СОДЕРЖАНИЕ
стр.
| ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………... 1. КОМПЛЕКС ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ РАБОТ ПРИ СОЗДАНИИ ЛОКАЛЬНОЙ ГЕОДЕЗИЧЕСКОЙ СЕТИ НА АЭРОДРОМЕ ШЕРЕМЕТЬЕВО.……………………..………………………………. 1.1. Расчет требуемой точности геодезической сети……………... 1.2. Анализ GPS приемников……………………………………….. 1.3. Обзор программы для обработки GPS данных……………….. 2. ТЕХНОЛОГИЯ ПОСТРОЕНИЯ ВЫСОКОТОЧНОЙ СПУТНИКОВОЙ ГЕОДЕЗИЧЕСКОЙ СЕТИ………………………. 2.1. Принципы построения локальной геодезической сети спутниковыми методами………………………………………. 2.2. Основные источники ошибок спутниковых измерений и методы ослабления их влияния……………………………….. 2.2.1. Ошибки эфемерид спутников……………………………. 2.2.2. Влияние внешней среды………………………………….. 2.2.2.1. Влияние ионосферы…………………………………. 2.2.2.2. Влияние тропосферы………………………………... 2.2.2.3. Многопутность распространения сигнала…………. 2.2.3. Инструментальные источники ошибок………………….. 2.2.3.1. Вариации фазового центра антенны приемника…... 2.2.3.2. Ошибки хода часов на спутнике и в приемнике…... 2.2.4. Геометрический фактор расположения спутников…….. 2.3. Организация спутниковых наблюдений на геодезических пунктах аэродрома Шереметьево……………………………... 3. ОБРАБОТКА СПУТНИКОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ И ПОЛУЧЕНИЕ КООРДИНАТ В МЕСТНОЙ ЛОКАЛЬНОЙ СИСТЕМЕ…………... 3.1. Выгрузка результатов измерений из GPS приемников……… 3.2. Определение координат пунктов в системе WGS-84……….. 3.3. Преобразование координат в действующую наземную систему координат...…………………………………………… 3.3.1. Способ перехода из координатной системы WGS-84 в наземные системы координат……………………………. 3.3.2. Переход из координатной системы WGS-84 к местной локальной системе координат……………………………. 4. ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ДИПЛОМНОЙ РАБОТЫ…………………………………………….. 4.1. Организация работ по теме дипломного проекта…………….. 4.2. Обоснование косвенной экономической эффективности…… 4.3 Себестоимость дипломной работы…………………………….. 4.4. Оценка значимости дипломной работы………………………. 5. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РАЙОНА РАБОТ. БЕЗОПАСНЫЕ МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ РАБОТ…………… 5.1. Физико-географическая характеристика района работ……… 5.2. Экологическая оценка района работ………………………….. 5.3. Безопасные методы проведения геодезических работ………. 5.3.1. Общие положения………………………………………… 5.3.2. Безопасные методы проведения геодезических работ на территориях аэродромов и аэропортов………………….. 5.3.3. Безопасные методы проведения камеральных работ…... ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………… СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ....................................... |
5 7 8 11 13 16 16 20 21 24 25 27 30 34 34 35 37 40 43 43 45 49 51 53 57 57 58 59 61 63 63 64 65 65 67 70 75 77 |
ВВЕДЕНИЕ
В современной авиации важнейшая роль отводится безопасности полетов. Россия, как член Международной организации гражданской авиации (ИКАО) с 1999 года, приступила, в частности, к системной реконструкции визуальных аэронавигационных средств аэродромов.
По действующей классификации ИКАО существует 3 категории аэропортов. Третья, самая высшая, категория предусматривает наличие наиболее полного комплекса визуальных ориентиров. Для определения мест их установки на местности необходимо выполнять комплекс разбивочных работ. Соответственно, необходимым условием является наличие на территории аэродрома высокоточной геодезической основы, с пунктов которой выполняется выноска точек установки светосигнального оборудования.
Получившие в настоящее время широкое распространение спутниковые методы определения координат, основанные на использовании технологии GPS, позволяют успешно решать указанные проблемы, обеспечивая при этом не только высокий уровень точности, но и оперативность развития геодезической сети в сочетании со значительным технико-экономическим эффектом.
Таким образом, исходя из перечисленных выше факторов, создание локальной геодезической основы на территории аэродрома Шереметьево целесообразно проводить с использованием GPS технологий.
Целью дипломной работы является разработка комплексной методики применения спутниковых технологий для создания высокоточной геодезической основы в процессе реконструкции визуальных аэронавигационных средств на аэродромах. В связи с этим в рамках данной работы будет рассмотрен следующий комплекс вопросов:
· Выполнение подготовительных работ, включая расчет необходимой точности создания сети, а также анализ современного геодезического оборудования и программного обеспечения исходя из полученной точности;
· Технология построения высокоточной спутниковой геодезической сети на основе использования существующих в нашей стране методов ее создания с учетом минимизации влияния основных источников ошибок на результаты измерений;
· Процесс обработки GPS измерений с использованием современного программного комплекса, а также трансформирование координат из глобальной координатной системы WGS-84 в местную локальную систему с оценкой точности полученных значений.
В качестве исходных данных для выполнения расчетной части дипломной работы будут использованы результаты GPS-измерений, выполненных в течение одного дня при создании локальной геодезической сети на аэродроме Шереметьево. Эти данные и другая дополнительная информация были получены автором во время прохождения производственной практики в НИЦ «Геодинамика» в период с конца мая по август 2006 года.
1. КОМПЛЕКС ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ РАБОТ ПРИ СОЗДАНИИ ЛОКАЛЬНОЙ ГЕОДЕЗИЧЕСКОЙ СЕТИ НА АЭРОДРОМЕ ШЕРЕМЕТЬЕВО
По действующей классификации аэропорт Шереметьево является аэропортом 1-го класса и находится на территории Москвы в 11 км северо-западнее МКАД. Его расположение представлено на рисунке 1.1.
Рис. 1.1. Расположение аэродрома Шереметьево.
Территориально и функционально аэропорт разделен на два сектора: "Шереметьево-1" (Ш-1) и "Шереметьево-2" (Ш-2). Сектор Ш-1 ориентирован в основном на внутренние перевозки, а Ш-2 - только на международные.
Аэродром аэропорта обслуживает оба сектора и пригоден для эксплуатации всех существующих типов воздушных судов отечественного и зарубежного производства. На поле аэродрома расположены две параллельные взлетно-посадочные полосы с искусственным покрытием на расстоянии 280 м друг от друга.
Длина ИВПП1 3550м, азимут с порога L07 75º 03΄ 45˝, с порога R25 255º 06΄ 30˝. Длина ИВПП2 3700м, азимут с порога L07 75º 03΄ 40˝ азимут с порога R25 255º 06΄ 30˝.
При создании локальной геодезической сети на аэродроме Шереметьево в секторе Ш-2 был проведен комплекс подготовительных работ, в процессе которого рассмотрены следующие вопросы:
· Произведен расчет требуемой точности геодезической сети;
· Проведен анализ современных GPS приемников;
· Выполнен обзор программы для обработки GPS данных.
1.1. Расчет требуемой точности геодезической сети
Создаваемая геодезическая сеть должна являться высокоточной основой для последующих работ по реконструкции визуальных аэронавигационных средств на аэродроме Шереметьево.
Согласно техническому заданию на проведение комплекса инженерно-геодезических работ по выноске светосигнального оборудования на ИВПП-2, РД и МРД-2 международного аэропорта Шереметьево, имеем:
1. погрешность выноски в натуру точек установки кабелезащитных труб светосигнального оборудования на щебеночно-цементном покрытии
· вдоль оси x = 2 см;
· вдоль оси y = 2 см.
2. погрешность выноски в натуру точек установки светосигнального оборудования на основном бетоне
· вдоль оси x = 1 см;
· вдоль оси y = 1 см.
Используя принцип равных влияний, и учитывая заданную точность разбивочных работ, вычислим необходимую точность создания локальной геодезической сети:
1. погрешность планового положения пунктов исходной геодезической сети для выноски в натуру точек установки кабелезащитных труб светосигнального оборудования на щебеночно-цементном покрытии:
;
, (1.1)
.
2. погрешность планового положения пунктов исходной геодезической сети для выноски в натуру точек установки светосигнального оборудования на основном бетоне:
;
, (1.2)
.
Вычислим максимальное расстояние между пунктами геодезической сети, предположив что выноска производится электронным тахеометром со следующими точностными характеристиками:
· погрешность измерения угла ;
· погрешность измерения расстояния ;
· погрешность центрирования .
Поскольку выноска точки в натуру выполняется одним полуприемом, то
среднюю квадратическую ошибку отложения угла примем равной .
Средняя квадратическая ошибка выноса точки вычисляется по формуле:
; (1.3)
Здесь:
- приборная ошибка ; (1.4)
- ошибка визирования ; (1.5)
- ошибка центрирования , (1.6)
- ошибка выставления вехи ;
- ошибка установки вехи по уровню ; (1.7)
где ,
- постоянная ошибка ;
- ошибки исходных данных были получены раннее и составляют и .
Используя формулу (1.3) и учитывая что средняя квадратическая ошибка выноса в натуру точек установки кабелезащитных труб должна быть не более , а средняя квадратическая ошибка выноса в натуру точек установки светосигнального оборудования не более , вычислим максимальное расстояние S между прибором и выносимой точкой методом последовательных приближений:
1. на щебеночно-цементном покрытии
если S = 300м, тогда ;
если S = 250м, тогда
2. на основном бетоне
если S = 100м, тогда ;
если S = 50м, тогда
Из полученных результатов видно, что максимальное расстояние между выносной точкой и пунктом исходной основы на щебеночно-цементном покрытии должно быть не более 250м, а на основном бетоне не более 50 м.
Отсюда, максимальное расстояние между пунктами исходной основы должно быть не более 500м на щебеночно-цементном покрытии и не более 100 м на основном бетоне.
Ранее было получено, что средняя квадратическая погрешность планового положения пунктов исходной геодезической сети на щебеночно-цементном покрытии должна быть не хуже 20 мм и не хуже 10 мм на основном бетоне.
При выборе парка приборов и организации наблюдений, мы должны ориентироваться на наиболее высокие требования к точности геодезических работ, поэтому для дальнейших рассуждений примем среднюю квадратическую погрешность планового положения пунктов создаваемой геодезической сети, равной 10 мм.
1.2. Анализ GPS приемников
В соответствии с рассчитанной в пункте 1.1 точностью создания геодезической сети должен быть выбран необходимый парк приборов, применение которого оправдало бы экономические затраты и в то же время соответствовало поставленным задачам. На сегодняшний день наиболее перспективным средством определения координат являются приборы GPS. Для оптимального выбора аппаратуры проведем их сравнительный анализ.
Основные требования к геодезическому оборудованию, которое предполагается использовать при проведении работ:
- Обеспечение точности измерений в соответствии с рассчитанными значениями в пункте 1.1;
- Совместимость спутникового и наземного оборудования;
- Автоматическая регистрация результатов наблюдений;
- Автоматическая обработка результатов наблюдений с экспортом данных в специальное программное обеспечение;
- Удобство работы, приемлемая цена, возможность работы в различных климатических условиях.
Исходя из данных требований, был выполнен обзор современных GPS приемников, наиболее широко представленных на Российском рынке различными ведущими мировыми фирмами геодезического оборудования.
Результаты анализа GPS приемников приведены в Таблице 1.1.
