Вопрос № 40. Автономные средства определения положения пунктов. Определение положения с помощью GPS-приёмников и инерциальных систем.Инерциальные геодезические системы

Вопрос№39 Автоматизированные системы крупномасштабного картографирования по материалам наземных измерений и аэросъёмок. Электронные теодолиты и тахеометры: принципы работы, устройство, программное обеспечение. Технология выполнения работ.

Автоматизированные системы картографирования ориентированы на весь комплекс работ по топографической съёмке местности, охватывая процессы получения съёмочных данных, их вычислительной обработки, формирования цифровой модели местности (ЦММ). Система картографирования осуществляет автоматизированный сбор топографической информации геодезическими, фотограмметрическими и картографическими методами, преобразование этой информации к пригодному для обработки на ЭВМ виду, автоматизированную обработку данных, формирование ЦММ и цифровых карт. В соответствии с функцией преобразования и с учётом организационных особенностей производства систему картографирования можно разделить на 4 подсистемы:1)подсистема сбора цифровой топограф. информации осуществляет процессы геодезических и фотограмметрических измерений, обследования территории и дешифрирования аэрофотоснимков с целью выявления топографических свойств местности, цифрового преобразования графических материалов. Результатом функционирования подсистемы является необходимая для создания карты (плана) дискретная информация о взаимно-пространственном расположении объектов местности и об их свойствах, подготовленная в виде, удобном для ввода и обработке на ЭВМ; 2)подсистема первичной обработки предназначена для ввода результатов съёмки, формального контроля данных, вычисления плоских или пространственных координат точек в заданной системе, объединения отдельных точек в элементарные контуры. В процессе работы этой подсистемы осуществляется заполнение оперативной базы данных в виде массивов координат опорной геодезической сети, съёмочных данных, координат съёмочных пикетов; 3)подсистема формализации осуществляет объединение многообразной топографической информации и преобразование её в ЦММ; 4)подсистема картографического отображения обеспечивает преобразование цифровой топографической информации к картографическому виду. Электронные теодолиты и тахеометры.Эти приборы снабжены встроенными вычислительными средствами и запоминающими устройствами, создающими возможность регистрации и хранения результатов измерений, дальнейшее их использование на ЭВМ для обработки.Для автоматизации полевых измерений при производстве топографической съёмки и других видов инженерно-геодезических работ созданы высокоточные электронные тахеометры. Элект. тахеометр содержит угломерную часть, сконструированную на базе кодового теодолита, светодальномер и встроенную ЭВМ. С помощью угломерной части определяются горизонтальные и вертикальные углы, светодальномера – расстояния, А ЭВМ решает различные геодезические задачи, обеспечивает управление прибором, контроль результатов измерений и их хранение.Примером может служить отечественный элект. тахеометр Та3М, с помощью которого можно определить: горизонтальные углы с погрешностью 4”; зенитные расстояния с погрешностью 5”; наклонные дальности с погрешностью 10мм; горизонтальное проложение; превышение или высоты точек визирования; приращения координат или координаты точек визирования. Прибор может работать в 4-х режимах: разделённом, полуавтоматическом, автоматическом и в режиме слежения. Геодезические задачи решаются с учётом поправок на кривизну Земли, рефракцию атмосферы, температуру и давление, разность высот штативов прибора и отражателя. Информация об угловых значениях выдаётся в гонах или градусах. Датчик углов прибора – кодовый, накопительного типа. В комплект тахеометра входят отражатели, штативы, источники питания, разрядно-зарядное устройство, принадлежности для юстировки прибора и ухода за ним.Существуют роботизированные элект. тахеометры ( «Геодиметр 640» фирмы «Геотроникс» Швеция), который по заданной программе сам находит положение отражателей, измеряет расстояние до них, горизонтальные и вертикальные углы и вычисляет координаты каждого отражателя. В карьерах с помощью такого прибора определяют деформации бортов карьера.При работе электр. тахеометр устанавливается на съёмочных точках, а на пикетных точках – специальные вешки с отражателями, входящими в комплект тахеометра. При наведении на отражатели вешки в автоматическом режиме определяются гориз. и вертик. углы, а также расстояние до смежных съёмочных и пикетных точек. С помощью микроЭВМ тахеометра производят обработку результатов измерений и в итоге получают приращения ∆x и ∆y координат и превышения h на смежные съёмочные и пикетные точки. При этом автоматически учитываются все поправки в измеряемые расстояния и за наклон вертикальной оси прибора в измеряемые углы. Результаты измерений могут быть введены в специальное запоминающее устройство (накопитель информации). Затем из накопителя информация поступает в ЭВМ, которая по специальной программе производит окончательную обработку результатов измерений, включающую вычисление координат точек, уравнивание хода и другие вычисления, необходимые для графического построения топографического плана или ЦММ.

