Главная страница | Античность | Средние века | Новое время | Двадцатый век | Техника | Самолеты | Корабли | Вооруженные силы | США | Технологии и наука Топогеодезическое и навигационное обеспечение вооруженных сил США на национальном и глобальном уровне

 

Топогеодезическое и навигационное обеспечение вооруженных сил США на национальном и глобальном уровне

 

В рамках министерства обороны США в октябре 1993 года было создано национальное управление по получению изображений и картографированию NIMA (National Imagery and Mapping Agency). До этого момента организационным центром по проблемам геодезии, навигации и картографии считалось картографическое управление министерства обороны (КУМО). Оно и послужило основой для NIMA, которое возглавил бывший начальник КУМО. В штаты нового управления включены подразделения всех структур военного ведомства и национальной разведки, которые связаны с получением изображений местности и их дешифрированием. Таким образом, NIMA, являясь управлением по боевому обеспечению вооруженных сил, одновременно входит в состав разведывательных структур США.

Оно занимается вопросами получения, обработки, использования и распространения изображений. Кроме того, это управление несет ответственность за обеспечение изображениями и геопространственной информацией вооруженных сил США и государственных органов, определяющих национальную политику страны. На момент учреждения NIMA картографическое управление располагало аэрокосмическим и картографическим центрами, мощными производственными базами, оснащенного также ными современным оборудованием и компьютерными станциями, а также большим штатом высококвалифицированных военных и гражданских специалистов. КУМО отвечало в национальном масштабе за создание геодезической, топографической, картографической и навигационной продукции, охватывающей всю территорию земного шара, в целях обеспечения в глобальном масштабе безопасности морской и воздушно-космической навигации. Только на выполнение этих работ управлению ежегодно выделялось около 1 млрд долларов.

Работы по топогеодезическому и навигационному обеспечению территории страны на национальном уровне выполняют, как правило, несколько ведомств (национальных съемок), задачи которых четко регламентированы NIMA: геологическая съемка министерства внутренних дел; национальная служба океанов, которая, являясь частью Национального управления по изучению и освоению океанов и атмосферы министерства торговли США, состоит из национальных береговой и геодезической съемок. КУМО привлекало их в необходимых случаях к решению своих глобальных проблем. Кроме указанных организаций, немалую часть работ по контрактам с этим управлением выполняли коммерческие производственные фирмы, а в части научных исследований - ряд научно-исследовательских центров и университетов.

КУМО приобретало у этих ведомств необходимую для министерства обороны картографическую, геодезическую и навигационную продукцию по розничной цене, а они, в свою очередь, занимались распространением его несекретной продукции. Отмечается, что практически вся итоговая продукция национальных служб и съемок, независимо от заказчика и территории покрытия, имеет двойное назначение и отвечает требованиям стандартов, принятых в американском военном ведомстве.

Своеобразие географического положения и отсутствие военной угрозы со стороны государств, имеющих с США общие сухопутные границы, позволяют министерству обороны обходиться без больших запасов карт и использовать для боевой подготовки открытые топографические карты национальной территории (создаются геологической съемкой) и побережья (национальной службой океанов). Их наряду с топографическими картами можно приобрести в государственных или коммерческих организациях, имеющих соответствующую лицензию на продажу и распространение. Координаты пунктов национальной геодезической сети также не имеют грифа секретности. Гриф секретности присваивается в США картографо-геодезической, навигационной и другой продукции, для создания которой использовалась исходная информация, полученная с помощью средств или по каналам американской разведки, а также та, которая, попав в распоряжение другой страны, может нанести ущерб национальным интересам.

Открытых данных о разделении территории США на зоны ответственности между КУМО и национальными съемками нет. По мнению американских специалистов, на такие объекты, как районы развертывания межконтинен-тальных баллистических ракет, систем проти-воракетной и космической обороны, полигонов, баз, вся необходимая картографическая информация изготавливалась на основе аэро-фототопографических и картографических материалов, получаемых в ходе геологической или другой съемки.