Таблица 1.1. Сравнительный анализ GPS оборудования.
| Модель спутникового оборудования
|
Средняя квадратическая ошибка определения координат в зависимости от режима измерений
|
|
| Статика
|
Кинематика
|
|
| 1
|
2
|
3
|
| JAVAD Maxor-GGD |
план 3мм + 1мм/км высота 5мм + 1,5мм/км |
план 10мм + 1,5мм/км высота 15мм + 1,5мм/км |
| Leica GX1220 |
план 5мм + 0,5мм/км высота 10мм + 0,5мм/км |
план 10мм + 1мм/км высота 20мм + 1мм/км |
| PROMARK3 |
план 5мм + 1мм/км высота 10мм + 2мм/км |
план 12мм + 2,5мм/км высота 15мм + 2,5мм/км |
| SOKKIA GSR2600 |
план 5мм + 1мм/км высота 10мм + 1мм/км |
план 10мм + 1мм/км высота 20мм + 1мм/км |
| TOPCON GB-1000 |
план 3мм + 1мм/км высота 5мм + 1,5мм/км |
план 10мм + 1,5мм/км высота 15мм + 1,5мм/км |
| Trimble-5700 |
план 5мм + 0,5мм/км высота 5мм + 1мм/км |
план: 10мм + 1мм/км высота 20мм + 1мм/км |
| Z-MAX |
план 5мм + 0,5мм/км высота 10мм + 2мм/км |
план 10мм + 1мм/км высота 20мм + 1мм/км |
Указанные в обзоре характеристики свидетельствуют, что рассмотренные GPS приемники удовлетворяют требованиям по точности измерений. Для выполнения работ по созданию локальной геодезической сети в аэропорте Шереметьево использовались приемники GX1220 (двухчастотные, двенадцатиканальные) GPS SYSTEM 1200 (Leica, Швейцария) в режиме статика.
1.3. Обзор программы для обработки
GPS
данных
В связи с тем, что для выполнения работ по созданию локальной геодезической сети в аэропорте Шереметьево были взяты GPS приемники Швейцарской фирмы Leica, то и для обработки полученных данных используем программу того же производителя.
В качестве такой программы применялась «Leica Geo Office» версии 3.0 (Leica, Швейцария). На рисунке 1.2 показан ее общий вид.
Рис. 1.2. Общий вид программы LGO.
Leica Geo Office - это современный программный комплекс, обладающий всем необходимым для управления, визуализации, обработки, импорта и экспорта данных, собранных GPS приемниками, тахеометрами и нивелирами. В программе также поддерживается интерфейс с другими программными продуктами.
Различные графические инструменты и другие вспомогательные функции дают возможность редактирования любой точки, линии и т.п.
Следует также отметить, что в программе реализован постоянный контроль качества на всех этапах работы для любых элементов. Если точка измерена неоднократно, то ее координаты усредняются.
Программный комплекс Leica Geo Office состоит из нескольких блоков: File
, Im
port
, View
, Ex
port
и Help
.
Блок File
содержит возможность создания нового, открытия сохраненного, а также недавно использовавшегося проекта.
Импорт данных (блок Im
port
) можно осуществлять с карт памяти CompactFlash, напрямую из инструментов, а также из текстовых файлов или через Интернет. Экспорт результатов вместе с кодами и атрибутами точек, линий и других объектов (блок Ex
port
) можно выполнять в любые программы CAD, GIS и другие картографические системы.
В блоке View
можно настроить панели инструментов и соответствующие экраны отображения информации.
Блок Tools
содержит различные компоненты управления данными проекта, системами координат, GPS антеннами, созданием кодового листа, редактор форматов, а также загрузчик обновления встроенного ПО, шаблоны для создания отчетов и другое. Основанный на HTML-формате генератор отчетов позволяет быстро настроить вид и выбрать самые необходимые данные.
Блок Help
содержит помощь и описание работы программы.
В Leica Geo Office имеется полный набор библиотек и функций по определению систем координат и трансформированию из одной системы в другую: библиотеки эллипсоидов, проекций и моделей геоидов, а также шесть различных методов трансформирования. Преобразование эллипсоидальных высот в ортометрические и наоборот с использованием импортированных и пользовательских моделей геоида. Специальная возможность программного комплекса - это поддержка специфических локальных систем координат, которые основаны на параметрах преобразования WGS84 в локальную систему координат. В модуле трансформирования координат можно работать в любой системе координат: WGS84 или локальной, а также преобразовывать координаты из одной системы в другую.
Итак, в первой главе была рассчитана требуемая точность построения геодезической основы для выполнения работ по реконструкции визуальных аэронавигационных средств на аэродроме Шереметьево. Исходя из рассчитанной точности, был выбран приборный парк и программный комплекс для обработки GPS измерений.
Далее рассмотрим технологию создания высокоточной спутниковой геодезической сети, а также проведем анализ влияния всех основных источников ошибок, свойственных спутниковым наблюдениям, и выберем наиболее оптимальную методику выполнения измерений.
2. ТЕХНОЛОГИЯ ПОСТРОЕНИЯ ВЫСОКОТОЧНОЙ СПУТНИКОВОЙ ГЕОДЕЗИЧЕСКОЙ СЕТИ
В процессе создания высокоточной локальной геодезической сети на аэродроме Шереметьево были рассмотрены следующие вопросы:
· Концепция построения спутниковой геодезической сети;
· Основные источники ошибок спутниковых измерений и методы ослабления их влияния;
· Организация спутниковых наблюдений на геодезических пунктах.
2.1. Принципы построения локальной геодезической сети спутниковыми методами
Программа создания локальной геодезической сети базируется на основе рассчитанной требуемой точности исходной сети для выполнения работ по реконструкции визуальных аэронавигационных средств на аэродроме Шереметьево, возможностей современной спутниковой технологии координатных определений, а также накопленного в нашей стране опыта решения подобных задач с использованием спутниковых методов.
При разработке программы создания геодезической сети вдоль протяженной трассы, особого внимания заслуживает принцип ее построения с учетом особенностей спутниковых технологий.
К настоящему времени при реализации спутниковых методов наибольшее распространение получили такие подходы к построению локальных геодезических сетей, как принцип создания сети на основе использования одной референцной станции и принцип, базирующийся на применении нескольких референцных станций.
Принцип создания сети, основанный на использовании одной референцной станции (рис. 2.1) позволяет осуществить непосредственную передачу координат от исходного пункта на определяемые пункты. При этом, во многих случаях, возникает необходимость измерения линий повышенной протяженности, что приводит иногда к неоправданным дополнительным затратам времени и средств. Кроме того, возникающая лучевая схема построения сети не всегда обеспечивает надежный контроль качества получаемых результатов.
Рис. 2.1. П
ринцип создания локальной геодезической сети спутниковым методом на основе использования одной референцной станции.
При использовании нескольких референцных станций реализуется, как правило, поэтапное (последовательное) построение сети. В этом случае на первом этапе развивается сеть вторичных референцных точек, которые непосредственно связаны с исходной, а на втором этапе создается сеть требуемой плотности с опорой в каждом сеансе наблюдений, на общую между сеансами точку (рис. 2.2.а) или, по крайней мере, на две вторичные референцные точки (рис. 2.2.б).
а б
Рис. 2.2. П
ринцип создания локальной геодезической сети спутниковым методом на основе использования нескольких референцных станций.
При таком подходе удается сократить среднюю протяженность измеряемых базисных линий, а, кроме того, местонахождение ряда точек сети определяется на основе, как минимум, двух независимых измерений до двух независимых референцных пунктов, что, безусловно, существенно повышает точность и надежность координатных определений. Кроме того, для ужесточения требований к точности спутниковых определений имеет практическое применение проведение двойных сеансов измерений назначенных геометрических построений. При этом в любом из приведенных методов обеспечивается однородность создаваемой сети.
Следует заметить, что одна из особенностей спутниковых определений состоит в том, что при работе с несколькими спутниковыми приемниками появляется возможность вычисления линий между различными точками сети на основе применения информации, которая уже была использована для определения в текущем сеансе других базисных линий. Получаемые при этом зависимые линии относятся к числу тривиальных, которые не рекомендуют включать в вычисления, связанные с получением окончательных результатов. Но, в отдельных случаях, они могут оказаться полезными для выявления и отбраковки грубых результатов измерений.
Применительно к территории аэродрома Шереметьево преимуществами обладает первый подход, основанный на лучевой схеме построении сети с применением двух - трех приемников, так как протяженность объекта незначительна (не более 4 км от базовой точки).
В связи с необходимостью получения определяемых координат пунктов сети не в системе WGS-84, а в принятой для данного региона системе координат и высот (МСК), обязательным условием является привязка к пунктам плановой и высотной основы, которые характеризуются наиболее высокими точностными показателями. Обе основы должны быть представлены по возможности равномерно на всей территории охватываемой сетью. Такими пунктами будут являться пункты ФГУП ГПИиНИИ ГА «Аэропроект».
На территории аэропорта Шереметьево вдоль ВПП-2 и МРД-2 расположено 15 таких пунктов с известными координатами в местной локальной системе МСК (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Пункты ФГУП ГПИиНИИ ГА «Аэропроект».
Эти пункты будут использоваться при трансформировании координат как опорные или как контрольные.
Проанализировав выше изложенные факторы, представляется возможным сформулировать основные выводы:
1. Создаваемую на аэродроме Шереметьево геодезическую сеть целесообразно реализовать по лучевой схеме.
2. Для обеспечения высокой точности и надежности в сочетании с высокими технико-экономическими показателями предпочтения заслуживает метод определения местоположения всех пунктов сети на основе, как минимум, двух независимых измерений.
3. В сети должен быть предусмотрен единый исходный пункт.
4. Совмещение (привязка) создаваемой сети с существующей плановой и высотной сетью должно быть максимальным, что позволит наиболее успешно решить проблему перехода между различными координатными и высотными системами, свойственные спутниковым и традиционным геодезическим методам.
2.2. Основные источники ошибок спутниковых измерений и методы ослабления их влияния
При рассмотрении методов высокоточных спутниковых измерений возникает необходимость тщательного исследования влияний всех возможных источников ошибок выполняемых измерений, особенностей их проявления и обоснования методов их учета. В зависимости от характера источников воздействия ошибки подразделяются на две основные группы: систематические ошибки, которые применительно к спутниковым измерениям получили название смещений, и ошибки случайного характера.
Для учета погрешностей первой группы разрабатываются специальные методы. Влияние второй группы удается, в большинстве случаев, минимизировать за счет использования большого массива отдельных измерений.
В настоящем разделе основное внимание уделено рассмотрению ошибок систематического характера, обуславливающих появление смещений результатов измерений. При их исследовании широкое распространение получил способ моделирования, для разработки которого приходится тщательно изучать механизм воздействия источников таких ошибок на результаты измерений. На основе этого способа разрабатывают эффективные методы минимизации отмеченного влияния.
Исходя из методики измерительного процесса, характерной для спутниковой системы GPS, все основные источники систематических ошибок можно условно разбить на три группы:
1. ошибки эфемерид спутников, значения которых должны быть известны на момент измерений;
2. влияние внешней среды, среди которого выделяют воздействие атмосферы (ионосферы и тропосферы), а также отраженных от окружающих объектов радиосигналов (многопутность);
3. инструментальные источники ошибок, к которым, как правило, относят вариации фазового центра антенны приемника, а также ошибки хода часов спутника и приемника.
Отдельно следует рассмотреть геометрический фактор расположения спутников. Кроме того, целый ряд ошибок может возникать в процессе перехода из одной координатной системы в другую, в данном случае из глобальной системы WGS-84 в местную локальную систему координат.
2.2.1. Ошибки эфемерид спутников
При получении координат точек на земной поверхности спутниковыми методами необходимо наряду с определяемым расстоянием до спутника знать также его эфемериды, которые задают местоположение спутника на момент выполнения измерений. Неточность знания эфемерид обуславливает соответствующие погрешности определения как абсолютных значений координат точек, так и их разностей между пунктами наблюдений. Неточное знание эфемерид связано, прежде всего, с расхождениями между предсказываемой (невозмущенной) и реальной (подверженной влиянию возмущающих сил) орбитами. К возмущающим силам относят различные факторы как гравитационного, так и негравитационного происхождения. Влияние различных факторов на движение искусственных спутников Земли приведено в таблице 2.1.
Таблица 2.1.Влияние возмущающих факторов на движение ИСЗ.
| Возмущающие факторы |
Максимальное возмущающее ускорение, м/с2
|
Максимальное возмущение за 1 час, м |
| Вторая зональная гармоника |
5,3×10-5
|
300 |
| Гравитация Луны |
5,5×10-6
|
40 |
| Гравитация Солнца |
3×10-6
|
20 |
| Четвёртая зональная гармоника |
10-7
|
0,6 |
| Солнечная радиация |
10-7
|
0,6 |
| Гравитационные аномалии |
10-8
|
0,06 |
| Другие факторы |
10-8
|
0,06 |
Приведенные в таблице 2.2.1 значения свидетельствуют о том, что, наибольшее воздействие на уклонения реальной орбиты от расчетной оказывает неоднородность гравитационного поля Земли. В частности, из-за влияния второй зональной гармоники такие уклонения для трехчасовых дуг орбит достигают 2 км, а для более протяженных двухсуточных дуг до 14 км. Столь значительные уклонения нельзя не учитывать при любых видах спутниковых измерений.
