CC BY
672
ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОЦЕНТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА КООРДИНАТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Владимир Прокопиевич Горобец
Центральный научно-исследовательский институт геодезии, аэросъёмки и картографии, 125413, Россия, г. Москва, ул. Онежская, д. 26, начальник отдела глобальных навигационных спутниковых систем, (495) 456-95-3,e-mail [email protected]
Глеб Викторович Демьянов
Центральный научно-исследовательский институт геодезии, аэросъёмки и картографии, 125413, Россия, г. Москва, ул. Онежская, д. 26, доктор технических наук, начальник управления, (495) 456-95-3,e-mail [email protected]
Геннадий Германович Побединский
ОАО «Роскартография», заместитель руководителя Федерального агентства геодезии и картографии, 109316, Россия, Москва, Волгоградский проспект, 45, (499) 17-50 00, info @ro scartography.ru
Леонард Иосифович Яблонский
Центральный научно-исследовательский институт геодезии, аэросъёмки и картографии, заместитель руководителя Федеральной службы государственной регистрации, кадастра и картографии, 125413, Россия, г. Москва, ул. Онежская, д. 26, (495) 456-95-3,e-mail [email protected]
В рамках реализации Федеральной целевой программы «Глобальная навигационная система»1 Центральным ордена «Знак Почета» научно-исследовательским институтом геодезии, аэросъемки и картографии им. Ф. Н. Красовского» (ЦНИИГАиК) по заданиям Росреестра при участии организаций Роскосмоса, Росстандарта и Российской академии наук (РАН) создана государственная геоцентрическая система координат, предназначенная для осуществления геодезической и картографической деятельности на территории Российской Федерации.
Ключевые слова: система координат, геодезические сети, глобальные спутниковые сети. STATE GEOCENTRIC COORDINATE SYSTEM OF R.F.
Vladimir P. Gorobets
Central research institute of geodesy, aerial photograph and cartography, head of department of global navigation satellite systems, 125413, Russia, Moscow, Onezhskaya St., 26, (495) 456-95-3, e-mailinsgak@mail. ru
Gleb V. Demyanov
Central research institute of geodesy, aerial photograph and cartography, head of department: Dr.Sci.Tech., 125413, Russia, Moscow, Onezhskaya St., 26, (495) 456-95-3, e-mail
Gennady G. Pobedinsky
'Федеральная целевая программа «Глобальная навигационная система» (утв.постановлением Правительства Российской Федерации от 20.08.2001 г. № 587 (с изм. от 12.09. 2008).
JSC Roskartografiya, deputy head of Federal agency of geodesy and cartography, 109316, Russia, Moscow, Volgogradsky Avenue, 45, (499) 17-50 00, [email protected]
Leonard I. Yablonsky
Central research institute of geodesy, aerial photograph and cartography, deputy head of Federal Registration Service, 125413, Russia, Moscow, Onezhskaya St., 26, (495) 456-95-3, e-mail [email protected]
In the framework of Federal target program «Global navigation system» on the instructions of Rosreestr, with participation of Roscosmos, Rosstandard and Russian Academy of Sciences F.N. Krasovsky Central Scientific Research Institute of Geodesy, Aerial Survey and Cartography hascreated the state geocentric coordinate system to be implemented.
Key words: system of coordinates, geodetic networks, global satellite networks.
В рамках реализации Федеральной целевой программы «Глобальная навигационная система»2 Центральным ордена «Знак Почета» научно-исследовательским институтом геодезии, аэросъемки и картографии им. Ф.Н. Красов-ского» (ЦНИИГАиК) по заданиям Росреестра при участии организаций Роскосмоса, Росстандарта и Российской академии наук (РАН) создана государственная геоцентрическая система координат, предназначенная для осуществления геодезической и картографической деятельности на территории Российской Федерации.
Точность любой геодезической системы координат определяется точностью координат исходных (основных, базовых) пунктов геодезической сети, использованных при выводе параметров этой системы, а эффективность ее применения зависит от количества пунктов геодезической сети, практически реализующих эту систему и их доступности для использования потребителем.
Таким образом, в системе геодезического, картографического и навигационного обеспечения геодезические сети выполняют две равно важные функции. С одной стороны они являются основой геодезической системы координат, а с другой стороны - доступной потребителям практической реализацией этой системы. И только совокупность этих двух функций в полной мере определяет востребованность геодезических сетей.
Использование современных спутниковых технологий в геодезии привело к появлению геодезических сетей нового типа - спутниковых геодезических сетей. В США это совокупность пунктов Федеральной опорной сети (Federal Base Network - FBN), Объединенной опорной сети (Cooperative Base Network -CBN) и Пользовательской сети сгущения (User Densification Network - UDN); в Австралии это совокупность пунктов основной сети (Australian Fiducial Network - AFN), национальной сети (Australian National Network - ANN) и государственной сети GPS (State GPS networks).
