Усі книги і методички

нахили водної поверхні мають порядок 10-6-10-7 радіан, а в районах морських течій виявлені нахили на віддалях біля 100 км величиною 10-6 радіан і більше.

Вивчення морської топографічної поверхні з точністю 0,1 м – одна з головних задач фізичної океанографії. В геодезії морська топографічна поверхня необхідна для редукування результатів гравіметричного знімання на єдину рівневу поверхню. Неврахування морської топографічної поверхні при визначенні висот геоїда дає похибку 0,1-0,6 м.

Топографію морської поверхні можна вивчати океанографічними методами, а також використовуючи гравіметричні методи і методи супутникової альтиметрії. Океанографічні методи базуються на рівнянні гідростатики або на гідродинамічному рівнянні руху: вимірюється температура води, її солоність, швидкість морських течій і атмосферний тиск. Ці методи дозволяють отримувати сантиметрову точність морської топографічної поверхні на акваторіях з достатньо густою мережею станцій, а довгохвильові складові квазістаціонарної морської топографічної поверхні з похибкою 0,1-0,2 м.

За допомогою супутникової альтиметрії морська топографічна поверхня для Світового океану отримана з високою точністю в широтному поясі ±70°. Так, за результатами наукових програм з геодезичним супутником Землі GEOSAT, який обладнаний високоточним альтиметром, точність визначень складає 0,1 м. Але знаходження морської топографічної поверхні за результатами супутникової альтиметрії вимагає точного визначення висот геоїда. Фігура геоїда, яка одержана за результатами супутникової альтиметрії, а також гравіметричний геоїд можуть бути корельовані з батиметричними і тектонічними структурами морського дна.

27

Розділ 2. Методи та технічні засоби морської геодезії

2.1. Геодезичні задачі на морі

Удругій половині ХХ століття у багатьох державах світу значно посилилась увага питанням засвоєння Світового океану з його мінеральними й харчовими ресурсами. Це перш за все розвідувальні роботи в морі на нафту, газ, марганцево-залізну руду та їх видобуток. Значно зросли об’єми робіт, пов’язані з дослідженням геофізичних полів, рельєфу дна, течій, гідрологічних характеристик води, впливу океану на клімат, флори, фауни тощо. Збільшується значення океану як транспортного середовища, ріст флоту і обсягів морських перевезень, на морському дні прокладають трубопроводи і кабелі.

Для виконання вище вказаних робіт в океані необхідне відповідне геодезичне забезпечення з використанням методів і технічних засобів вимірювань стосовно морських умов. Важливою геодезичною задачею такого забезпечення є визначення координат точок акваторії морів і океанів. Для виявлення запасів нафти і газу необхідно скласти карту з рельєфом дна. Нові вимоги щодо точності і детальності топографічного знімання рельєфу дна необхідні для безпеки плавання і забезпечення можливості визначення координат підводного судна за рельєфом. Висока точність визначення координат необхідна для прокладання кабелів, монтажу трубопроводів, при бурінні свердловин, будівництві портових та інших споруд у морі.

Узв’язку з освоєнням шельфу важливе значення має точність визначення границь між акваторіями різних держав. Для виконання великомасштабних топографічних знімань і високоточного визначення координат точок, віддалених від берегів, на дні моря створюється мережа опорних геодезичних пунктів, яка повинна бути прив’язана до пунктів континентальних мереж. Це можна здійснити з допомогою двох видів вимірювань: підводних (гідроакустичних) і надводних (супутникових, радіотехнічних). Донні опорні геодезичні пункти встановлюють на територіях океанів, щоб їх можна було використати для випробовування і еталонування радіонавігаційної, радіогеодезичної, супутникової та навігаційної систем, для визначення координат підводних апаратів, для точного визначення місцеположення судна при пошуках затоплених об’єктів.

