Тема 1. Введение в предмет (2 часа) (стр. 2 )

В соответствии с принципом «от общего к частному» вся опорная сеть подразделяется на классы, и ее построение осуществляется несколькими ступенями: от более высшего к низшему, от более крупных построений к более мелким и менее точным. Пункты высших классов располагают на больших (до нескольких десятков и тысяч километров) расстояниях, а затем последовательно сгущают путем развития между ними сетей более низких классов. Это позволяет в сжатые сроки и с высокой точностью распространять единую систему координат на всю территорию страны.

Фотограмметрический способ. Заключается в определении положений с использованием аэрокосмических снимков, радарных съемок. Для построения опорных сетей не используется

Триангуляция - один из методов создания плановых геодезических сетей на основе построения и решения треугольников по измеренным углам. Триангуляция представляет собой систему примыкающих или перекрывающих друг друга треугольников, которые могут образовывать триангуляционный ряд или триангуляционную сеть. Сторону одного из треугольников измеряют непосредственно или получают косвенным путем, построив так называемую базисную сеть, состоящую, как правило, из ромбов с разными по длине диагоналями. Остальные стороны триангуляционного ряда или сети находят путём последовательного решения треугольников по углам и стороне, используя терему синусов.

Известно, что для решения треугольника достаточно измерить в нём, кроме стороны, два угла. Однако при построении триангуляции в каждом треугольнике измеряют все три угла. Это позволяет проконтролировать результаты угловых измерений и, кроме того, в итоге специальных уравнительных вычислений несколько повысить точность конечного результата. С этой же целью измеряют длину не одной стороны ряда или сети, а двух и более. В случае необходимости в схеме триангуляции предусматривают перекрытие треугольников, что также улучшает качество построения.

Триангуляция 1 класса строится в виде системы полигонов из звеньев треугольников порядка 200-220 км (периметр км). Типовые фигуры – треугольники, четырехугольники и центральные системы. В местах пересечения звеньев измеряются базисные стороны (или выходные стороны). На их концах определяются пункта Лапласа с астроопределениями широт, долгот и азимутов. В отдельных районах построена сплошная сеть 1-го класса. В других – вместо звеньев триангуляции строились вытянутые ходы полигонометрии примерно их 10 сторон длиной 20-25 км.

По всем рядам АГС проведено астрономо-гравиметрическое нивелирование с целью получения эллипсоидальных высот, изучения фигуры Земли и ее гравитационного поля.

Триангуляция 2-го класса строится из сплошных сетей треугольников, заполняющих звенья 1-го класса. Сети 2-го класса могут создаваться и методом полигонометрии. Триангуляция 3 и 4 классов представляет собой вставки жестких систем или отдельных пунктов в сети старших классов или ходов полигонометрии. Сети 3 и 4 классов могут строиться методом трилатерации. Все пункты АГС должны иметь отметки, полученные из геометрического или тригонометрического нивелирования.

После того, как будут вычислены длины стороны треугольников, находят координаты их вершин. Для этого в качестве исходных данных необходимо иметь координаты одной из точек и дирекционный угол ( азимут ) одной из сторон сети. Затем по этим сторонам последовательно решают прямые геодезические задачи и таким образом определяют плановое положение вершин сети.

Трилатерация - как и триангуляция, представляет собой построение, состоящее из треугольников. Однако в этих треугольниках измеряют не углы, а длины сторон. Триангуляцию и трилатерацию применяют в тех случаях, когда существует видимость на большие расстояния.

Полигонометрия - метод, в основу которого положено поыберем несколько точек, взаимное положение которых определим с самой высокой точностью. борот, должны создаваться в несколько этстроение на местности сомкнутых или разомкнутых многоугольников ( ходов ), в которых измеряют горизонтальные углы между соседними сторонами и длины сторон. Метод полигонометрии применяют обычно в закрытой местности, где трудно обеспечить видимость на большие расстояния.

Геодезические засечки применяют, как правило, для определения координат отдельных точек. В качестве исходных данных используют пункты существующих геодезических сетей, а в качестве измеряемых величин - горизонтальные углы и расстояния.

Плановое положение точки определяется двумя её координатами X, Y, поэтому для реализации любой засечки необходимо измерить, как минимум, две независимые величины (углы, расстояния ), каким-либо образом связывающие определяемую точку с исходными пунктами.

Наибольшее распространение в практике создания геодезической плановой основы получили прямая и обратная ( боковая )угловые засечки, а также задача Потенота ( определение положения четвёртой точки по трём данным ).

