Раздел 7. Использование спутниковых технологий для построения геодезических сетей

Опорные геодезические сети, создаваемые спутниковыми методами, принято в мировой практике подразделять на глобальные, континентальные, национальные, региональные и локальные геодезические сети. Применительно к территории России предусмотрено построение на основе спутниковой технологии фундаментальной астроно- мо-геодезической сети (ФАГС), представляющей собой высшее звено в структуре координатного обеспечения территории нашей страны. Последующими звеньями в государственной опорной геодезической сети по своему рангу являются высокоточная геодезическая сеть (ВГС) и спутниковая геодезическая сеть 1 класса (СГС-1). Вместе с тем в последние годы достаточно интенсивно развиваются локальные геодезические сети, базирующиеся на совместном использовании спутниковых и традиционных наземных методов. В последующих подразделах приведена краткая информация об особенностях построения и состоянии развития спутниковых геодезических опорных сетей как в нашей стране, так и за рубежом.

7.1. Построение глобальной опорной геодезической сети

Характерные для современных спутниковых систем позиционирования особенности, проявляющиеся в возможности точного и оперативного определения координат пунктов, расположенных в пределах всего земного шара, были использованы в последние десятилетия для создания глобальной опорной геодезической сети. Схема расположения пунктов, входящих в такую сеть, была приведена на рис. 1.11.

Систематические спутниковые наблюдения, проводимые на пунктах глобальной сети, позволяют периодически уточнять координаты этих пунктов, вычислять точные значения эфемерид наблюдаемых спутников, входящих в рассматриваемые системы позиционирования. Кроме того, они позволяют изучать геодинамические явления, происходящие в земной коре, в пределах всего земного шара, и в таких составных частях атмосферы, как ионосфера и тропосфера.

Для обеспечения точного мониторинга вращения Земли и движения полюсов с помощью современных космических геодезических

230

технологий Международное бюро времени (МБВ) - Bureau International de l'Heure (BIH) в 1984 г. создало наземную систему - BTS84 (BIH Terrestrial System) на основе спутниковых лазерных дальномерных систем (SLR), радиоинтерферометров со сверхдлинной базой (VLBI) и спутниковых доплеровских измерений. В 1988 г., когда Международная служба вращения Земли IERS (International Earth Rotation Service) заменила BIH, была создана система координат ITRF88 (IERS Terrestrial Reference System), которая соответствовала следующим требованиям:

-система является геоцентрической с началом в центре масс Земли, включая океан и атмосферу;

-ориентация системы согласуется с параметрами ориентирова-

ния Земли - Earth Orientation Parameter (ЕОР) на эпоху 1984,0;

-используемая в системе модель скоростей станций имеет нулевые величины остаточного вращения по отношению к земной коре;

-масштаб соответствует общеземной системе координат.

Для поддержания ITRF в соответствии с вышеназванными требованиями, начиная с 1988 г., ежегодно производится уточнение системы путем включения в нее новых измерений и пунктов. Для получения скоростей движения станций была использована модель движения тектонических плит NUVEL-1, в которой соблюдалось требование отсутствия остаточного вращения.

Модель NUVEL-1 вместе с неравномерным распределением станций ITRF по всему миру дает смещение между ITRF и IERS ЕОР 0,2 угловых миллисекунды в год. К 1992 г. это несовпадение с осью вращения Земли достигло примерно одной угловой миллисекунды. Скорости станций модели NUVEL-1 были пересмотрены с использованием спутниковых наблюдений на 150 пунктах и вошли в систему координат ITRF92.

Отмеченный подход обусловил необходимость организации Международной службы GPS для геодинамики (IGS), в состав которой наряду с административными подразделениями вошли не только многочисленные станции слежения, но и центры по обработке данных, включая и анализ получаемых результатов. Точность определения координат пунктов, входящих в глобальную опорную геодезическую сеть, на начальной стадии характеризовалась средними квадратическими ошибками на уровне около 15 мм в плане и около 35 мм по высоте. По мере совершенствования методики наблюдений и обработки, отмеченные ошибки были уменьшены до 5 мм в плане и 8 мм по высоте.

В середине 90-х годов в составе службы IGS были организованы международные центры по обработке и анализу получаемых данных. Для согласования поступающей в эти центры информации был разра-

231

ботан специальный формат независимого обмена программным обеспечением, который получил сокращенное название SINEX.