В Российской Федерации в состав государственной спутниковой геодезической сети нового типа входят пункты фундаментальной астрономо-
2Федеральная целевая программа «Глобальная навигационная система» (утв.постановлением Правительства Российской Федерации от 20.08.2001 г. № 587 (с изм. от 12.09. 2008).
геодезической (ФАГС), пункты высокоточной геодезической сети (ВГС), пункты спутниковой геодезической сети 1-го класса (СГС-1). Понятие и определение составляющих государственной спутниковой геодезической сети, ФАГС, ВГС (ВАГС) и СГС-1 дано в «Концепции перехода топографогеодезического производства на автономные методы спутниковых координатных определений» . разработанной в 1994-1995 гг. ЦНИИГАиК по заданию Федеральной службы геодезии и картографии России (Роскартография).
В соответствии с детализирующими Концепцию «Основными положениями о государственной геодезической сети Российской Федерации»4, в состав государственной спутниковой геодезической сети нового типа должны входить 50 пунктов фундаментальной астрономо-геодезической сети (ФАГС), 300 пунктов высокоточной геодезической сети (ВГС) и 6 000 пунктов спутниковой геодезической сети 1-го класса (СГС-1).
Минэкономразвития России и Росреестр, согласно Положению о полномочиях федеральных органов исполнительной власти по поддержанию, развитию и использованию глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС5, Федеральным законом «О геодезии и картографии», федеральными целевыми программами «Глобальная навигационная система» и «Поддержание, развитие и использование системы ГЛОНАСС на 2012 - 2020 годы», обеспечивают построение геодезических сетей новой структуры, реализующих на территории Российской Федерации высокоточную единую геоцентрическую систему координат, и поддержание ее на уровне современных и перспективных требований экономики, науки и обороны страны при максимальном использовании потенциала существующих геодезических сетей.
Как известно, до настоящего времени геодезическая и картографическая деятельность на территории России и СНГ осуществлялась, в силу ряда объективных и субъективных условий, в довольно широком спектре геодезических систем координат. В первую очередь - это система координат 1942 года (СК-42), система координат 1995 года (СК-95), система координат 1963 года (СК-63) и огромное количество местных систем координат (МСК). Поэтому при построении спутниковых геодезических сетей и создании государственной геоцентрической системы координат одним из необходимых условий было обеспечение преемственности, т.е. реализация в новых условиях геодезического и картографического потенциала, созданного ранее на основе традиционных технологий.
3Концепция перехода топографо-геодезического производства на автономные спутниковые методы координатных определений. - М.: ЦНИИГАиК, 1995.
4 Основные положения о государственной геодезической сети Российской Федерации ГКИНП (ГНТА) - 01 - 006 - 03 (утв. приказом Роскартографии от 17.06.2003 г. № 101-пр).
5 Постановление Правительства Российской Федерации от 30 апреля 2008 г. № 323 «Об утверждении Положения о полномочиях федеральных органов исполнительной власти по поддержанию, развитию и использованию глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС в интересах обеспечения обороны и безопасности государства, социальноэкономического развития Российской Федерации и расширения международного сотрудничества, а также в научных целях».
В соответствии с планами мероприятий федеральной целевой программы «Глобальная навигационная система (ФЦП ГЛОНАСС)» Росреестром, как государственным заказчиком подпрограммы 4 «Создание высокоэффективной системы геодезического обеспечения Российской Федерации», к 2011 году была разработана Государственная геоцентрическая система координат, отвечающая этим требованиям. Создание этой системы координат является итогом многолетней работы по планам ФЦП ГЛОНАСС с 1999 по 2011 год большого количества организации Роскартографии (с 2009 года - Росреестра) совместно с организациями Роскосмоса, Росстандарта и Российской академии наук (РАН).
В целях реализации геодезического и картографического потенциала, уже созданного на основе традиционных методов и технологий, было выполнено уравнивание сети триангуляции и полигонометрии (порядка 350 тыс. пунктов ГГС 1-4 классов) с опорой на пункты ФАГС, ВГС и СГС-1. Таким образом, вся совокупность пунктов ГГС стала физической реализацией и носителем новой государственной геоцентрической системы координат.
При выполнении работ по созданию национальной геоцентрической системы координат России был использован опыт построения национальных и континентальных геоцентрических систем координат, создаваемых в США, ЕС, Австралии, Канаде и Китае - наиболее информационно развитых странах мира.
В данной работе рассмотрены основные этапы и результаты разработки государственной геоцентрической системы координат, оптимальным образом ориентированной на эффективное применение ГЛОНАСС в системе геодезического и навигационного обеспечения Российской Федерации.
1. Современные реализации геодезических сетей и геоцентрических систем координат стран с большой территорией.
