Земельно-кадастровые геодезические работы

1 Е.П. Лукьянченко ЗЕМЕЛЬНО-КАДАСТРОВЫЕ ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ РАБОТЫ КУРС ЛЕКЦИЙ Новочеркасск 2013 2 МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НОВОЧЕРКАССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕЛИОРАТИВНАЯ АКАДЕМИЯ» Е.П. Лукьянченко ЗЕМЕЛЬНО-КАДАСТРОВЫЕ ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ РАБОТЫ КУРС ЛЕКЦИЙ рекомендован для бакалавров направления 120700.62 «Землеустройство и кадастры» профиля 120702.62 «Земельный кадастр» и профиля 120704.62 «Кадастр недвижимости» Новочеркасск 2013 3 УДК 528.46:631.111: 711.14(075.8) Л 844 Рецензенты: Н.Б. Сухомлинова, доктор эконом. наук, профессор кафедры землепользования и землеустройства ФГБОУ ВПО НГМА О.А. Ткачева, канд. с.-х. наук, профессор кафедры кадастра и мониторинга земель ФГБОУ ВПО НГМА Лукьянченко, Е.П. Л 844 Земельно-кадастровые геодезические работы [Текст]: курс лекций для бакалавров направления 120700.62 «Землеустройство и кадастры», профиля 120702.62 «Земельный кадастр» и профиля 120704.62 «Кадастр недвижимости» / Е.П. Лукьянченко; Новочерк. гос. мелиор. акад. – Новочеркасск, 2013. - 88 с. В представленном курсе лекций рассмотрены системы координат, применяемые при решении земельно-кадастровых задач; определение местоположения пунктов с использованием глобальной навигационной спутниковой системы; геодезическая основа для проведения земельнокадастровых работ; способы выноса в натуру границ земельных участков; геодезические работы при межевании земельных участков и их точность. Данный курс лекций рекомендован для бакалавров направления 120700.62 «Землеустройство и кадастры». Ключевые слова: системы координат, глобальная навигационная спутниковая система, способы проектирования, способы выноса в натуру границ земельных участков, межевание земельных участков. 4 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ЛЕКЦИЯ 1 ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ РАБОТЫ ДЛЯ ЗЕМЕЛЬНОГО КАДАСТРА 1.1 Цель и задачи земельно-кадастровых геодезических работ 1.2 Цель и задачи Государственного кадастра недвижимости 1.3 Состав геодезических работ для кадастра 1.4 Исходная основа для геодезических работ при кадастре 1.5 Требования к точности геодезических работ ЛЕКЦИЯ 2 СИСТЕМЫ КООРДИНАТ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИ ЗЕМЕЛЬНО-КАДАСТРОВЫХ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ РАБОТАХ 2.1 Система геодезических параметров «Параметры Земли» (ПЗ) 2.2 Система геодезических параметров Земли «Мировая геодезическая система» МГС-84 (WGS-84) 2.3 Пространственные прямоугольные координаты 2.4 Геодезическая (референцная) система координат 2.5 Плоские прямоугольные геодезические координаты 2.6 Местные системы координат (МСК) ЛЕКЦИЯ 3 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ПЛОСКИХ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ КООРДИНАТ ИЗ ОДНОЙ СИСТЕМЫ КООРДИНАТ В ДРУГУЮ 3.1 Цель и способы преобразования координат 3.2 Графический способ преобразование координат 3.3 Аналитические способы преобразования плоских прямоугольных координат ЛЕКЦИЯ 4 ИСХОДНАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ ОСНОВА ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗЕМЕЛЬНО-КАДАСТРОВЫХ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ РАБОТ 4.1. Государственная геодезическая сеть 4.2 Городские сети и их классификация 4.3 Опорная межевая сеть 4.4 Межевые съемочные сети 4.5 Привязка межевых съемочных сетей к пунктам ОМС ЛЕКЦИЯ 5 ПРИМЕНЕНИЕ ГЛОБАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ПУНКТОВ 5.1 Спутниковые системы. Краткая историческая справка 5.2 Глобальные спутниковые системы 5.3 Принципы определения местоположения пунктов из спутниковых определений 5.4 Принципы определения относительного положения пунктов. Определение относительного положения пунктов по четырем ИСЗ 5.5 Планирование спутниковых наблюдений 5.6 Производство спутниковых наблюдений 6 7 7 8 10 11 13 15 15 16 16 17 18 19 20 20 22 23 24 24 26 27 32 32 35 35 36 43 48 50 51 5 5.7 Сведения о математической обработке спутниковых наблюдений ЛЕКЦИЯ 6 МЕЖЕВАНИЕ ЗЕМЕЛЬ 6.1 Общие положения межевания 6.2 Лица, выполняющие кадастровые работы 6.3 Состав и содержание работ при межевании объектов землеустройства 6.4 Требования к закреплению на местности границ земельного участка 6.5 Определение координат межевых знаков геодезическим методом (электронный тахеометр) 6.6 Способы межевой съемки земельных участков 6.7 Определение площади земельного участка в процессе межевания 6.8 Контроль межевания земельного участка ЛЕКЦИЯ 7 СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОЩАДЕЙ И СПОСОБЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГРАНИЦ ЗЕМЕЛЬНЫХ УЧАСТКОВ 7.1 Способы определения площадей 7.2 Аналитические способы проектирования границ земельных участков 7.3 Графический способ проектирования границ земельных участков ЛЕКЦИЯ 8 ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ РАБОТ ПРИ ПЕРЕНЕСЕНИИ НА МЕСТНОСТЬ ПРОЕКТНЫХ ГРАНИЦ ЗЕМЕЛЬНЫХ УЧАСТКОВ 8.1 Сущность геодезических работ при перенесении на местность проектных границ земельных участков 8.2 Перенесение в натуру проектных точек способом прямоугольных и полярных координат 8.3 Перенесение в натуру проектных точек способом прямой угловой и линейной засечек. 8.4 Перенесение в натуру способом проектного теодолитного (полигонометрического) хода 8.5 Перенесение в натуру способом промеров по створу 8.6 Угломерный метод 53 Список терминов 81 ЛИТЕРАТУРА 88 54 54 54 55 59 60 62 64 65 66 66 68 70 71 71 73 74 76 77 79 6 ВВЕДЕНИЕ Кадастровые работы занимают особое место в регулировании земельных отношений, так как с учетом их результатов создается единая многоаспектная информационная база недвижимой собственности, используемой для принятия и реализации решений органов государственного и муниципального управления недвижимым имуществом различных форм собственности, осуществления государственного контроля за использованием земель и различных сделок с недвижимостью, ведения мониторинга. Поэтому производству кадастровых работ особое внимание уделяют органы государственной власти и местного самоуправления, различные министерства и ведомства. Кадастровые работы многоаспектны по содержанию, методам получения и обработки данных; их проведение связано с выполнением натурных геодезических измерений и натурных обследований различной точности и состава; они ориентированы на многоцелевое использование; организация и управление ими существенно отличаются от геодезических, топографических, землеустроительных и других работ. Поэтому производство кадастровых работ должно удовлетворять требованиям достоверности, полноты, наглядности и точности полученных результатов. Многоаспектность содержания кадастровых работ обусловливает их видовые различия. Для проведения различных земельно-кадастровых геодезических мероприятий необходимо иметь информацию о размерах, форме, местоположении земельных участков и различных элементов организации территории. С этой целью составляют план (карту) землепользования и землевладения, предназначенный для определения площадей и проектирования участков различными способами, что и изучает дисциплина “Земельно-кадастровые геодезические работы” Земельно-кадастровые работы, обеспечивают единое информационное описание земельной (недвижимой) собственности, включая земельный участок и прочно связанные с ним объекты недвижимости. Поэтому в результате выполнения земельно-кадастровых работ различного содержания каждый земельный участок и объект недвижимости должны быть определены на местности, задокументированы, учтены и зарегистрированы. Такие работы весьма трудоемки и поэтому для выполнения их используются новейшие средства автоматизации и автоматизированные кадастровые системы, обеспечивающие сбор, обработку измерений, описание, учет и регистрацию земельных участков в едином технологическом цикле. 7 ЛЕКЦИЯ 1 ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ РАБОТЫ ДЛЯ ЗЕМЕЛЬНОГО КАДАСТРА 1 .1 Ц е л ь и з а д а ч и з е м е л ь но - ка д а с т р о в ых г е о д е з и ч е с к их работ Прикладная геодезия играет важную роль в решении многих задач хозяйства страны: при изысканиях, проектировании и строительстве самых различных сооружений, при планировке, озеленении и благоустройстве населенных пунктов, кадастре недвижимости, земле- и лесоустройстве, осушении и орошении земель, при разведке и разработке месторождений полезных ископаемых, при наблюдениях за деформациями сооружений и т.д. Важнейшая роль отведена геодезии в составлении и ведении государственного кадастра недвижимости, данные которого служат для рационального использования земель и их охраны, регулирования земельных отношений, планирования сельскохозяйственного производства, обоснования размеров платы за землю, оценки хозяйственной деятельности, а также осуществления других мероприятий, связанных с использованием земель. Проведение мероприятий по кадастру и землеустройству всегда начинается с определения местоположения объекта и составления или изучения плана (карты) этого объекта. Для изготовления планов (карт), определения координат поворотных точек, нахождения границ земельных участков, вычисления площадей, перенесения границ земельных участков на местность проводятся геодезические работы. Геодезические работы подразделяются на полевые и камеральные. Главным содержанием полевых работ являются измерения на местности, а камеральных – вычисления и создание различных картографических материалов. На местности измеряются горизонтальные и вертикальные углы, наклонные, горизонтальные и вертикальные расстояния. Для измерений применяют теодолиты, нивелиры, тахеометры, дальномеры, мерные ленты, рулетки и проволоки и т.п. результаты измерений записываются в журналы установленной формы или запоминаются в модуле памяти прибора. При этом одновременно составляется схематический чертеж (абрис). Вычисления заключаются в математической обработке результатов измерений. Для вычислений применяются таблицы, графики, номограммы, различные вычислительные машины, компьютеры. Картографические материалы включают: топографические карты и планы; планы (карты) границ земельных участков; цифровые модели местности; электронные карты (планы). 8 Эти картографические материалы создаются на основе результатов измерений и вычислений. В результате геодезических работ получают следующие геодезические данные: - плоские прямоугольные координаты поворотных точек границ земельного участка; - горизонтальные проложения и дирекционные углы между смежными поворотными точками; - площадь земельного участка. Геодезические данные показываются на плане (карте) земельного участка и плане (карте) границ земельного участка. Планы, карты и цифровые модели местности используются для межевания земель и постановки на кадастровый учет, отвода земельных участков, уточнения и изменения границ землепользований, внутрихозяйственной организации территорий сельскохозяйственных предприятий, проведения почвенных, геоботанических и других обследований и изысканий, проектирования и вынесения в натуру проектов сельскохозяйственных объектов и решения других задач. Итак, целью геодезических работ является – установление (восстановление) границ земельных участков с закреплением поворотных точек межевыми знаками, определение плоских прямоугольных координат этих точек и дирекционных углов, вычисление площадей земельных участков. 