Суммарное гравитационное влияние масс Луны и Солнца хотя и оказывается существенно меньшим (для трехчасовых дуг уклонения от невозмущенной орбиты оцениваются величинами на уровне от 50 до 150 м), но, тем не менее, при прогнозировании значений эфемерид его также следует учитывать.
Непосредственно с гравитацией связаны также наблюдаемые на земной поверхности различного рода приливные явления, которые из-за перераспределения масс приводят к изменениям в предрассчитываемом гравитационном поле Земли, а, следовательно, и к влияниям на орбитальное движение спутника. Проведенная оценка свидетельствует о том, что уклонения спутника от расчетной орбиты из-за воздействия данного фактора даже для двухсуточных дуг лежат в пределах от 0,5 до 2 м, что составляет относительную ошибку 1/10000000. Этим влиянием можно пренебречь.
Переходя к оценке влияния факторов негравитационного происхождения, следует заметить, что наиболее существенное влияние на неточность знания эфемерид GPS спутников оказывает солнечное радиационное давление. Уклонения спутников от расчетной траектории из-за воздействия прямого солнечного радиационного давления лежат в пределах от 5-6 м (для трехчасовых дуг) до 100-800 м (для двухсуточных дуг).
Указанные предрасчеты влияния солнечного радиационного давления характеризуются невысокой надежностью по следующим причинам:
- интенсивность солнечного излучения не остается постоянной с течением времени;
- модель влияния данного фактора существенно изменяется при переходе спутника в зону тени и полутени;
- эффективная поверхность спутника плохо поддается предрасчету как из-за сложной конфигурации, так и из-за вариаций положения спутника в пространстве.
Дополнительную неопределенность в предрасчет влияния радиационного давления вносит отраженная от земной поверхности солнечная радиация, зависящая от атмосферных условий и отражающих свойств облучаемых Солнцем участков земной поверхности.
Другим возмущающим фактором негравитационного происхождения является атмосферное торможение. Следует иметь ввиду, что на характерной для GPS спутников высоте около 20 тыс. км атмосфера оказывается чрезвычайно разреженной, и ее влиянием при предрасчетах орбит спутников, как правило, пренебрегают.
Таким образом точность передаваемых по радиоканалу значений эфемерид характеризуется погрешностью на уровне около 20 м, что обеспечивает точность геодезических спутниковых дифференциальных измерений на уровне около 1×10-6
. Такая точночть удовлетворяет требованиям большинства выполняемых геодезических работ. Однако в связи с широким развитием глобальных высокоточных сетей, предназначенных для изучения движения земной коры, отмеченный уровень оказывается недостаточным. В таких случаях прибегают к использованию апостериорного метода определения эфемерид. Его сущность состоит в том, что при окончательной обработке спутниковых измерений используют не передаваемые со спутника по радиоканалу значения эфемерид, а накопленные в банке данных специально организованных служб реальные (не прогнозируемые) значения эфемерид. Для потребителя информация об эфемеридах доступна через Интернет.
При апостериорных методах удается повысить точность определения эфемерид почти на порядок, т.е. довести эту точность до нескольких единиц метров. При таком подходе погрешность знания эфемерид перестает оказывать существенное влияние на результирующую точность спутниковых измерений для решения многих геодезических задач.
2.2.2. Влияние внешней среды
Влияние внешней среды на результаты спутниковых измерений проявляется как через изменения времени прохождения радиосигналов от спутника до приемника, так и через возникновение многопутности, обусловленной отражениями радиосигналов от тех или иных поверхностей, расположенных в непосредственной близости от приемника.
В свою очередь изменения во времени распространения радиосигналов связаны со скоростью распространения электромагнитных волн, которая в такой среде, как атмосфера, отличается от скорости света в вакууме. Изменения скорости на пути распространения сигнала становятся причиной дополнительных временных задержек, вследствие чего появляются ошибки в значениях измеряемых расстояний, пренебрегать которыми нельзя. Применительно к системе GPS радиосигнал большую часть своего пути проходит в вакууме. Но на высотах от нескольких сотен до нескольких десятков километров от земной поверхности находится область ионизированной разреженной атмосферы, получившая название ионосферы Характерная особенность ионосферы состоит в том, что она вносит задержки во время, затрачиваемое сигналом на прохождение через такую среду.
На высотах менее 20 км от земной поверхности находится газообразная атмосфера, получившая название тропосферы. В этой среде отсутствует зависимость скорости радиоволн от частоты, но начинает проявляться зависимость от метеорологических факторов (температуры, давления и влажности), которые в приземных слоях атмосферы могут изменяться с течением времени.
Наряду с атмосферными влияниями результаты спутниковых измерений подвержены также многопутности, которая приводит к попаданию на вход приемника нескольких идентичных радиосигналов, прошедших различный путь. В результате их взаимодействия возникает результирующий сигнал, который несет в себе несколько искаженную информацию о величине измеряемого фазового сдвига.
Поскольку механизм влияния для перечисленных выше трех источников ошибок существенно различен, то проанализируем раздельно особенности таких влияний.
2.2.2.
1. Влияние ионосферы
Ионосфера, являющаяся наиболее удаленной от земной поверхности частью атмосферы, подвержена сильному воздействию космического излучения, прежде всего ультрафиолетовой радиации Солнца. В результате такого облучения электрически нейтральные молекулы и атомы воздуха ионизируются, т.е. распадаются на свободные электроны и электрически заряженные ионы.
Поскольку энергия отдельных квантов электромагнитного ионизирующего излучения зависит от частоты излучения, то степень ионизации также зависит от частоты излучения, причем, чем выше частота, тем интенсивнее происходит ионизация. Для каждого вида молекул или атомов существует определенный пороговый уровень энергии, при котором происходит расщепление электрически нейтральных частиц воздуха. Интенсивная ионизация частиц воздуха происходит только при их облучении электромагнитными излучениями с длиной волны короче 0,13 мкм, т. е. колебаниями ультрафиолетового диапазона. Поэтому основным ионизирующим фактором в солнечном излучении является ультрафиолетовая радиация, энергия которой почти полностью затрачивается на ионизацию верхних слоев атмосферы, предохраняя тем самым земную поверхность от вредных воздействий радиации. Электрические свойства ионизированных слоев атмосферы оказывают большое влияние на прохождение через них радиосигналов различных частотных диапазонов.
Находящиеся в ионосфере свободные электроны под воздействием проходящих через ионосферу электромагнитных волн от спутника сами становятся источниками вторичных волн. Эти волны при взаимодействии с первичными приводят к появлению результирующих волн с несколько отличной скоростью распространения, значение которой может быть как ниже, так и выше скорости света в вакууме.
Однако, выполняя измерения на двух несущих частотах представляется возможным не только вычислить практически свободную от влияния ионосферы величину измеряемого до спутника расстояния, но и определить значение ионосферной поправки. Остаточное ее воздействие на результаты измерений обусловлено, главным образом, недостаточно строгим модельным представлением зависимости ионосферной поправки от частоты.
Так поправка за ионосферу ΔΦL
1
ion
определяется по следующей формуле:
, (2.1)
где:
; (2.2)
; (2.3)
. (2.4)
Здесь:
и -значение несущей частоты соответственно для L1 и L2;
и -целое число периодов за время прохождения сигналом расстояния от спутника до приёмника соответственно для L1 и L2;
и-измеряемое значение разности фаз соответственно для L1 и L2.
Дополнительного ослабления влияния ионосферы удается достичь при выполнении работ в ночное время.
2.2.2.
2. Влияние тропосферы
При выполнении спутниковых измерений наряду с ионосферой приходится учитывать также влияние тропосферы, которая представляет собой ближайшую к земной поверхности часть атмосферы, простирающуюся до высот 20 км.
Отличительная особенность тропосферы состоит в том, что она является нейтральной (т.е. неионизированной) средой. Поэтому для частот радиодиапазона менее 15 ГГц такая среда может рассматриваться как среда, не подверженная дисперсии, вследствие чего скорость распространения радиоволн в ней не зависит от частоты. При этом фазовая и групповая скорости оказываются одинаковыми, а поэтому нет необходимости раздельно изучать влияние тропосферы на фазовые и на кодовые измерения. При разработке методов учета такого влияния не представляется возможным использовать описанные выше принципы измерений на двух различных несущих частотах, вследствие чего доминирующее положение занимают методы моделирования.
К настоящему времени для учета влияния тропосферы предложено значительное количество различных моделей, позволяющих оценить величину тропосферных задержек при прохождении сигналов от космических объектов до расположенных на земной поверхности пунктов. Применительно к спутниковым системам позиционирования типа GPS наибольшее распространение получила модель Хопфилда. При разработке такой модели была обоснована целесообразность разделения преломляющих свойств тропосферы на «сухую» и «влажную» компоненты. При этом для показателя преломления n (а точнее для индекса показателя преломления Ntrop
= (n-1) 106
) была применена следующая форма представления:
Ntrop
=NS
+NW
, (2.5)
где NS
, и NW
. - индексы показателя преломления воздуха соответственно для «сухой» и «влажной» компоненты.
В тропосферной модели Хопфилда поправка вычисляется по следующей формуле:
, (2.6)
где:
Е-угол возвышения спутника над горизонтом;
hs
и hw
- высота слоя, в пределах которого температура линейно связана с высотой, для сухой и влажной компоненты;
Ns
0
и Nw
0
- индексы показателя преломления воздуха в точке стояния наблюдателя.
Наряду с тропосферной моделью Хопфилда в отдельных типах спутниковых приемников используется модель Саастамойнена, которая описывается следующим эмпирическим выражением:
. (2.7)
Здесь:
z - зенитный угол в направлении на спутник;
P, T и e - давление, температура и влажность воздуха, определяемые на пункте наблюдения, при этом величина Т измеряется в градусах Кельвина, а Р и е - в миллибарах.
Тропосферные модели других авторов применяются на практике сравнительно редко.
Следует заметить, что влияние тропосферы на результаты спутниковых измерений существенно ослабляется за счет использования дифференциальных методов наблюдений, при которых на конечные результаты оказывают влияние не абсолютные значения тропосферных задержек, а их разности. Накопленный к настоящему времени опыт спутниковых GPS измерений свидетельствует о том, что метод тропосферного моделирования в сочетании с дифференциальными принципами измерений позволяет достаточно надежно оценивать влияние тропосферы на сантиметровом уровне точности. Некоторые трудности могут возникать при моделировании влияния влажности воздуха. Для их преодоления рекомендуется использовать специальные приборы, получившие название радиометров водяных паров, которые позволяют определять с необходимой точностью интегральное значение влажности на пути прохождения радиосигнала от спутника к приемнику.
2.2.2.
3. Многопутность распространения сигнала
Под многопутностью принято понимать такое распространение радиосигналов, при котором сигналы достигают антенны спутникового приемника не только по прямому пути, соединяющему спутник с пунктом наблюдения, но и по ломаному пути, образующемуся за счет отражений от окружающих объектов (земная и водная поверхность, строения и сооружения, наружные геодезические сигналы др.). Ситуация, иллюстрирующая возникновение многопутности, схематически изображена на рисунке 2.4.
Рис. 2.4.
Возникновение явления многопутности.
При наличии отраженных радиосигналов, прошедших путь повышенной протяженности, в результаты радиодальномерных измерений вносится дополнительная погрешность, оказывающая влияние на конечную точность спутниковых измерений. Более того, многопутность может служить причиной существенного ослабления поступающих на вход приемника сигналов, при котором нарушается нормальная работа приемника.
Особенности влияния отраженных радиосигналов на результаты дальномерных измерений достаточно подробно изучены в процессе разработки и исследования наземных радиодальномерных устройств. При этом было установлено существенное различие в механизме влияния отражений на несущие и модулирующие колебания. В связи с тем, что в спутниковых GPS измерениях используются оба типа колебаний, то оценим это влияние применительно как к фазовым измерениям, базирующимся на использовании несущих колебаний, так и к кодовым измерениям, основанным на применении модулирующих сигналов.