Использование современных спутниковых технологий в геодезии привело к появлению геодезических сетей нового типа - спутниковых геодезических сетей. В контексте данной статьи спутниковые геодезические сети предлагается классифицировать как глобальные, региональные (межгосударственные), национальные, и локальные геодезические сети.
1.1. Глобальные спутниковые сети
Примером глобальных спутниковых сетей является сеть станций слежения системы GPS (Global Positioning System), включающая главную станцию управления, альтернативную главную станцию управления, 12 командных станций управления, и 16 станций мониторинга, в том числе 6 ВВС США и 10 Национального агентства геопространственной разведки США (NGA)6.
В качестве другого примера глобальных спутниковых сетей можно назвать сеть станций НКУ ГЛОНАСС, которые совместно с пунктами КГС ВТУ ГШ
у
являются реализацией системы координат ПЗ 90 (ПЗ 90.02) .
Обе эти глобальные спутниковые сети не соответствуют критерию эффективности в виду ограниченного количества пунктов геодезической сети,
6Control Segment/ http://www.gps.gov/systems/gps/control/
7 http://www.glonass-ianc.rsa.ru/
практически реализующих эту систему, и их малодоступности для использования потребителем при решении высокоточных задач науки и экономики, а также в целях международного сотрудничества.
Именно поэтому в высокоразвитых странах мира, помимо участия в международных программах по созданию международной геоцентрической системы координат, одновременно создают региональные (межгосударственные) и национальные пространственные системы координат, оптимальным образом ориентированные на реализацию государственного геодезического и картографического потенциала.
Наиболее точной и эффективной глобальной спутниковой геодезической сетью является практическая реализация международной земной опорной системы координат (International Terrestrial Reference System - ITRS), называемая International Terrestrial Reference Frame (ITRF). Каталоги координат пунктов ITRF вследствие непрерывного совершенствования сети и геодинамических процессов периодически обновляются и указывается их эпоха. В настоящее время на официальном сайте8 доступны для загрузки результаты в реализациях ITRF-94, ITRF-96, ITRF-97, ITRF-2000, ITRF-2005, ITRF-2008. В перечне приведены также реализации ITRF-92 и ITRF-93, но на сайте они недоступны.
1.2. Национальные геодезические сети
Характерными примерами национальных спутниковых сетей являются спутниковые сети Австралии, США и Китая.
Геодезическая спутниковая сеть Австралии объединяет основную, национальную сети и спутниковую сеть GPS.
Австралийская основная сеть_(Australian Fiducial Network - AFN) включает восемь постоянно действующих станций, координаты которых определены в эпоху 1994.0 с точностью до нескольких сантиметров (2-4 + 10-9) мм;
Австралийская национальная сеть (Australian National Network - ANN) состоит из равномерно расположенных пунктов со средним расстоянием между ними около 500 км;
Государственная сеть GPS (State GPS networks)9 представляет собой заполняющую сеть со сторонами 10 - 100 км.
Схема расположения станций AFN и ANN приведена на рис. 1.
Рис. 1. Схема расположения пунктов AFN и ANN
Национальная спутниковая сеть США представляет собой совокупность пунктов Федеральной, объединенной опорных сетей и пользовательской сети сгущения.
Федеральная опорная сеть (Federal Base Network - FBN) представлена сетью постоянно действующих фундаментальных станций, расположенных через 100 км. Сеть обеспечивает пространственный контроль с наиболее высокой на сегодняшний день точностью (95%): 1 см для широт и долгот, 2 см для эллипсоидальной (геодезической) высоты, 3 см для ортометрической высоты, 50 мкГал для силы тяжести, 1 мм/в год для движения земной коры.
Объединенная опорная сеть (Cooperative Base Network - CBN) объединяет постоянно действующие станции, расположенные на территории Соединенных Штатов на расстоянии 25-50 км одна от другой. Национальная геодезическая служба США (National Geodetic Survey - NGS) отвечает за CBN и оказывает помощь и консультации сотрудничающим учреждениям в осуществлении пространственного контроля в соответствии с принятыми федеральными стандартами и техническими условиями.
Пользовательская сеть сгущения (User Densification Network - UDN)10 обеспечивают пространственную привязку локальных инфраструктурных проектов, а при необходимости - и контроль качества, архивирование и распространение данных пунктов UDN. Перед отправкой данных в NGS, организация - владелец пунктов UDN должна проверить их точность, используя программное обеспечение, поставляемое NGS.
Основу китайской геодезической системы координат (CGCS 2000 — China Geodetic Coordinate System 2000)11 составляет спутниковая геодезическая сеть трех уровней:
сеть 28 постоянно действующих станций с точностью взаимного положения 3 мм;
национальная контрольная GPS сеть (National GPS control network 2000 — GPS 2000), включающая 2500 пунктов с точностью взаимного положения 3 см;
астрономо-геодезическая сеть, включающая около 50 000 пунктов со средними расстояниями между ними около 22 км уравненная совместно с GPS 2000.