1.2 Цель и н е д в и ж им о с т и задачи Го с у д а р с т в е н но г о ка д а с т р а В зависимости от структуры объектов кадастра (земельный участок и объекты недвижимости) различают следующие виды кадастровых работ: 1. Земельно-кадастровые работы – сбор кадастровой информации о земельных участках; 2. Инженерно-кадастровые работы – сбор кадастровой информации об объектах недвижимости, расположенных на заданных земельных участках. До марта 2008 года в зависимости от структуры объектов кадастра различали и создаваемый на данную территориальную зону кадастр (земельный кадастр, городской кадастр, муниципальный кадастр, градостроительный кадастр, кадастр железных и автомобильных дорог и т.д.). В настоящее время все перечисленные кадастры являются подразделами одного кадастра – Государственного кадастра недвижимости. Таким образом, в настоящее время, имеет место большое число ведомственных кадастров, в которых содержится кадастровая информация на все недвижимое имущество, расположенное в соответствующей территориальной зоне. Следовательно, одной из задач Государственного кадастра недвижимости является объединение всей информации в единый 9 банк данных. Однако независимо от видов объектов кадастра, основным объектом всех кадастровых действий и процедур в России в первую очередь является земельный участок. Для реализации закона о кадастре объектов недвижимости используются следующие категории: - земельные участки - это обособленные в правовом отношении части территориальной зоны. Они характеризуются внешними границами в виде замкнутого контура, с установленными линейными и площадными размерами. Внешняя граница должна быть зафиксирована на кадастровой карте и на земной поверхности в виде межевых знаков; - здания, определяемые как строения, состоящие из несущих и ограждающих или совмещенных конструкций; - сооружения, определяемые как наземные, надземные, подземные или подводные инженерно-строительные системы, имеющие объемный, плоскостной, линейный, высотный или смешанный вид; - помещения, определяемые как внутренние изолированные части здания или сооружения; объекты незавершенного капитального строительства. Государственный кадастр недвижимости должен выполнять следующие функции: 1. Обеспечивать право собственности физических или юридических лиц на объекты кадастра; 2. Позволять государству эффективно проводить налоговую политику; 3. Обеспечивать оптимальное управление заданной территориальной зоной. В настоящее время Государственный кадастр недвижимости разделяется на учет, контроль и регистрацию. В тоже время, созданному Федеральному агентству кадастра объектов недвижимости переданы следующие функции: 1. Проведение территориального землеустройства; 2. Подготовку землеустроительных материалов для установления государственной границы РФ, субъектов РФ и муниципальных образований; 3. Выполнение технической инвентаризации объектов градостроительной деятельности; 4. Проведение Государственной кадастровой оценки земли; 5. Создание и ведение Государственного земельного кадастра, Государственного градостроительного кадастра и Государственного кадастра объектов недвижимости; 6. Государственный мониторинг земель в Российской Федерации; 7. Государственный земельный контроль. 10 1.3 Состав геодезических работ для кадастра Геодезические работы занимают в кадастре значительное место. Их состав зависит от назначения кадастра и степени его автоматизации. Однако в большинстве случаев работа ведется по следующей схеме. 1. Подготовительные работы. В процессе подготовительных работ собирают и анализируют следующие материалы: • проект землеустройства; • постановление административного органа об отводе земельного участка; • договора о купле-продаже или аренде земельного участка; • выписки из книги регистрации земельного участка; • чертеж границ или топографический план земельного участка; • схемы и списки координат пунктов государственной или местной геодезических сетей; • сведения об использовании земель. 2. Полевое обследование пунктов опорной геодезической сети. Выполняют с целью проверки сохранности пунктов и выбора наиболее выгодной технологии проведения геодезических работ. 3. Составление технического проекта. Геодезические работы выполняют по заранее составленному техническому проекту, который включает: текстовую часть, графические материалы и смету затрат. 4. Кадастровые съемки. В зависимости от назначения кадастра производят в тех же масштабах, теми же способами и с той же точностью что и топографические. Базовым является масштаб 1:500, наиболее широко используемым — 1:2000, обзорно-справочным — 1:10000 и мельче. На кадастровых картах и планах дополнительно изображают границы земельных участков, владений, сельскохозяйственных и других земельных угодий; кадастровые номера и наименования земельных участков; дают экспликацию (описание) категорий использования земель и других кадастровых сведений. Кадастровые карты и планы могут не содержать информацию о рельефе местности. 5.Установление и согласование границ земельных участков на местности. Границы земельных участков выносят на местность по координатам характерных точек от пунктов геодезического обоснования и закрепляют специальными межевыми знаками. В случае, когда границы каким-то образом закреплены ранее, определяют координаты закрепленных точек. Согласование установленных границ производят в присутствии представителя Государственной власти, владельцев или пользователей участка и участков, смежных с ним. 6. Определение площадей земельных участков. Площади земельных участков вычисляют в основном аналитическим методом по координатам межевых знаков. 11 7. Составление чертежей границ земельных участков. Чертежи границ земельных участков составляют в масштабе основного кадастрового плана (или крупнее) по результатам установления на местности и согласования границ. 8.Контроль и регистрация результатов кадастровых работ. Результаты кадастровых работ подлежат обязательному полевому контролю, так как в процессе его выполнения устраняются возможные ошибки и несогласованности, возникшие в процессе съемок, Кроме того, контролируют соблюдение требований технического задания и соответствующих инструкций на производство топографо-геодезических работ. Полученная в результате работ информация переносится в специальные реестры и отображается на кадастровых картах или планах. 9. Кадастровые съемки. Ведение базы данных. Для систематизации и управления большими объемами текстовой и графической кадастровой информации создается и ведется база данных. Ее наличие предусматривает не только хранение информации, но и оперативную выдачу ее потребителю. Кроме указанных работ геодезист участвует в планировании землепользования, оценке состояния и стоимости земель, в разрешении возникающих споров. 1 . 4 И с х о д на я о с н о в а д л я г е о д е з и ч е с к их р а б о т п р и кадастре Для проведения геодезических работ при кадастрах используется исходная основа, состоящая из геодезических сетей и топографических карт (планов). Геодезическая сеть представляет собой совокупность геодезических пунктов, расположенных и закрепленных на местности специальными центрами и геодезическими знаками. Геодезическая сеть подразделяется на государственную геодезическую сеть (ГГС), специальную геодезическую сеть (СГС) и геодезические съемочные сети. Все эти сети разделяются на плановые сети и высотные сети. Государственная геодезическая сеть является основой для проведения геодезических работ на всей территории страны. Она представляет собой структуру, в которую входят геодезические построения различных классов точности: фундаментальная астрономо-геодезическая сеть; высокоточная геодезическая сеть; спутниковая геодезическая сеть 1 класса; астрономо-геодезическая сеть и 2 геодезические сети сгущения. Высший уровень в структуре ГГС занимает фундаментальная астрономо-геодезическая сеть. На ее основе создаются остальные сети. Для геодезических работ, в основном, используются геодезические сети сгущения 12 3 и 4 классов точности. Плотность пунктов этих сетей составляет 1 пункт на 20 км2 (среднее расстояние между пунктами 3..6км). Точность положения пунктов характеризуется средней квадратической погрешностью не более 0,05 м. В случаях, когда такая точность и плотность не обеспечивает качественного выполнения геодезических работ, создается специальная геодезическая сеть в виде опорной межевой сети (ОМС). В городах для установления (восстановления) границ земельных участков как объектов недвижимости создают ОМС1, а в черте других поселений и на землях сельскохозяйственного назначения ОМС2, при этом плотность пунктов должна быть не менее: - четырех на 1км2 – в черте города (ОМС1); - двух на 1км2 – в черте других поселений (ОМС2); - четырех на один населенный пункт – в поселениях площадью менее 2км2; - на землях сельскохозяйственного назначения и других землях – число пунктов устанавливается на основе технического проекта. Средние квадратические погрешности взаимного положения пунктов не должны превышать для ОМС1 – 0,05м, ОМС2 – 0,10м. Геодезическую съемочную сеть или межевую съемочную сеть создают с целью сгущения ОМС для использования в качестве геодезической основы при геодезических работах. Точность положения и плотность точек межевой съемочной сети устанавливается заданием на проведение геодезических работ. Для первоначального изучения местности, рекогносцировки, обзорных целей, эскизных решений при геодезических работах используются топографические карты масштаба 1: 10 000, 1: 25 000, 1: 50 000, 1: 100 000 и аэрофотоснимки. Карты создаются в равноугольной поперечноцилиндрической проекции Гаусса – Крюгера. Высоты точек местности даны от уровня Балтийского моря, точнее, от нуля Кронштадского футштока. Топографические карты создаются по материалам аэрофотосъемки или по картографическим материалам более крупных масштабов. Точность карт характеризуется средней погрешностью в положении на карте местных предметов и контуров в равнинной и холмистой местности не более 0,5мм, в горных, высокогорных и пустынных районах – 0,75мм. Приведенные погрешности характеризуют положения контуров и местных предметов относительно пунктов геодезических сетей, но так как погрешности в положении этих пунктов малы, то можно считать, что указанные значения характеризуют абсолютные погрешности в положении контуров и местных предметов на карте. Средние погрешности высот, подписанных на карте, зависят от характера рельефа и могут достигать величин (в метрах), указанных в таблице 1. 13 Таблица 1 - Значения среднеквадратических погрешностей высот точек Местность Масштаб карты 1: 50000 2,5 3,0 5,0 1: 25000 0,8 1,6 2,5 Плоскоравнинная Равнинная и холмистая Горная 1: 100000 5,0 7,0 10,0 1 . 