Сущность прямой угловой засечки состоит в том, что искомую точку находят как пересечение двух направлений и с твёрдых ( исходных ) пунктов и. Направления на определяемую точку задают, измерив горизонтальные углы и с исходной стороной.

2.4. Государственная высотная основа

2.4.1 Назначение и требуемая точность нивелирной сети. Схема и программа построения нивелирной сети на разных этапах ее развития

Основное назначение Главной высотной основы (ГВО) России, состоящей из линий нивелирования I и II классов – распространение единой системы нормальных высот по всей территории страны.

Сгущение нивелирной сети I и II классов осуществляется нивелированием III и IV классов, что позволяет повысить плотность пунктов единой системы высот на территории страны.

Кроме своего основного назначения ГВО России обеспечивает решение научных задач, таких как изучение фигуры Земли и вертикальных движений земной поверхности.

Данные о точных высотах земной поверхности используются во многих отраслях государства: в картографировании территорий, при проектировании, строительстве и эксплуатации зданий и сооружений, для водного хозяйства, гидроэнергетики.

Исходным пунктом ГВО России с 1873 г. является нуль Кронштадтского футштока. Высоты всех пунктов на территории России определяются относительно исходного пункта.

Государственная высотная основа. Государственная геодезическая высотная основа, как и плановая, строится в соответствии с принципом перехода от общего к частному и подразделяется на четыре класса. Все четыре класса создаются методом геометрического нивелирования.

Нивелирная сеть 1 - го класса имеет наивысшую точность. Ходы нивелирования 1-го класса прокладывают по специально разработанным, с учётом геофизической ситуации, маршрутам между основными морями. Средняя квадратическая погрешность нивелирования составляет 0.5 мм на 1 км хода при систематической ошибке не более 0.05 мм. Характерной особенностью нивелирования первого класса является то, что его периодически повторяют по тем же маршрутам, в результате чего получают данные для анализа вертикальных движений земной коры.

Нивелирная сеть 2 - го класса строится с опорой на нивелирную сеть 1-го класса в виде полигонов периметром 500-600 км. Высотная невязка в полигонах не должна превышать мм, где - периметр полигона в км. С помощью ходов нивелирования 1-2 классов на всей территории страны вводится единая Балтийская система высот.

Нивелирные линии I и II классов

Нивелирование сети 3 - го и 4 - го классов служат для сгущения сетей 1 и 2 классов. Ходы нивелирования 3 и 4 классов должны опираться с обоих концов на закреплённые точки ходов более высоких классов или образовывать сомкнутые полигоны. Высотная невязка ходов не должна превышать и мм для 3 и 4 классов соответственно. В нивелирную сеть 3 и 4 классов обязательно включают все пункты плановой государственной геодезической основы.

Закрепление главной высотной геодезической основы на местности выполняется независимо от класса нивелирования постоянными знаками через 5-7 км, а в труднодоступных районах - через 10-15 км. Кроме того, для закрепления точек нивелирных ходов используются долговременные каменные или железобетонные сооружения, в цокольной части которых на цементном растворе устанавливают стенные реперы и марки. Такие же реперы могут устанавливаться в отвесных скалах. Нивелирные ходы 1 и 2 классов закрепляются дополнительно через 50-60 км фундаментальными ( капитальными ) реперами, обеспечивающими стабильность закреплённой точки в течение продолжительного времени. Каталоги высот реперов составляются. Хранятся и используются так же, как и каталоги координат.

НС состоят из систем полигонов примерно равного периметра. Линии нивелирования младших классов опираются обоими концами на реперы старших классов или на узловые реперы такого же класса, образуя замкнутые полигоны.

Класс	Периметр полигона	Расст. м-у реперами	Расст. м-х фунд реп.	Направл.	Число линий	Число ст. на 1 км	Высота луча	fхода доп.	wдоп
1	2800	5-7	50-60	Прямо и обр.	2	До 15
2	600	5-7	50-60	-«-	1	Больше 15
3	150/60	3-5	Не закл	Прямо	1	-	0.3
4	-	-	-	прямо	1	-	0.2

2.4.2. Методы высокоточного нивелирования, гравиметрическое обеспечение нивелирных линий

Геометрическое нивелирование выполняют путём визирования горизонтальным лучом трубой нивелира и отсчитывания высоты визирного луча над земной поверхностью в некоторой её точке по отвесно поставленной в этой точке рейке с нанесёнными на ней делениями или штрихами (см. Геодезические инструменты). Обычно применяют метод нивелирование из середины, устанавливая рейки на башмаках или колышках в двух точках, а нивелир - на штативе между ними (рис. 1).

