Описание приборов и программ обработки GPS данных

1. Методы и способы определения координат приборами GPS

Имеется несколько  методов выполнения наблюдений. Выбор  конкретного метода зависит от следующих  факторов:

-требуемый уровень точности;

-технические возможности приемника и наличие соответствующего программного обеспечения;

-характер окружающей местности и метеоусловия (радиопомехи, рельеф, гроза);

-наличие ограничений на переезд между наблюдаемыми пунктами и расстояние между ними;

-конфигурация спутниковой системы и количество наблюдаемых спутников, наличие средств связи.

Для решения различных  задач: определения точных координат отдельных точек, последовательных измерений местоположения множества точек, непрерывных координатных определений в процессе движения автомобиля и др.

Статический метод (Static Positioning). Название метода означает, что приемники не перемещаются в течение всего наблюдательного интервала. Базовый приемник и приемник с неизвестными координатами одновременно выполняют наблюдения и записывают данные в течение 15 минут - 3 часов. Такая длительность сессии вызвана необходимостью определения целочисленной неоднозначности фаз в начале сессии. Этому способствует и заметное изменение со временем конфигурации спутниковой системы. Одночастотные приемники используются для измерения баз длиной до 10-15 км, а двухчастотные - для баз длиннее 15 км (преимущества двухчастотных приемников заключаются в возможности адекватного моделирования эффекта воздействия ионосферы, а также меньшей продолжительности наблюдений для достижения заданной точности). После завершения сеансов наблюдений данные, полученные каждым приемником, собираются вместе, вводятся в компьютер и обрабатываются с помощью специальных программ с целью определения неизвестных координат пунктов. Точность метода при использовании фазовых наблюдений:

Для двухчастотных  приемников:

в плане: 5 мм + 1 мм/км * D;

по высоте: 10 мм + 1 мм/км * D;

Данный метод  используют для решения задач  контроля национальных и континентальных  геодезических сетей, мониторинга  тектонических движений земной поверхности, наблюдения за состоянием дамб, фундаментов  атомных электростанций и др. сооружений.

Псевдостатический метод (Pseudo-Static Positioning). Отличается от статического тем, что обеспечивает более высокую производительность съемки за счет выполнения наблюдений в течение нескольких коротких сессий вместо одной длинной. Один приемник непрерывно наблюдает на базовом пункте. Перевозимый приемник после наблюдений в течение 5 - 10 минут на определяемом пункте выключается и перевозится на следующий определяемый пункт, где вновь включается на 5 -10 минут. Затем вновь выключается и перевозится на следующий пункт и т.д. Каждый определяемый пункт необходимо посетить еще раз на 5 минут через 1 час после первого посещения. Этот метод практически эквивалентен статическому, но вместо того, чтобы ожидать в течение 1 часа изменения конфигурации спутников, наблюдения проводятся в течение 5 минут, а следующие 5 минут наблюдаются одним часом позже, когда конфигурация существенно изменилась. Остающиеся 55 минут можно использовать для посещения дополнительных неизвестных пунктов. Точность получаемых результатов будет на уровне статического метода. Для наблюдений могут использоваться как одночастотные, так и двухчастотные приемники. Метод удобен, когда необходимо в течение короткого времени произвести точное измерение координат большого количества точек. Недостатком метода является необходимость точного планирования графика посещения пунктов.

Быстростатический метод (Rapid Static Positioning.) Этот метод был разработан в последние годы. Он позволил значительно увеличить производительность GPS съемки. Метод отличается от псевдостатического тем, что достаточно лишь одного посещения определяемых пунктов (в течение 5-10 минут - в зависимости от расстояния между опорным и определяемым пунктами). Поначалу, на этапе появления данного метода, для наблюдений подходили лишь двухчастотные Р- кодовые приемники. В настоящее время некоторые одночастотные приемники можно также использовать в быстростатическом режиме.