5 Т р е б о в а ни я к т о ч но с т и г е о д е з и ч е с к их р а б от При геодезических работах проводятся измерения, графические построения и аналитические расчеты, которые неизбежно сопровождаются погрешностями. Поэтому абсолютно точных геодезических работ не существует. Погрешности определения координат межевых знаков, поворотных точек земельных участков и дирекционных углов их сторон ведут к искажению размеров и форм участков, что приводит к сложностям в постановке на учет. В таблице 2 приведены требуемые значения средних квадратических погрешностей положения пунктов межевой съемочной сети (МСС), межевых знаков и характерных точек для различных земель. Таблица 2 – Точные и другие характеристики межевания земель Градация земель Средняя квадратическая погрешность взаимного положения пунктов (ОМЗ) не более (мм) 1 Земли поселений (города) 0,05 Средняя квадратическая погрешность положения межевых знаков относительно пунктов ГГС, ОМС (ОМЗ) не более (мм) 0,10 2 Земли промышленности и иного специального назначения 3 Земли сельскохозяйственного назначения (кроме земель, указанных в п. 2), земли особо охраняемых территорий и объектов 4 Земли лесного фонда, земли водного фонда, земли запаса Рекомендуе мые масштабы базовых кадастровы х карт и планов не менее 4 на 1 км2 1:1000 1:2000 1:2000 1:5000 0,05 0,20 не менее 4 на населенный пункт, дачный поселок, садоводческое товарищество То же 0,50 - - узловые точки 3х и более землевладений и землепользований 1:10000 1:25000 2 Земли поселений (поселки, сельские населенные пункты); земли, предоставленные для ведения личного подсобного хозяйства, садоводства, огородничества, дачного и жилищного строительства Плотность (густота) пунктов ГГС и ОМС (ОМЗ) То же То же 2,50 5,00 То же 1:25000 1:50000 Примечание. Базовые кадастровые карты являются исходными для создания кадастровых карт и планов земельного участка, села, поселка, сельского административного округа, административного района, города, республики, края, области. 14 Эти искажения ухудшают условия производственной деятельности сельскохозяйственных предприятий и нарушают их экономическую целесообразность. Точность выполнения геодезических работ зависит от взятой исходной основы, выбранного способа измерения, применяемого при этом геодезического прибора и квалификации исполнителя, а также от физикогеографических условий местности и погоды. Геодезические работы должны осуществляться в соответствии с заданием на их проведение, но так, чтобы обеспечивали точностные требования и экономическую целесообразность. Требования к точности геодезических работ различают в зависимости от хозяйственного значения участков, на которых они выполняются, и их особенностей. Из таблицы 2 следует, что более точно определяют положения межевых знаков и точек для земель поселений и промышленности. Менее точно для других земель. Приведенные погрешности необходимо учитывать при планировании, организации и проведении геодезических работ. Учет влияния погрешностей и выбора геодезического прибора для обеспечения необходимой точности можно показать следующим примером. Исполнитель при выносе в натуру проектных точек применяет способ полярных координат, т.е. положение проектной точки P получает путем построения проектного угла β и откладывании по полученному направлению проектного расстояния Д (рисунок 1). По заданию положение проектной точки должно характеризоваться среднеквадратической погрешностью не более 0,2м. Рисунок 1 - Схема определения положения точки Тогда, зная из теории погрешностей формулу вычисления среднеквадратической погрешности положения точки mp, при этом способе можно применить тот или иной прибор и соответствующую технологию геодезических работ. Контрольные вопросы 1. Какова цель геодезических работ при кадастре? 2. Какой состав геодезических работ для кадастра? 3. Что является основой для проведения геодезических работ? 15 4. Какие геодезические сети используются для выполнения земельнокадастровых геодезических работ? 5. В чем отличие геодезических сетей ОМС1, ОМС2 и МСС? 6. Каким образом следует учитывать точность геодезических земельнокадастровых геодезических работ? ЛЕКЦИЯ 2 СИСТЕМЫ КООРДИНАТ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИ ЗЕМЕЛЬНОКАДАСТРОВЫХ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ РАБОТАХ 2.1 С ис т е м а З е м л и» ( П З ) г е о д е з ич е с ких параметров «Параметры Для определения объектов на земной поверхности используют системы: пространственных прямоугольных координат; геодезических координат; плоских прямоугольных геодезических координат; нормальных высот. Эти системы координат связаны с системой геодезических параметров, называемой «Параметры Земли» (ПЗ). Она включает в себя: фундаментальные астрономические и геодезические постоянные; параметры общего земного эллипсоида; систему координат; характеристики модели гравитационного поля Земли; элементы трансформирования между ПЗ и национальной референцной системой координат. К системе ПЗ методологически обоснованно отнесены также детальные характеристики гравитационного поля в Мировом океане (высоты квазигеоида, аномалии силы тяжести и уклонения отвесных линий); карты высот квазигеоида над общим земным эллипсоидом и референц-эллипсоидом Красовского. Начальное положение координатных осей ПЗ устанавливали по результатам обширных многолетних астрономических и геодезических измерений и по мере их совершенствования на протяжении многих лет постоянно уточняли. В России введена (в 1990 годы) система «Параметры Земли», (ПЗ-90), в которой местоположение точек земной поверхности могут быть получены в системе пространственных прямоугольных или геодезических координат. Отличия в системах геодезических параметров ПЗ-90 и WGS- 84 объясняется использованием разных параметров земного эллипсоида и его ориентирования в теле земли. Таблица 3 – Основные характеристики параметров земных эллипсоидов следующие: Параметр Большая полуось α, м Знаменатель сжатия ПЗ-90 6 378 136 м 1: 298, 257839 WGS-84 6 378 137 м 1: 298, 257234 16 2.2 С ис т е м а г е о д е з ич е с ки х па р а м е т р о в Земли « М и р о в а я г е о д е з ич е с ка я с ис т е м а » М ГС - 8 4 ( W G S - 8 4 ) Теоретически система геодезических параметров Земли «Мировая геодезическая система», в дальнейшем названная «WGS-84», построена на таких же принципах, как и система ПЗ-90. Вместе с тем, между ними имеются существенные различия: взаимное несоответствие их начал координат и направлений координатных осей. Так, на рисунке 3 показаны две системы пространственных прямоугольных координат: первая Х1, Y1 и Z1 c началом в точке О1 и вторая Х2, Y2 и Z2 в точке О2. Рисунок - 3 Параметры связи двух пространственных систем прямоугольных координат Начало этих систем смещено относительно друг друга вдоль координатных осей на величины X0, Y0 и Z0. При этом координатные оси второй системы развёрнуты относительно первой на углы поворота ωх, ωy,ωz. Параметры Х0,Y0, Z0, ωx, ωy, ωz и коэффициент m (масштабный коэффициент), характеризующий соотношение масштабов двух систем, называют элементами трансформирования. Численные значения элементов трансформирования между системами координат равны: Х0=-1,08±0,2м; Y0=-0,27±0,2м; Z0=0,9±0,3м; ωх =0″; ωy=0″; ωz=(-0,16±0,01)″; m=(-0,12±0,6)- 10-6 2 . 3 П р о с т р а нс т в е нн ые пр ям о уг о л ь н ые ко о р д и на т ы За начало координат в этой системе принимают центр общего земного эллипсоида О, совпадающий с центром масс Земли (геоцентрическая система координат). Ось OZ располагается по полярной оси эллипсоида Р1ОР и направлена в Международное условное начало (МУН); ось ОХ - в плоскости экватора в меридиане РЕР1, который принимают за начальный; ось ОY- в плоскости экватора, но в меридиане РКР1, плоскость которого составляет с плоскостью начального меридиана угол 900. 17 Рисунок – 4 Пространственные прямоугольные координаты Положение точки Т поверхности эллипсоида в системе пространственных прямоугольных координат определяется координатами: абсциссой Хт=Т1Т2; ординатой Yт=ОТ2 и аппликатой Zт=ТТ1, что видно на рисунке 4. 2 .4 Ге о д е з ич е с ка я ( р е ф е р е н ц на я ) с ис т е м а ко о р д и на т Система референцных координат связана с конкретным референцэллипсоидом. Начало данной СК совпадает с центром референц-эллипсоида, положение которого не совпадает с центром масс Земли. Основными линиями этой системы являются меридианы и параллели. Начальным меридианом является гринвичский (нулевой) меридиан. Плоскость начального меридиана совпадает с плоскостью ZOX пространственной прямоугольной системы координат. Параллели лежат в плоскостях перпендикулярных малой оси эллипсоида. Линию пересечения эллипсоида с плоскостью, проходящей через центр эллипсоида и перпендикулярной малой оси, называют экватором. Положение точки относительно общеземного эллипсоида определяют её геодезические координаты: геодезическая широта В, геодезическая долгота L и геодезическая высота Н. Геодезическая широта В - острый угол, образованный нормалью к поверхности эллипсоида, проведённой через заданную точку на поверхности Земли и плоскостью экватора. Геодезической долготой L - называют двугранный угол между плоскостью гринвичского (начального) меридиана и плоскостью меридиана данной точки. Геодезической высотой Н является отрезок по нормали к эллипсоиду от точки, находящиеся на земной поверхности, до поверхности эллипсоида (рисунок 5) На рисунке 5 А- нормаль; PGP1-гринвичский меридиан. 18 Рисунок - 5 Геодезические координаты Геодезические широты бывают северные и южные и изменяются от 00 (на экваторе) до ±900 (на земных полюсах). Геодезические долготы бывают восточные и западные. Они изменяются от 00 на Гринвичском меридиане до1800 на его тихоокеанской ветви. 2 . 5 П л о с к ие п р я м о у г о л ь н ые г е о д е з ич е с к ие ко о р д и на т ы Для практического использования гораздо удобнее система плоских прямоугольных геодезических координат (в дальнейшем плоских прямоугольных координат). Такие координаты получают, если поверхность земного эллипсоида (референц-эллипсоида) изобразить на плоскости по соответствующим математическим правилам, т.е. в какой-либо картографической проекции. Пространственные прямоугольные координаты точки X,Y и Z связаны с её геодезическими координатами В, L и Н следующими соотношениями: X=(N+H) cos B cos L (1) Y=(N+H)cos B sin L (2) В РФ для перехода от геодезических координат (В;L) к плоским прямоугольным координатам (X,Y) используют поперечную цилиндрическую равноугольную картографическую проекцию, называемую проекцией Гаусса-Крюгера, а система координат в этой проекции – Единой государственной системой координат Российской Федерации. В основу проекций Гаусса - Крюгера положено разделение поверхности общего земного эллипсоида на шестиградусные зоны с помощью меридианов (рисунок 5). Зоны представляют собой двуугольники, имеют граничные меридианы, расположенные друг от друга на 60 по геодезической долготе (L) и осевой (средний) меридиан. Долгота осевого (среднего) меридиана определяется по формуле L0= 60 N -30 (3) где N-номер зоны. 19 Рисунок 6 - Принцип построения проекции Гаусса – Крюгера Каждую шестиградусную зону проектируют на плоскость и номеруют арабскими цифрами, начиная от гринвичского (начального) меридиана, с запада на восток. При проектировании осевой (средний) меридиан и экватор изображается на плоскости в виде прямых линий (рисунок 6), которые принимают за оси координат плоской прямоугольной системы координат. Ось ординат Y направлена на восток и совмещена с изображением линий экватора, ось абсцисс Х совмещена с изображением линии осевого меридиана и направлена на север. Положение точки относительно осей координат определяется координатой Х - удалением точки от осевого меридиана. Чтобы исключить из обращения отрицательные значения координаты Y ко всем координатам добавляют постоянное число 500 000м. Для указания координатной зоны нахождения точки, к координате Y слева приписывают номер зоны. В результате получают число, представляющее собой условную координату. Координаты Х точек на всей территории России положительны, их оставляют без изменения. 