Разработка и исследование метода повышения точности геодезической координатной основы Социалистической Республики Вьетнам :

Краткое описание

Введение... 5

1. Необходимость выявления и учета влияния геодинамических факторов...,...»... 9

1.1. Современные требования к точности геодезических измерений. Геодинамические явления и необходимости учета их влияния... 9

1.2. Система GPS и ее преимущества при решении высокоточных геодезических задач... 13

1.3. Международная служба GPS для геодинамики (IGS) и предоставляемые ею возможности при решении геодинамических задач----- 14

1.4. Обзор геодинамических исследований... 17

1.5. Выводы... 21

1.6. Подготовительные работы к исследованию... 22

2. Разработка и исследование итерационного метода спектрального анализа... 25

2.1. Постановка задачи... 25

2.2. Теоретическая идея метода... 27

23. Численные эксперименты... 32

2.4. Сравнение итерационного метода с методом Фурье-преобразования... 41

2.5. Выводы... 50

3. Анализ физических причин вековых и периодических изменений координат опорных геодезических IGS-станций... 51

.3.1. Формулировка задачи... 51

3.2. Анализ влияния приливных факторов на вариации координат... 53

3

3.3. Смещения пунктов наблюдений из-за движения литосферных

плит... 69

3.3.1. Основные положения геотектоники... 69

3.3.2. Анализ практических результатов... 70

3.4. Связи смещений пунктов наблюдений с сезонными факторами.. 73

3.5. Выводы и рекомендации... 80

4. Разработка и исследование кинематической модели... 83

4.1. Назначение кинематической модели и подход к ее разработке .. 83

4.2. Разработка кинематической модели от приливных факторов и приливное районирование...:... 84

4.3. Разработка кинематической модели от геотектонических фак-

торов и районирование их влияния... 95

4.4. Разработка кинематической модели и районирование совместного влияния приливных, сезонных и других факторов... 100

4.5. Разработка и исследование общей кинематической модели для геодезических пунктов... 105

4.6. Выводы... 121

5. Предложение по повышению точности геодезической координатной основы СРВ (кинематический вариант)... 123

¦5,1. Обзор природных условий Вьетнама... 123

5.2. История построения ГГС Вьетнама. Текущее состояние, нерешенные вопросы и перспектива... 129

5.2.1. Этапы построения ГГС Вьетнама... 129

5.2.2. Текущее состояние ГГС Вьетнама, нерешенные вопросы и перспектива их решения... 136

5.3. Обзор исследовательских работ по геодинамике, выполненных

на территории Вьетнама... 139

4

5.4. Оценка по кинематической модели влияния геодинамических факторов на территории Вьетнама и Индокитайского полуострова... 142

5.5. Предложение по повышению точности геодезической координатной основы СРВ (кинематический вариант). Разработка кинематической модели для некоторых станций GPS-сети Вьетнама и Индокитайской GPS-сети... 147

5.6. Выводы и рекомендации... 149

Заключение...т... 151

Список литературы... 154

Приложения...4... 167

Введение

ВВЕДЕНИЕ

Земная поверхность постоянно подвергается воздействиям разнообразных факторов, которые влекут за собой смещения и деформации земной поверхности, вариации координат находящихся на ней пунктов государственной геодезической сети (ГТС). Из наиболее значимых таких факторов назовем движение литосферных плит, сезонные и приливные факторы. Под действием таких факторов земная поверхность деформируется и находящиеся на ней пункты могут смещаться от своего первоначального места за год от нескольких до сотни мм.

Как показано в работах [4;5;7;88]^ современные требования к точности построения по GPS-технологии опорных геодезических сетей очень высокие. В последнее время абсолютная точность их построения уже выше сантиметра, а относительная точность определения взаимоположения пунктов от 10" до 10". Однако под воздействием геодинамических факторов и деформаций земной коры пункты опорной геодезической сети постоянно смещаются. Следовательно, опорную геодезическую сеть необходимо систематически контролировать, обновлять и поддерживать на высоком уровне точности.

Координатной основой на территории Социалистической республики Вьетнам (СРВ) в настоящее время служит государственная геодезическая система VN-2000, построенная спутниковыми технологиями. Она состоит из 70 пунктов, равномерно расположенных по всей территории страны. Основными недостатками VN-2000 являются:

- интервал времени, за которое были выполнены измерения на пунктах, для создания ГГС весьма короткий. Он составляет около 7 часов;

- программа обработки результатов измерений, которая была использована в процессе создания сети, не позволяла учесть влияние многих геодинамических факторов, влияющих на точность полученных координат;

- сеть является статической, т.е. ее пункты остаются стационарными.