Кинематический метод “стой-иди” (Stop-and-Go Kinematic Positioning). Метод позволяет получить положения пунктов так же быстро, как и в случае использования электронного тахеометра при решении топографических задач. Метод требует выполнения короткой процедуры инициализации с целью определения целочисленных неоднозначностей фаз. После этого опорный приемник продолжает непрерывно наблюдать на пункте с известными координатами, второй приемник перевозится (во включенном состоянии) на первый определяемый пункт, где вновь наблюдает 1 минуту. Затем он посещает все остальные определяемые пункты (лишь по одному разу).

Наиболее распространенными  являются следующие процедуры инициализации: обмен антеннами, когда второй приемник находится на “пункте обмена” (знание его координат не обязательно), выбранном на расстоянии не более 10 м от опорного, выполняется наблюдение 4-8 эпох, затем приемники переставляются (без выключения), меняясь антеннами и наблюдают 4-8 эпох (до нескольких минут), а после происходит обратная процедура обмена антеннами и выполнение наблюдений для 4-8 эпох;

Стояние второго приемника в течение 1 минуты на втором пункте с известными координатами, причем этот второй пункт может быть на расстоянии не более 10 км от опорного пункта;

Статический метод, когда определяемый пункт выбирается на расстоянии не более 10 км от опорного пункта, а сеанс наблюдений имеет продолжительность не менее 30 минут.

Недостаток метода состоит в необходимости непрерывного (и даже во время движения) наблюдения не менее 4 спутников одновременно. Если число наблюдаемых спутников  падает до трех хотя бы на миг, необходимо вернуться на последний успешно  посещенный определяемый пункт или  вновь провести процедуру инициализации. Во избежание этого лучше всего  обеспечить возможность наблюдения одновременно пяти или более спутников.

Точность метода при использовании фазовых наблюдений:

Для двухчастотных  приемников :

в плане: 20 мм + 1 мм/км * D;

по высоте: 20 мм + 2 мм/км * D;

Метод эффективен при выполнении топографической  съемки, когда за короткое время  необходимо определить координаты большого числа точек, при построении цифровых моделей рельефа, определении местоположения объектов местности, имеющих форму  ломаной линии (трубопроводы, дороги и пр.).

Кинематический метод  со статической инициализацией (Kinematic with Static Initialization). Метод очень похож на предыдущий. Точно так же на базовом пункте с известными координатами производится процедура инициализации, затем подвижный приемник перемещается в начальную точку маршрута движения и производит там наблюдения в течение нескольких минут. Далее подвижная платформа с приемником начинает движение по маршруту. GPS - измерения выполняются непрерывно во время движения с интервалом 1 сек. Точностные параметры метода те же, что и у “Stop-and-Go”. Чаще всего применяется для получения координат линейных объектов типа дорог, рек и т.д.

Кинематический метод  с инициализацией “на ходу” (Kinematic with On - the Fly Initialization.) Данный метод не требует для инициализации размещения подвижного приемника на базовой станции - эта процедура выполняется непосредственно при движении транспортного средства по маршруту. Кроме того, если по какой- либо причине произошел срыв наблюдений (например, из-за проезда под железнодорожным мостом), процесс инициализации производится вновь без остановки движения. Точностные параметры и сферы использования метода не отличаются от других кинематических методов.

2. Приборы GPS

Основное назначение систем спутниковой  навигации – военное. С целью  исключения несанкционированного использования  системы в эфемериды спутников  вносятся искажения, а также искажаются показания часов спутников  и  несущая частота (так называемый режим выборочного доступа (SA)). Исключить  эти искажения может только приемник имеющий доступ к Р-коду (только военный  приемник) В этом случае предельная ошибка определения абсолютных координат  составляет 10-20 м. Обычный преемник имеющий доступ только к С/А – коду определяет координаты с предельной ошибкой 150-200 м.

Приведем некоторые возможные  классификации современных приемников.

Приемники, способные принимать:

СМ код;

С/А код+фазовые измерения на частоте L1

С\А код+фазовые измерения на частотах L1 и L2

С/А код+Р код+фазовые измерения на частотах L1 и L2.

В геодезии широкое применение нашли  приемники, занимающие 2 и 3-ю позиции  в вышеприведенной классификации. Кроме этого, приемники можно  классифицировать по области применения: 1) геодезические приемники; 2) навигационные  приемники; 3) приемники времени; 4) военные  приемники.

