Разработка и исследование методов, обеспечивающих повышение точности координатных определений в Социалистической Республике Вьетнам

Современные требования к точности координатных определений очень высокие для решения новых задач: мониторинга смещений и деформаций зданий и сооружений, особенно имеющих большую высотуизучения перемещений литосферных плит (блоков) — мониторинга деформаций и смещений земной поверхности в районах активных разломов — главных зонах генерации сильных землетрясенийпрогнозирования землетрясений наблюдениям спутниковмодернизации аэропортовпрокладки нефтеи газопроводовкадастра и учета недвижимостиустановки и эксплуатации буровых платформ на мореобеспечения безопасности различных видов транспорта (железнодорожное движение (особенно скоростное), воздушные полеты,.). Например, для координатного обеспечения кадастра точность определения координат в системе координат ITRF должна характеризоваться средними квадратическими ошибками менее 5 см по каждой из координат, а взаимное положение пунктов должно быть определено со средними квадратическими ошибками 1 см по каждой координате [6]. Взаимное положение пунктов, участвующих в геодинамических исследованиях, мониторинге смещений сооружений должно быть определено со средними квадратическими ошибками на уровне первых единиц миллиметров.

Однако с течением времени опорная геодезическая сеть постепенно «стареет», теряя свою первоначальную точность из-за влияния геодинамических эффектов. Координатным обеспечением на территории Социалистической Республики Вьетнам (СРВ) в настоящее время служит государственная геодезическая сеть (ГГС) 0, 1,2, 3-го классов и морская сеть, в том числе сети 0, 3-го классов и морская сеть, построенные спутниковым методом, и сети 1 и 2-го классов — триангуляционным методом. Прошло почти 15 лет с момента последнего построения и обновления ГТС О, 1 и 2-го классов и 10 лет с момента построения ГГС 3-го класса. Результаты последних геодинамических исследований показывают, что изменение координат пунктов в системе ГГИ7, находящихся на территории Вьетнама, составляет около 50 мм/год, а изменение взаимного расположения пунктов, находящихся на севере и юге СРВ, составляет 4-^-25 мм/год. Причем при построении ГГС СРВ не были учтены движения и возможные деформации литосферных блоков.

В связи с этим одним из направлений, обеспечивающих повышение точности координатных определений в СРВ, является изучение геодинамических факторов на территории Вьетнама и совершенствование методов их определения. На основе полученных результатов можно прогнозировать влияние геодинамических факторов на положение пунктов, составляющих ГГС Вьетнама.

Для решения геодинамических задач в настоящее время широко применяются спутниковые технологии. Совершенствование и развитие спутниковых технологий с использованием глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) позволят обеспечить построение однородной по точности геодезической сети на совершенно новых принципах при существенном сокращении временных затрат на построение сети. При использовании спутниковых технологий привязка исследуемой сети к Международной геодинамической сети также не представляет принципиальных трудностей.

Традиционно после выполнения наблюдений на пунктах не менее, чем за два периода, для определения геодинамических эффектов вычисляются, уравниваются координаты пунктов по каждому периоду. В результате будут получены средние положения пунктов в данный период. После этого, определяются изменения координат за интервал времени между периодами, и получается скорость движения пунктов. При реализации традиционного метода существуют следующие недостатки. Во-первых, во времени наблюдений каждого периода пункты также движутся. Если по каждому периоду вычисляются, уравниваются координаты пунктов, то не учитывается изменение координат пунктов во времени наблюдений каждого периода. Во-вторых, при геодинамических исследованиях более выигрышным экономически оказался подход, когда в общее уравнивание стараются включить максимальное число разных измерений, хотя бы они относились к разным эпохам. Эти измерения могут быть выполнены по разным программам, следовательно, в некоторые эпохи имеются данные наблюдений только на определяемых пунктах, а данные наблюдений на опорных пунктах отсутствуют. При реализации традиционного метода такие наблюдения не могут быть включены в уравнивание. Следовательно, не всегда имеется возможность включить в уравнивание максимальное число измерений. В-третьих, при реализации традиционного метода необходимо иметь данные о положении опорных пунктов на каждую t эпоху. Во избежание таких недостатков можно провести совместное уравнивание координат и составляющих скоростей движений пунктов. Этот метод позволяет учитывать движения пунктов во времени наблюдения каждого периода и также позволяет включить в обработку данные измерений в эпохи, когда данные наблюдений на опорных пунктах отсутствуют. Благодаря этому, точность полученных результатов будет выше. Однако недостаток метода совместного уравнивания координат и составляющих скоростей движений пунктов состоит в том, что размерность матриц, требующихся при реализации метода, большая. В настоящей диссертационной работе все расчеты проведены на персональном компьютере с характеристиками: процессор Intel Core2 Duo Т6600 2,2 ГГцобъем памяти 4096 Мб. Из-за ограничения объема памяти ЭВМ реализация этого метода при большом числе наблюдений невозможна. Способу решения этой проблемы будет посвящена настоящая работа.