Для вирішення головної наукової проблеми геодезії необхідно вивчати форму рівневої поверхні в морях і океанах. Перш за все це вивчення поверхні геоїда за спостереженнями збурень орбіт штучних супутників Землі і реєстрації реального профілю поверхні моря під орбітами штучних супутників Землі з допомогою супутникової альтиметрії. Багатолітні спостереження дають можливість визначати положення середнього рівня моря біля берегів, а прокладання нівелірних ходів – різниці висот цих рівнів у різних місцях

28

океану. Визначення фігури геоїда на морі має велике значення для науки і практики. Форма геоїда необхідна для редукування виконаних на морі вимірювань. Точність визначення місцеположення за штучними супутниками Землі залежить від врахування висот геоїда. Геодезичне забезпечення є елементом практичної діяльності на морі. Одна з геодезичних задач – визначення координат рухомого судна, є основною задачею морської навігації.

2.2. Системи координат в морській геодезії

Для визначення положення в просторі необхідно задати три її координати, які визначаються у відповідності з прийнятою системою координат. Система координат характеризується формою задання координат, початком їх відліку, напрямом головної осі, положенням основної площини, вибором одиниць виміру. При визначені координат рухомих точок окрім координат необхідно знати моменти часу, що приводить до необхідності введення визначеної системи його лічби.

Різні задачі морської геодезії вимагають для свого розв’язання використання різних систем координат. В залежності від положення початку координат це може бути система геоцентричних (початок координат в центрі мас Землі) або топоцентричних (початок координат в пункті спостережень) координат. Система координат може бути земною – обертається разом з Землею, та зоряною (небесною) – з не рухомою Землею. За формою задання системи координат можна розділити на дві групи – не пов’язані з поверхнею Землі та пов’язані з нею. До першої групи відносяться, наприклад, системи просторових прямокутних геоцентричних координат (земних і небесних). До другої – системи координат, що визначають положення точки на Землі її висотою над поверхнею відносності та криволінійними координатами проекції точки на цю поверхню. В ряді випадків висота точки для розв’язання поставленої задачі не має принципового значення. Тоді поверхня Землі або її проекція на геоїд, еліпсоїд (сфероїд), сферу або площину буде представляти двомірний простір, у межах якого місцеположення точки задається двома координатами.

Прийняття поверхні океану за нулеву координатну поверхню використовується у навігації. Для виконання геодезичних обчислень за таку поверхню приймають рівневу поверхню – геоїд. Еліпсоїд (референц-еліпсоїд) є поверхнею відносності при розв’язанні більшості геодезичних, в основному високоточних, задач. Сфера застосовується для зображення земної поверхні та спрощених способів геодезичних обчислень. Площина використовується для картографічного зображення земної поверхні та розв’язання геодезичних задач за формулами плоскої тригонометрії і геометрії.

Координатні системи на еліпсоїді, сфері та площині можуть бути полярними, біполярними та криволінійними. При цьому число вихідних

29

(опорних) пунктів може бути від одного до чотирьох: один – полярна засічка, два – пряма засічка, три – гіперболічна засічка, чотири – при вимірах різниць віддалей, тощо. Для встановлення зв’язку між системами координат застосовують аналітичний або графічний способи.

При встановленні морської топографічної поверхні та її відхилень від рівневого еліпсоїда необхідно зафіксувати геоцентричну систему координат і нормальне гравітаційне поле, параметри якого задаються фундаментальними геодезичними сталими. Загальноприйнятою є геодезична референцна система 1980 р., встановлена на Генеральній асамблеї МГГС у Канберре. Новими результатами, отриманими за останні роки в області створення систем геодезичних координат, є рекомендації Спеціальної дослідницької групи № 5.39 по фундаментальним геодезичним сталим ХVIII Генеральній асамблеї МАГ та введена Міністерством оборони США Світова геодезична система 1984 р. – WGS-84. Остання використовується в Глобальній супутниковій радіонавігаційній системі GPS.