10http://www.ngs.noaa.gov/INFO/NGS10yearplan.pdf
"China Geodetic Coordinate System 2000/ CHENG Pengfei, WENHanjiang, CHENGYingyan, WANG Hua.Eighteenth United Nations Regional Cartographic Conference for Asia and the Pacific. -Bangkok, 26-29 October 2009. - Item 7(a) of the provisional agenda Country Reports.
1.3. Региональные спутниковые сети
Примером региональной (межгосударственной, межнациональной) спутниковой сети является европейская сеть постоянно действующих пунктов EPN (EUREF Permanent Network). Сеть EPN не является в полном объеме континентальной, так как не имеет пунктов на значительной части Европейского континента - на территории России, Украины и Беларуси. Практическая реализация Европейской земной опорной системы координат ETRS89 (European Terrestrial Reference System), совпадающая с ITRS в эпоху 1989.0 и связанная со стабильной частью Евразийской платформы, - ETRF (European Terrestrial Reference Frame), основана на пунктах европейской региональной сети EPN.
Пункты европейской региональной (межгосударственной) сети EPN представляют собой реализацию первого (высшего) уровня геодезической сети в континентальном плане. EPN состоит из более чем 200 постоянно действующих станций ГНСС. Она создана и поддерживается в соответствии с добровольным соглашением более 100 европейских агентств и университетов. Функционирование EPN координируется EUREF.
На национальном уровне Европейская земная опорная система координат ETRS89 реализуется сгущением геодезической сети относительно пунктов EPN, в соответствии с рекомендациями Технической рабочей группы EUREF -TWG (EUREF Technical Working Group) и основ IGS (International GNSS Service).
Основные рекомендации по определению координат пунктов национальных геодезических сетей сводятся к следующему:
- для обработки наблюдений необходимо использовать высокоточное ГНСС программное обеспечение типа Berne se, GAMIT, GIPSY-OASIS, Geodyn, Geonap, Trimble Total Control и т.п.;
- исходные пункты EPN выбираются выбирать таким образом, что бы они охватывали участок пунктов национальных геодезических сетей со всех сторон;
- проводить полевые измерения не менее 3-4 недель, используя данные пунктов EPN;
- при обработке данных наблюдений получать свободное решение сети пунктов;
- калибровать положение фазового центра антенны;
- при окончательной обработке данных получать регуляризованное решение относительно исходных пунктов EPN;
- трансформировать результаты уравнивания в ITRF/ETRF на эпоху 2000.0.
Применение данных рекомендаций позволит достичь точности координат
пунктов на уровне 1 мм в плане и 3 мм в высоте относительно пунктов EPN.
1.4. Общеземные и национальные геоцентрические системы координат
Процесс построения системы координат на современном историческом этапе развития мировой экономики и общественных отношений не может
успешно развиваться изолированно в пределах отдельных государств. Это обусловлено:
во-первых, техническими причинами чисто геодезического характера, связанными со спецификой современных средств геодезических и астрономических измерений, лежащих в основе построения систем координат;
во-вторых, национальная система геодезических координат, как составная часть экономики страны вольно или невольно должна быть в русле общемировых интеграционных экономических процессов.
Поэтому, при разработке технологии построения объединенной геоцентрической системы координат должен быть изучен и учтён мировой опыт создания современных геоцентрических систем координат.
Все современные реализации общеземных геоцентрических систем координат WGS-84, ITRF, ПЗ-90.02 и др. основаны на одной и той же международной земной опорной системе координат ITRS (International Terrestrial Reference System). Принципы ориентации такой системы координат в теле Земли определены Международной службой вращения Земли МСВЗ (IERS
- International Earth Rotation and Reference Systems Service) и Международной ассоциацией геодезии МАГ (IAG - International Association of Geodesy), являющейся одной из семи ассоциаций Международного геодезического и геофизического союза МГГС (IUGG - International Union of Geodesy and Geophysics). Российская Федерация является действительным членом МГГС (IUGG) и МАГ (IAG).
Международная небесная опорная система координат ICRS (International Celestial Reference System) и международная земная опорная система координат ITRS (International Terrestrial Reference System) определены документами Международной службой вращения Земли - МСВЗ (International Earth Rotation
12 13
and Reference Systems Service - IERS) , .
Практические реализации международной небесной опорной системы координат ICRS и международной земной опорной системы координат ITRS носят названия International Celestial Reference Frame (ICRF) и International Terrestrial Reference Frame (ITRF) являются опорными (исходными) эталонами шкал направлений в пространстве, местоположения (позиции) на Земле, векторов скорости и ускорения относительно Земли в виде совокупности пространственных реперов - станций, представленных в ICRF с приписанными угловыми координатами направлений на квазары и другие удаленные источники радиоизлучения, а в ITRF - с приписанными декартовыми координатами X, Y, Z14.
