Руководство по астрономо геодезическим работам при топогеодезическом обеспечении войск

Для определения астрономического азимута со средней квадратической ошибкой (СКО) 0,5–3ʺ могут использоваться различные методы, основными из которых являются [2, 3, 4, 5, 6]:

• Астрономический метод, являющийся исторически первым (на сегодняшний день наиболее точным и трудоёмким), позволяющий определять астрономические азимуты с точностью до 1ʺ за три сеанса наблюдений (не менее 3 суток), при условии наличия благоприятной метеорологической обстановки (наблюдения производят в ночное время, при отсутствии облачности и наличии видимости на ориентируемых направлениях);
• Гироскопический метод, позволяющий получить астрономический азимут с СКО порядка 2ʺ за несколько часов наблюдений при условии удаленности от места эталонирования не более чем на 200–300 км и слабо зависящий от метеорологических условий (необходима прямая видимость на ориентируемых направлениях);
• Метод спутниковой геодезии, позволяющий получить азимут с СКО порядка 15ʺ за 2 часа наблюдений, при наличии исходной геодезической основы (2–3-х пунктов ГГС I или II классов). На сегодняшний день отсутствуют методики, технические указания, руководства описывающие получение с СКО 0,5–3ʺ и оценку астрономического (геодезического) азимута полученного данным методом;
• Геодезический метод, обеспечивающий получение азимутов с СКО до 3ʺ включительно при наличии исходной геодезической основы (не менее 3 пунктов ГГС I или II классов).

Методы определения астрономического азимута с более низкой точностью так же представлены астрономическим, гироскопическим, спутниковым и геодезическим методами. Ввиду уменьшения требований к точности определяемого азимута перечисленные методы имеют менее строгие требования к выполнению наблюдений, соблюдению допусков и представляют собой упрощённые варианты высокоточных.

Астрономический метод

Сущность способа состоит в вычислении азимута светила и одновременном измерении горизонтального угла между светилом и местным предметом [3]. Для высокоточного определения астрономического азимута используется способ «по часовому углу Полярной». Наблюдения производятся на Полярную звезду с фиксацией времени и на предмет местности. Программы определения азимута с точностью 1ʺ должны выполняться в течение не менее двух вечеров и состоять из 18 приёмов в прямом и 18 приёмов в обратном направлении. Программу определения азимута с СКО 2ʺ и грубее разрешается заканчивать в течение одного вечера. Кроме того для вычисления азимутов, определяемых с СКО 1ʺ, значение астрономических широт должны быть известны с ошибкой не более 3ʺ [3]. Для перехода к геодезическому азимуту необходимы значения составляющих уклонения отвесной линии в плоскости меридиана и первого вертикала в точках наблюдения с СКО не хуже 0,5ʺ. При наблюдениях используются теодолиты АУ–01, АУ–2/10 или ДКМ3–А, комплект визирных целей и устройство приёма сигналов точного времени: хронометр «Альтаир» или морской хронометр 6МХ. Состав расчета 2–4 человека. Метод применим ниже шестидесятой параллели.

Таким образом, астрономический метод определения азимута является трудоемким, сильно зависящим от метеорологических условий (облачность, осадки) и достаточно сложным в реализации.

Гироскопический метод

Сущность способа состоит в определении азимута главной оси чувствительного элемента (ЧЭ) с последующей передачей на ориентируемое направление [1, 4]. Для определения азимута главной оси ЧЭ проводят эталонирование гиротеодолитов на направлениях, азимуты которых известны с точностью, превосходящей точность эталонируемого гиротеодолита. После эталонирования производится определение азимутов ориентирных направлений, представляющее из себя определение северного направления астрономического меридиана в точке стояния прибора (гиротеодолита) и измерение горизонтального угла между определённым направлением и направлением на местный предмет. Северное направление астрономического меридиана определяется при помощи роторного гироскопа, главная ось которого в положении динамического равновесия будет располагаться в плоскости меридиана.

Гироскопический метод не требует исходной геодезической информации в районе определения, не зависит от времени года и суток, слабо подвержен влиянию метеорологических условий, но имеет ограничения (для используемых на сегодняшний день гиротеодолитов) по расстоянию от места эталонирования до определяемого направления. Достигаемая точность (СКО) метода ориентирования составляет 3ʺ за 4 пуска (ГТ-3) и 1,5ʺ за 8 пусков (ГТ-3 по проекту «Технических указаний по определению астрономических азимутов направлений гиротеодолитами ГТ-3 с повышенной точностью»). Обобщённые данные руководств по определению астрономического азимута гироскопическим методом приведены в таблице 1.

Обобщённые данные по определению астрономического азимута гироскопическим методом

Тип гиротеодолита	Кол-во гиротеодолитов, число пусков (программ)	Время одного пуска	масса комплекта	кол-во исполнителей
2ʺ	3ʺ	5ʺ
ГТ — 3	1(2*)	1(1*)	—	~ 45 мин		2
15Ш29	—	2(2)	2(2)	до 45 мин	172	2
Ги — Б3	—	2(3)	2(1)	45 мин	98	2
Ги — Б2	—	—	2(3)	40-45 мин	98	2

* программа измерений состоит из двух пусков с поворотом корпуса гироблока между пусками на 180º.