6

В то же время результаты геодинамических исследований, проводимых на территории Вьетнама в последнее время, показывают, что скорость смещения части земной поверхности в этом регионе составляет около 50 мм в год [111]. Поэтому, спустя почти 7 лет с момента окончания измерительной работы (в конце 1998 г.) до текущего момента пункты ГГС Вьетнама могли сместиться от 30 до 40 см. Это приводит к деформации геодезической сети и должно учитываться при проведении геодезических работ.

В связи с этим разработка и исследования метода по выявлению и учету влияния геодинамических факторов с целью повышения точности и стабильности геодезической координатной основы Вьетнама представляет собой весьма важную и актуальную задачу. Однако в настоящее время на территории Вьетнама нет реальных данных, необходимых для решения поставленной задачи. Поэтому, в ходе ее решения используются реальные топоцентрические координаты станций Международной службы GPS для \[ геодинамики (IGS). Проведены исследования по выявлению в заданных координатах скрытых закономерностей (вековых и периодических). По полученным результатам разработаны и исследованы кинематические модели, обоснованы возможности их применения в учете влияния геодинамических факторов. Эти модели, как показано в данной диссертации, позволяют учесть около 90% смещения опорных станций и тем самым способствуют аппроксимации, прогнозу изменений координат станций, повышению точности вычисления их положения и стабильности опорной сети. Применяя разработанный метод, выполнена оценка влияния геодинамических факторов на территории Вьетнама и Индокитайского полуострова, построены кинематические модели для пунктов GPS-сети СРВ и Индокитайской GPS-сети и предложен кинематический вариант по повышению геодезической координатной основы СРВ.

7

Поставленная цель достигнута за счет решения следующих основных задач:

- выявление векового тренда и скрытых периодичностей в амплитудно-временных рядах станций сети IGS;

- обоснование и интерпретация физических причин вековых и периодических изменений координат пунктов;

- разработка и исследование кинематических моделей, которые описывают изменения координат пунктов земной поверхности;

- формулировка предложения по повышению точности геодезической координатной основы Вьетнама.

В ходе решения сформулированной проблемы в диссертационной работе:

- составлены программы автоматизированного использования координат пунктов сети IGS;

- разработан и исследован итерационный метод спектрального анализа;

- выполнен спектральный анализ временных рядов топоцентрических координат 236 IGS-станций и произведена классификация их результатов;

- произведен анализ истории построения и текущего состояния ГТС Вьетнама, выполнен анализ природных условий, влияющих на координаты пунктов GPS-сети Вьетнама (физико-географические, геотектонические, климатические, гидрологические, геологические и сейсмические условия), обоснована необходимость и актуальность учета влияния геодинамических факторов при выполнении геодезических работ на территории Вьетнама;

- выполнена оценка по кинематической модели влияния геодинамических факторов на территории Вьетнама и Индокитайского полуострова.

С учетом вышеизложенных особенностей структура и содержание диссертации выглядят следующим образом:

В первой главе обосновывается необходимость и актуальность проведения исследований по выявлению и учету влияния геодинамических факторов. Приводятся сведения о современных требованиях к точности геодезических работ, о возможностях GPS-системы и службы IGS при решении высокоточных задач. В этой же главе описывается программа "TRANS", разработанная автором в среде Си и предназначенная для преобразования данных в удобную для исследования форму.

Важным разделом диссертации является вторая глава, в которой излагаются теоретическая основа и практические исследования предложенного автором итерационного метода спектрального анализа. Этот метод служит как математический инструмент для решения поставленной проблемы.

Третья глава отводится вопросам анализа и интерпретации физических причин, вызывающих вековые и периодические изменения координат геодезических пунктов. Этими факторами являются движение литосферных плит, приливные явления и сезонные факторы.

Четвертая глава посвящена разработке кинематической модели и ее исследованию, аналитическому и графическому районированию влияний геодинамических факторов. Обосновываются возможности работы кинематической модели, а также даны рекомендации по ее применению.

В пятой главе рассматриваются вопросы, касающиеся тектонических, климатических условий Вьетнама, истории построения и текущего состояния ГГС Вьетнама. Произведена оценка по кинематической модели влияния геодинамических факторов на территории Вьетнама и Индокитайского полуострова. Сформулированы предложения кинематического варианта по повышению точности и стабильности геодезической координатной основы Вьетнама.