2 .6 Ме с т ны е с ис т е м ы ко о р д ина т ( МСК ) В целях ведения кадастра недвижимости на территории РФ, определения координат точек границ земельных участков применяют местные системы координат, которая задаётся в пределах кадастрового округа. Местная система плоских прямоугольных координат является системой плоских прямоугольных геодезических координат с местными координатами сетками проекции Гаусса. Осевой меридиан местной системы координат, как правило, не совпадает с осевым меридианом шестиградусной зоны, поэтому в определении местной системы координат указана проекция Гаусса, а не Гаусса-Крюгера. При разработке местных систем координат используют параметры эллипсоида Красовского и применяют Балтийскую систему высот. Местные системы координат имеют название. Названием системы может являться её номер, равный, на пример, коду (номеру) субъекта РФ или города, устанавливаемому в соответствии с «Общероссийским классификатором объектов административно - территориального деления». В каждой местной системе координат устанавливаются следующие параметры координатной сетки проекции Гаусса, называемые «ключом» МСК: 20 Долгота осевого меридиана первой зоны L0; Число координатных зон N; Угол поворота осей координат θ местной системы относительно государственной в точке местного начала координат; • Масштаб местной системы координат относительно плоской прямоугольной системы геодезических координат СК-45 или СК95; • Высота Н0 поверхности (плоскости) принятой за исходную, к которой приведены измерения и координаты в местной системе; • Референц-эллипсоид, к которому отнесены измерения в местной системе координат; • Соответствующие формулы преобразования плоских прямоугольных геодезических координат. Если в местной системе координат несколько координатных зон проекции Гаусса, то расстояние по долготе между соседними осевыми меридианами (ширина координатной зоны) составляет 30. Условное начало Х0 Y0 в местных системах координат выбирают так, чтобы координаты в пределах зоны были положительными. Каждая местная система координат имеет тесную связь с единой государственной системой плоских прямоугольных координат. • • • Контрольные вопросы 1.Что включает в себя система геодезических параметров, называемой «Параметры Земли»? 2. Какие величины являются геодезическими координатами? Покажите рисунком? 3. Какие величины являются плоскими прямоугольными координатами. Покажите рисунком. 4. В чем отличие пространственных прямоугольных координат и плоских прямоугольных геодезических координат? 5. Поясните устройство местной системы координат. 6. Какие параметры называют «ключом» местной системы координат? ЛЕКЦИЯ 3 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ПЛОСКИХ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ КООРДИНАТ ИЗ ОДНОЙ СИСТЕМЫ КООРДИНАТ В ДРУГУЮ 3 . 1 Ц е л ь и с по с о б ы пр е о б р а з о в а ни я ко о р д ина т В практике геодезических работ приходится сталкиваться со случаями, когда точки границ земельного участка находятся в разных координатных зонах проекции Гаусса. 21 Ещё чаще встречаются случаи, когда при создании плана (карты) границ земельного участка используются планы (карты) других участков, составленные в разных местных системах координат. Местные системы координат могут иметь различные условные начала и углы поворота осей координат относительно государственной системы координат и относительно друг друга. Таким образом, наличие координатных зон, на которые делится земная поверхность при использовании плоских прямоугольных координат в проекции Гаусса, а также местных систем координат, приводит к необходимости преобразовывать эти координаты из системы одной зоны в систему другой зоны, т.е. из зоны в зону. Задача преобразования координат из зоны в зону состоит в том, что по данным координатам Х1, Y1 точки А в системе одной зоны (рисунок 7) требуется найти: координаты X2, Y2 той же точки А в системе другой зоны. Эта задача может решаться графическим и аналитическими способами. Рисунок 7 - Преобразование координат Способ преобразования координат по двум связующим точкам. Для применения данного способа две или более точки должны иметь ординаты в одной и другой системе координат. Такие точки называются связующими. Этот способ чаще всего применяется для преобразования координат из одной местной системы координат в другую. В основу способа положен перенос начала отчёта координат одной системы (точка О1) в начало отчёта другой системы (точка О2) с одновременным разворотом второй относительно первый угол Ө (рисунок 8) Рисунок 8 - Схема положения точки в разных системах координат 22 Такая задача решается в аналитической геометрии по следующим формулам: X2=X0+X1 cosӨ- У1sin Ө (4) Y2=Y0+Y1 cos Ө+X1 sin Ө; (5) где X0 и Y0 координата начала отчёта новой системы координат; Х1; Y1, X2, Y2- координаты точки в старой и новой системах координат; Ө-угол поворота осей координат. Задача по преобразованию координат из одной местной системы в другую может быть такой: имеются координаты n- точек в системе координат одной зоны, требуется определить координаты этих точек в системе координат другой зоны. Из всех n- точек две точки, например А и В которые являются связующими имеют координаты в одной и другой системах координат. Тогда, решив две обратные геодезические задачи для отрезка, координаты начальной 1 и конечной 2 точек которого заданы в старой системе координат; для этого же отрезка, но в новой системе координат. В результате решения этих задач получают соответствующие дирекционные углы α и горизонтального положения S, а именно: в старой системе координат – α1 и S1, а в новой – α2 и S2. Угол разворота θ вычисляют по формуле θ =α2-α1 (6) Находят масштабный множитель m=S2/S1 (7) а также коэффициенты К1= т cosθ и К2=т sinθ. Коэффициенты К1 и К2 являются значениями поправок в приращения координат за преобразование координат точек из одной системы координат в другую. Используя эти коэффициенты координаты других (n-2)точек. Преобразуются так для следующей после точки в координаты точки С будут: Xc′=XB′+(XC-XB)K1- (YC-YВ) К2 (8) (9) YC′=YВ′+(YC-YВ)К1+ (ХС-ХВ)К2 В этих формулах Хв, YВ; ХС, YС координаты точки В и С в системе координат исходной зоны, а ХВ′ YВ′; ХС; YC′ преобразованные координаты этих точек. Таким же образом осуществляется преобразование координат последующих точек. 3 .2 Гр а ф ич е с кий с по с о б пр е о б р а з о в а ни е ко о р д и на т Графический способ преобразование координат основан на использовании дополнительной сетки плоских прямоугольных координат. Такая сетка прямоугольных координат, точнее, выходы координатных линий смежной зоны (западной или восточной) имеется на картах в пределах 00 30′ полосы к востоку и западу от граничного меридиана зон. Задача нахождения координат точки в системе другой зоны сводится к нанесению на 23 карту этой точки по исходным координатам X1, Y1пользуясь основной сеткой прямоугольных координат, и затем определению координат этой точки в системе другой зоны (X2, Y2) пользуясь дополнительной сеткой. Считается, что точность преобразования координат характеризуются среднеквадратической погрешностью 0,2-0,3мм в масштабе карты, а такая точность не всегда отвечает требованиям нормы точности. В связи с этим, графический способ преобразования координат из одной плоской прямоугольной системы в другую следует применять для контроля преобразования аналитическими способами или на стадии эскизного проектирования земельных участков. 3 . 3 А на л ит ич е с к ие с по с о б ы п р е о б р а з о в а ни я п л о с к их п р ям о у г о л ь ных ко о р д ина т Способ, основанный на зависимости между геодезическими и плоскими прямоугольными координатами. Этот способ состоит в том, что, имея плоские прямоугольные координаты (X1;Y1) точки в одной зоне вычисляются её геодезические координаты (B; L). Затем с учѐтом разности долгот осевых меридианов соответствующих зон, используя найденные геодезические координаты (В; L′), вновь определяют плоские прямоугольные координаты (X2;Y2) точки, но в смежной зоне. Для 60-градусной зоне L′=L±60, значение широты в соответствии с проекцией Гаусса не изменяется. В этих случаях для описания положения точек берут системы координат обеих смежных зон. Упрощенные формулы перехода от геодезических координат точки к плоским прямоугольным координатам имеют вид: (10) (11) где Х- длина дуги меридиана от экватора до параллели данной точки; N- радиус кривизны поверхности эллипсоида; p - значение радиана; l=L-L0- разность долгот меридиана данной точки и осевого меридиана зоны; В -геодезическая широта точки. Значение величин входящих в эти формулы можно показать следующим рисунком (рисунок 9). 24 Рисунок 9 - Зависимость геодезических и плоских прямоугольных координат точки Для преобразования плоских прямоугольных координат из одной 6градусной зоны в другую могут применяться различные таблицы, в которых даны рекомендации по их применению. Контрольные вопросы 1. Какие причины вызывают необходимость выполнять преобразование координат? 2. На чем основан графический способ преобразование координат? 3. В каких случаях следует применять графический способ преобразование координат? 4. Какие аналитические способы преобразование координат существуют? 5. Каким образом можно преобразовать координаты из одной 6градусной зоны в другую? 6. Какие данные необходимо иметь, чтобы применить способ преобразования координат по связующим точкам. Какие величины необходимо вычислять для введения поправок в приращения координат? ЛЕКЦИЯ 4 ИСХОДНАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ ОСНОВА ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗЕМЕЛЬНО-КАДАСТРОВЫХ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ РАБОТ 4 .1 . Го с у д а р с т в е н на я г е о д е з и ч е с ка я с е т ь Государственная геодезическая сеть (ГГС) представляет собой совокупность геодезических пунктов, расположенных равномерно по территории и закрепленных на местности специальными центрами, обеспечивающими их сохранность и устойчивость в плане и по высоте в течение длительного времени. В основном она предназначена для решения задач, имеющих хозяйственное, научное и оборонное значение: - создание и распространение государственной геодезической референцной системы координат на всей территории страны, поддержание ее 25 на уровне современности; - геодезического обеспечения картографирования страны и акваторий окружающих ее морей; - геодезическое обеспечение изучения земельных ресурсов и землепользования, строительства, разведки и освоения природных ресурсов; изучения геодинамических явлений, поверхности и гравитационного поля Земли; - обеспечения исходными геодезическими данными средств измерений, морской и аэрокосмической навигации, аэрокосмического мониторинга земель, природной и техногенной сред; - метрологического обеспечения высокоточных технических средств определения месторасположения ориентирования. ГГС включает в себя геодезические построения различных классов точности: - фундаментальную астрономо-геодезическую сеть; - высокоточную геодезическую сеть; - спутниковую геодезическую сеть 1 класса; - астрономо-геодезическую сеть и геодезические сети сгущения. Строят ее по принципу от общего к частному. Высший уровень в структуре ГГС — фундаментальная астрономо - геодезическая сеть (ФАГС). Она является исходной основой для распространения на территории страны общеземной геоцентрической системы координат. Для определения положения пунктов ФАГС в такой системе координат используют методы космической геодезии. Они обеспечивают высокую точность их взаимного положения. Например, положение пунктов ФАГС в общеземной системе координат характеризуется средней квадратической погрешностью не более 10... 