При геодинамических исследованиях наиболее значимой задачей является исследование движений и деформаций земной поверхности. Одна проблема, возникающая при этом, и имеющая большое прикладное значение, связана с оптимальным проектированием геодинамических спутниковых сетей, которое бы гарантировало достижение заданной точности при минимальной стоимости выполнения работ. Во Вьетнаме были построены геодинамические j сети для мониторинга движений и деформации земной коры вдоль больших разломов, например, разлом Дьенбьен-Лайчау, разлом Сонла. Такое исследование позволяет устанавливать структурно-геологические особенности района исследованийполучать данные для прогноза землетрясений и техногенных катастрофопределять изменения координаты пунктов ГГС из-за движений и деформаций земной поверхности. Это делает задачу по исследованию метода оптимального проектирования геодинамических сетей актуальной и необходимой.

Параллельно с модернизацией опорной геодезической сети, требуется совершенствование способов учета эффектов, влияющих на определения координат пунктов. В связи с этим сегодня во Вьетнаме задаче о разработке и исследовании по высокоточному учету влияния тропосферы на результаты спутниковых измерений необходимо уделять больше внимания. Это позволит повысить точность передачи координат пунктов ГТС на определяемые пункты. И при обновлении ГГС в дальнейшем также можно повысит точность определения координат пунктов ГГС. Поэтому для повышения! точности координатных определений необходимо рассматривать еще и вопрос, который связан с учетом влияния тропосферы при спутниковых наблюдениях.

Известно, что к настоящему времени разработано значительное количестворазных моделей, позволяющих оценить величину тропосферных задержек (ТЗ), влияющую на результаты спутниковых наблюдений: модель Хопфилд, модель Саастамойнена, модель Нейлла, модель MOPS (Minimum Operational Performance Standards), модель GCAT (GPS Code Analysis Tool), модель Университета Нью Брунсвика (УНБ) и модель Блэка. При учете влияния тропосферы по моделям всегда стоит вопрос о том, какая из них дает наиболее точные ТЗ в соответствии с местными метеорологическими условиями. Причем следует иметь в виду, что из-за муссонов территория Вьетнама отличается от других стран, находящихся на такой же широте: немного прохладнее зимой и не так жарко летом. Это приводит к необходимости анализа эффективности моделей тропосферы при спутниковых измерениях во Вьетнаме. Отсюда можно узнать, какая из моделей дает наиболее точные ТЗ в условиях Вьетнама, и нужно ли в перспективе строить модель, соответствующую метеорологическим условиям данной территории. Однако работ, посвященных исследованию этой проблемы в геодезической литературе, нами не обнаружено.

В последние годы для обработки результатов наблюдений спутников ГНСС, развит пакет программного обеспечения DDBase с открытым кодом, опубликованной в интернете [44]. Он позволяет вычислить компоненты базовых линий с учетом влияния тропосферы по моделям. Причем, наиболее точные по сравнению с модельным учетом значения задержек тропосферы находят уточнением значений зенитных тропосферных задержек, заранее определяемых по моделям, в процессе обработки результатов измерений с использованием метода точного позиционирования (Precise Point Positioning — РРР). В связи с этим возникает задача о разработке подпрограммы, включение которой в. программу DDBase позволит учитывать влияние тропосферы путем использования ЗТЗ, заранее полученных методом точного позиционирования, и исследовании эффективности этого способа над применением модельных учетов влияния-тропосферы.

Цель диссертационной работы. Целью диссертации явились разработка и исследование методовобеспечивающих повышение точности координатных определенийв. СРВ. В' соответствии с целью в диссертации решались следующие основные задачи:

Основные результаты исследований по теме диссертации^ опубликованы в журнале Известия вузов «Геодезия и аэрофотосъемка»:

1. Краснорылов И. И., Нгуен Ван Донг, Сорокин Н. А. Исследование возмущенного движения космического аппарата в случае его запуска на орбиту Земли в треугольную точку либрации L4 системы Солнце-Земля // Изв. вузов. «Геодезия и аэрофотосъемка». 2009. Jte 5. С. 69 — 73.