ГЛАВА 1

НЕОБХОДИМОСТЬ ВЫЯВЛЕНИЯ И УЧЕТА ВЛИЯНИЯ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

1.1. Современные требования к точности геодезических измерений. Геодинамические явления и необходимость учета их влияния

Создание геодезической координатной основы, представляющей собой сеть из закрепленных на земной поверхности пунктов как совокупность реперов, на которые опираются при решении своих задач как сама геодезия со своими разделами, так и другие науки, является одной из главных задач геодезии. Известно, что все виды геодезических измерений проводятся в определенной системе координат, и их окончательная точность, естественно, непосредственно зависит от точности принятой координатной основы. В таблице 1.1 показаны современные требования к точности геодезических работ по построению государственной геодезической сети (ГТС) разного класса. Видно, что требования к точности весьма жесткие, от 3 мм до десятков мм. Поэтому обеспечение высокой точности, как измерений, так и их обработки занимает особо важное место в построении ГГС. Однако, государственная геодезическая сеть, если ее систематически не обновлять и не совершенствовать, постепенно стареет, утрачивает часть пунктов, теряет точность в отдельных ее частях, особенно из-за современных движений земной коры [7]. Следовательно, постоянный контроль состояния геодезической координатной основы, поддержание ее точности, систематическое обновление и совершенствование представляют собой весьма актуальную и регулярную работу.

10

Таблица 1.1 Виды геодезических измерений и требования к их точности [7]

Виды геодезических измерений Средняя квадратическая ошибка взаимного положения

1. Высокоточная основа для развития ГГС (ФАГС) 3 мм+5 мм на каждые 1000 км

2. Высокоточная геодезическая основа для создания СДГС и СГС-1 (ВГС) 3 мм+5 мм на каждые 100 км

3. Единая система высот {ФАГС, ВГС, спутниковое нивелирование) 30-50 мм (по высоте)

4. Геодинамические вариации

- радиальной составляющей (R- радиус Земли) (108-109Д=(6 мм-6 см)

- силы тяжести (1-10) мкГал

- по направлению (0э0002"-0,002")

5. Детальность определения характер. ГПЗ

- возмущающий потенциал 0,05 mV

- высота квазигеоида 0,5 см

6. Пункты опорной сети для внедрения спутниковой технологии 1-2 см

Наряду с геодезическими работами по построению ГГС, геодинамические исследования требуют также высокую точность. Действительно, в настоящее время часто приходится решать задачи, в той или иной степени связанные с определением движения земной поверхности, скорость перемещения которой составляет от нескольких мм до нескольких десятков мм в год. Объективные результаты решения таких задач получатся лишь при высокоточном определении координат или их изменений. См. таблицу 1.1, где также показаны современные требования к точности при геодинамических исследованиях.

и

Чтобы обеспечить высокоточные геодезические измерения, кроме повышения точности самих используемых измерительных приборов и применения наиболее подходящей методики измерения и их обработки, необходимо еще учесть влияние факторов, непосредственно воздействующих на земную поверхность и вызывающих у нее смещение и деформации. Такие факторы называются геодинамическими. Точность окончательных результатов местоопределения зависит от полноты и качества учета геодинамических явлений (качества составленной модели).

Геодинамические явления классифицируются в зависимости от их пространственного проявления [25]:

- глобальные, относящиеся ко всей Земле в целом, которая при их интерпретации заменяется некоторой идеальной сравнительно однородной моделью;

- крупномасштабные, относящиеся к областям протяженностью 10 — 104 км, т. е. имеющие масштабы континентов и океанов или значительных их частей;

- региональные, относящиеся к областям протяженностью 10 -10 км;

- локальные, относящиеся к областям протяженностью менее 102 км. Геодинамические явления представлены в таблице 1.2.

Среди приведенных геодинамических явлений обратим внимание на три из них: земные приливы, движение литосферных плит и сезонные явления.

Первые вызваны притяжением Земли со стороны Луны, Солнца и других планет Солнечной системы. Они имеют глобальный характер и могут вызывать у земной поверхности значительные деформации. Действительно, теоретические расчеты, выполненные авторами работ [14;24;28], показывают, что под действием земных приливов поверхность Земли может колебаться в пределах 78 см.