15см, а средняя квадратическая погрешность взаимного положения пунктов ФАГС, удаленных один от другого на расстояние 650...1000 км, не должна превышать 1см в плане и 3см по высоте. Пункты ФАГС должны иметь нормальные высоты, для определения которых используют геометрическое нивелирование не ниже II класса точности. Высокоточная геодезическая сеть (ВГС) опирается на пункты ФАГС. Она представляет собой однородную по точности систему, пункты которой удалены один от другого на расстояние 150..300 км. С помощью пунктов ВГС распространяют на всю территорию страны общеземную систему координат, а также уточняют параметры взаимного ориентирования общеземной и референцной систем координат и решают некоторые другие задачи. Координаты пунктов ВГС относительно пунктов ФАГС определяют со средними квадратическими погрешностями, равными 1...2см в плановом положении и 3см по геодезической высоте. Спутниковая геодезическая сеть 1 класса (СГС-1) — третий уровень в структуре современной ГГС. Она представляет собой геодезическое построение, создаваемое в целях эффективного использования спутниковых 26 технологий при переводе геодезического обеспечения территории страны на спутниковые методы. Исходной основой для создания СГС-1 служат ближайшие пункты ФАГС и ВГС. СГС-1 в первую очередь создают в экономически развитых районах страны. Расстояние между пунктами СГС-1 в среднем составляет 25...35км. С учетом требований отраслей народного хозяйства плотность пунктов на отдельных территориях может быть увеличена, что обеспечит широкому кругу производителей работ оптимальные условия по применению ГЛОНАСС и GPS аппаратуры в производственной деятельности. Средние квадратические погрешности по каждой из плановых координат пунктов СГС-1 относительно ближайших пунктов ВГС не должны превышать 1см. Нормальные высоты этих же пунктов устанавливают, используя спутниковое, а также геометрическое нивелирование I...II классов. Астрономо-геодезическая сеть 1 и 2 классов (АГС) и геодезические сети сгущения 3 и 4 классов (ГСС) можно создавать как традиционными астрономо-геодезическими и геодезическими методами, так и с использованием спутниковых технологий. Средняя длина стороны в АГС обычно составляет 12км. Астрономо-геодезическая сеть задает на всей территории страны геодезическую референцную систему координат и распространяет с необходимой для практики плотностью пунктов общеземную систему координат. Геодезические сети сгущения 3 и 4 классов — главная плановая основа топографических съемок всего масштабного ряда. Исходной основой для их создания служат пункты АГС и СГС-1. Средняя длина сторон в ГСС 3 класса составляет 6км, а 4 класса — 3км. Точность взаимного положения смежных пунктов АГС и ГСС характеризуется средней квадратической погрешностью, не превышающей 5см. Положение пунктов ГГС определяют в двух системах геодезических координат: общеземной и референцией. Между ними установлена однозначная связь, обусловленная параметрами взаимного перехода — элементами ориентирования. Референцная система геодезических координат и элементы ее ориентирования относительно общеземной системы координат обязательны для использования на территории страны всеми ведомствами Российской Федерации. 4 .2 Го р о д с к ие с е т и и их кл а с с иф и к а ц и я Новая Концепция перехода топографо-геодезического производства на автономные методы спутниковых координатных определений вызвала необходимость пересмотра традиционных подходов к вопросам реконструкции существующих и создания новых городских геодезических сетей. Целью реконструкции городских геодезических сетей является повышение точности координат сети, а также надежности определения параметров преобразования между общеземной геоцентрической координатной 27 системой, государственной и городской (местной) геодезической системами координат. Главной особенностью этих работ является необходимость сохранения городской системы координат, в которой ранее были выполнены крупномасштабные (1:500—1:2000) съемки городов, и одновременно с этим обеспечения высокой однородной точности городской геодезической сети для решения других топографо-геодезических задач (выполнения топографических съемок и топографо-геодезических изысканий, землеустройства, межевания и инвентаризации земель, инженерногеодезической подготовки объектов строительства и т.д.). В соответствии с основными инструктивными документами прошлых лет ранее созданные городские геодезические сети по точности взаимного положения пунктов подразделялись на классы и разряды. Работы по реконструкции городской геодезической сети, как правило, выполняют в два этапа. На первом этапе создают с максимально возможной точностью каркасную сеть (КС), в которую включают пункты городской триангуляции 1 - 3-го классов, узловые пункты полигонометрии 4-го класса и пункты высокоточных сетей специального назначения. На втором этапе с учетом полученных координат пунктов каркасной сети и параметров местной системы координат, обеспечивающих минимальные расхождения на совмещенных пунктах, выполняют сгущение городской сети. Согласно Руководству по созданию и реконструкции городских геодезических сетей структурная схема спутниковых измерений на территории городов включает следующие этапы: 1. Создание одного или нескольких исходных пунктов (ИП); 2. Спутниковые измерения на пунктах каркасной сети (КС); 3. Спутниковые измерения на пунктах спутниковой городской геодезической сети (СГГС-1), включая существующие пункты городской сети; 4. Совместная обработка измерений во вновь созданной и ранее выполненных сетях. 4 . 3 О по р на я м е ж е в а я с е т ь Для ведения государственного земельного и других кадастров можно создавать специальную геодезическую сеть, которую называют опорной межевой сетью (ОМС). Создают ее во всех случаях, когда точность и плотность пунктов государственных или иных геодезических сетей не удовлетворяет нормативно-техническим требованиям ведения государственного земельного кадастра, кадастра объектов недвижимости и др. Опорная межевая сеть является геодезической сетью специального назначения и предназначена: - для установления единой координатной основы на территориях кадастровых округов с целью ведения кадастра объектов недвижимости, 28 государственного реестра земель кадастрового округа (района); - мониторинга земель; создания земельных информационных систем и др.; - землеустройства с целью формирования рациональной системы землевладения и землепользования, межевания земельных участков; - обеспечения государственного земельного кадастра данными о количестве, качестве и месторасположении земель для установления их цены, платы за пользование, экономического стимулирования рационального землепользования; - разработки системы мероприятий по сохранению природных ландшафтов, восстановления и повышения плодородия почв, защиты земель от эрозии и др.; - инвентаризации земель различного назначения; - решения других вопросов государственного кадастра недвижимости, землеустройства и государственного мониторинга земель. Предусматривают создание опорных межевых сетей первого ОМС1 и второго ОМС2 классов, точность построения которых характеризуется средними квадратическими погрешностями взаимного положения смежных пунктов соответственно 5 и 10см. Опорную межевую сеть ОМС1, как правило, создают в городах для установления (восстановления) границ городской территории, границ земельных участков, а также определения месторасположения зданий и сооружений как объектов недвижимости, находящихся в собственности (пользовании) граждан или юридических лиц; ОМС2 — в черте других поселений для тех же целей; на землях сельскохозяйственного назначения и других землях для геодезического обеспечения межевания земельных участков, мониторинга и инвентаризации земель и др. Плотность пунктов опорной межевой сети должна обеспечивать необходимую точность последующих кадастровых, землеустроительных работ, а также мониторинга земель и определяется техническим проектом. При этом плотность пунктов на 1 км2 должна быть не менее: в черте города — 4-х пунктов; в черте других поселений — 2-х пунктов; на землях сельскохозяйственного назначения и других землях — принимают данные технического проекта. В сельских населенных пунктах, на землях садоводческих товариществ и т. п. плотность пунктов опорной межевой сети должна быть не менее 4-х пунктов на один населенный пункт. Опорную межевую сеть строят в следующем порядке: - планирование, рекогносцировка и техническое проектирование; - закладка центров пунктов ОМС и устройство знаков; - выполнение геодезических измерений; - полевые вычисления и контроль качества измерений; - математическая обработка результатов измерений; - составление каталога координат пунктов ОМС. 29 При техническом проектировании нужно предусмотреть применение наиболее надежных и экономных методов создания ОМС, которые обосновывают соответствующими расчетами. Пункты опорной межевой сети на местности закрепляют центрами, обеспечивающими их долговременную сохранность и устойчивость, как в плане, так и по высоте. Один из основных конструктивных элементов пункта геодезической сети — его центр, на котором обозначают метку к последней относят координаты пункта. Центр пункта должен обеспечивать: долговременную сохранность и неподвижность в плане и по высоте; легко опознаваться на местности. При проектировании опорных межевых сетей для центров пунктов подбирают их конструкцию, определяют технологию изготовления, глубину закладки, а также форму и его внешнее оформление. При этом для обеспечения неподвижности центров в течение продолжительного времени решающее значение имеет технически обоснованный выбор типа центра и места его закладки. Необходимо учитывать также природные факторы (глубинные, тектонические процессы, происходящие в земной коре, природные деформации и смещения грунта на основе карстов, оползней, просадки и т. п.), приводящие к деформации грунтовой среды и влияющие на стабильность положения центра. При построении опорной межевой сети конструкцию центра принято задавать его типом. Выбор конкретного типа в основном определяют физикогеографические условия района расположения геодезического пункта, характеристика грунта, глубина промерзания и протаивания грунта, водные условия в местах расположения пунктов, степень коррозии грунта и другие факторы. Выбор конструкции центров зависит от способности грунта поглощать и поднимать воду. Наилучшими для закладки центров являются скальные и песчаные грунты. Последние хорошо пропускают воду, обладают малой капиллярностью, а следовательно, не вызывают пучения грунта. Неблагоприятны для закладки центров глинистые грунты, обладающие большой поглощаемостью и капиллярностью. В некоторых глинах вода может подниматься до 2м. При поглощении воды грунт увеличивается в объеме. Такое же явление наблюдают при замерзании насыщенного водой грунта. При этом происходит пучение грунта. Устойчивость центров пунктов зависит также от сил морозного пучения. Исследованиями установлено, что сила морозного пучения представляет собой функцию от периметра знака и нормативной силы пучения, при этом сила морозного пучения нарастает с уменьшением глубины, достигая наибольшего значения у поверхности земли. При зонировании территории с целью установления подходящих для нее конкретных типов центров пунктов ОМС и определения глубин промерзания грунта, как правило, используют схематические карты глубин промерзания 30 грунтов. Сложные топографические, геологические, климатические условия и многие другие факторы очень часто заставляют отказываться от принятых типов центров геодезических пунктов и искать индивидуальные решения применительно к местным условиям. Одна из возможных конструкций центра пункта опорной межевой сети показана на рисунке 9. не менее 300мм Рисунок 10 – Конструкция центра пункта