В геодезических работах в основном используются приемники, способные  производить фазовые измерения  на частоте L1 или двух частотах L1 и L2. Однако для определения поправок в часы приемника и обеспечения  синхронной работы нескольких одновременно работающих приемников параллельно  с фазовыми измерениями производятся кодовые измерения с использованием С/А кода. По кодовым измерениям микропроцессор приемника автоматически вычисляет поправку и корректирует часы приемника с точностью 1 ms=0,001 с. Следовательно, не синхронность работы приемников, производящих измерения на различных пунктах, не превышает 2 ms.

Производством геодезических GPS приемников занимается несколько компаний leica, Trimble, Novatel, Sokkia, Thales, Topcon и др.

Приёмная аппаратура GPS, выпускаемая  фирмой Ashtech (США), обеспечивает высокую точность места определения. В приёмник GPS встроен многоканальный блок, осуществляющий слежение одновременно за сигналами двенадцати и более спутников Земли. GPS - приёмник в течении одной секунды собирает, вычисляет и записывает данные о координатах всех спутников, находящихся в поле зрения. Стандартная внутренняя память приёмника 2 Мегабайта позволяет хранить более, чем 37-часовые результаты наблюдений шести спутников или 22часовые данные, полученные по наблюдениям за десятью навигационными искусственными спутниками земли.

Питание приёмника осуществляется от специальных аккумуляторов. Приёмник с помощью стандартной подставки  закрепляется на штативе. Температурный  диапазон его работы лежит в пределах -20, +60°С, при влажности 100%.

GPS - аппаратура состоит из антенных, приёмных и вычислительных устройств,  а также пульта управления  и индикации.

Приёмное устройство выполняет  функции супергетеродинного приёмника, а также осуществляет первичную  обработку сигналов.

Вычислительное устройство содержит блок связи и собственно вычислитель. Основой вычислителя являются микропроцессоры, дополненные модулями памяти.

Пульт управления и индикации содержит клавиатуру управления и индикационное  табло, на котором, по указаниям оператора, могут отображаться различные параметры  и сообщения.

Выбор конкретного типа приёмника  спутниковых сигналов для проведения земельно-кадастровых геодезических  работ прежде всего зависит от необходимой точности определения положения объектов. Например, при создании и развитии ОМС1 необходимо использовать двухчастотные приёмники. При развитии ОМС2, а также при межевании земельных участков разрешается использование одночастотных приёмников.

После сеансовая обработка данных GPS определений выполняется с  помощью программного обеспечения.

3. Программы обработки GPS данных

В настоящее  время из-за развития геодезических  инструментов и компьютерной техники  появилось огромное количество программ для обработки результатов геодезических  измерений. Они позволяют ускорить процесс получения необходимых  данных и отчетных материалов, а  так же повысить степень доверия  к обработанным результатам. К этим программам относятся:

• Credo_DAT

• GeoniCS

• AutoCAD

• Topcon Tools.

В данном курсовом проекте будут рассмотрены  программы, позволяющие обработать результаты наземных геодезических  и спутниковых наблюдений, программа  для создания топографических планов, а так же рассмотрен принцип работы с GPS-приемниками.

Обработка результатов наземных измерений  в программе Credo_DAT

К наземным геодезическим измерениям относят:

нивелирование;

триангуляцию;

трилатерацию;

полигонометрию;

теодолитные хода;

тахеометрическую  съемку;

Все виды наземных геодезических измерений  можно обработать в программе  Credo_DAT, созданной фирмой «Кредо-Диалог».

Особенности системы CREDO_DAT:

отсутствует ограничение на объем информации в сетях и при съемках;

неограниченные  формы и методы обработки сетей  геодезической опоры;

разветвленная система сбора атрибутивной и  геометрической информации;

интеллектуальный  механизм поиска и выделения ошибок;

диалоговые  возможности проектирования высотных и плановых сетей;

коллективная  обработка измерений, которые выполненные  с разной точностью и разными  методами;

графическое представление процессов обработки;

возможности пользовательской настройки процедуры  ввода, создания и обработки выходных документов для стандартов предприятия. Поддерживаются национальные языки  и стандарты.