12

Геодинамические явления [25]

Таблица 1.2

Геодинамические явления

1. Глобальные

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 - Полярное движение - Неравномерность вращения Земли - Изменение положения центра масс и осей инерции Земли - Глобальные вариации геопотенциала во времени - Земные и океанические приливы

2. Крупномасштабные

2.1 2.2 2.3 2.4 - Движение литосферных плит - Динамические изменения поверхности морей и океанов - Крупномасштабные вариации геопотенциала во времени - Вариации параметров земных приливов

3» Региоцздьные

3.1 3.2 - Региональные изменения положений точек земной поверхности - Вариации величины и направления силы тяжести

4. Локальные

4.1 4.2 - Локальные движения земной коры - Локальные вариации силы тяжести

Сезонные явления тесно связаны с обращением Земли вокруг Солнца, а именно с климатом, с сезонными вариациями температуры, влажности, атмосферного давления, количеством выпадения осадков, с сезонным перераспределением потоков вод и воздушных масс и т.д. Такие явления носят локальный и региональный характер. Под их воздействием земная поверхность может подвергаться периодическим вариациям с амплитудой от нескольких мм до нескольких десятков мм [13;32;34;38;39;46-49;55;66;74;77-79;81;84;85].

За счет явления конвекции, происходящей внутри мантии, литосферные плиты постоянно находятся в состоянии перемещения. Такое движение носит крупномасштабный характер и относится к группе геотектонических факторов. В отличие от приливных и сезонных факторов, которые вызывают у земной поверхности периодические вариации, геотектонические факторы заставляют земную поверхность и ее части участвовать в вековом движении.

13

Горизонтальная скорость передвижения плит довольно велика, Она варьируется от 10-20 до 70^80 мм в год.

В связи с высокими требованиями к точности местоопределения, смещение земной поверхности, вызываемое приливным, сезонными и геотектоническими факторами, должно быть учтено.

1.2. Система GPS и ее преимущества при решении высокоточных геодезических задач

Появление системы космической радионавигации GPS (Global Positioning System - глобальная система позиционирования) связано с запуском в 1978 г. ее первого спутника. Система GPS была создана сначала для военных целей - космической навигации и лишь спустя 10-15 лет получила активное внедрение в гражданских целях, в том числе и для цели точных геодезических измерений. Подробные описания о назначении системы GPS, о ее структуре и принципах функционирования излагаются в работах [4;5].

Здесь следует подчеркнуть тот факт, что появление системы GPS, ее развитие и, особенно, внедрение ее в точные геодезические измерения произвели переворот в геодезии, который, как доказано на практике, носит революционный характер. Сущность революционных преобразований в геодезии заключается в следующем:

1. При использовании GPS-технологии точность измерений повысилась на один-два порядка. Это достигнуто за счет уменьшения влияния атмосферы в десятки раз и полной автоматизации процесса измерений (исключение возможностей появления дополнительной ошибки из-за субъектного влияния наблюдателя) [4;5]. Из-за резкого повышения точности измерений вместе с использованием подходящих методик наблюдений и обработки результатов измерений, позволяющих исключить практически все значительные источники ошибок, окончательные координаты получаются с высокой точностью.

14

2. По сравнению с традиционным методом геодезии (наземные измерения) производительность труда при применении системы GPS удается повысить в 10-15 раз [4;5]. Коренные причины такой высокой производительности труда состоят в том, что GPS-измерения могут выполняться в любой точке земного шара без необходимости обеспечения прямой и оптической видимости. GPS-измерения можно проводить в любое время суток и года и в любую погоду. Нельзя не отметить еще один важный фактор, который также способствует повышению производительности труда. Он связан с полной автоматизацией всех процессов от наблюдения до обработки результатов измерений.

3. Круг задач, решаемых геодезическими методами, существенно расширился. Решаются задачи при наблюдениях с динамических объектов в морской геодезии, аэрофотосъемке. Наряду с этим, с помощью системы GPS выполняются мониторинговые измерения с целью изучения деформаций и современного движения земной поверхности.