ITRF - наиболее точная на данный момент практическая реализация международной земной опорной системы координат. Используемая ныне
12IERS CONVENTIONS (2003) (IERS Technical Note No. 32) /
http://www.iers. org/nn_11216/IERS/EN/ Publications/T echnicalN otes/tn32.html
13IERS Conventions (2010) (IERS Technical Note No. 36) / http://www.iers.org/nn_11216/IERS/EN/ Publications/T echnicalN otes/tn36.html
14 ГОСТ Р 8.699-210 Государственная система обеспечения единства измерений. Величины, единицы, шкалы измерений, используемые в глобальной навигационной спутниковой системе.
процедура ее вывода предусматривает комбинирование нескольких частных решений (TRF), получаемых в различных центрах обработки с использованием наблюдений различными методами космической геодезии: радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой РСДБ, лазерной локации спутников ЛЛС, доплеровской спутниковой системой DORIS (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite), глобальными навигационными спутниковыми системами ГНСС GPS (Global Positionning System) и в последнее время ГЛОНАСС.
Современные требования к точности систем координат обуславливают необходимость учитывать изменения координат во времени, связанных с влиянием глобальных геодинамических процессов. Поэтому каталоги координат пунктов геоцентрической системы координат ITRF вследствие непрерывного совершенствования сети и геодинамических процессов периодически обновляют и указывают их эпоху.
Г еоцентрическая система координат и параметры общеземного эллипсоида определяются и уточняются при содействии Международной службы глобальных навигационных спутниковых систем International GNSS Service (IGS)15 (в прошлом International GPS Service) - добровольного объединения более чем 200 национальных агентств и служб, занимающихся сбором данных GPS и ГЛОНАСС с постоянно работающих базовых станций, расположенных по всему миру. Целью IGS является поддержка научных исследований в области изучения планеты Земля, многопрофильных приложений и образования. В настоящее время IGS входит в Международную ассоциацию геодезии (International Association of Geodesy - IAG)16.
Следует отметить, что на территории России расположено только 6 пунктов IGS, данные наблюдений и координаты которых включены в каталоги ITRF.
При развитии и поддержании системы координат WGS-84 (системы координат Минобороны США), эфемеридное обеспечение ИСЗ GPS осуществляют 20 станций слежения МО США. Периодически Минобороны США осуществляет уточнение координат своих 20 станций по данным международной системы координат ITRF17. Таким образом, при минимуме финансовых и трудовых затрат система координат WGS-84 периодически уточняется и на уровне первых сантиметров совпадает с ITRF. Очевидна целесообразность такого подхода и при осуществлении регулярного уточнения координат пунктов НКУ ГЛОНАСС по данным наблюдений ГНСС на постоянно действующих пунктах ФАГС.
в сша независимо от работ по поддержанию и развитию системы координат WGS-84 и участия в работах по развитию и поддержанию международной земной системы координат ITRF, в рамках десятилетнего плана Национальной
15 http://igscb.jpl.nasa.gov/
16http: //www .iag-aig.org/
17Control Segment/ http://www.gps.gov/systems/gps/control/
геодезической съемки NGS (National Geodetic Survey) на 2008-2018 годы развивается национальная пространственная система координат NSRS (National Spatial Reference System), оптимальным образом ориентированная на эффективное использование уже созданного в США геодезического и картографического потенциала.
На аналогичных принципах формируется национальная геоцентрическая (пространственная) система координат в Канаде (Canadian Spatial Reference System-CSRS)19.
Геоцентрическая система координат Австралии gda (Geocentric Datum of Australia) -система координат, принятая Межправительственным комитетом по геодезии и картографии Австралии ICSM (Intergovernmental Committee on Surveying and Mapping). GDA94 является статической системой координат на основе Международной земной системы координат ITRF 1992 года (ITRF92) на эпоху 1 января 1994 года. В это время GDA94 и ITRF совпадали с WGS84. Однако с течением времени, из-за тектонических движений Австралийской плиты (примерно 70 мм в год в направлении северо-северо-восток), реализации ITRF и WGS84 стали отличаться от GDA94, и в настоящее время абсолютная разница между GDA94 и ITRF (с которой система WGS-84 согласована на сантиметровом уровне) составляет примерно один метр.
Для большинства практических применений, где не требуется точность выше, чем один метр, координаты в системе GDA94 могут считаться такими же, как WGS84 или ITRF. Однако, для обеспечения расхождения в координатных системах отсчета, пользователи, работающие на сантиметровом уровне точности, должны использовать преобразования между GDA94 и ITRF; соответствующее программное обеспечение доступно на сайте Межправительственного Комитета по Г еодезии и Картографии (Intergovernmental Committeeon Surveying and Mapping - ICSM).