опорной межевой сети: 1 — марка; 2 — металлическая труба; 3 — отрезок арматурной проволоки; 4 — линия глубины промерзания грунта Центр представляет собой металлическую трубу диаметром 3...6см и толщиной стенок не менее 0,3см. Нижний конец трубы имеет заостренную форму. Ее длина должна быть такой, чтобы после установки марка была расположена над поверхностью земли не более чем на 50см, а нижний конец трубы после ее забивки в грунт должен был бы располагаться не менее чем на 300 мм ниже наибольшей глубины его промерзания. В нижней части трубы на расстоянии 5см от заостренного конца трубы имеются два противоположных отверстия, в которые при изготовлении знака вставляют отрезок арматурной проволоки диаметром 5...6 мм. До забивки центра выходящие (не более чем на 2см) из трубы концы этой арматуры располагают вдоль поверхности трубы. При забивке центра в грунт используют специальную вставку, которую до закрепления марки вставляют в верхний торец трубы. Ударяя, например, металлической кувалдой по вставке, вдавливают концы отрезка арматурной проволоки в грунт. Составной элемент пункта ОМС — марка с нанесенной меткой (просверленное отверстие, пропиленный крест, керн и т. п.). К метке относятся плоские прямоугольные координаты и высоты. На марке над меткой делают надпись «ОМС», а ниже ее наносят номер пункта опорной межевой сети, например надпись на марке пункта ОМС с номером 201 имеет вид: «ОМС 201». Для центра в виде металлической трубы надпись можно помещать на металлической пластине, приваренной к верхней части этого центра. Надписи наносят краской, устойчивой к атмосферным воздействиям, или делают насечку (гравирование). При развитии опорных геодезических сетей на застроенной территории, например в условиях города, в качестве центров пунктов удобно использовать, так называемые, стенные знаки, закрепляемые на зданиях и сооружениях, а также специальные марки, закладываемые на поверхностях в твердом покрытии (например, на поверхности бетонного основания дороги). 31 Пункты ОМС следует, по возможности, размещать на землях, находящихся в государственной или муниципальной собственности, к местам установки пунктов опорных межевых сетей подъезд или подход должны быть легко доступны, хорошо опознаваться на местности и обеспечивать долговременную сохранность их центров. На землях сельскохозяйственного назначения и в сельской местности центры, как правило, закладывают вблизи перекрестков улучшенных грунтовых дорог, опор линий электропередачи и связи, лесных полезащитных полос и т. п. Пункты ОМС закладывают на местности с письменного согласия: - городской, поселковой или сельской администрации, если они будут расположены на землях, находящихся в государственной или муниципальной собственности; - собственника, владельца, пользователя земельного участка, если они будут находиться на их земельных участках; - соответствующих министерств и ведомств и организаций, если они будут расположены на землях промышленности и иного специального назначения. Центры пунктов геодезических сетей из-за разных объективных и субъективных причин часто уничтожают. Государственный контроль над наличием и сохранностью пунктов опорных межевых сетей осуществляет соответствующая контрольная земельная служба. Государственные инспекторы по использованию и охране земель при выявлении их умышленных повреждений и уничтожении имеют право обращаться в органы внутренних дел за установлением личности граждан, виновных в нарушении земельного законодательства, и направлять в соответствующие органы материалы для привлечения их к ответственности. Плоские прямоугольные геодезические координаты пунктов ОМС главным образом определяют по наблюдениям ИСЗ ГЛОНАСС и GPS в режиме статика. Можно также использовать методы триангуляции, полигонометрии и их комбинации. Допускается определение координат пунктов ОМС2 фотограмметрическим методом, технология работ при этом должна регламентироваться техническим проектом с учетом требований к точности взаимного положения смежных пунктов ОМС. Высоты пунктов опорной межевой сети определяют в Балтийской системе высот с использованием результатов спутниковых измерений, а также геометрическим или тригонометрическим нивелированием в соответствии с техническим проектом производства геодезических работ. Каталоги координат пунктов ОМС составляют в местной системе координат в границах кадастрового округа Российской Федерации. Ведение каталогов, как правило, выполняют в электронном виде. При составлении каталога в традиционном виде к нему прилагается схема на топографической карте масштаба 1:200 000. В каталоге координат для каждого пункта ОМС указан его номер, название, класс и тип центра, а также плоские прямоугольные координаты, высоты центров. Номер пункта ОМС 32 устанавливают в границах кадастрового округа РФ в порядке возрастания. Название пункту ОМС присваивают по названию ближайшего населенного пункта или географического объекта. Плоские прямоугольные координаты пунктов ОМС записывают с округлением до 0,01м, высоты пунктов — до 0,1м. 4 . 4 Ме же в ы е с ъ е м о ч н ые с е т и Плотность пунктов опорной межевой сети, находящихся на территории проведения земельно-кадастровых геодезических работ, обычно недостаточна для выполнения межевания земельных участков, съемки объектов недвижимости, инвентаризации земель и др. Поэтому ОМС необходимо сгустить, построив так называемую межевую съемочную сеть (МСС). Межевую съемочную сеть — геодезическую съемочную сеть создают с целью сгущения ОМС для ее дальнейшего использования в качестве геодезической основы для определения плоских прямоугольных координат межевых знаков, а также других характерных точек объектов недвижимости. При построении МСС используют различные способы производства геодезических работ: полигонометрические (теодолитные) ходы, прямые и обратные угловые засечки, линейную засечку и лучевой способ. Технология этих работ и математическая обработка результатов геодезических измерений рассмотрены при изучении курса геодезии. При построении межевых съемочных сетей на землях поселений месторасположения центров пунктов часто закрепляют стенными знаками. Стенные знаки более долговечны, чем грунтовые, более экономичны и просты при закладке. По конструкции стенные знаки могут быть различными. Стенные знаки располагают на основных несущих элементах (стенах, надстройках и т. п.) кирпичных, каменных, бетонных и других зданий и сооружений, не имеющих видимых нарушений цокольной части. Стенной знак крепят на высоте 0,3...1,2 м от поверхности земли. Носителем координат стенного знака является отверстие диаметром 2мм, просверленное в головке знака. На диске знака должна быть размещена соответствующая надпись о принадлежности знака. Стенные знаки можно закладывать в цокольную часть зданий и сооружений как в единственном числе (одинарный стенной знак), так и парами (парные стенные знаки) на расстоянии друг от друга 10...20м. В последнем случае между ними измеряют расстояние стальной рулеткой с погрешностью не более 1мм. 4.5 Привязка межевых съемочных сетей к пунктам ОМС При создании опорной межевой сети с помощью навигационных спутниковых систем ее пункты стараются закрепить в местах, обеспечивающих широкий обзор небосвода. В качестве таких мест удобно использовать пункты, закрепляемые на крышах зданий, сооружений или 33 иных аналогичных местах. Допустим, что на территории поселения создана опорная межевая класса ОМС1. При этом часть пунктов данной сети закреплена на крыше зданий (сооружений). При использовании этих пунктов в качестве исходных при сгущении ОМС пунктами МСС может возникнуть необходимость решения так называемой задачи по передаче координат с вершины знака на землю. На местности, вблизи исходного пункта А (рисунок 11) на расстоянии от него не менее удвоенного значения высоты этого пункта над поверхностью земли, закрепляют определяемый пункт Р. Его месторасположение на местности выбирают таким образом, чтобы с него был дополнительно виден еще один (помимо пункта А) исходный пункт с известными координатами, например В (рисунок 11). При этом пункт В должен быть расположен как можно дальше от определяемого пункта, а также на местности закрепляют вспомогательную точку 1. Горизонтальное расстояние (базис) bp1 между определяемым пунктом и вспомогательной точкой должно быть не менее полуторного значения расстояния от определяемого пункта до исходного А. Для нахождения искомых плоских прямоугольных координат ХP, YP пункта P измеряют: базис bp1 между определяемым пунктом и вспомогательной точкой, горизонтальные углы β1 и β2 треугольника Р1А и угол βP (рисунок 11). Координаты пункта Р вычисляют как, так называемое «недоступное расстояние». Рисунок 11 - Схема передачи координат с вершины знака на землю Можно найти координаты пункта Р другим способом, например обратной угловой засечкой от исходных пунктов С, А и В. Для этого достаточно на определяемом пункте Р дополнительно измерить горизонтальный угол φ (рисунок 10) между направлениями на исходные пункты А и С. В этом случае измерение горизонтальных углов на пункте Р выполняют методом круговых приемов. Возможно, применение и других методов контроля определения искомых координат точки Р. Наиболее простой из них: решая обратную геодезическую задачу, находят дирекционный угол άРС направления PC, а затем вычисляют разность дирекционных углов (12) φ выч = άра - άрс. 34 После этого сравнивают измеренный горизонтальный угол φ с вычисленным его значением φ выч . Абсолютное расхождение измеренного и вычисленного значений этих углов не должно превышать значения, равного 3mβ (где mβ — средняя квадратическая погрешность измерения горизонтального угла). Точность определения положения пункта методом снесения координат с вершины знака на землю зависит от схемы соответствующего геодезического построения. При прочих равных условиях необходимо: - построить по возможности равносторонний вспомогательный треугольник 1АР; - выбрать такое положение пункта Р, чтобы угол βР (рисунок 11) был бы близок к прямому (линия АР должна быть примерно перпендикулярна линии РВ). Привязка теодолитного хода к одинарному стенному знаку С1 может быть осуществлена следующим образом. 1.Устанавливают теодолит на местности в удобном для дальнейшей работы месте против одинарного стенного знака С1 (Х1, У1) но не менее чем в 20 м от него, например над точкой Н (рисунок 12). С точки Н должны быть видны еще два пункта с известными координатами, например стенной знак С2 (Х2, Y2) и пункт ОМС, обозначенный через А (ХА, YA). 2. Измеряют горизонтальное расстояние b от теодолита до стенного знака С1, горизонтальные углы φ, βА и угол θ (между направлением на самый удаленный от начальной точки Н исходный пункт С2 и направлением на точку 1 хода). 3. Вычисляют два горизонтальных угла (λ1 и λ2), которые отсчитывают по ходу часовой стрелки от направления с определяемой точки Н на стенной знак С1: λ1 = φ, λ2 = φ + βA + θ. (13) Рисунок 12 - Схема привязки полигонометрического (теодолитного) хода к одинарному стенному знаку 4. Вычисляют по плоским прямоугольным координатам исходных пунктов С1, С2 и А (соответственно Х1, Y1, Х2, Y2 и ХА, YА) и двум углам (λ1 и λ 2) по формулам обратной угловой засечки координаты ХН и YН начальной точки Н. 35 5. Контролируют измерения по формуле: bвыч= √ (X1 – XH)2 + (Y1-YH)2 (14) вычисляя горизонтальное проложение между стенным знаком и определяемой точкой, которое сравнивают с его измеренным значением. Если измерение углов выполнено со средней квадратической погрешностью, не превышающей 5" (например, теодолитом типа ЗТ5К), а расстояние b — компарированной рулеткой с миллиметровыми делениями, то абсолютное значение разности ∆b = bвыч — b не должно превышать 2см. Далее выполняют ориентирование теодолитного хода обычным способом, вычисляя дирекционный угол άН1 начальной линии Н1. Контрольные вопросы 1. Что представляет собой государственная геодезическая сеть? 2. Какие геодезические построения включает в себя ГГС? 3. Что представляет собой опорная межевая сеть? 4. Каков порядок построения ОМС? 5. Что представляет собой пункт опорной межевой сети? 6. На каких землях рекомендуется размещать пункты ОМС? 7. Какие сведения приводят в каталоге координат пунктов опорной межевой сети? 8. Для чего создают межевые съемочные сети? 9. Схема решения задачи по передаче координат с вершины знака на землю. 