Поскольку процесс влияния многопутности непосредственно на несущие колебания описывается намного проще и нагляднее, то рассмотрим механизм такого влияния на характерные для спутниковых методов фазовые измерения, отнесенные к несущим колебаниям.
Предположим, что отраженный от того или иного объекта радиосигнал проходит избыточный путь Δρ в результате чего он приобретает в сравнении с прямым сигналом дополнительный фазовый сдвиг ΔΨ, который в долях фазового цикла может быть оценен на основе следующего очевидного соотношения:
, (2.8)
где:
f- частота несущих колебаний;
υ - скорость распространения электромагнитных волн.
При наличии отражений на антенное устройство спутникового приемника одновременно поступают как прямой, так и отраженный радиосигналы, характеризуемые векторами Epr
и Eotr
, (рис. 2.5).
Рис. 2.5.
Векторное сложение прямого и отраженного сигналов.
При взаимодействии изображенных на рисунке сигналов формируется результирующий сигнал, который оказывается сдвинутым по фазе относительно прямого сигнала на величину ΔФ, оцениваемую соотношением:
. (2.9)
Здесь k = - коэффициент ослабления отраженного сигнала, приближенно равный коэффициенту отражения отражающей поверхности.
Формула (2.9) свидетельствует о том, что максимальная ошибка из-за многопутности (с условием Epr
<Eotr
) наблюдается при противофазности сигналов, причем рассматриваемое взаимодействие сопровождается не только возникновением ошибки в результатах спутниковых измерений, но и ослаблением амплитуды результирующего сигнала. Это может приводить к затруднению фиксации таких сигналов из-за их малой величины и, как следствие, к пропуску фазовых циклов при взятии последовательных отсчетов в процессе орбитального движения спутника.
Выполним количественную оценку фазовых искажений. В системе GPS длина волны несущих колебаний близка к 20 см, тогда максимальная ошибка фазовых измерений может достигать значений около 5 см. В тех редких случаях, когда отраженный сигнал превышает прямой (например, при наличии дополнительного затухания на пути прохождения прямого сигнала), эта ошибка может приближаться к 10см.
При выполнении кодовых измерений механизм расчета ошибок из-за многопутности существенно осложняется. Заметим что при подсчете погрешностей в результатах кодовых измерений происходит переход фазовых сдвигов, характерных для несущих колебаний, в фазовые сдвиги, которые приобретают модулирующие (т. е. кодовые) сигналы. При этом разность хода в несколько сантиметров, характерная для несущих колебаний, трансформируется в разность пройденных путей для модулирующих колебаний и составляет десятки метров. Так, например, фазовый сдвиг на уровне около 90°, который приобретают сигналы, несущие в себе информацию об общедоступном С/А-коде и имеющие длину волны около 300 м, обуславливает ошибку, оцениваемую величиной около 75 м.
С учетом вышеизложенного, повышенного внимания заслуживают меры по ослаблению влияния многопутности, прежде всего, на результаты кодовых измерений. При этом следует заметить, что за счет использования дифференциальных методов измерений не удается ослабить рассматриваемое влияние, так как обстановка, порождающая возникновение многопутности, характерна для каждого конкретного пункта наблюдений.
Для уменьшения влияния многопутности необходимо придерживаться следующих правил:
- места расположения пунктов наблюдения следует выбирать с таким расчетом, чтобы исключить наличие отражающих объектов вблизи от антенной системы спутникового приемника;
- при разработке антенных систем для спутниковых приемников следует обращать внимание на необходимость установки дополнительных экранирующих приспособлений, препятствующих попаданию отраженных радиосигналов на вход антенны (например, установка экранов под антенной, позволяющих устранить влияние сигналов, отраженных от подстилающей поверхности);
- на пунктах, подверженных влиянию отражений, следует предусматривать сеансы наблюдений повышенной протяженности с тем, чтобы получить циклическую кривую изменения ошибок из-за отражений; ее последующее усреднение позволяет существенно ослабить рассматриваемое влияние;
- при обработке результатов наблюдений можно ограничиться принятием в расчет только тех, которые соответствуют положениям спутников, когда отражающие поверхности оказывают наименьшее влияние.
Совокупность перечисленных выше мер позволяет минимизировать влияние многопутности до уровня, при котором этот источник ошибок не препятствует выполнению высокоточных спутниковых измерений.
2.2.3. Инструментальные источники ошибок
При оценке результирующей точности спутниковых измерений приходится учитывать также и инструментальные источники ошибок, связанные с несовершенством работы тех или иных узлов, входящих в состав пользовательской и расположенной на спутнике аппаратуры. Проведенные к настоящему времени исследования в этой области свидетельствуют о том, что основные источники инструментальных ошибок связаны с неточностью знания фазового центра антенны приемника, а также с погрешностью хода часов спутника и приемника.
Рассмотрим характерные особенности каждого из перечисленных выше инструментальных источников ошибок, его влияние на результирующую точность спутниковых измерений и методы минимизации такого влияния.
2.2.3.1. Вариации фазового центра антенны приемника
При измерении расстояний от спутников до расположенных на земной поверхности приемников с высокой степенью точности весьма важным фактором является знание положения той точки относимоети, от которой отсчитываются интересующие нас расстояния. Применительно к системе GPS такими точками принято считать фазовые центры антенн как на спутнике, так и в приемнике. Положения упомянутых центров с высокой степенью точности не удается установить на основе каких-либо геометрических измерений, а поэтому эти параметры стремятся определять в процессе специальных измерений в заводских условиях с применением соответствующих приспособлений.
Следует при этом отметить, что требования к точности определения фазовых центров на спутнике и в приемнике существенно различны. Ошибка определения центра для установленной на спутнике антенной системы воспринимается как неточность знания эфемерид, которые определяются на метровом уровне точности. Что касается фазового центра антенны приемника, то с этим параметром непосредственно связано определение разности координат между пунктами.
Значительное внимание уделяют проблеме установления положения фазового центра находящегося в их распоряжении спутникового приемника. Поскольку в современных GPS приемниках преимущественное распространение получили азимутально-симметричные антенны, то местоположение фазового центра в горизонтальной плоскости, как правило, совмещают с осью вращения. Что касается фиксации фазового центра в направлении вертикальной оси, то эта величина, определяемая, в большинстве случаев, фирмой-изготовителем приемной аппаратуры и вносится в паспорт приемника. Фирмы-изготовители геодезических GPS приемников гарантируют при этом точность нахождения и стабильность положения фазового центра на уровне единиц миллиметров.
2.2.3.2. Ошибки хода часов на спутнике и в приемнике
Роль часов на спутнике и в приемнике выполняют высокостабильные опорные генераторы, которые служат базовой основой для времени и частоты при реализации шкалы, известной в литературе как время GPS. Из-за высоких требований к стабильности хода таких часов на спутниках используют наиболее стабильные атомные генераторы. В приемных устройствах, находящихся в распоряжении потребителей, ограничиваются применением более дешевых и экономичных кварцевых генераторов.
Несмотря на все меры, направленные на повышение стабильности работы генераторов, они не всегда отвечают предъявляемым требованиям. Поэтому во избежание существенного понижения точности выполняемых измерений приходится принимать меры, предусматривающие периодическую корректировку показаний часов, а также специальные методические приемы, позволяющие учесть или исключить ошибки, обусловленные неточностью показаний часов на спутниках и в приемниках.
Для обоснования мер представим показания часов на спутнике в виде следующего соотношения:
, (2.10)
где:
tGPS
- текущее точное время GPS, которое задается ведущей станцией сектора управления и контроля на основе использования национального стандарта времени и частоты;
δtC
- уход показаний часов на спутнике на момент выполнения их корректировки.
Величина δtC
моделируется полиномом второй степени на основе изучения закономерности наблюдающихся изменений показаний часов с течением времени:
, (2.11)
где:
, , и - экспериментально определяемые коэффициенты полинома, характерные для конкретных спутниковых часов,
t0
- начальный опорный момент времени, который во многих случаях относят к среднему моменту времени в сеансе наблюдений.
Значения коэффициентов вводят в состав навигационного сообщения, которое формируют на ведущей станции сектора управления и контроля и которое передают на соответствующий спутник с помощью загружающих станций. В результате эта информация поступает по радиоканалу потребителю и используется для получения откорректированных показаний часов спутника.
Для учета погрешности показаний часов спутниковых приемников применяется принцип измерения псевдодальностей, базирующийся на наблюдениях четырех спутников. При наличии избыточного спутника появляется возможность определить поправку δtпр
, обусловленную неточностью хода часов приемника, на основе совместного решения уравнений.
Метод учета ухода показаний часов на спутнике и в приемнике получил наибольшее распространение при наблюдениях, выполняемых одной станцией, т.е. при определении абсолютных значений координат точки стояния приемника. При решении геодезических задач, предусматривающих использование дифференциальных методов, влияние рассматриваемого источника ошибок удается практически полностью исключить за счет применения метода вторых разностей.
2.2.4. Геометрический фактор расположения спутников
Одна из характерных для системы GPS особенностей определений местоположений точек на основе пространственной линейной засечки состоит в том, что результирующая точность координатных определений зависит не только от точности выполняемых дальномерных измерений, но и от геометрии наблюдаемых спутников. Для иллюстрации механизма понижения точности из-за плохой геометрии расположения участвующих в измерениях спутников рассмотрим приведенный на рисунке 2.6 пример двухмерного определения местоположения пункта Р
при различных удалениях спутников друг от друга.
а) б)
Рис. 2.6. Двухмерное определение местоположения пункта Р при различных удалениях спутников друг от друга.
Если измеряемые до спутников S1
, и S2
, расстояния R1
, и R2
измеряются с погрешностью m1
, и m2
, то при использовании метода линейной засечки местоположение определяемого пункта Р
будет находиться в пределах показанной на рисунке 2.6.а области, получившей название эллипса ошибок. В случае взаимно перпендикулярных направлений на наблюдаемые спутники эллипс деформируется в окружность (рис. 2.6.б)
В этом случае достигается минимальное влияние расположения спутников на точность производимых определений. Если же угол между направлениями приближается к 0° или к 180°, то эллипс становится весьма вытянутым. Погрешность определения координат определяемого пункта существенно возрастает.
Применительно к характерным для GPS трехмерным измерениям эллипс ошибок переходит в двухосный эллипсоид. Параметр, оценивающий возрастание погрешности измерений из-за геометрии расположения спутников, получил название геометрического фактора, который в современных публикациях принято обозначать аббревиатурой DOP (Delution of Precision - понижение точности). Этот параметр используется как связующее звено между результирующей точностью позиционирования и точностью измерений расстояний до спутников:
, (2.12)
где:
mрез
- средняя квадратическая ошибка определения местоположения пункта;
m0
- средняя квадратическая ошибка дальномерных измерений.
В зависимости от того, какие параметры должны быть определены при решении поставленной задачи, используют различные модифицированные понятия DOP. Наиболее универсальным показателем при этом является параметр GDOP (геометрический фактор понижения точности с учетом погрешности определения времени), характеризующий точность трехмерного позиционирования и времени:
, (2.13)
где:
mN
mE
и mh
- средние квадратические ошибки определения координат по направлениям на север, на восток и по высоте;
mt
- средняя квадратическая ошибка определения времени;
с - скорость электромагнитных волн.
Наряду с GDOP используются и такие показатели, как PDOP (фактор, учитывающий понижение точности трехмерного позиционирования без учета погрешности определения времени), HDOP (аналогичный фактор, но только для двухмерного позиционирования в горизонтальной плоскости), VDOP (фактор, характеризующий понижение точности в вертикальном направлении) и др.
Величину геометрического фактора часто увязывают с объемом многогранной фигуры, вершины которой совмещают с местоположениями спутников и пункта наблюдения. При этом установлено, чем больше объем этой фигуры, тем слабее проявляется влияние геометрии расположения спутников на результирующую точность позиционирования. По мере взаимного сближения спутников этот объем уменьшается, а влияние геометрического фактора возрастает.
Предрасчет значения геометрического фактора может быть произведен перед началом полевых работ на основе содержащейся в альманахе информации о расположение спутников на соответствующий момент времени и приближенного значения координат пункта наблюдения. На основе такой информации с помощью ЭВМ может быть построен график изменения того или иного геометрического фактора с течением времени, который характерен для интересующего пункта наблюдений.