2. Нгуен Ван Донг. Повышение точности Государственной геодезической сети Вьетнама // Изв. вузов. «Геодезия и аэрофотосъемка». — 2010. — № 3. — стр. 19−21.

3. Нгуен Ван Донг. Определение координат пунктов и их изменений из наблюдений, спутников, образующих глобальные навигационные спутниковые системы (на примере одного из районов Юго-Восточной Азии) // Изв. вузов. «Геодезия и аэрофотосъемка». — 2011. — № 4. — стр. 30 — 35.

4. Нгуен Ван Донг. Анализ моделей тропосферы по результатам спутниковых наблюдений в регионе Юго-Восточной Азии // Изв. вузов. «Геодезия и аэрофотосъемка». 2011. № 5. С. 21 — 25.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Из анализа современного состояния координатного обеспечения Вьетнама следует, что работы по развитию, модернизации и повышению точности координатного обеспечения должны производиться для обеспечения решения новых задач, перечисленных во введении. В соответствии с существующими требованиями геодезического обеспечения в СРВ, возникающими при решении научных и производственных задач, мы рассмотрели два основных направления, обеспечивающих повышение точности координатных определений в СРВ. Одно из них связано с необходимостью изучения геодинамических факторов, другое — с анализом способов учета влияния тропосферы и в перспективе построением моделей тропосферы, соответствующих условиям Вьетнама. Основные результаты и выводы, полученные в настоящей диссертационной работе, сводятся к следующим.

1. Разработан метод совместного уравнивания координат и составляющих скоростей движений пунктов с использованием особых математических преобразований матриц, в том числе с преобразованием матриц к виду векторов. Использование особых преобразований матриц позволяет значительно уменьшить нужное для обработки время (в 3 22 раза).

Реализован в среде Visual С++ алгоритм метода совместного уравнивания координат и составляющих скоростей движений пунктов. Разработанная программа апробирована на сети действующих станций, находящихся вблизи территории Вьетнама. Полученная точность определения координат и составляющих скоростей движений станций этой сети предлагаемым методом составляет 7 + 17 мм и 2,0 5,4 мм/год соответственно. Точность горизонтальных составляющих скоростей составляет 1,1 1,7 мм/год, а вертикальной составляющей 4,4 6,6 мм/год. Точность определения положения станций и скорости предлагаемым методом в 2 3 раза выше, чем при использовании обычного метода. Из этого следует, что предлагаемый метод является эффективным для определения движений станций по результатам спутниковых наблюдений и может применяться для геодинамических исследований.

2. Разработан метод оптимизации геодинамических сетей по критерию минимальной стоимости для реализации проекта с использованием генетического алгоритма, который гарантировал достижение заданной точности определений деформационных параметров при минимальной стоимости.

Реализован алгоритм метода оптимизации геодинамических сетей в среде Visual С++. С использованием разработанного программного обеспечения, проведена оптимизация двух геодинамических сетей (Дьенбьен-Лайчау и Сонла) во Вьетнаме. Практическое использование составленного программного обеспечения позволит в ряде случаев достичь существенной экономии финансовых и людских ресурсов за счет уменьшения количества подлежащих измерению величин и пунктов сети. И также предложены варианты повышения точности определения деформационных параметров включением в состав сети дополнительных пунктов. Разработанное программное обеспечение может быть внедрено при проектировании сетей, создаваемых для исследования движений и деформаций литосферных блоковмониторинга смещений грунтов и сооруженийпрогнозирования землетрясений по наблюдениям спутников.

3. Выполнено исследование определения ЗТЗ методом точного позиционирования, который позволяет определить координаты пунктов по результатам абсолютных наблюдений и уточнить поправку к измеренным дальностям за влияние тропосферы. Реализован алгоритм этого метода в среде Visual С++ с помощью библиотеки с открытым кодом [44].

Проведено уточнение ЗТЗ при спутниковых наблюдениях, которые заранее определены с использованием моделей Блэка, Хопфилд, GCAT, MOPS, Нейлла, УНБ и Саастамойнена. В результате получены ЗТЗ в сходных с Вьетнамом условиях с точностью на уровне 3−14 мм, а в среднем 6 мм.

4. Проведена оценка эффективности моделей тропосферы Блэка, Хопфилд, GCAT, MOPS, Нейлла, УНБ и Саастамойнена. Полученные результаты свидетельствуют о том, что для учета влияния тропосферы в сходных с Вьетнамом условиях при использовании модельных метеопараметров модель MOPS оказывается наиболее эффективной. Она позволяет учитывать не менее 92% (в среднем 98%) влияния тропосферы, причем с использованием моделей Хопфилд, Саастамойнена, Нейлла, GCAT, УНБ и Блэка учтено только 85% -ь 96% (в среднем 91%) влияния тропосферы. Если производить метеорологические измерения в момент наблюдений, использование моделей Блэка, Хопфилд и Саастамойнена. будет эффективным. Их использование дает возможность определять не менее 95% (в среднем 99%) влияния тропосферы.