Досгущение астрономо-геодезической, вы-сотной и гравиметрической национальных опорных сетей в этих регионах при необходи-мости выполняла национальная геодезическая съемка по контрактам с КУМО. Это управление несло ответственность за состояние опорных сетей не только в районах размещения военных объектов, но практически на всей территории страны, а также за обеспечение исходными астрономо-геодезическими и гравиметрическими данными стратегических ядерных сил США. В связи с этим требовалось создать всемирную геодезическую сеть, предусмотрев возможность постоянного увеличения ее плотности и точности, детально изучать гравитационное и другие физические поля Земли, то есть решать многие глобальные проблемы, что можно было сделать только с использованием национальных высокоточных геодезической и гравиметрической сетей, коо-перируясь при этом с различными научными и производственными организациями.

Ответственность КУМО за точность определения местоположения объекта с помощью спутниковой аппаратуры потребителя GPS (NAVSTAR, рис. 1) и принятая в начале 90-х годов национальная программа, предусматривавшая использование ИСЗ при проведении топографо-геодезических и гидрографических работ, требовали, чтобы управление совместно с национальной геодезической съемкой разработало методологию модернизации геодезической сети и успешно претворило ее в жизнь. При этом были существенно повышены точность работы и сохранность пунктов национальных геодезической, высотной и гравиметрической сетей, а также создана достаточно плотная сеть опорных геодезических пунктов (рис. 2), обеспечивающих дифференциальный режим спутниковых определений на значительной части территории США.

Главенствующая роль КУМО в организации и выполнении всех видов геодезических и гидрографических работ на глобальном и национальном уровне позволяла существенно экономить средства на проведение НИОКР, а также создавать конечную топографо-геодезическую и гидрографическую продукцию двойного назначения, удовлетворяющую в первую очередь стандартам министерства обороны.

ОБЕСПЕЧЕНИЕ НА НАЦИОНАЛЬНОМ УРОВНЕ. Задачи по картографированию территории США и прилегающих регионов (Гавайские о-ва, о. Пуэрто-Рико и другие) выполняет геологическая съемка. Основной ее продукцией являются топографические карты масштабов 1:24 000 и 1:63 360, ортофотокарты в прямоугольной разграфке (тех же масштабов), а также топографические карты (1:100 000 и 1:250 000).

Кроме того, изготавливаются следующие карты: землепользования и надпочвенного покрова (1:100 000), национальные мелкомасштабные и карты штатов, а также специальные (например, карты-изображения, изготавливаемые на основе снимков, полученных с самолетов и спутников). К концу 1993 года были созданы карты масштабов 1:24 000 и 1:63 360 (территория п-ова Аляска), завершающие охват территории США.

Геологическая съемка осуществляет руководство национальной программой аэросъемочных работ, а получаемые при этом фотоснимки являются исходным материалом для различных программ, в том числе национальной программы изготовления цифровых ортофотоснимков. Цель программы аэросъемочных работ - создание библиотеки снимков территории США (кроме п-ова Аляски). Периодичность съемок составляет пять - семь лет. В 1992 - 1996 годах фотосъемка производилась с высоты около 6 км фотокамерой (фокусное расстояние 15 см) на спектрозональную или черно-белую фотопленку в масштабе 1:40 000. При этом снимки делались с таким расчетом, чтобы центр проектирования совпадал с 1/4 частью карты масштаба 1:24 000 в прямоугольной разграфке. Разрешение фотоснимков на местности составляло 1 - 1,5 м, в зависимости от степени контрастности. Акцент при выполнении съемки делался на выявление изменений в густонаселенных районах, прибрежных зонах, районах аэродромов и аэропортов и других местах, представляющих интерес для министерства обороны. В 1997 году планировалось начать новый (семилетний) цикл съемок. Кроме того, это ведомство выполняет большой объем работ по американской программе, предусматривающей изучение и картографирование Антарктиды.

Важным направлением в деятельности геологической съемки является разработка и применение технологии создания геоинформационных систем, где объединяются данные о местности, получаемые от многих источников в различных масштабах и форматах (векторном и растровом) в разное время. Эта организация создает базы данных, используя материалы дистанционного зондирования (спутникового и самолетного), а также объединяет и анализирует их совместно с цифровыми картографическими, геологическими, гидрологическими и другими массивами данных, что необходимо для проведения исследований значительных изменений и экологического анализа на региональном и глобальном уровне. Например, спутниковые данные используются для оценки состояния растительного покрова на Северо-американском континенте с периодичностью две недели.