Величина GDOP чаще всего используется как критерий возможности получения высокой точности GPS измерений в зависимости от геометрии расположения спутников. В качестве примера заметим, что фирма Leica (Швейцария) не рекомендует проводить высокоточные спутниковые геодезические измерения при значениях GDOP более 8.
На основе обобщения приведенной выше информации может быть сделано заключение о том, что наиболее эффективным методом ослабления влияния геометрического фактора на точность GPS позиционирования является выбор на стадии планирования спутниковых наблюдений наиболее благоприятных периодов времени.
2.3. Организация спутниковых наблюдений на геодезических пунктах аэродрома Шереметьево
Специфика процесса спутниковых измерений проявляется как на стадии проведения подготовительных работ, так и при организации наблюдений на пунктах.
При планировании времени наблюдений следует учитывать необходимость наблюдения с каждого пункта в течение всего сеанса максимального количества спутников, а также геометрию их взаимного положения (значение геометрического фактора на протяжении всего сеанса наблюдений не должно превышать допустимого).
Для проведения наблюдений на геодезических пунктах аэродрома Шереметьево был выбран следующий режим работы спутниковых приёмников:
· Угол возвышения спутников над горизонтом (угол маскирования) - не менее 15°;
· Дискретность записи эпох - 5 сек.,
· Режим измерений и последующей обработки - "Static";
· Минимальное количество наблюдаемых спутников - 4.
Ус
Рис. 2.7. Альманах спутников на дату наблюдений
Величина GDOP в допустимые для работы интервалы времени не превышала 7 единиц, при допустимом значении 8 единиц.
Расчет продолжительности сеанса наблюдений производится с учетом длины определяемых базисных линий и требуемой точности измерений. Применительно к создаваемой сети на линиях протяженностью 1 - 4 км для обеспечения точности взаимного положения пунктов на уровне 1см продолжительность сеанса наблюдений может быть ограничена двумя измерениями по 15 минут с перестановкой прибора.
При расчете оптимального количества одновременно работающих спутниковых приемников определяющим фактором является технико-экономическое обоснование. Увеличение количества участвующих в наблюдениях приемников позволяет сократить сроки проведения полевых работ, но при этом возрастают расходы, связанные с арендой и доставкой большого количества техники, с необходимостью увеличения численности наблюдателей. Следует также отметить, что с увеличением количества приемников возрастает количество избыточных измерений, что является позитивным показателем, повышающим надежность сети. Как следствие, точность построения сети с увеличением избыточных измерений существенно не повышается, но при этом расширяются возможности отбраковки грубых результатов измерений.
Во второй главе была рассмотрена концепция создания высокоточной спутниковой геодезической сети и выбрана оптимальная методика ее построения на аэродроме Шереметьево с учетом влияния всех основных источников ошибок спутниковых измерений.
Далее рассмотрим процесс обработки полевых измерений в программном пакете Leica Geo Office (Leica, Швейцария) и выполним переход из системы WGS-84 в местную локальную систему координат, используемую на аэродроме Шереметьево.
3. ОБРАБОТКА СПУТНИКОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ И ПОЛУЧЕНИЕ КООРДИНАТ В МЕСТНОЙ ЛОКАЛЬНОЙ СИСТЕМЕ
Программа обработки спутниковых измерений включает в себя предварительную обработку, производимую непосредственно в спутниковом приемнике и пост-обработку, которая выполняется в камеральных условиях с использованием данных, получаемых от нескольких приемников.
Предварительная обработка накопленной в GPS приемнике информации осуществляется по программе введенной в приемник, и сводится к предварительной отбраковке грубых отсчетов и компрессии исходной информации для регистрации. Эффективность такой обработки определяется, в первую очередь, совершенством программы. Оператор на этой стадии практически не участвует в процессе обработки и не оказывает влияния на получаемые результаты.
Пост-обработка выполняется на ЭВМ с использованием специальных программных пакетов, в данном случае Leica Geo Office версии 3.0 (Leica, Швейцария) и включает в себя следующие этапы:
· Выгрузка результатов измерений из GPS приемников;
· Определение координат пунктов в системе WGS-84;
· Преобразование координат в местную локальную систему.
3.1. Выгрузка результатов измерений из GPS приемников
По окончании выполнения процедуры GPS-измерений необходимо переслать накопленные на карте памяти приемника данные в персональный компьютер для дальнейшей обработки. В современных двухчастотных GPS приемниках GX1220 (Leica, Швейцария) используется универсальный для всех приборов SYSTEM 1200 формат записи данных raw
, состоящий из совокупности файлов со следующей информацией:
- Навигационное сообщение (эфемериды спутников, по которым проводились наблюдения, ионосферные и тропосферные поправки и т.д.);
- Данные о точке расположения приемника, его типе, выбранном способе наблюдений и т.д.;
- Результаты наблюдений (кодовые и фазовые измерения, доплеровские данные и т.д.);
- Другие данные (метеорологические, информация о наблюдателе, метаданные).
После сохранения «сырых данных» с референцной и подвижной станции на компьютере, необходимо в главном меню программного комплекса Leica Geo Office создать новый проект работ и при помощи блока Import
(рис.3.1) загрузить данные в этот проект.
Рис. 3.1. Меню блока Import программного комплекса LGO.
Далее производится предварительная оценка полевых измерений и отбраковка некачественных или лишних измерений. По завершении всех описанных процессов можно приступать к обработке GPS-данных и определению координат пунктов, построенной на аэродроме Шереметьево локальной геодезической сети.
3.2. Определение координат пунктов в системе
WGS
-84
Для обработки импортированных данных в проект работ программы LGO следует перейти к вкладке GPS-
Proc
и в режиме Manual
Processing
Mode
выделить интервалы, относящиеся к базовой и к подвижной станции соответственно (рис.3.2). Следует отметить, что предварительно в проект необходимо внести использовавшуюся в качестве референцной твердую точку (OGP2) с известными координатами в системе WGS-84.
Рис. 3.2. Обработка GPS измерений с помощью программы LGO.
После этого в панели инструментов требуется выбрать Process
и программа начнет процесс вычисления координат пунктов.
Для определения координат в системе WGS-84 используется дифференциальный режим обработки данных, получаемых от различных приёмников. Он позволяет минимизировать или исключить влияние целого ряда наиболее ощутимых источников систематических ошибок.
В процессе вычислений повышенное внимание уделяется характерной для фазовых измерений процедуре разрешения неоднозначностей, т.е. определению целого числа циклов, укладывающихся в измеряемом расстоянии. При реализации этой процедуры могут возникать затруднения, требующие вмешательства оператора в процесс обработки. Такое вмешательство сводится во многих случаях к просмотру регистрационных файлов, содержащих исходные данные от отдельных GPS приемников, и корректировке стратегии обработки. При выявлении большого количества пропусков отдельных эпох наблюдений или каких-либо других дефектов оператор принимает необходимые меры по устранению мешающих факторов.
Определение отдельных базисных линий в программе Leica Geo Office производится в автоматическом режиме с учетом влияния тропосферы и ионосферы. В базе данных программного комплекса LGO имеются различные тропосферные модели, включая модели Хопфилда и Саастамойнена. Ионосферная же модель вычисляется по результатам двухчастотных измерений.
На заключительном этапе базисные линии объединяются в локальные сети и выполняется их уравнивание традиционными методами, базирующимися на использовании способа наименьших квадратов. Как правило, если спутниковые наблюдения были выполнены в благоприятных условиях, различие между уравненными и не уравненными значениями координат оказывается незначительным.
Погрешности вычисляемых приращений координат в декартовой или геодезической системе WGS-84, а также значения базисных линий оцениваются в протоколе выполненных измерений ошибкой, характеризующей внутреннюю сходимость отдельных результатов.
По окончании обработки накопленных в течение одного дня результатов измерений в программе LGO был получен массив данных (рис. 3.3), включающий в себя идентификатор референцного пункта (Reference
I
d
), номера точек (Point I
d
), статус разрешенности неоднозначностей (Ambiguity
Status
), приращения координат в декартовой системе WGS-84 (dX
,
dY
,
dZ
) и погрешности их определения (Sd
.
X
,
Sd
.
Y
,
Sd
.
Z
), а также ряд других данных.
Рис. 3.3. Массив окончательных результатов обработки
GPS
измерений.
Проанализировав данный массив, заметим, что максимальная ошибка опрделения приращений по осям X и Y составляет 0,2 мм, по оси Z – 0,5 мм.
Следует отметить, что измерения точки с идентификатором 112
в эпоху 05/25/2006 11:57:54
не разрешились. Для поиска причины неразрешенности, рассмотрим график значений геометрического фактора понижения точности в данную эпоху наблюдений (рис.3.4).
Рис. 3.4. График значений геометрического фактора расположения ИСЗ
.
Из графика видно, что в больший период наблюдений значения GDOP были за пределами допусков (более 8 единиц), вследствие чего разрешить неоднозначности не представляется возможным. В этом случае для дальнейших вычислений будем использовать результаты наблюдения одного приема. Для остальных точек вычислим средние координаты из двойных измерений и представим их вместе с оценкой точности на рисунке 3.5.
Рис. 3.5. Окончательные координаты пунктов сети в системе
WGS
-84.
Исходя из полученных значений ошибок, максимальная из которых составляет 7 мм по оси Х, можно сделать вывод, что выполненные в данный день определения координат точек локальной геодезической сети являются высокоточными. Следовательно, можно приступать к преобразованию координат этих точек из системы WGS-84 в местную локальную систему координат.
3.3. Преобразование координат в действующую наземную систему координат
Поскольку окончательные значения координат пунктов геодезической сети должны быть известны в местной локальной системе, необходимо выполнить преобразование полученных в системе WGS-84 координат.
Для преобразования координат в местную локальную систему необходимо иметь общие (идентичные) пункты. При этом требуется определить семь параметров преобразования: - координаты начала одной системы относительно другой, - малые углы разворота осей и масштабный фактор m » 1. Минимальное число базовых линий – 3, но чем их больше, тем лучше, так как повышается число избыточных уравнений, и они должны располагаться равномерно.
Основные требования при выполнении такой процедуры сводятся к тому, чтобы обеспечить получение необходимой информации в местной локальной системе координат на том же высоком уровне точности, который характерен для спутниковых измерений.
К настоящему времени разработаны различные подходы к решению такой задачи. Наиболее широкое распространение получили различные варианты интерполяционных методов, базирующихся на использовании нескольких общих точек, координаты которых независимо определены как в системе WGS-84, так и в местной координатной системе. Данные способы, базирующиеся на методе наименьших квадратов, позволяют при максимальном сохранении высокой точности спутниковой сети обеспечить ее приближение к реальной наземной сети в любой местной или государственной системе координат.
В общем виде, преобразование координат из одной пространственной системы в другую выполняется по следующей формуле: [8]
. (3.1)
Здесь:
m
– масштабный коэффициент (m
+1
);
М
– ортогональная матрица, ее элементы однозначно выражаются через три угла Кардана;
- сдвиг начала координат.
На основе приведенных зависимостей составляются параметрические уравнения для общих точек двух систем, которые решаются под условием:
[Vx
2
+Vy
2
+Vz
2
]=min, (3.2)
При этом предусмотрена возможность определения трех, четырех и семи параметров.
Подобный алгоритм заложен во многих программных продуктах, используемых при обработке спутниковых определений. При этом необходимо отметить что, сопоставление координат в системе WGS-84 и референцной не удается сделать полностью независимым. Причиной тому, - низкая точность определения высот квазигеоида.
Рассмотрим более подробно следующие вопросы по преобразованию координат пунктов на территории аэропорта Шереметьево:
· Способ перехода из координатной системы WGS – 84 в наземные системы координат;
· Переход из координатной системы WGS-84 к местной локальной системе координат.
3.3.1. Способ перехода из координатной системы WGS-84 в наземные системы координат
К настоящему времени разработаны различные подходы к решению такой задачи. В частности, наряду с классическим методом преобразования координат, основанном на применении формул Гельмерта, широкое распространение получили различные варианты интерполяционных методов, базирующихся на использовании нескольких общих точек с независимо определенными координатами как в системе WGS-84, так и в местной координатной системе. Во многих случаях находят применение комбинированные методы, рационально сочетающие в себе позитивные стороны этих двух методов. Оптимальным вариантом комплексного решения этой задачи может стать подход, реализуемый в следующей блок-схеме [9]:
1. Свободное пространственное уравнивание GPS-измерений:
D
Xij
,
D
Yij
,
D
Zij
,
X
1
,
Y
1
,
Z
1
-
Xi
,
Yi
,
Zi
Уравнивание GPS – измеренных векторов с заданными исходными координатами одного пункта сети приводит к получению уравненных координат всех пунктов сети в системе XYZ.