5: Выполнено исследование точности координатных определений абсолютным методом в зависимости от способа учета влияния тропосферы. Из полученных результатов следует, что:

• при определении координат абсолютным методом необходимо вводить поправку за влияние тропосферы,. как дополнительное неизвестное, и уточнять его в процессе обработки. В настоящей работе расхожденияположений пунктов, полученных нами, с решением МГС абсолютным методом составляют 3 см в случаях использования и модельных, и измеренных метеонараметров для учета влияния^ тропосферы. Также следует, что при определении координат методом точного позиционирования с уточнением ЗТЗ в процессе обработки не требуются измеренные метеопараметры.

• как показали наши вычисления, в случае, когда нет возможности уточнения: ЗТЗ и отсутствуют измеренные метеопараметры, модель MOPS оказывается наиболее эффективной для учета влияния: тропосферы при спутниковых наблюдениях в: сходных, с СРВ условиях. Согласно полученным в диссертационной работе данным, с использованием модели MOPS для учета влияния тропосферы отклонения положений, полученных нами' и МГС, составляют 0,04 0,25 м, а с использованием моделей Хопфилд, Саастамойнена, Нейлла, GCAT, УНБ и Блэка соответственно — 0,27 1,03 м.

• в случае, когда нет возможности уточнения ЗТЗ и присутствуют измеренные метеопараметры, модели Блэка, Хопфилд, Саастамойнена будут наиболее эффективными. При использовании этих моделей мы получили отклонения положений пунктов, полученных нами, с решением МТС 0,01 — 0.15 м. При использовании модели УНБ, отклонения составляют 0,45 + 0,58 м.

Из полученных результатов также следует, что учет влияния тропосферы по моделям при использовании измеренных метеопараметров дает возможность определять координаты с точностью в 2 — 10 раз выше, чем использование модельных метеопараметров.

Согласно результатам исследования предлагается, что при абсолютных измерениях мы< уточним влияние тропосферы в обработке результатов измерений. Если нет возможности уточнения ЗТЗдля учета влияния тропосферы, предлагаем использование модели MOPS в случае отсутствии измеренных метеопараметров, а в противном случае, когда производились метеорологические измерения, предлагаемиспользование модели Хопфилд, Саастамойнена или Блэка.

6. Выполнено исследование точности координатных определений относительным методом, в зависимости от способа учета влияния тропосферы. Разработана подпрограмма, включение которой в программу обработки результатов спутниковых измерений DDBase [44] позволит учитывать влияние тропосферы на относительные наблюдения путем использования ЗТЗ, полученных методом точного позиционирования. Из полученных результатов следует, что учет влияния тропосферы на относительные наблюдения путем использования ЗТЗ, полученных методом точного позиционирования позволяет получить точность координатных определений выше, чем при использовании моделейтропосферы. Согласно полученным в работе данным, при расстоянии между пунктами 10 40 км и использовании ЗТЗ, полученных методом точного позиционирования, ошибки по каждой координате составляют 1,5 мм, а ошибки в положении — 2 мм. С использованием моделей для учета влияния тропосферы ошибки по каждой координате составляют 3-^-11 мм в зависимости от применяемой модели, а ошибки в положении — 4 + 15 мм. Если в относительном методе не учтено влияние тропосферы, средние квадратические ошибки по каждой координате достигают 1,5 см, а ошибки в положении 2 см.

С учетом требований к точности координатных определений для решения новых задач, перечисленных во введении, если рассматриваемые спутниковые сети применяются для кадастра недвижимости, влияние тропосферы можно учитывать по моделям, а для мониторинга смещений грунтов и сооружений влияние тропосферы должно учитываться путем использования значений ЗТЗ, определенных методом точного позиционирования.

Согласно имеющимся у нас данным есть основания полагать, что' полученные в диссертации результаты! будут учтены при модернизации координатного обеспечения СРВ. В частности, будет осуществлена привязка ГГС СРВ к геодинамической сети МТС (IGS).

Планируется также продолжение* намипроведенных в диссертации исследований. Оно будет касаться обеспечения геодинамических исследований во Вьетнаме точной эфемеридной информации спутников^ GPS/TJIOHAGC. Основы для проведения такой работы заложены в нашей статье [1].