Система координат WGS-84 (рис. 7) – це земна прямокутна система, що введена замість системи WGS-72. Початок координат даної системи суміщений з центром мас Землі, вісь Z – паралельна напряму на умовний земний полюс (міжнародний умовний початок), вісь Х – визначається площинами початкового меридіана WGS-84 та екватора міжнародного умовного початку. Початковий меридіан WGS-84 паралельний нульовому меридіану. Вісь У доповнює систему координат до правої. Початок і положення осей координатної системи WGS-84 співпадають з геометричним центром та осями еліпсоїда WGS-84. Координатна система WGS-84 має зв’язок з інерціальною системою координат, заданою координатами зірок каталогу FK-5 на епоху 2000 року. В табл. 2.1 наведені параметри еліпсоїда

WGS-84.

Z

P

O

E E

X

Y

P`

Рис. 7. Система координат WGS-84

30

Таблиця 2.1

Основні параметри еліпсоїда WGS-84

При встановлені системи WGS-84 прийнята швидкість світла у вакуумі, що дорівнює с=299792458±1,2 м/с, а значення нормальної сили ваги на поверхні еліпсоїда WGS-84 обчислюється за замкнутою формулою

де В – геодезична широта в системі WGS-84.

Модель гравітаційного поля Землі світової геодезичної системи 1984 року отримана у вигляді нормованих коефіцієнтів розкладу в ряд за сферичними функціями до 180 порядку. Геоїд WGS-84 був визначений за результатами обчислень висот з використанням коефіцієнтів розкладу до 180 порядку за формулою

похибками від 2 до 6 м. Але приблизно 70% висот геоїда отримано з похибкою

2-3 м.

Основними системами координат, що застосовуються в морській геодезії при виконанні локальних геодезичних робіт, є:

1. Геоцентрична система просторових прямокутних координат Х, Y, Z. Оскільки ця система використовується для визначення положення штучних супутників Землі, які обертаються довкола її центру мас, тому початок відліку системи суміщається з центром мас Землі О (рис. 8). Вісь z направляється по осі обертання Землі в сторону північного полюса, вісь х – по напряму на точку весняного рівнодення. За основну площину цієї системи координат приймається площина екватора. Оскільки точка рівнодення переміщується

31

внаслідок прецесії і нутації вісі обертання Землі, то ця система координат потребує свого перетворення на момент спостережень шляхом введення відповідних поправок.

Z

Y

Рис. 8. Геоцентрична система координат

2. Географічна система астрономічних координат , (рис. 9). За основну площину приймається площина середнього земного екватора на епоху вимірювань. Координатами даної системи є астрономічна широта та астрономічна довгота . Із-за руху полюсів Землі результати визначень координат , необхідно приводити їх до однієї епохи, для якої задається географічна система астрономічних координат.

Pn

A

Ps

Рис. 9. Географічна система координат

3. Географічна система геодезичних координат В,L (рис. 9). На відміну від географічної системи астрономічних координат, в якій за фігуру Землі приймають геоїд, в географічній системі геодезичних координат приймають референц-еліпсоїд. В цій системі координатами можуть бути:

а) геодезичні широта В, довгота L, висота Н; б) просторові прямокутні Х, У, Z.

Перелічені координати пов’язані між собою відомими формулами

32

Існує також зв’язок між геодезичними та астрономічними координатами

Перелічені системи координат достатні для просторового визначення місцеположення рухомих і нерухомих об’єктів в морських умовах, морських геодезичних пунктів, точок навігаційних обсервацій, рухомих пунктів просторових об’єктів космічних і гідроакустичних мереж. Окрім перелічених систем застосовуються місцеві системи прямокутних і криволінійних координат, що визначаються за допомогою різних радіонавігаційних засобів.

2.3. Вимоги щодо точності визначення координат на морі.