Полученный данным способом азимут является астрономическим для перехода к геодезическому необходимо иметь значения составляющих уклонения отвесной линии в меридиане и первом вертикале в точках наблюдения.

Гироскопический метод определения азимута является менее трудоемким чем описанные методы, не зависящим от метеорологических условий, достаточно простым в реализации, но уступает астрономическому методу в точности. В конструкции гиротеодолитов и гирокомпасов военного назначения предусмотрено экранирование ЧЭ для снижения негативного воздействия электромагнитного излучения.

Вгеодезическом методе, как правило, определяется не азимут, а дирекционный угол α. Определения позволяют получить значение дирекционного угла с точностью (СКО) 3ʺ. Для этого прокладываются не менее трех угловых ходов от трех исходных пунктов I‑II класса точности, либо развивается сеть треугольников от не менее чем трёх исходных пунктов тех же классов точности (рисунок 1).

Для перехода к геодезическому и астрономическому азимуту необходимо знать значение сближения меридианов, поправки за кривизну геодезической линии и значения составляющих уклонения отвесной линии. Для наблюдений применяют теодолиты (тахеометры) класса точности Т1, Т2. Программа наблюдений на каждом пункте для получения СКО 3ʺ должна состоять из 12 приёмов. Для прокладки системы угловых ходов потребуется от 4 исполнителей.

Геодезический метод определения азимута является трудоемким, слабо зависящим от метеорологических условий и достаточно сложным в реализации.

Метод космической геодезии

Сущность метода состоит в вычислении геодезического азимута из решения обратной геодезической задачи по координатам пунктов, полученных относительным методом космической геодезии [6, 7].

Вместо геодезических азимутов направлений могут вычисляться дирекционные углы. В этом случае геодезические координаты В, L пунктов, закрепляющих направления, пересчитываются в координаты x, y в проекции Гаусса-Крюгера и далее с их использованием вычисляются дирекционные углы Суммарная продолжительность сеанса синхронных наблюдений при геометрическом факторе не более 6 единиц составляет до 2 часов. Помехами к осуществлению метода могут являться близко расположенные источники электромагнитного излучения, препятствия, мешающие прохождению сигнала.

Метод спутниковой геодезии (как относительный, так и абсолютный) не описан в руководствах и указаниях по определению азимута. Предлагаемые в научно-технической литературе методы спутниковой геодезии определяют достигаемую точность определения азимута до 0,5ʺ.

Относительный метод определения азимута является наименее трудоемким, не зависящим от метеорологических условий и простым в реализации. Для определения геодезического азимута указанным методом необходимо 2 исполнителя.

Отрицательными сторонами метода являются:

• слабая помехозащищённость. Летом 2013 года на территории Краснодарского края, Ростовской области, Крыма отсутствовала возможность работы аппаратуры потребителя спутниковых навигационных систем по причине больших ошибок местоопределения как навигационной, так и геодезической спутниковой аппаратурой. Эта проблема решалась исключением из обработки данных полученных от системы «NAVSTAR»;
• необходимость дополнительного определения значений составляющих уклонения отвесной линии для перехода к астрономическому азимуту;
• необходимость исходной геодезической основы, точность которой в итоге определит точность ориентирования.

Подведём итоги. Обобщённые данные по каждому из рассмотренных методов приведены в таблице 2.

Теперь выделим проблемные и перспективные моменты методов определения высокоточного азимута.

Астрономическим методом на сегодняшний день невозможно одновременно оперативно (2–5 суток) и высокоточно получить азимут, в дополнение астрономический метод сильно зависим от метеорологических условий и реализуем только для открытых пространств.

Обобщённые данные по методам определения астрономического азимута

Метод	точность (СКО, ʺ)	Временные затраты (час)	Количество исполнителей
Астрономический	0,5–3	72–144	4
Гироскопический	2–3	2	2
Геодезический	3	180	4
Спутниковый	Относительный	0,5–15ʺ	0,7–2	2
Абсолютный	нет данных	нет данных	2

Геодезический метод не удовлетворяет сразу и по точности, и по оперативности определения азимута. Дополнительно метод требует наличия высокоточной геодезической основы (I, II классов), а также требует дополнительных расчётов и данных для перехода от дирекционного угла к азимуту.

Относительный метод спутниковой геодезии при наличии высокоточной геодезической основы позволяет определять азимуты направлений с СКО 0,5ʺ за 2 часа наблюдений.

Данные по методике наблюдений и оценки точности получаемого азимута для абсолютного метода спутниковой геодезии отсутствуют.

Гироскопический метод является наиболее оперативным и точным (уступает по точности астрономическому) для получения азимутов, но имеет ограничения по расстоянию от полигона эталонирования до ориентируемого направления.

Таким образом, ни один из рассмотренных методов не позволяют одновременно обеспечить высокую точность и оперативности определения азимута. Наиболее близким к требованиям определения азимута является метод спутниковой геодезии и гироскопический метод. Очевидно, что задача может быть решена только при их комплексном применении.