С 1 января 2000 года система GDA94 является официальным стандартом геодезических данных, принятым на национальном уровне. Координаты в GDA94 выражены, как геодезические координаты (широта и долгота) или прямоугольные координаты (X,Y и Z). GDA заменяет Австралийскую геодезическую систему координат Australian Geodetic Datum - AGD), которая действовала с 1966 года. AGD была системой координат, которая наилучшим образом соответствовала поверхности Земли в регионе Австралии, но ее начало не совпадало с центром масс Земли: расхождение между началами систем координат GDA и AGD составляет примерно 200 метров; примерно на такую же величину различаются и координаты точек на поверхности Земли.
Стандартной картографической проекцией, связанной с GDA94, является Картографическая система координат Австралии 1994 года (Map Grid of Australia 1994 - MGA94) в поперечной проекции Меркатора, что соответствует международной картографической проекции UTM.
18National Geodetic Survey.Ten-Year Plan.Mission, Vision, and Strategy 2008-2018/ http://www.ngs.noaa.gov /INFO/NGS10yearplan.pdf
19Canadian Spatial Reference System/ http://www.geod.nrcan.gc.ca
в Европе региональная подкомиссия - EUREF (SC 1.3 a Regional Reference Frame Sub-Commission for Europe) в 1990 году, рекомендовала использовать европейскую земную опорную систему координат ETRS89 (European Terrestrial Reference System), совпадающую с ITRS в эпоху 1989.0 и связанную со стабильной частью Евразийской платформы.
ETRS89 реализована в виде европейской системы координат ETRF (European Terrestrial Reference Frame), основанной на пунктах европейской региональной сети EPN (EUREF Permanent Network), для каждой реализации ETRS89 принято обозначение ETRFyy.B настоящее время доступны ETRF89, ETRF90, ETRF91, ETRF92, ETRF93, ETRF94, ETRF96, ETRF97, ETRF2000^ использования реализаций ITRF2005 и ITRF2008, техническая рабочая группа EUREF TWG (EUREF Technical Working Group) рекомендовала, чтобы все европейские станции, которые включены в ITRF, публиковали координаты и скорости в реализациях ETRF2000 со следующими обозначениями: ETRF2000 (R05) и ETRF2000 (R08)20.
Таким образом большинство высокоразвитых стран, имеющих значительные территории, принимая активное участие в международных проектах и программах по созданию единой общеземной геоцентрической системы координат, создают также национальные (государственные) системы координат, оптимальным образом ориентированные на сохранение и развитие геодезического и картографического потенциала, уже созданного к этому времени. На рис. 2 показаны зоны действия таких систем координат.
20EUROPEAN TERRESTRIAL REFERENCE SYSTEM 89 (ETRS89)/ http://etrs89.ign.fr/
NSRS ■ Национальная пространственная система координат (National Spatial Reference Frame)
ETRF - Европейская опорная система координат (European Terrestrial Reference Frame)
CSRS - Пространственная система координат Канады (Canadian Spatial Reference System)
GDA - Геоцентрическая система координат Австралии (Geodetic Datum of Australia)
CGCS - Китайская геодезическая система координат (China Geodetic Coordinate System 2000)
Рис. 2. Национальные пространственные геоцентрические системы координат
2. Принципы построения геодезической сети новой структуры и геоцентрической системы координат Российской Федерации
В основу принципов построения геодезической сети и геоцентрической системы координат на территории Российской Федерации были положены работы, выполненные ЦНИИГАиК в соответствии с планами мероприятий подпрограммы 4 ФЦП ГЛОНАСС «Создание высокоэффективной системы геодезического обеспечения Российской Федерации», государственным заказчиком которой являлись Роскартография (с 2002 по 2008 год) и Росреестр (с 2009 года) [1, 2, 4, 5].
2.1. Государственная геодезическая сеть России
Росреестром (до 2010 г. Роскартографией) в рамках мероприятий ФЦП ГЛОНАСС создана государственная геодезическая сеть (ГГС) новой структуры, ориентированная на оптимальную реализацию потенциала ГЛОНАСС и других ГНСС [5].
Высшую ступень этой новой структуры ГГС составляют постоянно действующие пункты ФАГС, являющиеся стационарными астрономогеодезическими обсерваториями, оборудованными комплексом прецизионной аппаратуры: стандартами частоты, метеорологическими датчиков, аппаратурой слежения за локальными деформациями земной поверхности в районе расположения обсерватории и стабильностью положения сооружения, на котором размещаются антенны, и т.д. Фундаментальная астрономо-геодезическая сеть состоит из постоянно действующих и периодически определяемых
пунктов Росреестра (Роскартографии), формирующих единую сеть на территории Российской Федерации.
В состав постоянно действующих пунктов ФАГС включены пункты Росреестра (Роскартографии), а также, по согласованию, расположенные на территории России пункты лазерной локации спутников, радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой, 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 - 1000 км. Пространственное положение пунктов ФАГС определяется в геоцентрической системе координат относительно центра масс Земли со средней квадратической ошибкой 10 - 15 см, 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. 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.