2. Преобразование прямоугольных координат в геодезические:
Xi
, Yi
, Zi
, ae
,
a
-
Bi
, Li
, Hi
Преобразование может быть выполнено относительно любого заданного отсчетного эллипсоида. Погрешности преобразования отсутствуют.
3. Преобразование в плоские прямоугольные координаты
для заданной проекции: Bi
,
Li
-
xi
,
yi
Перевычисления могут быть выполнены для любой заданной проекции с заданной точностью.
4. Преобразование геодезических высот в нормальные:
Hi
-
H
g
i
=
Hi
-
z
Здесь используются заданные гравиметрические высоты квазигеоида z. Точность преобразования зависит от точности относительных высот квазигеоида, а также от величины вероятного систематического смещения высотной основы.
Первые четыре этапа касаются обработки результатов уравнивания GPS-измерений. На следующих двух этапах эти результаты сравниваются с известными исходными плановыми координатами xoi
, yoi
и исходными высотными отметками Hg
oi
.
5. Сравнение плоских прямоугольных координат в заданной проекции,
определение систематических и случайных расхождений:
xi
- xoi
, yi
- yoi
-
D
xo
,
D
yo
,
D
m,
D
A,
s
xy
6. Сравнение нормальных высот,
определение систематических и случайных расхождений:
H
g
i
-
H
g
oi
-
D
H
g
,
s
H
g
На следующих трех этапах выполняется подготовка исходных плановых координат и нормальных высот к совместному уравниванию с GPS-измерениями.
7. Подготовка исходных плановых координат
к совместному уравниванию с GPS-измеpениями:
xoi
, yoi
,
D
xo
,
D
yo
,
D
m,
D
A
-
x'oi
, y'oi
x
'
oi
,
y
'
oi
-
B
'
oi
,
L
'
oi
8. Подготовка исходных нормальных высот
к совместному уравниванию с GPS-измеpениями:
H
g
oi
,
D
H
g
-
H
'
g
oi
H
'
g
oi
-
H
'
oi
=
H
'
g
oi
+
z
9. Заключительная подготовка координат исходных пунктов
к пространственному уравниванию совместно с GPS-измеpениями:
B
'
oi
,
L
'
oi
,
H
'
oi
,
ae
,
a
-
X
'
oi
,
Y
'
oi
,
Z
'
oi
На заключительных четырех этапах осуществляется собственно совместное уравнивание GPS-измеpений и заданных исходных координат пунктов геодезической сети, а также оценка точности результатов уравнивания.
10. Совместное пространственное уравнивание GPS-измеpений
и заданных исходных координат пунктов:
D
Xij
,
D
Yij
,
D
Zij
, X'oi
, Y'oi
, Z'oi
-
X"i
, Y"i
, Z"i
11. Преобразование уравненных координат
в систему исходных пунктов:
X"i
, Y"i
, Z"i
, ae
,
a
-
B"i
, L"i
, H"i
B"i
, L"i
, H"i
-
x"i
, y"i
, H"
g
i
x"i
, y"i
, H"
g
i
,
D
xo
,
D
yo
,
D
m,
D
A,
D
H
g
-
x
"i
, y
"i
, H
"
g
i
12. Оценка точности GPS-измеpений:
D
Xij
,
D
Yij
,
D
Zij
-
-
X"j
-X"i
, Y"j
-Y"i
, Z"j
-Z"i
13. Оценка изменений исходных координат пунктов:
x
"i
, y
"i
, H
"
g
i
-
-
xoi
, yoi
, H
g
oi
X"i
,Y"i
,Z"i
-
-
Xi
, Yi
, Zi
.
Используя данную блок-схему можно перейти от системы координат WGS–84 в наземные системы координат.
3.3.2. Переход из координатной системы WGS-84 к местной локальной системе координат
Преобразование координат из WGS – 84 в местную локальную систему координат выполнено методом One
Step
с помощью блока Datum/Map программного пакета Leica Geo Office версии 3.0.
Основные требования при выполнении этой процедуры сводились к тому, чтобы обеспечить получение необходимой информации в местной координатной системе на том же высоком уровне точности, который характерен для спутниковых измерений.
В обработку было включено 15 пунктов равномерно расположенных по всей территории работ на аэродроме Шереметьево. В результате обработки были получены параметры трансформации (рис. 3.6) с помощью которых преобразованы координаты пунктов из системы WGS – 84 в местную локальную систему координат.
Рис. 3.6. Фрагмент протокола получения параметров трансформации.
Сравнивая координаты одноименных пунктов новой местной локальной системы координат со старой, были получены данные (рис. 3.7), включающие разности координат Y (dE
) и X (d
N
), а также высот (dHgt
) для каждой точки.
Рис. 3.7. Разности координат и высот пунктов старой и новой местной локальной системы координат.
Для выполнения анализа полученных данных построим диаграмму (рис. 3.8) количества точек, разности координат (Y - Easting
, X - Northing
) и высот (Height
) которых попали в фиксированные интервалы (Residual
intervals
).
Рис. 3.8. Диаграмма разностей координат и высот одноименных точек в старой и новой системе.
На диаграмме видно, что значения разностей координат и высот малы и не превышают 2,5 см.
В программе Leica Geo Office, используя данные, представленные на рисунке 3.7, построим вектора смещений пунктов в плане и прямоугольники смещений высот пунктов (рис. 3.9).
Рис. 3.9. Схема смещений пунктов в местной локальной системе координат
На рисунке 3.9 видно, что вектора направлены в разные стороны. Это может быть связано с ошибками измерений. Наиболее существенные смещения в плане (2,1 см) имеют пункты 102
и 137
, а по высоте (1,9 см) – пункт с идентификатором 141
.
Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод, что на территории аэродрома Шереметьево, для выполнения комплекса геодезических работ по созданию высокоточной основы можно применять спутниковые методы и использовать полученные параметры трансформации для перехода из WGS-84 в местную локальную систему координат.
4. ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ДИПЛОМНОЙ РАБОТЫ
4.1. Организация работ по теме дипломного проекта
Дипломная работа «Использование спутниковых методов создания высокоточной геодезической основы на аэродромах при реконструкции визуальных аэронавигационных средств» выполнена в НИЦ «Геодинамика» под руководством Лобазова В. Я.
Целью данной работы является разработка комплексной методики создания высокоточной локальной геодезической сети на аэродроме Шереметьево.
Исходными данными для работы послужили материалы GPS-измерений на геодезических пунктах, которые были созданы в рамках выполнения комплекса инженерно-геодезических работ по реконструкции визуальных аэронавигационных средств на ВПП-2, РД и МРД-2 международного аэропорта Шереметьево в июне - августе 2006 года.
Измерения были выполнены двухчастотными приемниками GX1220 GPS SYSTEM 1200 (Leica, Швейцария). Пункты располагались на пескоцементном покрытии (тощем бетоне) и были совмещены как с определяемыми пунктами, так и с пунктами ФГУП ГПИиНИИ ГА «Аэропроект», равномерно покрывающими всю территорию. Также была создана сеть опорных пунктов на основном бетоне.
Полученные полевые данные были обработаны с помощью программного пакета Leica Geo Office версии 3.0 («Leica», Швейцария). При этом обработка производилась в два этапа. На первом этапе выполнялось уравнивание спутниковых измерений в системе координат WGS-84 и оценка точности, затем полученные координаты преобразовывались в местную локальную систему координат (МСК).
4.2. Обоснование косвенной экономической эффективности
Рассчитать прямой экономический эффект не представляется возможным, поскольку отсутствуют стоимостные данные по отдельным видам работ. Однако сама работа не носит исключительно теоретический характер, она имеет и важное прикладное значение.
Необходимо отметить, что сопровождение реконструкции визуальных аэронавигационных средств на аэродромах является достаточно новым видом геодезических работ. В России такими работами занимаются всего несколько лет и считанное количество специалистов, а, следовательно, на данный момент не существует четкой устоявшейся методики их выполнения. В дипломной работе была разработана методика использования спутниковых технологий для создания высокоточной геодезической основы на аэродроме.
Аэродром является специфическим протяженным объектом. При разработке программы создания геодезической сети вдоль такого объекта особого внимания заслуживает принцип ее построения. Очевидно, что по сравнению со всеми известными методами, преимуществом в данном случае обладает спутниковый метод создания сети по лучевой схеме с использованием одной референцной (опорной) станции, позволяющий осуществить непосредственную передачу координат от исходного пункта на определяемые. Учитывая, что протяженность объекта незначительна (не более 4 км от базовой точки), полевые работы могут быть выполнены двумя инженерами-геодезистами с использованием двух-трех GPS-приемников. Следовательно при использовании такой методики затраты по времени и финансам будут минимальными.
В связи с необходимостью получения определяемых координат пунктов сети не только в системе WGS-84, а и в принятой для данного региона системе координат и высот (МСК), обязательным условием является привязка к пунктам плановой и высотной основы, которые характеризуются наиболее высокими точностными показателями. При камеральной обработке измерений были получены необходимые параметры перехода из системы координат WGS-84 в систему МСК.
Обобщив вышесказанное, следует выделить, что в дипломной работе разработана и с успехом применена эффективная с экономической и геодезической точек зрения методика проведения работ. В будущем она может быть усовершенствована с внедрением прогрессивных технологий. А полученные параметры перехода из системы координат WGS-84 в систему МСК могут быть использованы при других видах геодезических работ на аэродроме Шереметьево. Все эти положения, несомненно, определяют косвенную экономическую эффективность дипломной работы.
4.3 Себестоимость дипломной работы
Себестоимость продукции – это совокупность прямых издержек, связанных с производством изделия. Издержками в свою очередь являются все виды затрат, понесенных при производстве и реализации определенного вида продукции.
Себестоимость включает в себя:
· затраты на материалы;
· прямые затраты на рабочую силу;
· переменные издержки: материальные затраты, амортизация основных средств, заработная плата основного и вспомогательного персонала, накладные расходы, непосредственно связанные с производством и реализацией.
Различают производственную и полную себестоимости.
Полная себестоимость характеризует затраты не только на производство, но и на реализацию продукции. Расчет полной себестоимости интеллектуальной продукции весьма сложен и ее оценка в каждом конкретном случае индивидуальна и может сильно варьироваться. Однако, возможно рассчитать производственную себестоимость, т.е. оценить себестоимость задействованных ресурсов.
Диплом, как продукт при написании которого затрачены определенные ресурсы, также имеет себестоимость. Ниже приведена смета расходов на издержки (табл. 4.3.1), связанные с полным циклом создания дипломной работы.
Таблица 4.3.1. Смета расходов на издержки
| Издержки |
Ставка |
Кол-во |
Итого, руб. |
| Издержки по оплате труда
|
|||
| Оплата труда дипломника в качестве инженера |
6000 руб./мес. |
3 мес |
18000 |
| Начисления на зарплату: Пенсионный фонд Медицинское страхование Социальное страхование |
20 % 2,8% 3,2% |
3 мес 3 мес 3 мес |
3600 504 576 |
| Оплата труда руководителя дипломной работы |
200 руб./час |
20 часов |
4000 |
| Оплата труда консультантов |
200 руб./час |
6 часов |
1200 |
| Издержки по оплате использованных материалов
|
|||
| Бумага А4 |
200 руб. |
1 уп. |
200 |
| Бумага А0 (ватман) |
15 руб. |
5 шт. |
75 |
| Канцелярские принадлежности |
257 руб. |
--- |
257 |
| Черно-белый картридж для печати |
459 руб. |
1 шт. |
459 |
| Цветной картридж для печати |
741 руб. |
1 шт. |
741 |
| Ксерокопирование статей |
2,5 руб./стр. |
208 стр. |
520 |
| Оформление работы |
600 руб. |
--- |
600 |
| Издержки на транспорт
|
|||
| Льготный проездной билет на метро |
135 руб./мес. |
3 мес. |
405 |
| Издержки, связанные с использованием Интернета
|
700 руб./мес. |
3 мес. |
2100 |
| Прочие накладные расходы
|
2500 руб. |
--- |
2500 |
| Итого издержек
|
35737
|
Издержки, отнесенные к единице продукции, составляют себестоимость, таким образом себестоимость дипломной работы равна 35737 руб.