В 1995 году отдел национального картографирования геологической съемки приступил к реализации программы перехода к новым технологиям, которые будут отвечать требованиям к получению геопространственной информации 2000 года. Главной целью работ является модернизация предприятий, занимающихся созданием карт и получением цифровых данных, автоматизаций операций управления и распределением информационных потоков и ресурсов в рамках национальной программы картографирования. Появление новых средств сбора таких данных привело к разработке интегрированной картографической системы и созданию национальной базы цифровых картографических данных.

Национальная служба океанов осуществляет мониторинг, оценку и прогнозирование условий в прибрежной и океанической зонах с целью разработки предложений по улучшению жизненных условий в этих средах и экономической продуктивности последних для современного и будущих поколений людей. Она отвечает за создание точных топографических карт побережья, морских навигационных карт и другой продукции, необходимой для повышения эффективности и безопасности морских перевозок, а также для выполнения инженерных работ в прибрежных водах.

Организацией, составляющей морские навигационные карты, является береговая съемка национальной службы океанов. На нее возложена реализация программ по сбору морских навигационных данных и информации о водных пространствах США. Используя их, отдел морских навигационных карт создает навигационные карты, лоции и другую продукцию такого назначения и следит за их соответствием современному уровню. Отдел гидрографических съемок руководит программами, которые выполняют суда и береговые партии.

В рамках национальной службы океанов реализуется также программа создания и доведения до потребителей аэронавигационных карт и цифровых файлов континентальной части Соединенных Штатов и их территорий, призванная обеспечить потребности гражданской и военной навигации. Этим занимается дирекция аэронавигационного картографирования и картографии. Для обеспечения полетов и авиаперевозок ежегодно составляется до 15 тыс. аэронавигационных карт, требования к которым постоянно возрастают, и поэтому большинство из них каждые два месяца пересматриваются. Чтобы удовлетворять предъявляемым требованиям, основная часть картографических работ должна быть автоматизирована.

В 1994 - 1995 годах федеральная администрация по авиации ассигновала 1 млрд долларов на модернизацию национальной аэрокосмической системы обеспечения полетов с тем, чтобы она смогла эффективно использоваться и в XXI веке. В систему входила локальная вычислительная сеть из четырех центров, объединявшая более 100 графических и буквенно-цифровых рабочих станций КУМО и части национальных съемок, расположенных в пунктах составления навигационных карт и создания другой национальной картографической продукции.

Задачей национальной геодезической съемки является применение более современных технических средств и методов высокоточного местоопределения для установленния и поддержания на современном уровне национальной системы координат, надежного геодезического обеспечения для создания топографических и навигационных карт, решения задач навигации, кадастра, развития инфраструктуры, а также ряда научных задач. С середины 80-х годов одним из главных направлений в деятельности этого ведомства стала модернизация национальных астрономо-геодезической, нивелирной и гравиметрической сетей с целью повышения их точности и плотности покрытия территории США.

Базой для модернизации национальной астрономо-геодезической сети послужили расположенные на национальной территории пункты глобальной космической геодезической сети, сформированной КУМО в 70-х годах на основе результатов наблюдений геодезических спутников серий «Геос», «Лагеос» и других. В дополнение к этим пунктам (их насчитывалось свыше 30) КУМО с помощью космической навигационной системы «Транзит» создало доплеровскую геодезическую сеть, включающую более 200 пунктов.

Для ускорения и снижения стоимости работ по определению астрономических координат и азимутов по заказу КУМО был создан прибор (астролябия) А35М. Разработанный с использованием последних достижений науки и техники, он позволял практически полностью автоматизировать процесс наблюдения за небесными светилами. Эта астролябия заменила применявшиеся ранее для астрономических работ теодолиты «Уайлд» T4, оснащенные ПЗС-матрицей, и оптическую астролябию VUGTK с ртутным горизонтом. Геодезическая сеть была дополнена значительным числом заново определенных и переопределенных базисных сторон, а взаимное положение несколько удаленных друг от друга пунктов было установлено с точностью до сантиметра. Этого удалось добиться за счет проведения лазерных спутниковых измерений и интерферометрических наблюдений квазаров.

