Гетачеу Брхане Мескел. Референц Эллипсоид, применяемый в Эфиопии. //Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка.-2006 -№1.-С. 67 -72.

14. Гудето Гетачеу Брхане Мескел. Численный расчет геометрического фактора (GDOP) возникающий вследствие неоптимального взаимного расположения спутников. //Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка.- 2006 -№2.-С. 47-53.

15. Ефимов Г.Н. Результаты уравнивания астрономо геодезической сети.// Геодезия и картография, 1995, №8.

16. Закатов П.С. Курс высшей геодезии. М. Недра, 1976.

17. Инструкция о построении государственной геодезической сети СССР. М., Недра, 1966.

18. Инструкция по полигонометрии и трилатерации.- М.: Недра,1974.

19. Кленицкий Б.М., Насретдинов К.К., Хотин М.М. Методика совместного уравнивания спутниковой и наземной геодезических сетей.- М. Геодезия и картография. № 5, 1987, с. 12-15.

20. Красовский Ф.Н. Избранные сочинения, t.IV.- М.: Геодезиздат, 1955.

21. Маркузе Ю. И. Поиск грубых ошибок при рекуррентном уравнивании наземных и спутниковых геодезических сетей // Геодезия и картография. 1995.-№ П. -С 8 - 16.

22. Маркузе Ю.И. Алгоритм объединения наземных и спутниковых геодезических сетей//Геодезия и картография.- 1997.- № 9.- С. 23 -28.

23. Маркузе Ю.И. Алгоритмы для уравнивания геодезических сетей на ЭВМ М.: Недра, 1989. - 248с.

24. Маркузе Ю.И. Два алгоритма объединений наземных и спутниковых геодезических сетей//Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка.- 1995 -№2.-С. 45-64.

25. Маркузе Ю.И. Пашков Н.П., Гудето Гетачеу Брхане Мескел. Объединение спутниковиых и наземных геодезических сетей, расположенных в разных координатных зонах //Геодезия и картография.- 2006.- № 1.

26. Маркузе Ю.И. Основы метода наименьших квадратов и уравнительных вычислений: Учебное пособие. — М.: МИИГАиК, 2005.-280с.

27. Маркузе Ю.И. Основы уравнительных вычислений. М.: Недра, 1990.-240с.

28. Маркузе Ю.И. Уравнивание геодезических сетей с контролем грубых ошибок//Изв. вузов. Сер. Геодезия и аэрофотосъемка. -1986. -№5.- С. 9- 18.

29. Маркузе Ю.И., Антипов А.В. Возможности улучшения алгоритмов объединения спутниковых и наземных сетей.// Геодезия и картография.- 2004.- № 3.- С. 16-21.

30. Маркузе Ю.И., Бойко Е.Г., Голубев В.В. Геодезия: Вычисление и уравнивание геодезических сетей. М.: Картгеоцентр Геодезиздат, 1994.-432с.

31. Маркузе Ю.И., Пашков Н.П., Гудето Гетачеу Брхане Мескел. Объединение спутниковиых и наземных геодезических сетей, расположенных в разных координатных зонах //Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка.- 2006 -№1.-С. 20 28.

32. Медведев П.П., Баранов И.С. Глобальные космические навигационные системы. Итоги науки и техники. Т.29, 1982.14

33. Морозов В.П. Курс сфероидической геодезии. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1979. 296 с.

34. Муджахид Яхья Сайд Аль Дафиф. Разработка схемы и программы построения высокоточной государственной геодезической сети Йеменской Республики с использованием спутниковых технологий. Автореферат кандидатской диссертации. М., 1995.

35. Основные положения о государственной геодезической сети России (проект). М., 1997.

36. Суригна К.К. Совершенствование опорной государственной геодезической сети Лаоса. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. МГУГиК, 1994.

37. Яковлев Н.В. Высшая геодезия. М., Недра, 1989.

38. El-Rabbany, Ahmed. Introduction to GPS: the Global Positioning System. Boston, London: Artech House, 2002. 176p.

39. Ethiopia United state cooperative program for water resources by U.S. department of commerce coast and geodetic survey Addis Ababa, 1961.-77 p.

40. Ethiopian investment guide Electronic resource. Режим доступа :http://www.ipanet.net/uncad/investmentguide/Ethiopia/iv.htm.

41. Ethiopian mapping authority map catalogue. Addis Ababa, 2002. -54p

42. Ethiopian population Electronic resource. Режим flocTyna:http://www.maps4free.com/map-of-ethiopia.shtml.

43. Ethiopian program for water resources development by department of water resources development Addis Ababa, 1989. -42p.

44. Fifth International Seminar on the Global Positioning System. Institute of engineering Surveying and Space Geodesy. Nottingham University. 1992.

45. Habrich, H. Geodetic Applications of the Global Navigation System(GLONASS) and of GLONASS/GPS Combinations Electronic resource./ H. Habrich 1999.-147 p - Режим доступа :http://www.ifag.de/misk idx.htm.

46. Jan Van Sickle GPS for land surveyors Second edition Chelsea, Michigan: Ann Arbor press, 2001. 283p.

47. Merrigan, M.J. A Refinement to the World Geodetic System 1984 Reference Frame Electronic resource./ M.J Merrigan etc — 2002. Режим доступа :http://l64.214.2.59/GandG/sathtml/IONReport8-20-02.pdf.

48. Report on horizontal and vertical control surveys of the Blue Nile river basin, by U.S. department of commerce coast and geodetic survey Addis Ababa, 1961.-563p.

49. Report on horizontal and vertical control surveys of the Ethiopian geodetic network by U.S. department of commerce coast and geodetic survey Addis Ababa, 1957. -154p.

50. Rizos, C. Principles and Practice of GPS Surveying Electronicresourse./C.Rizos,-1999.Режим дocтyпa:http://www.gmat.unsw.edu.au/snap/gps/gps.survey/.