Рис. 1. Геометрическое нивелирование

Расстояния от нивелира до реек зависят от требуемой точности нивелирования и условий местности, но должны быть примерно равны и не более 100-150 м. Превышение h одной точки над другой определяется разностью отсчётов а и b по рейкам, так что h = a - b. Так как точки, в которых установлены рейки, близки друг к другу, то измеренное превышение одной из них относительно другой можно принять за расстояние между проходящими через них уровенными поверхностями. Если геометрическим нивелированием определены последовательно превышения между точками А и В, В и С, С и D и т. д. до любой удалённой точки К, то путём суммирования можно получить измеренное превышение точки К относительно точки А или исходной точки О, принятой за начало счёта высот. Уровенные поверхности Земли, проведённые на различных высотах или в различных точках земной поверхности, не параллельны между собой. Поэтому для определения нивелирной высоты точки К необходимо измеренное превышение относительно исходной точки О исправить поправкой, учитывающей непараллельность уровенных поверхностей Земли.

  Физический смысл геометрического нивелирования состоит в том, что на перемещение единицы массы на бесконечно малую высоту dh затрачивается работа dW = - gdh, где g - ускорение силы тяжести. Применительно к нивелированию от исходной точки О до текущей точки К можно написать

где WO и Wk - потенциалы силы тяжести в этих точках, а интеграл вычисляется по пути нивелирования между ними (полученную по этой формуле величину называют геопотенциальной отметкой). Т. о., нивелирование можно рассматривать как один из способов измерения разности потенциалов силы тяжести в данной и исходной точках.

  Исходную точку нивелирования, или начало счёта нивелирных высот, выбирают на уровне моря. Нивелирную высоту h над уровнем моря определяют по формуле

где gm - некоторое значение ускорения силы тяжести, от выбора которого зависит система нивелирных высот. В СССР принята система нормальных высот, отсчитываемых от среднего уровня Балтийского моря, определённого из многолетних наблюдений относительно нуля футштока в Кронштадте.

  В зависимости от точности и последовательности выполнения работы по геометрическому нивелированию подразделяются на классы. Государственная нивелирная сеть СССР строится по особой программе и делится на 4 класса. Нивелирование I класса выполняют высокоточными нивелирами и штриховыми инварными рейками по особо выбранным линиям вдоль железных и шоссейных дорог, берегов морей и рек, а также по др. трассам, важным в том или ином отношении. По линиям нивелирования I класса средняя квадратичная случайная ошибка определения высот не превышает ±0,5 мм, а систематическая ошибка всегда менее ±0,1 мм на 1 км хода. В СССР нивелирование I класса повторяют не реже, чем через 25 лет, а в отдельных районах значительно чаще, чтобы получить данные о возможных вертикальных движениях земной коры. Между пунктами нивелирования I класса прокладывают линии нивелирования II класса, которые образуют полигоны с периметром 500-600 км и характеризуются средней квадратичной случайной ошибкой около ±1 мм и систематической ошибкой ±0,2 мм на 1 км хода. Нивелирные линии III и IV классов прокладываются на основе линий высших классов и служат для дальнейшего сгущения пунктов нивелирной сети. Для долговременной сохранности нивелирные пункты, выбираемые через каждые 5-7 км, закрепляются на местности реперами или марками нивелирными, закладываемыми в грунт, стены каменных зданий, устои мостов и т. д.

2.5 Системы высот

Высота точки является третьей координатой, определяющей её положение в пространстве.

В геодезии для определения отметок точек применяются следующие системы высот (рис):

ортометрическая;

геодезическая;

нормальная;

относительная (условная).

Ортометрическая (абсолютная) высота Hо – расстояние, отсчитываемое по направлению отвесной линии от поверхности геоида до данной точки.

Геодезическая высота Hг – расстояние, отсчитываемое по направлению нормали от поверхности референц-эллипсоида до данной точки.

В нашей стране все высоты реперов государственной нивелирной сети определены в нормальной системе высот. Это связано с тем, что положение геоида под материками определить сложно. Поэтому с конца 40-х годов в СССР было принято решение не применять ортометрическую систему высот.

В нормальной системе высот отметка точки Hн отсчитывается по направлению отвесной линии от поверхности квазигеоида, близкой к поверхности геоида.

Квазигеоид («якобы геоид») – фигура, предложенная в 1950-х г. г. советским учёным в качестве строгого решения задачи определения фигуры Земли. Квазигеоид определяется по измеренным значениям потенциалов силы тяжести согласно положениям теории .