10. Как закрепляют на местности месторасположение стенных знаков? 11. По какой схеме осуществляют привязку ходов межевой съемочной сети к одинарным пунктам ОМС? 12. Как контролируют измерения при привязке к одинарным стенным знакам? ЛЕКЦИЯ 5 ПРИМЕНЕНИЕ ГЛОБАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ПУНКТОВ 5.1 Спутниковые справка системы. Краткая историческая Появление искусственных спутников Земли (ИСЗ) внесло масштабные перемены в методы геодезии и позволило значительно повысить точность определения местоположения точек и объектов на поверхности Земли. 36 Идея использования космических аппаратов для навигации подвижных объектов начала развиваться после запуска в СССР в 1957 году первого ИСЗ. К первому поколению спутниковых систем позиционирования до 70-х годов относят системы «Цикада» и «Transit». В 1963 году начались работы по построению первой советской низкоорбитальной навигационной спутниковой системы «Цикада». В 1967 году на орбиту был выведен первый отечественный навигационный спутник «Космос-192». Для радионавигационных спутниковых систем первого поколения характерным является применение низкоорбитальных ИСЗ и использование для измерения навигационных параметров объекта сигнала одного, видимого в данный момент спутника. В 1964 году в США была создана доплеровская спутниковая радионавигационная система первого поколения «Transit», предназначенная для навигационного обеспечения пуска с подводных лодок баллистических ракет. В 1967 году эта система была предоставлена для коммерческого использования, число ее гражданских потребителей быстро превысило число военных. Координаты потребителя рассчитывались на основе приема и выделения доплеровского сдвига частоты передатчика одного из 6-7 космических аппаратов, который мог находиться в поле видимости в течении примерно 40 минут. Эти системы обеспечивали точность получения координат 50-100 м и отличались малой оперативностью: для достижения высокой точности требовались несколько прохождений ИСЗ в «Поле зрения» приемника, при этом перерывы между прохождениями спутников составляли полтора часа. Это послужило основанием для разработки систем второго поколения – глобальных спутниковых систем. 5 . 2 Гл о б а л ь н ые с пу т н и ко в ы е с и с т е м ы В настоящее время в мире существуют три глобальные системы. GPS (Global Positioning System) – глобальная система позиционирования (первоначально называлась Navstar) находится в ведении Минобороны США. Запуск спутников первого блока осуществлен в 1978 году, эксплуатируется с 1995 года. До недавнего времени система была открыта для гражданского пользования только в режиме пониженной точности, для режима высокой точности требовался санкционированный доступ. В 2000 году это ограничение снято, и сейчас GPS открыта для всех и в режиме высокой точности. ГЛОНАСС – Глобальная навигационная спутниковая система, ее разработки начаты в СССР в 1970 г. В 1982 году выведены на орбиты ее первые спутники, в 1993 году система принята в эксплуатацию Минобороны РФ. В 1996 году система развернута полностью. Повышенная точность доступна военным, режим стандартной (пониженной) точности – гражданским пользователям. В связи с отсутствием финансирования система 37 пришла в упадок, но в настоящее время ведется активная работа по ее восстановлению. В 1999 году Европейский парламент поддержал решение Европейского космического агентства о создании нового поколения спутниковой системы Galileo, которая будет включать 30 спутников (из них 3 резервных), расположенных на высоте 23200 км и вращаются в трех орбитальных плоскостях, наклоненных на 56° к плоскости экватора. Таким образом, с учетом спутников GPS и ГЛОНАСС в распоряжении пользователей будет 80 космических аппаратов, покрывающих весь земной шар. Глобальные спутниковые системы состоят из трех секторов (сегментов) (рисунок 13): космического сектора, наземного сектора управления и контроля и сектора пользователя. Рисунок 13 - Структура глобальной спутниковой системы Космический сектор – совокупность входящих с систему спутников (орбитальная группировка), вращающихся вокруг Земли на определенных орбитах. Размеры и форма эллиптической орбиты определяются размером ее большой полуоси а и эксцентриситета е. В системе GPS большая полуось и эксцентриситет примерно равны 26560 км и 0,001 соответственно. Положение плоскости орбиты относительно экваториальной плоскости (рисунок 13) характеризуют: долгота восходящего узла Ω, аргумент перигея ω и угол i наклона плоскости орбиты к плоскости экватора. Для системы GPS: ω=80°, i=55°. Положение ИСЗ на орбите описывает радиус-вектор ρ, который определяют по формуле: ρ = P /(1 + e ⋅ cosυ ), (15) 38 где; е – эксцентриситет орбиты; υ – истинная аномалия (выражается в градусной мере). Рисунок 14 - Основные элементы орбиты ИСЗ Составляющие радиуса-вектора (его пространственные инерциальные геоцентрические прямоугольные координаты xC, yC, zC) имеют следующий вид: xC = ρ (cos Ω cos U − sin Ω sin U cos i ); y C = ρ (sin Ω cos U − cos Ω sin U cos i ); z C = ρ sin U sin i, где – U = ω + u аргумент широты. (16) При невозмущенном движении ИСЗ названные параметры Ω, i, ω, ρ и е постоянны и не меняются при движении спутника по орбите. При этом истинная аномалия υ характеризует положение спутника на орбите в определенный момент времени, называемый «эпохой». В GPS ИСЗ размещены на шести орбитальных плоскостях по четыре спутника в каждой (рисунок 14), высота орбиты 20145 км, восходящие узлы орбит в GPS расположены примерно по экватору и отстоят друг от друга по долготе на 60° на восток. В ГЛОНАСС на трех орбитальных плоскостях должны вращаться равномерно расположенные на каждой орбите 24 ИСЗ (рисунок 15), тип орбиты круговой, высота орбиты 19100 км, наклон орбиты 64,8°, период обращения – примерно 12 часов. Рисунок 15 - Созвездие ИСЗ систем GPS и ГЛОНАСС 39 При невозмущенном движении ИСЗ параметры орбиты в каждый фиксированный момент времени постоянны и не меняются при движении спутника по орбите. Пространственное положение ИСЗ характеризуют его бортовые эфемериды, включающие в себя пространственные прямоугольные координаты (WGS-84 – для GPS и ПЗ-90 – для ГЛОНАСС) на определенный момент времени tk (на определенный эпоху). Бортовые эфемериды вырабатываются в результате обработки измерений, выполняемых Сектором управления и контроля (рисунок 13), состоящем из станции слежения, службы точного времени, главной станции с вычислительным центром и станции загрузки информации на спутники. По результатам соответствующих измерений бортовые эфемериды загружаются на ИСЗ раз в сутки. При этом влияние погрешностей эфемерид (неточность определения параметров орбит, непрогнозируемые смещения ИСЗ и т.д.) на точность абсолютного положения определяемых пунктов не превышает для ГЛОНАСС – 9,2 м, и системы GPS – 1 м. ИСЗ движется по орбите в некоторой шкале времени. В ГНСС используют следующее время: всемирное (гринвичское среднее солнечное); всемирное координированное; поясное; местное декретное и летнее. Всемирное время UT содержит год, месяц, число, час, минуту и секунду. При этом первые три величины (год, месяц и число) отсчитывают по Григорианскому календарю, час, минуту и секунду – по местному среднему времени на гринвичском меридиане. Всемирное время измеряют часовым углом среднего Солнца относительно гринвичского меридиана, увеличенного на 12 часов. Всемирное координированное время UTC измеряют по атомным часам и передают по радиовещательным сетям, используют в повседневной жизни. Поясное время ZT также содержит год, месяц и число. Часы, минуты и секунды в поясном времени соответствуют местному среднему времени основного (центрального) географического меридиана определенного часового пояса, значение которого вычисляют по формуле: ZT = UTC + Δn, (17) где Δn – номер часового пояса. Поясное время введено в России с 1919 года. При этом поверхность Земли была разделена на 24 часовых пояса, центральные меридианы которых отличаются по долготе на 15° (1 час). Например, для Москвы Δn=2. Местное декретное время отличается от поясного времени на декретную добавку Δtдкр, устанавливаемую для каждого региона законодательным порядком. В России в качестве местного декретного времени действует летнее время tл, которое действует ежегодно с 2 часов ночи последнего воскресенья марта до 3 часов ночи последнего воскресенья сентября, когда вводят зимнее время tзим = ZT + 1 час. (18) 40 В GPS используют шкалу времени, привязанную к шкале UTC/ При этом в системе имеется свой недельный календарь, в котором номер недели отсчитывается с ночи с 5-е на 6-е января 1980 г. ГЛОНАСС привязана к шкале Государственного эталона частоты и времени России UTC (SU). Принцип определения местоположения с помощью ГНСС предусматривает измерение расстояний (дальностей) между ИСЗ и фазовым центром антенны приемника спутниковых сигналов, установленного на определяемой точке местности. С целью реализации данного принципа каждый ИСЗ излучает радиосигналы, структура которых для системы GPS показана на рисунок 16. Рисунок 16 - Структура радиосигнала системы GPS В радиолинии частотного диапазона L1 спутники системы GPS одновременно излучают кодовые последовательности стандартной (P-код) и высокой (C/A-код) точности. Также излучается несущий электромагнитный сигнал частотой L2. При необходимости C/A-код может быть отключен. В системе GPS все спутники работают на одних и тех же частотах, но каждый имеет свой код. В ГЛОНАСС каждый спутник работает на собственной частоте. Разделение сигналов частотное. Так же, как и в GPS, несущие сигналы обозначают как L1 и L2, а P-коду соответствует ВТ-код (код высокой точности) и СТ-код (код стандартной точности). Одновременно с измерительными сигналами с ИСЗ передается хранящаяся на нем, т.н., оперативная и неоперативная информация, сформированная в виде кадра навигационного сообщения. Оперативная информация содержит: эфемериды ИСЗ (три пространственных прямоугольных координаты X, Y, Z, три составляющих скорости ИСЗ и три составляющих ускорения); метку времени; сдвиг шкалы времени ИСЗ относительно шкалы времени всей системы и другие сведения. Неоперативную информацию образует альманах системы, содержащий параметры орбит всех спутников системы и другие сведения. Полный кадр систем ГЛОНАСС и GPS передается в течении 10-12 минут. 41 Сектор пользователя (потребителя) включает в себя спутниковые приемники, число которых не ограничено, а также комплекс камеральной обработки измерений. Обработку сигналов выполняют с целью выработки необходимой потребителям информации (пространственно-временных координат, направления и скорости, пространственной ориентации и т.