Значения координат и скоростей их изменений во времени для пунктов ФАГС
Росреестра открытого пользования в новой системе координат приведены на
21
сайте ФГУП «ЦНИИГАиК» . Геоцентрические координаты (X, Y, 7) даны на эпоху 2011.0. Для каждого пункта приведены составляющие скоростей изменения координат пункта (годичных смещений - Vx, Vy, Vz).
Второй уровень в современной структуре ГГС занимает ВГС, основные функции которой состоят в дальнейшем распространении на всю территорию
России геоцентрической системы координат и уточнении параметров
взаимного ориентирования создаваемой государственной системы координат с уже существующими.
Высокоточная геодезическая сеть, 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 со средними квадратическими ошибками, не превышающими 3 мм + 5 х 10- D, где D - расстояние между пунктами, по каждой из плановых координат и 5 мм + 7 х 10- 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
21 http://geod.ru/ru/science/fags/
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 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.
Третий уровень в современной структуре ГГС занимает СГС-1, 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 25-35 км.
СГС-1 создается относительными методами космической геодезии, обеспечивающими определение взаимного положения ее смежных пунктов со средними квадратическими ошибками 3 мм + 1*10- D по каждой из плановых координат и 5 мм + 2*10- D по геодезической высоте.
СГС-1 может строиться отдельными фрагментами. В каждый фрагмент должны включаться все пункты ВГС и ФАГС, 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.
2.2. Требования к геоцентрической системе координат Российской Федерации
В основу геоцентрической системы координат Российской Федерации были заложены два важнейших требования.
1. Система координат и геодезическая сеть, её реализующая, должны обеспечивать эффективность применения ГЛОНАСС в системе геодезического и навигационного обеспечения и тем самым обеспечивать её конкурентоспособность с другими ГНСС;
2. Структура геодезической сети и технология построения системы координат должны быть ориентированы на сохранение потенциала геодезических и картографических данных, созданных к настоящему времени на основе традиционных методов и в разных системах координат.
Эти требования к геоцентрической системе координат, в конечном счёте, и определили технологию её построения.
Для обеспечения конкурентоспособности ГЛОНАСС необходимо, чтобы геоцентрическая система координат Российской Федерации как по уровню точности координат пунктов опорной сети, так и по уровню точности совмещения начала координат с центром масс Земли (геоцентричность), соответствовала точности ITRF. Поэтому при разработке геоцентрической системы координат Российской Федерации были использованы данные пунктов IGS, расположенных на территории Российской Федерации и данные с зарубежных пунктов, ведущих наблюдения ИСЗ ГЛОНАСС. Необходимость этого диктуется следующими обстоятельствами.
Во-первых, в современных условиях построение высокоточной общеземной геоцентрической системы координат возможно только при использовании данных наблюдений с пунктов, расположенных по всей территории земного шара.
Во-вторых, данные пунктов IGS в системе координат ITRF, расположенных на территории Российской Федерации необходимы при последующем контроле точности ОГСК.
Таким образом, саму систему координат формируют результаты уравнивания постоянных наблюдений ГНСС пунктов ФАГС. Для достижения высокой точности дополнительно часть пунктов ФАГС комплексируется другими средствами и методами геодезических и астрономических измерений, основанными на иных физических принципах. В первую очередь такими методами космической геодезии, как радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой РСДБ, лазерная локация спутников ЛЛС, доплеровские методы спутниковой системы DORIS (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite).
К числу других средств и методов геодезических измерений следует отнести определение значений нормальных высот в пунктах ФАГС по данным высокоточного нивелирования и высот квазигеоида по гравиметрическим данным. В соответствии с теорией М.С. Молоденского значение геодезической высоты над общим земным эллипсоидом, полученное по ГНСС-измерениям, теоретически строго должно соответствовать сумме нормальной высоты и высоты квазигеоида. Поэтому эти данные обеспечивают независимый контроль геоцентричности ОГСК. Именно поэтому, не считая вопросов вычисления орбит ИСЗ, построение высокоточных моделей ГПЗ и детального квазигеоида
являются неотъемлемой составной частью проблемы создания высокоточной системы координат
Существенным элементом всей технологи построения системы координат на современном уровне точности является учёт изменений координат во времени. По результатам многолетних исследований этого процесса при построении международной системы координат ITRF средняя скорость изменений координат составляет 2-3 см/год (рис. 3).
0° 40° 80° 120° 160° 200° 240° 280° 320°
0° 40° 80° 120° 160° 200° 240° 280° 320°
Рис. 3. Значения скоростей и направления движений для разных пунктов по данным Национальной геодезической съемки NGS США
Принципиальное значение в технологии построения систем координат вообще и в данном случае в первую очередь имеет состав тех пунктов из общего числа пунктов ФАГС, которые следует при уравнивании принять в качестве «опорных». Такими пунктами должны быть пункты ФАГС, расположенные на стабильных платформенных участках и обеспечивающие условие минимизации остаточных значений скоростей АУ.