В России абсолютные высоты точек определяются в Балтийской системе высот (БСВ) относительно нуля Кронштадтского футштока – горизонтальной черты на медной пластине, прикрепленной к устою моста через обводной канал в г. Кронштадте.

Относительная высота Hу – измеряется от любой другой поверхности, а не от основной уровенной поверхности.

3. Принципы современной технологии развития государственной координатной основы с помощью космических средств (5 часов)

Современная концепция развития государственной координатной основы. Фундаментальная астрономо-геодезическая сеть (ФАГС). Высокоточная геодезическая сети (ВГС), спутниковые геодезические сети (СГС). Активные и пассивные геодезические сети. Сетевые методы ГНСС технологий.

Современная структура (схема) государственной координатной основы, включающая спутниковые и традиционные геодезические сети.

Основные (характерные) особенности спутниковой координатной основы (ФАГС, ВГС, СГС) по отношению к государственной основе (АГС, ГГС, ГНС), созданной традиционными средствами.

Основная проблема, возникающая при согласовании существующей государственной плановой и высотной основы с результатами спутниковых координатных определений, и принцип решения этой проблемы.

3.1. Основные принципы развития государственной геодезической сети

Задание, поддержание и воспроизведение системы координат на уровне требований, обеспечивающих решение фундаментальных перспективных задач в области геодезии, геофизики, геодинамики и космонавтики, обуславливает необходимость создания геодезической сети на качественно новом, более высоком, уровне точности.

Построение такой сети - составная часть новой высокоэффективной государственной системы геодезического обеспечения территорий Российской Федерации, основанной на при­менении методов космической геодезии и использовании глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS.

Государственная геодезическая сеть, создаваемая в соответствии с настоящими "Основными положениями", структурно формируется по принципу перехода от общего к частному и включает в себя геодезические построения различных классов точности:

• фундаментальную астрономо - геодезическую сеть (ФАГС),

• высокоточную геодезическую сеть (ВГС),

• спутниковую геодезическую сеть 1 класса (СГС-1).

В указанную систему построения вписываются также су­ществующие сети триангуляции и полигонометрии 1.. , 4 классов.

На основе новых высокоточных пунктов спутниковой се­ти создаются постоянно действующие дифференциальные стан­ции с целью обеспечения возможностей определения координат потребителями в режиме близком к реальному времени.

По мере развития сетей ФАГС, ВГС и СГС-1 выполняется уравнивание ГГС и уточняются параметры взаимного ориентирования геоцентрической системы координат и системы геодезических координат СК-95.

3.2. Фундаментальная астрономо-геодезическая и высокоточная геодезическая сети

Высший уровень в структуре координатного обеспечения территории России занимает фундаментальная астрономо-геодезическая сеть. Она служит исходной геоде­зической основой для дальнейшего повышения точности пунктов государственной геодезической сети.

ФАГС практически реализует геоцентрическую систему координат в рамках решения задач координатно-временного обеспечения (КВО).

Фундаментальная астрономо-геодезическая сеть состоит из постоянно действующих и периодически определяемых пунктов Роскартографии, формирующих единую сеть на территории Российской Федерации.

В состав постоянно действующих пунктов ФАГС включаются пункты Роскартографии и АГП КГС, а также, по согласованию, расположенные на территории России пункты лазерной локации спутников, сверхдлиннобазисной радиоинтерферометрии, пункты службы вращения Земли, и другие пункты спутниковых наблюдений, измерения на которых позволяют поддерживать и уточнять геоцентрическую систему координат.

Расстояние между смежными пунктами ФАГС -650...1000КМ.

Количество, расположение постоянно действующих и периодически определяемых пунктов ФАГС, состав аппа­ратуры и программы наблюдений определяются программой построения и функционирования ФАГС.

Все пункты ФАГС должны быть фундаментально за­креплены с обеспечением долговременной стабильности их положения как в плане, так и по высоте.

Пространственное положение пунктов ФАГС определяется методами космической геодезии в геоцентрической системе координат относительно центра масс Земли со средней квадратической ошибкой 10см. а средняя квадратическая ошибка взаимного положения пунктов ФАГС должна быть не более 2 см по плановому положению и 3 см по высоте с учетом скоростей их изменения во времени. В число основных задач построения ФАГС входит достижение требуемой точности и достоверное оценивание точности создаваемой новой геоцентрической системы координат и определение изменений ко­ординат пунктов ФАГС во времени.