На основе обработки и анализа результатов, проводимых в течение ряда лет спутниковых наблюдений из всего набора пунктов, входящих в глобальную сеть, было выделено несколько десятков наиболее стабильных пунктов, которые были использованы для уточнения Международного наземного референцного каркаса (ITRJF). Этот каркас предназначен не только для установления положения и масштаба геоцентрической координатной системы, но и для определения параметров вращения Земли и, как следствие, для установления взаимосвязи со звездной (небесной) системой координат.

По результатам обработки измерений координат пунктов, входящих в ITRF, было уточнено положение центра масс Земли, который принят за начало геоцентрической системы координат. Достигнутая при этом точность оценивается средней квадратической ошибкой на уровне около 10 см. Проводимые в этой связи еженедельные определения в течение нескольких лет выявили следующий разброс смещений начала координат:

—по оси X от -20 до +60 мм,

—по оси Y от 0 до +90 мм,

—по оси Z от -80 до +30 мм.

Кроме того, зарегистрирован разброс значений масштабирующего фактора в пределах от +2-10~9 до -6-10~9 Изменений в ориентировке координатных осей при этом не замечено.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что значения координат, относящиеся к различным эпохам, могут несколько различаться. В частности, такое расхождение относится и к широко используемым координатным системам WGS-84 и ITRF, поскольку первая из них относится к эпохе 1984 г., а вторая может относиться к более поздним эпохам.

Для контроля за состоянием исходной глобальной координатной системы и проведения в случае необходимости корректировки этой системы служба IGS с 1 января 1994 г. перешла на постоянное отслеживание координат пунктов глобальной опорной геодезической сети и на систематическую обработку получаемых при этом результатов.

Исследовательский центр наук о Земле (GFZ) в Потсдаме (Германия) в числе других аналитических центров в Европе и США ведет разработки в области построения и эксплуатации глобальной сети постоянных GPS-пунктов [81]. Данные с этих пунктов предназначены для целей Международной службы GPS для геодинамики (IGS), осуществляющей определение точных орбит спутников, координат и скоростей GPS-пунктов, а также поправок часов. Предполагается, что глобальная иерархическая сеть IGS после завершения ее создания и раз-

232

вития, будет состоять из 30-40 основных станций и 150-200 станций региональных и локальных сетей. 24 из них (в том числе 4 основных, 20 региональных и локальных станций) работают под эгидой GFZ. В число курируемых GFZ постоянных пунктов IGS на территории СНГ включены следующие: Китаб, Звенигород, Дудинка, Красноярск, Майданак, Ташкент, Петропавловск, Душанбе, Чимкент, Иссык-Куль, Каракол, Нарын.

В России в соответствии с постановлением Правительства Российской Федерации от 16 марта 1996 г. № 293 к открытому опубликованию без ограничений точности разрешены координаты следующих включенных в международную сеть станций (табл. 7.1).

7.2. Построение континентальных опорных геодезических сетей

Стремление к созданию на отдельных континентах геодезической координатной основы повышенной точности с учетом характерных для конкретных континентов факторов, оказывающих влияние на изменения с течением времени значений определяемых координат, обусловило целесообразность построения континентальных

233

опорных геодезических сетей. Одним из примеров такой сети может служить Европейская геодезическая опорная сеть, основу которой составляет референцный каркас, получивший сокращенное название EUREF. Создание такой сети на ба^е использования спутниковых технологий, включающей в себя около 90 пунктов, было начато в конце 80-х годов. При ее построении с участием 16-ти европейских стран наряду с использованием GPS были предусмотрены измерения с помощью спутниковых лазерных дальномерных систем (SLR) и радиоинтерферометров со сверхдлинной базой (VLBI). На рис.7.1 приведена схема расположения пунктов, вошедших в состав EUREF.

Рис. 7.1. Схема постоянно действующих пунктов системы EUREF по состоянию на 1995 г.

Обработка результатов выполненных измерений производилась с участием 12-ти вычислительных центров. Полученная при этом точность, базирующаяся на формализованном учете случайных ошибок измерений, оказалась на уровне менее 1 см по всем трем координатным осям. В то же время из сравнения с лазерными и интерференционными измерениями реальная точность оценивается на уровне нескольких сантиметров.

Характерные для EUREF вычисляемые значения координат пунктов, входящих в эту сеть, находят применение не только для текущего использования заинтересованными организациями, но и для вы-

234