Все вышеуказанное наряду с эффективной программой математической обработки (переуравнивания) геодезической сети с использованием мощной вычислительной техники позволило повысить точность определения местоположения пунктов в национальной системе координат NAD-83 до 0,1 м и дать объективную оценку состояния сети.

Параллельно с работами по модернизации национальной геодезической сети осуществлялась проверка ее пунктов (центров и наружных знаков), в результате чего отделение информации национальной геодезической съемки смогло подготовить в 1994 году описание результатов обследования и обновления 230 тыс. пунктов, что составляет примерно 90 проц. общего их количества.

Для модернизации национальной высотной основы было дополнительно проложено около 80 тыс. км линий нивелирования, а для определения высот уровня моря создано несколько футштоков. Переуравнивание общей нивелирной сети позволило перейти к новым вертикальным североамериканским датам (North American Vertical Date - NAVD-88), которыми была заменена система высот, существовавшая с 1929 года. Для перехода от старой системы высот к новой было разработано программное обеспечение (VERCON), которое позволяет вычислять ортометрические высоты точек по их широте и долготе. При этом среднеквадратическая ошибка (б), полученная при определении опорных точек, составляет 2 см.

Положительный опыт применения аппаратуры GPS позволил специалистам КУМО и национальной геодезической съемки обосновать необходимость и экономическую целесообразность перехода на спутниковые технологии при проведении топографо-геодезических и гидрографических работ с целью определения координат и высот. Однако трудности при выборе пунктов сети для ис-пользования в качестве опорных при GPS- определениях относительным методом и сравнительно невысокая (4 х 10-6) точность взаимного расположения этих пунктов потребовали создания специальной национальной пространственной опорной сети (система NSRS), которая обеспечивала бы такой переход.

Для этого система NSRS должна включать следующие элементы: совокупность закрепленных на местности опорных пунктов, определенных в североамериканских системах координат NAD-83 и высот NAVD-63, на которых бы обеспечивалась надежная работа приемной GPS-аппаратуры и имелся доступ к местным линиям связи; модель геоида национальной территории США с высоким разрешением; еженедельно определяемые параметры орбит спутников (эфемериды) навигационной системы GPS (NAVSTAR).

Была принята двухуровневая иерархия опорных пунктов, распространяющих системы координат и высот. На первом уровне предполагалось иметь примерно 1300 пунктов, отстоящих друг от друга на 75 - 125 км, взаимное расположение которых следовало определить с относительной ошибкой 1 х 10-7, а на втором - 16 000 пунктов с точностью не более 1 х 10-6 (расстояние между ними 25 - 30 км). Местоположение опорных пунктов системы NSRS и способы их закрепления на местности выбирались по согласованию с правительствами штатов и сообществами будущих пользователей. Для сопряжения национальной геодезической сети и системы NSRS примерно через каждые 100 км их опорные пункты совмещались.

Для сбора спутниковой измерительной информации на опорных пунктах системы NSRS была установлена приемная аппаратура фирмы «Аштек», причем на некоторых из них для повышения надежности применялись сдвоенные комплекты. Чтобы обеспечить максимально достижимую точность взаимного расположения этих пунктов, КУМО ежесуточно вычисляло эфемериды всей группировки спутников системы GPS, используя выполняемые круглосуточно контрольные измерения на всех своих станциях сети слежения за спутниками.

По имеющейся информации, GPS-наблюдения на пунктах системы NSRS и определение их высот методом геометрического нивелирования были завершены к началу 1993 года в большинстве штатов (70 проц.). Во многих из них расстояния между пунктами этой системы составляет 25 - 50 км. При оценке их взаимного положения среднеквадратическая ошибка находится в пределах 1 - 3 см, а абсолютная (в системе NAD-83) - 5 - 10 см. Судя по сообщениям западной прессы, в настоящее время работы по созданию сети опорных пунктов системы NSRS на большей части территории страны близки к завершению. Имеются сведения, что из 100 запланированных к открытию круглосуточно действующих станций GPS, предназначенных для определения и доведения до потребителей дифференциальных поправок на моменты их рабочих измерений, действуют уже 75.