На пунктах ФАГС выполняются определения нор­мальных высот и абсолютных значений ускорений силы тяжести. Определения нормальной высоты производится нивелированием не ниже II класса точности, абсолютные определения силы тяжести - по программе определения фундаментальных гравиметрических пунктов.

Периодичность этих определений на пунктах ФАГС устанавливается в пределах 5...8 лет и уточняется в зависи­мости от ожидаемых изменений измеряемых характеристик.

Задаваемая пунктами ФАГС геоцентрическая система координат согласовывается на соответствующем уровне точности с фундаментальными астрономическими (небесными) системами координат и надежно связывается с аналогичными пунктами различных государств в рамках согласованных научных проектов международного сотрудничества.

Параметры связи между земной системой координат, задаваемой пунктами ГГС, с фундаментальными астрономическими (небесными) координатами на адекватном уровне точности устанавливаются оперативными наблюдениями ГСВЧ и публикуются в специальных бюллетенях этой службы.

Второй уровень в современной структуре ГГС занимает высокоточная геодезическая сеть, основные функции которой состоят в дальнейшем распространении на всю территорию России геоцентрической системы координат и уточнении параметров взаимного ориентирования геоцен­трической системы и системы геодезических координат.

ВГС, наряду с ФАГС, служит основой для развития геодезических построений последующих классов, а также используется для создания высокоточных карт высот квазигеоида совместно с гравиметрической информацией и данными нивелирования.

ВГС представляет собой опирающееся на пункты ФАГС, однородное по точности пространственное геодезическое построение, состоящее из системы пунктов, удаленных один от другого на 150...300 км.

Пункты ВГС определяются относительными методами космической геодезии, обеспечивающими точность взаимного положения со средними квадратическими ошибками, не превышающими 3 мм+5х10-8 D (где D - расстояние между пунктами) по каждой из плановых координат и 5 мм+7х10-8 D по геоде­зической высоте. Каждый пункт ВГС должен быть связан изме­рениями со смежными пунктами ВГС и не менее чем с тремя ближайшими пунктами ФАГС. В исключительных случаях на труднодоступных территориях допускается отсутствие связей между смежными пунктами ВГС при условии их связи с большим количеством близких пунктов ФАГС и использовании наблюдений большей продолжительности.

На пунктах ВГС выполняются определения нормальных высот и абсолютных значений ускорений силы тяжести. Периодичность этих определений устанавливается Роскартографией в зависимости от ожидаемых изменений измеряемых характеристик.

Для связи существующей сети с вновь создаваемыми гео­дезическими построениями определяется взаимное положение пунктов ФАГС и ВГС с ближними пунктами АГС со средней квадратической ошибкой, не превышающей 2 см по каждой координате. Для связи с главной высотной основой пункты ВГС привязываются к реперам нивелирной сети I... II классов или совмещаются с реперами соответствующих линий нивелирования.

3.3. Спутниковая геодезическая сеть 1 класса, астрономо-геодезическая сеть и геодезические сети сгущения

Третий уровень в современной структуре ГГС занимает спутниковая геодезическая сеть 1-го класса, основная функция которой состоит в обеспечении оптимальных условий для реализации точностных и оперативных возможностей спутниковой аппаратуры при переводе геодезического обеспечения территории России на спутниковые методы определения координат.

СГС-1 представляет собой пространственное геодезическое построение, создаваемое по мере необходимости, в первую очередь, в экономически развитых районах страны, со­стоящее из системы легко доступных пунктов с плотностью, достаточной для эффективного использования всех возможностей спутниковых определений потребителями, как правило, со сред­ними расстояниями между смежными пунктами около 2км.

СГС-1 создается относительными методами косми­ческой геодезии, обеспечивающими определение взаимного положения ее смежных пунктов со средними квадратическими ошибками Змм+1х107 D по каждой из плановых координат и 5мм+2х107 D по геодезической высоте.

СГС-1 может строиться отдельными фрагментами. В каждый фрагмент должны включаться все пункты ВГС и АГС, попадающие в область, перекрывающую фрагмент на треть расстояния между смежными пунктами ВГС на данной территории.

Средняя квадратическая ошибка определения положения пунктов СГС-1 относительно ближайших пунктов ВГС и ФАГС не должна превышать 1...2 см в районах с сейсмической активностью 7 и более баллов и 2...3 см в остальных регионах страны.

Нормальные высоты должны определяться на всех пунк­тах СГС-1, либо из геометрического нивелирования с точностью, соответствующей требованиям к нивелирным сетям П.. ,Ш классов, либо из спутникового нивелирования как разности гео­дезических высот, определяемых относительными методами космической геодезии, и высот квазигеоида.