Кроме того в последней модификации Credo_DAT позволяет обрабатывать результаты спутниковых и наземных измерений совместно. Данные для обработки могут поступать в Credo_DAT непосредственно с инструментов или вводиться вручную.

Создание  цифровой модели местности в программе  GeoniCS

Цифровая  модель местности (ЦММ) - множество, элементами которого является топографо-геодезическая  информация о местности. Она включает в себя:

метрическую информацию - геодезические пространственные координаты характерных точек рельефа  и ситуации;

синтаксическую  информацию для описания связей между  точками - границы зданий, лесов, пашен, водоемов, дороги, водораздельные и  водосливные линии, направления  скатов между характерными точками  на склонах и т.п.;

семантическую информацию, характеризующая свойства объектов - технические параметры  инженерных сооружений, геологическая  характеристика грунтов, данные о деревьях в лесных массивах и т.п.;

структурная информация, описывающая связи между  различными объектами - отношения объектов к какому-либо множеству: раздельные пункты железнодорожной линии, здания и сооружения населенного пункта, строения и конструкции соответствующих производств и т.п.;

общую информацию - название участка, система координат  и высот, номенклатура.

Топографическая ЦММ характеризует ситуацию и рельеф местности. Она состоит из цифровой модели рельефа местности (ЦМРМ) и цифровой модели контуров (ситуации) местности (ЦМКМ). Кроме этого ЦММ может дополняться моделью специального инженерного назначения (ЦМИН). В инженерной практике часто используют сочетание цифровых моделей, характеризующих ситуацию, рельеф, гидрологические, инженерно-геологические, технико-экономические и другие показатели.

Рассмотрим  процесс создания ЦММ в программе  GeoniCS по результатам обработки геодезических измерений в программе Credo_DAT. GeoniCS представляет собой комплекс модулей, которые предназначены для решения очень широкого круга задач (от создания топопланов до выполнения Вертикальной планировки местности). Система работает в графической среде AutoCAD, используя его процедуры и функции, что позволяет без потерь использовать файлы, созданные в GeoniCS, на любом компьютере, где установлен AutoCAD.

Обработка спутниковых измерений в программе  Торсоn Tools

Торсоn Tools - это простая и мощная программа для постобработки полевых измерений. Программа представляет полную функциональность для обработки и уравнивания полевых геодезических изменений выполненных инструментами фирм Торсоn. В данном комплекте активизирован только модуль постобработки GPS измерений. Существуют также модули обработки измерений выполненных тахеометрами, RTK (в реальном времени) GPS измерений и некоторые комбинации из функций этих модулей. Как начинающий, так и опытный геодезист может использовать Торсоn Tools для:

Пост-обработки GPS базовых линий

Обработки линейно-угловых измерений выполненных  с помощью тахеометров (если приобретён соответствующий модуль).

Уравнивания сетей

Импортирования  файлов компьютер из электронных  инструментов

Экспортирования файлов данных в компьютер и электронные  инструменты

Торсоn Tools имеет возможность представления данных в табличном и графическом виде:

Используйте рабочее окно Таблица (Tabular view) для ознакомления с информацией о точках, векторах наблюдений или сеансах измерений, с возможностью сортировки по различным критериям.

Используйте рабочее окно Схема (Map view) для отображения общей схемы сети измерений, оценки положения точек и векторов и поиска нужных точек и векторов.

Используйте рабочее окно Сеанс (Occupation view) для отображения информации о сеансах измерений.

Используйте рабочее окно CAD (CAD view) для отображения рабочих линий и цифровых моделей местности, связанных с измеренными точками и линиями. Данные в программу поступают непосредственно с GPS-приемника.

После импорта  и редактирования данных нужно приступать к их обработке. Обработка производится с целью получения векторов измерений  и приблизительных координат  точек. Для некоторых задач приблизительные  координаты вполне устроят, но для высокоточных работ необходимо выполнить уравнивание.