Для приведения полученных с помощью аппаратуры GPS геодезических высот в датах NAD-83 к ортометрическим высотам в датах NAVD-88 национальная геодезическая съемка совместно с центром геофизических данных Национального управления по изучению и освоению океанов и атмосферы, а также с другими организациями провела значительные работы по досгущению национальной гравиметрической опорной сети, что позволило уточнить совместно с КУМО модель гравитационного поля Земли (ГПЗ) для территории США и соседних стран. Уточненная модель, известная под названием GEOID-96, будет доводится съемкой до потребителей. Модель обеспечивает передачу ортометрических высот по результатам GPS-измерений с ошибкой (?? 2,5 см на расстояние до 50 км. При досгущении гравиметрической сети использовались не только наземные гравиметры, но также высокоточные инерциальные геодезические системы, позволяющие одновременно получать непосредственно на основе измерений профили высот геоида на маршрутах движения. Оценка точности модели ГПЗ GEOID-96 осуществлялась по результатам GPS-определений на ряде пунктов национальной нивелирной сети. Модель представляет собою матрицу высот геоида с дискретностью точек 2 х 2 по широте и долготе.

По тем же исходным данным, дополненным значениями составляющих уклонения отвесной линии (УОЛ), которые получены по результатам астрономических определений координат на пунктах геодезической сети, съемка совместно с КУМО создала модель DEFLEC-96 в виде аналогичной матрицы, которая обеспечивает определение составляющих УОЛ на территории США с точностью до секунды.

Модели GEOID-96 и DEFLEC-96 записываются на одном компакт-диске и распространяются отделом информационных услуг национальной геодезической съемки вместе с программами для вычисления высот геоида и составляющих в дискретных точках.

Высокоточные эфемериды и спутниковое время, которые необходимо знать при GPS-измерениях, определяются станциями слежения КУМО с использованием трехсуточных циклов контрольных измерений. Для распространения берутся их значения за каждые вторые сутки. До потребителя эти данные доводятся в международном формате в виде специального продукта национальной геодезической съемки. Суточные эфемериды распространяются также по сети INTERNET в виде самостоятельных файлов.

Станции слежения КУМО за спутниками располагались в Австралии, Аргентине, Великобритании, Бахрейне, Эквадоре и Китае. Для вычисления параметров всех спутников системы GPS (NAVSRAR) с высокой точностью используются также пять станций слежения ВВС и станция КУМО, размещенная в обсерватории, принадлежащей ВМС, которая обеспечивает высокоточную привязку спутниковых часов к стандарту времени.

С конца 1993 года на всех станциях установлены приемники «Аштек» ZY-12, за исключением той, что расположена в Китае, - на ней установлена приемная аппаратура «Аштек» Z-125. Все станции работают автоматически и дистанционно контролируются из аэрокосмического центра КУМО (г. Сент-Луис, штат Миссури). Для обеспечения высокоточных определений в их приемниках применяется специальный P(Y) код.

Для выполнения геодезических работ в 1996 году КУМО располагало 100 приемниками вышеуказанной фирмы, которые позволяют по одному массиву данных получить абсолютные координаты точки в системе WGS84 с точностью около 0,5 м в относительном режиме определений - до нескольких сантиметров, используя программное обеспечение карто-графического управления.

(Окончание следует)

Генерал-лейтенант В. Хвостов; генерал-майор Н. Воронков, доктор технических наук; генерал-майор В. Елюшкин, доктор технических наук; полковник А. Масленников, доктор технических наук

Источник - "Зарубежное военное обозрение" №5 1998.

Последнее обновление 19.05.2016 год

Автор - Антропов Петр, 2001 - 2017.

petivantropov@gmail.com

  Рейтинг@Mail.ru