Из-за очевидных технических и технологических преимуществ в настоящее время система GPS приобрела широкое применение в космической геодезии, инженерной геодезии, морской геодезии, аэрофотогеодезии и т.д. Благодаря своей высокой точности при определении координат, всепогодному свойству, оперативности при планировании, и выполнении, и возможности реализации геодезических работ на большом расстоянии, спутниковые методы играют крайне важную роль в геодинамике, в исследованиях деформаций и современных движений земной коры. 1.3. Международная служба GPS для геодинамики (IGS) и предоставляемые ею возможности при решении геодинамических задач

Как отмечено выше, использование GPS-технологии в геодезических работах характеризуется рядом преимуществ. Перечислим наиболее важные из них при геодинамических исследованиях. Ими являются высокая точность определения относительных координат, оперативность, как при выполнении

15

работ, так и при обработке результатов измерений и широкий диапазон определяемых расстояний (от нескольких метров до тысяч километров). Как известно, изучение деформаций и современных движений земной коры, а также изменений элементов гравитационного поля Земли является главной задачей геодинамики, и, конечно, в современных условиях оно требует высокой точности. Для обеспечения сантиметровой точности необходимо иметь высокоточные эфемериды спутников и синхронизировать время системы. В августе 1989 г. на общем собрании Международной Ассоциации Геодезии (IAG) было предложено образовать комитет по использованию системы GPS для геодинамических исследований (IGS Planning Commitee, IGS - International GPS service for geodynamics). После обсуждения предложений, выдвинутых рабочей группой IGS, и успешного проведения нескольких экспериментальных кампаний по использованию GPS измерений в областях наук о Земле служба IGS официально начала свою деятельность, начиная с 1 января 1994г. [19;88;96]. В состав IGS входят:

INTEftNATlONAL GOVERNING ПОЛПП

MAVSTAR r.PS nnl»J-tif.«

ItnlR

i. -

Рис. 1.1 Схема организационной структуры IGS [56]

16

- сеть станций наблюдений;

- оперативные центры сбора данных;

- центры архива данных; # - центры анализа данных;

- координатор анализа данных;

- центральное бюро;

- международное правление;

- IGS проекты и рабочие группы.

На рис. 1.1 представлена схема организационной структуры IGS и связи между ее составляющими.

По состоянию на 31 мая 2005 г. сеть станций наблюдений IGS состояла из. 384 станций, охватывающих территорию всего земного шара [88]. На них установлены GPS-приемники, которые постоянно работают и непрерывно принимают излучаемые спутниками сигналы. Запись результатов измерений производится оперативными центрами сбора данных. Они также преобразуют файлы данных в стандартный формат RINEX, контролируют состояние станций наблюдения и посылают данные в региональные и глобальные центры архива данных.

Одним из главных назначений IGS является обеспечение высокоточных координат станций, а также их скоростей перемещения для геодинамических исследований. Абсолютные координаты IGS-станций определяются в системе координат ITRF-2000 (International Terrestrial Reference Frame -Международный наземный референционный каркас) с очень высокой точностью - 3 мм для горизонтальных компонент и 6 мм для вертикальной составляющей - и обновляются с суточной частотой. Они публикуются в Интернете по адресам http://igscb.ipl.nasa.gov и ftp://igscb.ipl.nasa.gov/igscb в двух видах: в виде пространственных прямоугольных координат (х, у, z) и в виде топоцентрических координат (п, е, и).

17

Высокие точность и частота обновления координат IGS-станций позволяют обнаружить и выявлять во временных рядах, образуемых этими значениями координат, закономерности изменений координат, которые вызваны внешними факторами. 1.4. Обзор геодинамических исследований

Одним из первых опытов использования геодезических методов в решении геодинамических задач является работа по изучению взаимного смещения Памирской и Тянь-шаньской горных систем, выполненная во второй половине 40-х годов прошлого века преподавателями и сотрудниками МИИГАиК под руководством профессоров В.В. Данилова и И.М. Конопальцева [26;95]. Карта вертикальных движений Восточной Европы впервые была составлена в 1971 г. [95].

Новая измерительная техника приносит новые возможности, тем самым, расширяя круг решаемых вопросов при решении поставленных задач. В настоящее время решение геодинамических задач космическими методами стало популярным с помощью космических приборов и технологий. Ими являются Радиоинтерферометр со сверхдлинной базой (РСДБ), лазерная локация спутников (ЛЛС), лазерная локация Луны (ЛЛЛ), ДОРИС, ГЛОНАСС и GPS.

Обзор исследовательских работ по геодинамике, выполненных в последнее время, позволяет перечислить некоторые актуальные и важные из решаемых космическими методами геодинамических задач:

1. Исследование деформаций и современных движений земной коры с целью составления карт поля скоростей движения и деформаций в разных районах.

2. Качественное и количественное определение движения геоцентра.

3. Интерпретация происхождения деформаций и движения земной коры, учет влияния геодинамических факторов с составлением новых моделей и совершенствование построенных моделей.

С

Список литературы