д.). Упрощенная структурная схема приемника спутниковых сигналов показана на рисунок 17. Приемное устройство выполняет функции супергетеродинного приемника, а также первичную обработку сигналов. Соответствующие сигналы поступают в блок поиска и измерения. После завершения поиска происходит захват сигнала, который поступает в вычислительный блок. По указаниям наблюдателя результаты соответствующей обработки, как правило, могут быть отражены на дисплее. Рисунок 17 - Структурная схема приемника спутниковых сигналов Выделяют три модификации приемников. Приемники первого класса предназначены для быстрых навигационных определений координат, такие приемники удобно использовать при рекогносцировке, выносе в натуру и съемке объектов с небольшой точностью. Приемники второго класса предназначены для определения положения движущихся объектов. Приемники третьего класса являются приемниками геодезического назначения, в них имеется многоканальный блок, осуществляющий слежение одновременно за сигналами нескольких ИСЗ (до 12 и более). Внутренняя память приемника до 100 Мб и более. Приемники оснащены портами для интеграции с другой аппаратурой, в том числе ПЭВМ. Значительный практический интерес представляют собой совмещенные GPS/ГЛОНАСС приемники. В общем случае приемники геодезического назначения выполняют следующие функции: генерация местной шкалы времени (местных эталонных колебаний); поиск, усиление и разделение сигналов, принадлежащих различным ИСЗ; фильтрация сигналов; выделение из сигналов меток времени и псевдослучайных последовательностей; слежение за частотой, фазой, кодовыми сигналами, измерение псевдодальностей до каждого ИСЗ; прием установочных параметров и маркеров, фиксирующих 42 внешние события; выполнение различных оперативных расчетов; выдача в форме индикации на дисплее контроллера соответствующей информации об установочных указаниях и параметрах, результаты измерений, например в форме геодезических координат, о наличии и состоянии участвующих в радиосеансе ИСЗ и др.; прием поправок в псевдодальности от внешнего передающего устройства; передача результатов спутниковых наблюдений на другие радиоприемные устройства, в том числе телефон сотовой связи; хранение принятой информации. Конструктивно приемники, как правило, выделены в виде отдельных или совмещенных блоков, которые содержат антенное устройство, контроллер (мини-ЭВМ с клавиатурой) и аккумуляторы. Часто приемники имеют встроенный радиомодем, с помощью которого в реальном времени можно передать или принять по каналам связи необходимую информацию. Выбор конкретного вида приемника для проведения земельно-кадастровых геодезических работ, прежде всего, зависит от необходимой точности определения положения объектов. Общий вид приемника спутниковых сигналов, включающего антенное устройство, собственно приемник и контроллер показан на рисунке 18. Одночастотный GPS приемник Trimble 5700 Двухчастотный GPS приемник Trimble 5700 L1/L2 Рисунок 18 - Приемники спутниковых сигналов 1 – антенна; 2 – контроллер Выбор конкретного типа приемника спутниковых сигналов для проведения земельно-кадастровых геодезических работ зависит, прежде всего, от необходимой точности определения положения объектов Например, при создании и развитии опорной межевой сети первого класса (ОМС 1) спутниковые приемники, помимо кодовых сигналов, должны принимать сигналы навигационных искусственных спутников земли на частотах L1 и L2. При развитии сети второго класса (ОМС 2), а также при межевании земельных участков разрешается использование одночастотных приемников, работающих, помимо кодовых сигналов, только на частоте L1. 43 5 .3 П р ин ц и пы о п р е д е л е н и я м е с т о по л о же н ия пу нкт о в и з с пу т н и ко в ых о п р е д е л е н и й Для определения местоположения на земной поверхности измеряют расстояние между наземным пунктом и спутником и скорость изменения этого расстояния при прохождении спутника. Расстояния рассчитывают исходя из времени, которое затрачивает электромагнитный сигнал на прохождение пути от спутника до приемника при условии, что скорость распространения сигнала известна. Скорость изменения расстояния от спутника до приемника определяется по частоте наблюдаемого доплеровского сдвига частоты - изменение частоты сигнала, поступающего со спутника. Вводятся поправки за атмосферную задержку сигнала и рефракцию. Основной принцип спутниковых определений – использование трилатерации, т.е. измерений расстояний до спутников, являющихся точками отсчета для вычисления координат на Земле. Если измерять расстояние до одного спутника с известными координатами, местоположение определяемой точки должно быть на воображаемой сфере с центром на этом спутнике и радиусом R, равным измеряемому расстоянию S1 (рисунок 19 (а)) Когда одновременно измеряется расстояние S2 до второго спутника, то область поиска сократится, т.к. местоположение определяемой точки будет находится на линии пересечения двух сфер с радиусами S1 и S2, т.е. на окружности (рисунок 19 (б)). В случае измерения расстояния S3 до третьего спутника, возможное местоположение определяется двумя точками пересечения окружности со сферой радиуса S3 (рисунок 19 (в)). Рисунок 19 - Определение местоположения точки а) по одному спутнику с известными координатами; б) по двумя спутникам; в) по трем спутникам Для того чтобы определить истинное положение из этих двух точек можно измерить расстояние S4 до четвертого спутника. Различные методы наблюдений позволяют определять абсолютное и относительное положения объектов на земной поверхности. При определении абсолютного положения используется не менее трех спутников. Чтобы компенсировать разницу в точности определения времени по часам, установленным на борту спутников и на наземной станции, обычно требуется четвертый спутник. Определение относительного положения пункта на земной поверхности требует 44 одновременного наблюдения с четырех и более спутников с двух (или более) наземных станций. Для определения координат точек на земной поверхности в геоцентрической системе необходимо знать элементы орбит спутников в этой же системе, т.к. любые погрешности могут быть уменьшены путем осреднения наблюдаемых величин за несколько дней, недель или месяцев. Часть систематических погрешностей в расчетах элементов орбиты примерно в одинаковой степени вносит искажения при определении всех точек, и поэтому при определении их взаимного положения компенсируется. Вследствие этого относительные положения точек на земной поверхности обычно определяется с большой точностью. В зависимости от числа одновременно работающих принимающих станций и одновременно наблюдаемых спутников можно получать определенные различия между принимаемым и передаваемым сигналами; это позволяет исключить влияние неизвестных факторов. В спутниковых методах определения местоположения измерение расстояний до спутников осуществляется по измерениям времени прохождения радиосигнала от космического аппарата до приемника. При этом передающее устройство размещено на спутнике, а приемник – на определяемой точке. Радиосигнал проходит измеряемое расстояние S от спутника (передатчика) до приемника на время x. Время излучения и время приема данного сигнала точно определяют синхронизированными часами, расположенными на спутнике и на определяемой точки. При этом измеряемое расстояние определяют по формуле: S = υτ . (19) Т.к. скорость υ радиоволны составляет около 300000 км/с, то для обеспечения геодезической точности измерений необходимо измерять время с точностью 10-10-10-12 с. Главной трудностью при измерении времени распространения радиосигнала является точное выделение момента времени, в который сигнал передан со спутника. Для обеспечения высокой точности измерений синхронизируют опорные генераторы спутника и приемника. В светодальномерных и радиодальномерных измерений используются импульсные и фазовые методы измерения расстояний, а также их сочетания. Эти же методы используются в спутниковых дальномерных измерениях. При этом широко используются кодированные сигналы. 5 .3 .1 Пр о с т р а н с т в е н н а я ли н е й н а я з а с е ч к а Исходные данные при определении пространственных прямоугольных координат пункта по результатам спутниковых наблюдений: массив пространственных прямоугольных координат четырех навигационных ИСЗ; результаты синхронных одномоментных измерений дальностей между фазовым центром антенны приемника, установленного на пункте, и соответствующим ИСЗ. 45 Пусть на некоторый момент времени заданы пространственные прямоугольные координаты X1, Y1, Z1 первого ИСЗ (рисунок 19). Для определения пространственных прямоугольных координат XP, YP, ZP пункта P измеряют расстояние R1 между определяемым пунктом и ИСЗ. Рисунок 20 - Пространственная линейная засечка Из рисунка следует, что где R12 = ∆X 12− P + ∆Y1−2 P + ∆Z 12− P , ∆X 1− P = X P − X И 1 ; ∆Y1С − P = YP З− YИ (20) 1 ; ∆Z 1С − P = Z PЗ − Z И 1 . В уравнении (1) имеем три неизвестных параметра – пространственные прямоугольные координаты определяемого пункта: XP, YP и ZP. Допустим, что одновременно с расстоянием R1 измерены также расстояния R2 и R3 между определяемым пунктом и еще двумя ИСЗ с известными (заданными) координатами. По результатам этих измерений по аналогии с уравнением (1), можно написать соответствующие выражения для расстояний R2 и R3. Будем иметь систему уравнений, в которой число уравнений и число неизвестных равны между собой (три уравнения с тремя неизвестными): R1− P = ∆X 12− P + ∆Y1−2 P + ∆Z 12− P ; R2− P = ∆X 22− P + ∆Y22− P + ∆Z 22− P ; R3− P = ∆X 2 3− P + ∆Y 2 3− P + ∆Z 2 3− P (21) . В этой системе уравнений три неизвестных – пространственные прямоугольные координаты определяемого пункта. Следовательно, решая данную систему, можно вычислить координаты XP, YP и ZP, т.е. определить абсолютное положение пункта. Рассмотренное геометрическое построение называют пространственной линейной засечкой (ПЛЗ). 5 . 3 . 2 . Пс е в д о д а ль н о с т ь На практике метод ПЛЗ реализуют при спутниковых наблюдениях, измеряя не расстояния до ИСЗ, а т.н. псевдодальности. Последние 46 отличаются от принятого понятия дальность на некоторую неизвестную, но постоянную на данный момент спутниковых наблюдений ΔD, обусловленную расхождением шкал времени ИСЗ и приемника. Следовательно, при измерении абсолютного положения число неизвестных будет не три, а четыре (XP, YP, ZP и ΔD). Отсюда следует, что для установления абсолютного положения пунктов на земной поверхности необходимо провести соответствующие наблюдения до четырех ИСЗ. Поясним более подробно понятие псевдодальность. При радиотехнических измерениях расстояние характеризуется временем распространения сигнала от излучателя до приемника. В случае когда излучатель и приемник находятся в разных точках пространства, измерение расстояния возможно только при строгой идентичности и синхронности шкал времени передатчика и приемника. Тогда время распространения сигнала от передатчика до приемника определяется как временной интервал между моментом излучения сигнала (временной метки), передаваемым передатчиком в составе соответствующей цифровой информации, и моментом его приема, отсчитываемым по шкале времени приемника. В ГНСС указанные условия выполняются только в части, относящейся к навигационным спутникам, бортовые шкалы времени (БШВ) которые формируются бортовыми (атомными) эталонами частоты, синхронизированными с системной шкалой времени (СШВ), вырабатываемой в системах контроля и управления ГНСС и связанными с национальными стандартами частоты. Для синхронизации БШВ и СШВ в системах контроля и управления ГНСС предусмотрена соответствующая сверка БШВ и СШВ. При необходимости проводят соответствующую синхронизацию