На поверхні, в гідросфері і на дні моря розв’язують різні наукові та технічні задачі, які вимагають різної точності визначення координат точок. Вимоги до точності залежать в основному від особливостей умов виконання геодезичних робіт, технології їх проведення, детальності і масштабу знімання, віддалення від берега і пунктів континентальних геодезичних мереж, технічних характеристик і можливостей вимірювальної апаратури, степені впливу похибок зовнішніх і апаратурних джерел та їх врахування, фізичного стану гідросфери тощо. Більш високі вимоги ставляться до точного взаємного (відносного) положення пунктів і об’єктів, ніж до точності визначення їх абсолютних положень. Точність визначення координат в основному залежить від технічних засобів і пристроїв. Перш за все це супутникові, радіонавігаційні і радіогеодезичні системи. Для підвищення точності визначення координат необхідно удосконалювати методику виконання геодезичних робіт.

При розробці вимог до точності морських геодезичних робіт необхідно враховувати особливості умов їх виконання. Однією з них є нестаціонарність морського середовища. Як правило, геодезичні виміри на морі проводяться з плавзасобів. В залежності від розмірів судна, глибини і наявності хвиль, від напряму і сили вітру та морської течії судно переміщується в межах від долей метра до десятків метрів, а іноді і більше. За таких умов величини геометричних параметрів безперервно змінюються, тому виконувати багаторазові виміри неможливо. За тих самих причин неможливо з борта судна виконувати високоточні кутові виміри. До особливостей геодезичних вимірів на морі відносять відсутність на акваторіях Світового океану геодезичної

33

основи. Це обумовлює необхідність прив`язки до пунктів континентальних геодезичних мереж.

Впровадження в практику морських геодезичних робіт супутникових навігаційно-геодезичних систем частково розв`язує проблему підвищення точності визначення координат об`єктів в морі. Наступна особливість виконання геодезичних робіт у морі визначається фізичними властивостями водного середовища.

Приведемо дані про точність геодезичного забезпечення деяких знімальних робіт, які регламентуються діючими інструкціями та іншими нормативними документами. Хоча в опублікованих до даного часу роботах рекомендуються різні точності щодо вимірювань і визначень координат. Так визначення координат опорних морських геодезичних пунктів, встановлених на дні океану, необхідно виконувати з максимально можливою точністю. Точність визначення положення таких пунктів, враховуючи вплив похибок супутникових систем та гідроакустичних вимірів, знаходиться в межах 5-10 м. При встановленні донного гравіметра необхідна точність визначення його координат 70 м. Середня квадратична похибка визначення положення контурів і об’єктів донної ситуації відносно берегових або морських опорних пунктів при топографічному зніманні шельфової зони морів і океанів не повинна перевищувати 1,5 мм масштабу карти.

Середньоквадратична похибка абсолютного положення об’єктів при геологічному зніманні, глибинному геологічному картографуванні складає 1 мм у масштабі карти. При засвоєнні мінеральних ресурсів океану на різних стадіях робіт вимоги до точності різні. Згідно різних літературних джерел при виконанні у відкритому океані регіональних геофізичних знімань достатньою точністю визначення координат є 2500 м, при виконанні рекогностувальних робіт необхідна точність 100-150 м, при детальних знімальних роботах – 20-50 м. Так при сейсмічному зніманні абсолютна точність повинна бути біля 150 м, а точність точок зондування одна відносно іншої – 6-15 м.

Дуже високі вимоги до точності визначення місцеположення точок на дні відносно точок на поверхні при бурінні глибоководних свердловин. Похибки в даному випадку не повинні перевищувати 3 м. Така ж точність вимагається при прокладанні трубопроводів та кабелів. Висока абсолютна точність (10 м) вимагається при встановленні границь на нафтоносних ділянках шельфу.

Найбільш часто засоби і методи визначення координат на морі використовують у судноплавстві. В даному випадку вимагається безперервне знання місцеположення у відкритому морі з точністю 180 м. Узагальнені дані про вимоги щодо точності визначення координат при виконанні геодезичних робіт на морі на основі різних літературних джерел наведені в табл. 2.2.