4.4. Оценка значимости дипломной работы
Значимость выполненных исследований или разработок определяется коэффициентом значимости Dзн
. Величина коэффициента значимости изменяется в пределах от 0.1 до 1, т.е. 0.1 < D < 1. Чем ближе к единице значение Dзн
, тем более весома выполненная работа.
Для вычисления коэффициента значимости необходимо воспользоваться таблицей коэффициентов, характеризующих сложность решения задачи научно-исследовательского характера и степень положительного эффекта от выполненной работы, объем выполненных исследований и разработок, а также уровень теоретической подготовки и полноту использования современных методов выполнения исследований и разработок.
Коэффициент значимости дипломной работы вычисляется по формуле:
(4.1)
где:
· К1
– коэффициент, характеризующий степень положительного эффекта от выполнения дипломной работы научно-исследовательского характера.
· К2
- коэффициент, характеризующий объем выполненных исследований и разработок.
· К3
- коэффициент, характеризующий сложность решения задачи в дипломной работе научно-исследовательского характера.
· К4
- коэффициент, характеризующий уровень научно-технической подготовки студента.
· Кmax
= К1
+ К2
+ К3
+ К4
= 40
Исходя из исследований, выполненных в дипломной работе, используя таблицы возможных значений коэффициентов (К) для вычисления значимости дипломной работы, были выбраны следующие их значения:
1. При выполнении работы разработана относительно новая методика использования спутниковых методов для создания высокоточной геодезической основы на новых для геодезии объектах - аэродромах, поэтому берется коэффициент:
K1
=12.0
2. Автор принимал участие в разработке теоретических положений метода создания локальной геодезической сети с использованием спутниковых технологий на аэродроме Шереметьево, полевых и камеральных работах, поэтому:
K2
=3.0
3. В дипломной работе была разработана комплексная методика выполнения полевых работ и выполнены сложные преобразования из всемирной системы координат WGS-84 в местную локальную систему (МСК), следовательно:
K3
=6.0
4. В процессе работы использовались современные электронно-вычислительные технические средства, машинные языки высокого уровня и операционные системы. Использованы и изучены новейшая геодезическая программа Leica Geo Office, операционная система WINDOWS, текстовый редактор WORD, а также программа работы с таблицами EXCEL. Отсюда:
K4
=5.0
Исходя из вышесказанного коэффициент значимости выполненной дипломной работы:
Dзн
= (12.0 + 3.0 +6.0 + 5.0)/40.0 = 0.65
5. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РАЙОНА РАБОТ. БЕЗОПАСНЫЕ МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ РАБОТ
5.1. Физико-географическая характеристика района работ.
Согласно постановлению московской городской думы от 5 июля 1995 г. о территориальном делении города Москвы, территория аэропорта Шереметьево входит в состав Молжаниновского района города Москвы. Это один из самых молодых районов Северного административного округа г. Москвы. – 20 лет назад (в 1984 году) территория Молжаниновского района была присоединена к Москве, а 2 марта 1992 года на присоединенной территории был создан Молжаниновский район. Район уникален не только по своим расположению и составу, но и по существующим проблемам. Помимо аропорта Шереметьево в него включены восточная часть пос. Новоподрезково и восемь деревень: Бурцево, Верескино, Филино, Новодмитровка, Новоселки, Молжаниновка, Мелькисарово, Черкизово. История некоторых деревень насчитывает не одно столетие.
Общая площадь района составляет 2625 га, население 2181 чел. Электроснабжение в районе осуществляется по воздушным линиям 0,4 кВ. Водоснабжение осуществляется, в основном, из водоразборных колонок и шахтных питьевых колодцев. Магистральный газ в районе есть только в пос. Новоподрезково, и в деревнях Филино, Верескино, Черкизово (частично) в остальных – привозной в баллонах, отопление – печное. Индивидуальные жилые дома составляют 98 %. Жилой фонд района не телефонизирован.
На территории района действует Совет старост, приход Русской православной церкви при Храме Рождества Христова в Черкизово; расположены: неполная средняя школа N 740, амбулатория «Планерная», Дом культуры «Черкизово», библиотека, Дирекция единого заказчика N 17 Молжаниновского района.
5.2. Экологическая оценка района работ.
Экологическая обстановка в Молжаниновском районе умеренно неблагоприятная. Территория района характеризуется средней транспортной нагрузкой и средним объемом промышленных выбросов на единицу площади, невысоким среднесуточным содержанием пыли в воздухе. Наблюдается превышение ПДК в 9 раз содержания в атмосферном воздухе окиси углерода и фенола. Промышленных объектов повышенной экологической опасности не наблюдается. Отрадно отметить, что в 1999 году произошло значительное снижение "вклада" предприятий в загрязнение атмосферного воздуха Москвы.
Самым сильным источником негативного воздействия на окружающую природную среду является автомобильный транспорт. За последние десятилетия автомобильный парк города вырос более чем в четыре раза, что существенно увеличило техногенные нагрузки на окружающую среду.
На территории района находятся несколько опасных с экологической точки зрения автомагистралей. Проезжая часть Новосходненского шоссе вплотную подходит к домам жителей, а строительство многоэтажных жилых домов властями Московской области, добыча и разработка глины Лосиноостровским и Бескудниковским заводами приводит к загрязнению и загруженности шоссе. Ленинградское шоссе, протяженность которого по территории района составляет 5,5 км, жители прозвали «дорогой смерти» из-за отсутствия безопасных пешеходных переходов. Совершаются не только постоянные наезды на пешеходов, но и при авариях автотранспорт «залетает» на участки жителей. Экологическая обстановка в районе Ленинградского шоссе не благоприятна – содержание токсинов в почве превышает все нормы. Также на Международном и Шереметьевском шоссе наблюдается большой транспортный поток.
Следует отметить повышенный уровень шума в районе аэропорта Шереметьево.
На территории района имеются 28 водоемов общей площадью 40,5 га. Наиболее значимыми являются реки Сходня и Клязьма.
В Молжаниновском районе произрастает около 20 000 деревьев и 10 000 кустарников зеленых насаждений, требующих ухода.
Питьевое водоснабжение осуществляется, в основном, из водоразборных колонок (115 колонок) и шахтных питьевых колодцев (50 колодцев).
Радиационный фон в районе умеренный, не смотря на то что в соседних Химках расположен атомный реактор. В настоящее время мощность экспозиционной дозы гамма-излучения (МЭДГИ) в районе находится в пределах фоновых значений.
Массовых свалок отходов на территории Молжаниновского района не наблюдается.
После возведения жилого массива Куркино в Молжаниновском началось создание системы городских инженерных сетей, для развития массового жилищного строительства. Помимо строительства жилья, в планах властей - строительство здесь автодрома и стадиона технических видов спорта. Там же, между Ленинградским шоссе и Международным шоссе, на площади 600 га, планируется создание системы гольф-полей.
5.3. Безопасные методы проведения геодезических работ.
5.3.1. Общие положения.
Порядок проведения топографо-геодезических, в том числе инженерно-геодезических и других работ, устанавливается законодательством РФ
До начала работ в городах, населенных пунктах, на территориях промышленных объектов и объектов специального назначения, по линиям железных дорог и автомагистралей, в лесах и т. д. необходимо получить в органах, ведающих данной территорией, разрешение на право производства работ и согласовать требования по безопасности, предъявляемые местными организациями к проведению планируемых топографо-геодезических работ.
Все работы должны выполняться с соблюдением действующего законодательства об охране окружающей среды (охрана недр, лесов, водоемов и т. п.). Неблагоприятные последствия воздействия на окружающую среду при производстве топографо-геодезических работ должны ликвидироваться организациями, производящими эти работы.
Руководящие и инженерно-технические работники организаций системы ФСГК РФ должны выполнять установленный порядок контроля за состоянием охраны труда на рабочих местах и в подразделениях организации, за соблюдением правил техники безопасности и выполнением руководителями и исполнителями работ своих обязанностей по охране труда. Результаты проверки (контроля) и выполнения работ по устранению недостатков должны быть занесены соответственно в журнал трехступенчатого контроля бригады, журнал технического состояния оборудования, журнал учета и испытаний такелажного оборудования, акт технического состояния автотранспортных средств, акт технического освидетельствования маломерных судов, а также оформляются протоколом или актом проверки.
Каждый работающий, заметивший опасность, угрожающую людям, сооружениям и имуществу, обязан принять неотложные меры для ее устранения и немедленно сообщить об этом своему непосредственному руководителю. Руководитель работ обязан принять меры к устранению опасности, при невозможности устранения - прекратить работы, вывести работающих в безопасное место и поставить в известность старшего по должности.
Запрещается проведение полевых топографо-геодезических работ в необжитой местности в одиночку или малыми группами менее трех человек.
При выполнении производственного задания группой работников в составе двух и более человек один из них должен быть назначен старшим, ответственным за безопасное ведение работ, распоряжения которого для всех членов группы являются обязательными.
Запрещается допускать к работе лиц в нетрезвом состоянии.
Несчастные случаи должны расследоваться и учитываться в соответствии с «Положением о расследовании и учете несчастных случаев на производстве».
Каждый исполнитель работ несет ответственность за нарушение норм и правил по охране труда в соответствии с действующим законодательством и «Положением об ответственности исполнителей работ за соблюдение правил и норм по охране труда и технике безопасности в объединениях, предприятиях и организациях Федеральной службы геодезии и картографии Российской Федерации ».
Руководители организаций и другие должностные лица, виновные в нарушении настоящих Правил, несут ответственность независимо от того, привело или не привело это нарушение к аварии или несчастному случаю. В зависимости от тяжести допущенных нарушений и их последствий они привлекаются к дисциплинарной, административной или уголовной ответственности в порядке, установленном законодательством Российской Федерации.
Рабочие, не выполняющие требований по технике безопасности, изложенных в настоящих Правилах, а также в инструкциях по охране труда по их профессиям или видам выполняемых работ, в зависимости от тяжести допущенных нарушений и их последствий привлекаются к дисциплинарной или уголовной ответственности в порядке, установленном законодательством Российской Федерации.
5.3.2. Безопасные методы проведения геодезических работ на территориях аэродромов и аэропортов
Учитывая, что территории аэропортов и аэродромов относятся к объектам повышенной опасности, все работники, проводящие топографо-геодезические работы на их территории, должны строго соблюдать требования, изложенные в инструкциях ГВФ в части передвижения транспортных средств и пешеходов по взлетно-посадочным полосам, рулежным дорожками и т. п.
Каждый работник обязан быть внимательным к окружающей обстановке и ее изменениям.
Ответственность за проведение инструктажа и соблюдение требований, изложенных в вышеперечисленных документах, личным составом полевых подразделений несет непосредственный руководитель работ (бригадир, начальник партии).
Ответственность за технику безопасности и безопасность движения по аэродрому при производстве топографо-геодезических работ на его территории несет организация, производящая эти работы.
Категорически запрещается производить какие-либо работы по закладке центров, установке геодезических знаков и прочие топографо-геодезические работы на территории аэродрома, подъездных путях, летном поле, тротуарах без проекта организации работ, согласованного и утвержденного соответствующими аэродромными службами: летне-исследовательским центром (ЛИЦ) и летне-исследовательским институтом (ЛИИ).
Выезд транспортных средств и выход работников полевых подразделений на территории летного поля разрешается только на конкретное время полевых работ на летном поле. Необходимость допуска транспортных средств и сотрудников на летном поле определяется руководителем бригады, проводящей работу на летном поле или вблизи него.
Въезд транспортных средств по разовым пропускам разрешается только с сопровождающим лицом того аэродромного подразделения, куда следует транспорт.
Выезд транспортных средств на территорию летного поля, а также другие площадки, за исключением территории «промзоны», без производственной необходимости категорически запрещается.
Движение транспортных средств и работников полевых подразделений (пешеходов) на летном поле должно осуществляться на основании «Правил дорожного движения».
Движение транспортных средств по приангарной площадке разрешается на удалении 20-30 м от ангара.
При движении по рулежным дорожкам водитель обязан быть внимательным к окружающей обстановке и ее изменениям, не создавать помех для рулящих самолетов и обеспечивать безопасность их прорулирования (буксировку).