При выборе того или иного варианта решения необходимо принимать во внимание следующие обстоятельства.
Во-первых, как было постулировано при постановке задачи, по уровню точности ориентировки осей координат в теле Земли геоцентрической системы
координат Российской Федерации и точности взаимного положения пунктов ФАГС должна соответствовать ITRF.
Во-вторых, координаты пунктов ГГС, реализующих геоцентрическую систему координат Российской Федерации должны иметь по возможности минимальные значения скоростей изменений координат по отношению к пунктам ФАГС, принятым в качестве опорных. Это требование увеличит срок (продолжительность периода времени), в течение которого для подавляющего числа потребителей сохранится возможность считать значения координат опорных пунктов ГГС неизменными.
Следует учитывать, что значения скоростей изменений координат во времени могут быть надёжно определены лишь для постоянно действующих пунктов ФАГС. В данном случае речь идёт не только о долгопериодических изменениях координат, связанных с влиянием процессов глобальной и региональной геодинамики, существуют сезонные изменения, а также локальные, связанные с деформациями земной коры природного и техногенного характера. Поэтому существует довольно сложная задача по определению границ территории, на которую мы вправе распространять значения скоростей, определённых в пункте ФАГС. Для решения этой задачи в ЦНИИГАиК совместно с ИФЗ РАН проводятся исследования по проблеме геотектонического районирования. Исходными данными для проводимых исследований являются геофизические данные о местоположениях тектонических разломов, данные повторного нивелирования и данные постоянных наблюдений ГНСС в пунктах ФАГС. На рис. 4 приведена схема тектонического районирования территории Российской Федерации с остаточными значениями скоростей АУ.
Однако, до практической реализации результатов этих исследований при установлении системы координат ещё достаточно далеко. Именно поэтому, в технологии установления системы координат геоцентрической системы координат Российской Федерации на первом этапе была принята единая региональная геотектоническая модель для всей территории Российской Федерации.
Не менее важной проблемой в современной геодезии является проблема установления единой общеземной системы нормальных высот. [3]. Для её решения необходимы объемные работы по модернизации нивелирных сетей и модернизации гравиметрических сетей.
Рис. 4. Схема тектонического районирования территории Российской
Федерации
Постановлением Правительства Российской Федерации от 28 декабря 2012 г. № 1463 «О единых государственных системах координат» установлены следующие единые государственные системы координат:
- геодезическая система координат 2011 года (ГСК-2011) - для использования при осуществлении геодезических и картографических работ;
- общеземная геоцентрическая система координат «Параметры Земли 1990 года» (ПЗ-90.11) - для использования в целях геодезического обеспечения орбитальных полетов и решения навигационных задач.
В приложении приведены фундаментальные геодезические постоянные, а также параметры общего земного эллипсоида для государственных систем координат, а геометрические и физические числовые геодезические параметры, должны быть утверждены Федеральной службой государственной регистрации, кадастра и картографии (в отношении ГСК-2011) и Министерством обороны Российской Федерации (в отношении ПЗ-90.11).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Демьянов Г. В., Майоров А. Н., Побединский Г. Г. ГЛОНАСС и геодезия.// Вестник ГЛОНАСС. - 2012. - № 1 (4). - с. 48 - 53.
2. Демьянов Г. В., Майоров А. Н., Побединский Г. Г. Проблемы непрерывного
совершенствования ГГС и геоцентрической системы координат России.// Геопрофи. - 2011. -№ 2. - с. 11 - 13, № 3. - с. 23 - 29, № 4. - с. 15 - 21.
3. Демьянов Г. В., Майоров А. Н., Юркина М. И. Построение общеземной системы
нормальных высот.// Геодезия и картография. - 2009. - №1. - с. 12-16.
4. Демьянов Г. В., Побединский Г. Г. Проблемные научно -технические вопросы развития и применения системы ГЛОНАСС // б-я Международная научно-практическая конференция «Геопространственные технологии и сферы их применения». Материалы конференции. - М.: Информационное агентство «Гром», 2010, с. 10-13.
5. Методические вопросы построения глобальных и региональных геодезических сетей// Абдрахманов Р. З., Демьянов Г. В., Кафтан В. И., Побединский Г. Г. // Автоматизированные технологии изысканий и проектирования. - 2013. - N° 1(48) . - с. 80 -S5.
6. Результаты построения государственной геоцентрической системы координат Российской Федерации в рамках Федеральной целевой программы «ГЛОНАСС» // Горобец В. П., Демьянов Г. В., Майоров А. Н., Побединский Г. Г.// Геодезия и картография. - 2012. -M 2. - с. 53 - 57.
© В.П. Горобец, Г.В. Демьянов, Г.Г. Побединский, Л.И. Яблонский, 2013