Суттєве значення для підвищення точності визначень координат на морі має удосконалення методики робіт. Так застосування диференціальних методів у радіонавігаційній системі “Omega” зменшило похибку визначення місця з 2-3

34

км до 200 м. Визначене підвищення точності досягається при об’єднанні різних систем у комплекси або інтегральні системи, де недоліки одних засобів компенсуються перевагами інших.

Для визначення координат точок, звичайно, виконують надлишкові виміри і такі, що пов`язують точки, координати яких необхідно визначити, між собою. В результаті таких зв’язків формується геодезична мережа. Мережі, що складаються із закріплених на морському дні пунктів, формуються за допомогою зв`язків між собою та з пунктами континентальних мереж, виміряних на поверхні Землі. Специфічним для морських умов та недостатньо висвітленим у літературі видом мережі є мережа, утворена положенням судна в різні моменти часу, пов`язаними між собою вимірами за допомогою наближених значень – числення віддалей та напрямів. При зніманні геофізичних полів та рельєфу зі знімальних маршрутів (галсів) формується більш складна мережа – мережа галсів, що перетинаються.

35

Неспівпадання значень визначених параметрів (сили ваги, глибини), отриманих з різних галсів у точках перетину, використовується для оцінки якості знімання та для подальшого врівноваження мережі галсів. Дане врівноваження є підставою для підвищення точності результатів визначення місцеположення та якості знімання.

Необхідно зауважити, що при розширенні робіт на морських акваторіях, вимоги до точності геодезичного обґрунтування будуть підвищуватися. Це необхідно враховувати при розробці та створенні нових технічних засобів і методів морської геодезії.

2.4. Навігаційно-геодезичні параметри і лінії положення.

Координати та елементи руху об’єкта в морі отримують після математичної обробки результатів геодезичних вимірювань, виконаних із допомогою відповідних технічних засобів. Точне місцеположення об’єкта на фізичній поверхні Землі визначають відносно деяких завчасно вибраних опорних пунктів у заданій системі координат. Опорним або фіксованим називається нерухомий пункт, координати якого відомі з необхідною точністю. Величину, вимірювання якої дає можливість знайти розміщення рухомого об’єкта відносно заданого опорного пункту, називають навігаційно-геодезичним параметром. В залежності від виміряного навігаційно-геодезичного параметра можна виділити три основних види технічних засобів і пристроїв: кутомірні, віддалемірні і різницево-віддалемірні.

Кутомірні технічні засоби базуються на вимірюванні кутів між напрямами на опорні пункти і рухомий об’єкт. Віддалемірні або стадіометричні технічні засоби базуються на вимірюванні віддалі між опорними пунктами і рухомим об’єктом. Різнецево-віддалемірні або гіперболічні технічні засоби базуються на вимірюванні різниць віддалей між двома опорними пунктами і рухомим об’єктом, що утворюють одну опорну пару.

Кожному значенню навігаційно-геодезичного параметра відповідає деяка ізолінія – лінія на поверхні Землі або її зображення на планшеті чи карті. Навігаційною ізолінією називається геометричне місце точок рівних значень навігаційного параметра. Ізолінія, яка відповідає конкретному значенню виміряного навігаційно-геодезичного параметра, називається лінією положення. Така ізолінія може бути описана аналітично, тобто деяким рівнянням заданої системи координат, в якій є навігаційно-геодезичний параметр. Очевидно, що рухомий об’єкт повинен знаходитись на лінії положення. Але для визначення його місцеположення необхідно виміряти не менше двох незалежних навігаційно-геодезичних параметрів. Точка перетину двох або більше ізоліній визначає місцеположення рухомого об’єкта.

В залежності від виду технічних засобів і пристроїв можливі різні форми ізоліній. Для кутомірних технічних засобів існують два види ізоліній. В

36