Скорость движения транспортных средств на летном поле не должна превышать 30 км/ч.
При возникновении опасности во время движения водитель обязан принять меры к снижению скорости или остановке транспортного средства.
Необходимо помнить, что преимущественное право движения предоставляется рулящему или буксируемому самолету, вертолету.
Каждый выезд на работу на ВПП и прилегающие к ним территории разрешается только руководителям полетов.
Все работники полевых подразделений, как постоянно работающие на территории аэродрома, так и временно посещающие ее, обязаны:
· ходить по территории только по тротуарам, а где их нет, по дороге, пользуясь ее левой стороной (навстречу идущему транспорту);
· освобождать дорогу движущемуся транспорту; не перебегать дорогу перед движущимся транспортом; обращать внимание на установленные дорожные знаки и выполнять их требования.
Движение работников (пешеходов) по приангарной площадке разрешается только вдоль ангаров, не далее 10 м от них. Переход приангарной полосы разрешается только в местах, обозначенных линиями перехода или обозначенных знаками.
Передвижение по рулежным дорожкам (РД) и местам стоянок разрешается только по крайней кромке РД, а на стоянках - в 10 м от самолетов и вертолетов.
При следовании по рулежным дорожкам и местам стоянок работники полевых подразделений должны быть особенно внимательными к окружающей обстановке и ее изменениям.
При рулящем (буксируемом) самолете работник (пешеход) обязан уйти с рулежной дорожки на обочину не менее чем на 10 м от крайней кромки бетона.
Водители всех видов транспорта и работники полевых подразделений, выполняющие топографо-геодезические работы на аэродроме, обязаны подчиняться сигналам, подаваемым техническим составом, производящим отгонку двигателей летательных аппаратов.
Запрещается движение всех видов транспортных средств и работников полевых подразделений без особого разрешения:
· по взлетно-посадочным полосам и посадочным площадкам для вертолетов;
· в местах, ограниченных знаками;
· сзади самолетов с работающими двигателями;
· около самолетов и вертолетов;
· пересекать рабочую часть ВПП.
5.3.3. Безопасные методы проведения камеральных работ.
Помещения, для проведения непосредственно камеральных работ, принято относить к производственным. Площадь производственных помещений, приходящуюся на одного человека, проектируют не менее 4,5 м с учетом оборудования, объем не менее 15 м, высота помещении не менее 3,2 м.
В работе важное значение имеет отсутствие шума (уровень шума не должен превышать 60 децибел), так как шум не только повышает утомляемость, но и снижает трудоспособность, внимание к опасности, а также может быть причиной глухоты и нервных расстройств. В помещении при камеральной работе должно быть установлено хорошее освещение, так как слабое освещение подавляет у человека энергичное и бодрое состояние. Путем равномерного освещения, создания условий для исключения теней работающих, можно повысить производительность труда до 6 % и более. Если дневного освещения недостаточно, то оно заменяется искусственным. Для этого необходимо, чтобы мощность лампы соответствовала размерам помещения, устройство светильников выполняется с соблюдением противопожарных требований.
В помещении, где путем аэрации нельзя обеспечить нормальные метеорологические условия, устанавливают для воздухообмена, отвечающие санитарным нормам, механические общеобменные вентиляции и различные местные отсосы. В некоторых помещениях ставятся кондиционеры, обеспечивающие поддержание постоянных метеорологических условий по нескольким параметрам воздуха.
Для поддержания в рабочих помещениях санитарных норм температуры и влажности воздуха, предприятия организуют надлежащую систему отопления. Обычной формой деятельности, работающих в камеральных условиях, является сидячая работа, связанная с существенным статическим напряжением. Такое напряжение возникает, когда туловище не имеет достаточной опоры. Облегчение труда требует устройства рабочего кресла, обеспечивающего правильное устойчивое положение тела, с опорой в поясничной области.
Для предупреждения аварий и случаев электротравматизма, предусматриваются:
· устройство заземления машин, механизмов;
· устройство защитного отключения;
· применение защитных выключателей, понижающих трансформаторов и индивидуальных защитных средств.
В качестве индивидуальных средств защиты от тока высокого напряжения применяют диэлектрические боты и перчатки, диэлектрические коврики, дорожки, изолирующие подставки.
Профилактические противопожарные мероприятия предусматривают устранение непосредственных или возможных причин пожаров. Нельзя допускать захламление проездов, проходов, коридоров, лестничных площадок. Каждый работающий должен знать пути эвакуации со своего рабочего места в случае пожара.
При работе на персональном компьютере к организации и оборудованию рабочих мест предъявляются следующие требования:
1. Высота рабочей поверхности стола должна регулироваться в пределах 680-800 мм; при отсутствии такой возможности высота рабочей поверхности стола должна составлять 725мм.
2. Рабочий стол должен иметь пространство для ног не менее 600 мм, шириной - не менее 500 мм, глубиной на уровне колен не менее 450 мм и на уровне вытянутых ног - не менее 650 мм.
3. Рабочий стул (кресло) должен быть подъемно-поворотным и регулируемым по высоте и углам наклона сиденья и спинки, а также - расстоянию спинки от переднего края сиденья.
Конструкция его должна обеспечивать:
· ширину и глубину поверхности сиденья не менее 400 мм;
· поверхность сиденья с закругленным передним краем;
· регулировку высоты поверхности сиденья в пределах 400-550 мм и углам наклона вперед до 15 град. и назад до 5 град.;
· высоту опорной поверхности спинки 300 ± 20 мм, ширину - не менее 380 мм и радиус кривизны горизонтальной плоскости - 400 мм; угол наклона спинки в вертикальной плоскости в пределах 0 ± 30 градусов;
· регулировку расстояния спинки от переднего края сиденья в пределах 260-400 мм;
· стационарные или съемные подлокотники длиной не менее 250 мм и шириной - 50 - 70 мм:
· регулировку подлокотников по высоте над сиденьем в пределах 230 ± 30 мм и внутреннего расстояния между подлокотниками в пределах 350-500 мм.
4. Рабочее место должно быть оборудовано подставкой для ног, имеющей ширину не менее 300 мм, глубину не менее 400 мм, регулировку по высоте в пределах до150 мм и по углу наклона опорной поверхности подставки до 20 градусов. Поверхность подставки должна быть рифленой и иметь по переднему краю бортик высотой 10 мм.
5. Рабочее место должно быть оснащено легко перемещаемым пюпитром для документов.
6. Экран видеомонитора должен находится от глаз пользователя на оптимальном расстоянии 600-700 мм.
6. Расположение монитора компьютера в месте рабочей зоны, должно обеспечивать удобство зрительного наблюдения в вертикальной плоскости под углом ± 30 градусов от нормальной линии взгляда оператора.
7. Клавиатуру следует располагать на поверхности стола на расстоянии 100-300 мм от края, обращенного к пользователю или на специальной, регулируемой по высоте рабочей поверхности, отделенной от основной столешницы.
При камеральных работах к организации труда согласно действующему законодательству предъявляются следующие требования:
· Длительность работы на персональном компьютере составляет 4 - 6 часов.
· Для обеспечения оптимальной работоспособности и сохранения здоровья профессиональных пользователей, на протяжении рабочей смены должны устанавливаться регламентированные перерывы.
· Время регламентированных перерывов в течение рабочей смены следует устанавливать в зависимости от ее продолжительности, вида и категории трудовой деятельности.
· Продолжительность непрерывной работы на компьютере без перерыва не должна превышать 2 часа.
Во время регламентированных перерывов с целью снижения нервно-эмоционального напряжения, утомления зрительного анализатора, устранения влияния гиподинамии и гипокинезии, предотвращения развития познотонического утомления целесообразно выполнять комплексы упражнений.
С целью уменьшения отрицательного влияния монотонности работы следует чередовать операции осмысленного текста и числовых данных, редактирование и ввод данных.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Целью данной дипломной работы являлась разработка комплексной методики применения спутниковых технологий для создания высокоточной геодезической основы в процессе реконструкции визуальных аэронавигационных средств на аэродроме Шереметьево. В связи с этим в настоящей работе были рассмотрены теоретические основы спутниковых геодезических измерений, особенности определения координат и высот точек на поверхности земли с помощью GPS аппаратуры, а также практическая реализация алгоритмов преобразования координат из глобальной системы WGS-84 в местную локальную систему координат.
В первой главе настоящей работы был рассмотрен комплекс вопросов, касающихся подготовительных мероприятий при создании локальной геодезической сети на аэродроме Шереметьево. Особое внимание было уделено расчету требуемой точности и насыщенности создаваемой сети. Было получено, что на щебеночно-цементном покрытии погрешность планового положения пунктов сети должна быть не хуже 20 мм, а расстояние между ними должно быть не более 500 м. На основном бетоне максимальное расстояние между пунктами сети не должно превышать 100 м, а их взаимное положение должно быть определено с точностью 10 мм. Исходя из данных требований был проведен анализ современного геодезического оборудования и программного обеспечения.
Вторая глава была посвящена рассмотрению концепции построения геодезической сети спутниковыми методами с учетом влияния свойственных им основных источников ошибок: ошибок эфемерид спутников, влияния атмосферы (ионосферы и тропосферы), многопутности прохождения радиосигналов и инструментальных источников ошибок (вариаций фазового центра антенны приемника, ошибок хода часов приемника и спутника), а также геометрического фактора. Создаваемую на аэродроме Шереметьево локальную геодезическую сеть было принято реализовать по лучевой схеме, совместив ее с существующей сетью. Для обеспечения высокой точности и надежности в сочетании с высокими технико-экономическими показателями решено определять местоположение всех пунктов сети из двух независимых измерений. В сети был выбран единый исходный пункт (OGP2), координаты которого известны в системе WGS-84. На основе этих рассуждений были организованы наблюдения на геодезических пунктах.
В третьей главе дипломной работы был рассмотрен процесс определения координат пунктов в системе WGS-84 и их преобразования в местную локальную систему с применением современного программного комплекса Leica Geo Office версии 3.0 (Leica, Швейцария).
В ходе обработки GPS данных были получены следующие максимальные средние квадратические ошибки определения координат в системе WGS-84:
- mx
= 0.007 м;
- my
= 0.006 м;
- mz
= 0.006 м.
Организационно-экономическая часть дипломной работы содержит обоснование косвенной экономической эффективности проделанной работы, расчет себестоимости и оценку значимость проведенных исследований
В заключительной части проведена экологическая оценка района аэропорта Шереметьево, а также рассмотрены вопросы безопасности при проведении работ на аэродромах и при камеральной обработке измерений.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. М.М. Машинов – «Высшая геодезия. Методы изучения фигуры Земли и создания общеземной системы геодезических координат», Москва: ВИА, 1991 год.
2. Антонович К.М., Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии. В 2 т. Т. 1 – М.: ФГУП «Картгеоцентр», 2005, – 334 с.
3. Интернет сайты ведущих производителей GPS аппаратуры
4. Интернет сайт компании Г.Ф.К. http://www.gfk-leica.ru/
5. Генике А.А., Побединский Г.Г. Глобальные спутниковые системы определения местоположения и их применение в геодезии. Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Картгеоцентр, 2004, – 355 с.
6. Интернет энциклопедия Википедия http
://
ru
.
wikipedia
.
org
7. Руководство по использованию программного комплекса Leica Geo Office.
8. Г.А. Шануров, С.Р. Мельников – «Геотроника», Москва; УПП «Репрография» МИИГАиК, 2001 год.
9. Герасимов А.П. Уравнивание государственной геодезической сети. М., «Картгеоцентр» - «Геодезиздат», 1996 г.
10. Материалы GPS измерений на пунктах локальной геодезической сети аэродрома Шереметьево; 2006 год.
11. Базлов Ю.А., Герасимов А.П., Ефимов Г.Н., Насретдинов К.К. – Параметры связи систем координат. М., «Геодезия и картография», №8, 1996 г.
12. Шингарева К.Б. Методические указания по выполнению экономической части дипломной работы. – М.: МИИГАиК, 1997, – 21 с.
13. Мельников А.А. Безопасность жизнедеятельности. Электронная версия. – М.: МИИГАиК, 2003.
14. Интернет сайт управы Молжаниновского района САО города Москвы http://mol.sao.mos.ru/