Инерциальные системы – системы, основанные на использовании законов классической механики (законов Ньютона). Принцип работы инерциальных систем основан на использовании второго закона Ньтона F=a*m, где F – сила, действующая на тело, a – ускорение, m – масса. Если положение тела в инерциальной системе координат обозначить через P(t), то его скорость V является первой производной по времени P'(t): v(t)=P’(t)=dP(t)*dt, а ускорение a – второй производной: a= P”(t)=d²P(t)*dt², . Наиболее ответственными элементами инерциальных систем, точность которых в большей степени определяет точность решения навигационной задачи в ИГС являются датчики первичной информации:1. датчики о поступательном движении платформы (линейные акселерометры).Принцип действия основан на фиксации величины отклонения контрольной массы от своего первоначального положения при перемещении платформы.2. датчики о вращательном движении (датчики угловой скорости).Определяются углы, определяющие положение базового направления относительно инерциальной системы координат, а так же угловые скорости или угловые ускорения. При измерениях с помощью ИГС независимо от типа приборов должны учитываться следующие правила, позволяющие достичь максимальной точности измерений:1) продолжительность измерений должно быть как можно короче . 2) путь между пунктами должен быть по возможности прямолинейным, а само передвижение должно быть равномерным.3) контрольные измерения путём остановки ИГС (измерение нулевой скорости ИГС) должны осуществляться через 3-5 минут. 4) общее время измерений с помощью ИГС между двумя калибровками не должно превышать 5-6 часов. 5) через каждые 1-1,5 часа необходимо заезжать на пункты с известными координатами. Измерение с помощью ИГС начинается с фазы калибровки, которая в зависимости от программы, может продолжаться от 0,5 до 2,5 часов. Координаты пункта калибровки вводятся в ИГС. Система ориентируется в геодезической системе координат, платформа горизонтируется, определяются параметры фильтра Калмана и осуществляется корректировка погрешностей. Далее транспортное средство центрируется над исходным пунктом или в стороне от него (вычисляются элементы редукции). В процессе передвижения транспортного средства на табло выдаются текущие координаты с цикличностью 16-20 мс. Через каждые 3-5 минут транспортное средство останавливается на 0,5 минуты и измеряется нулевая скорость. При установке платформы на конечном исходном пункте на табло высвечиваются его координаты из измерений, вводятся координаты исходного пункта, производится уравнивание и вычисление координат всех промежуточных точек. Обратный ход делается тоже самое. Затем осуществляется уравнивание измерений. Окончательные координаты промежуточных точек получается как средние из прямого и обратного ходов. GPS-приёмники.Спутниковые системы позиционирования типа GPS включают 3 основные части:1. космический сектор 2. сектор управления и контроля 3. сектор потребителя 1. Космический сектор включает в себя набор спутников (созвездие). Установленная на спутниках аппаратура, осуществляет передачу на землю радиосигналов, на основе которых измеряется расстояние между спутником и наземным пунктом наблюдения, и навигационного сообщения (информация об эфемеридах, поправках в часы приёмника, альманахе, другая служебная информация). 2. Сектор управления и контроля состоит из центральной (ведущей) станции и нескольких разбросанных по всему земному шару станций слежения. Этот сектор осуществляет контроль за работоспособностью спутников, систематически уточняет эфемериды спутников, параметры принятой модели атмосферы, корректирует показания часов спутников и организует передачу навигационного сообщения с помощью загружающих станций на каждый из спутников. 3. Сектор потребителя состоит из аппаратуры пользователя, которая принимает радиосигналы от спутников и вычисляет на их основе конечные результаты (координаты точки стояния или скорость перемещения и направление перемещения). В зависимости от цели решаемых задач различают абсолютные, относительные и дифференциальные методы определения координат. В абсолютном методе задача определения решается с помощью одного GPS-приёмника; точность определения координат 40-100 м. В относительном методе одновременно используются два и более приёмников, расположенных на определяемых пунктах; поправки в координаты формируются на основе разности фаз полевого и базового приёмника; точность определения координат 1-2 см. В дифференциальном методе одновременно используются 2 и более приёмников, поправки в определяемые пункты вычисляются из сравнения измеренных координат базовой станции и фактических координат. Различают кодовые и фазовые приёмники. Кодовые приёмники определяю расстояние по принятому от спутника кодовому сигналу, состоящему из 0 и 1. Фазовые приёмники принимают информационный сигнал, несущий гармонические колебания, и расстояние определяется на основе разности фаз и решения фазовых неоднозначностей. Фазовые методы более точные, чем кодовые. Режимы работы GPS приёмников:1. Кинематика Для съемочных и других работ, требующих значительных передвижений на местности, предложен ряд разновидностей способов кинематического позиционирования. Измерения начинают со станций A и B, координаты которых и, следова-тельно, вектор D между ними уже должны быть известны. Процесс привязки подвижного приемника к базовому вектору называют инициализацией (от англ. initiate - начать). Ее цель - разрешить неоднозначность на известном базисе D.1.1. Непрерывная ( continuous), постобработка  1.2. "Стой и иди" ("Stop and go" ), постобработка1.3. Реального времени (Real Time K. - RTK).2. Статика2.1. Статика (statics) время наблюдений более 1 часа2.2. Быстрая статика (fast, rapid statics) Время наблюдений 10-20 минут. Ошибки, влияющие на качество спутниковых измерений:1) Ошибки эфемерид спутников. Вызваны гравитацией Луны и Солнца, солнечным излучением.2) Ошибки, обусловленные влиянием внешней среды: воздействие атмосферы (ионосфера и тропосфера) и многопутность (отражение радиосигналов от окружающих объектов). Ошибки ионосферы устраняются при использовании фазовых двух частотных приёмников, ошибки тропосферы компенсируются на основе фазовых разностей (относительный метод), явление многопутности уменьшается при увеличении "маски по высоте". 3) Инструментальные ошибки (смещение положения фазового центра антенны, неучтённые временные задержки при прохождении информационных сигналов через аппаратуру). Влияние этих ошибок исследуется при метрологической аттестации аппаратуры. Обработку результатов фазовых измерений наиболее часто ведут в программах  GPSurvey или Trimble Geomatics Office. Последовательность действий следующая:1. Создать проект 2. Выполнить импорт данных. 3. Вычислить приращения координат (обработать базовые линии) 4. Вычислить невязку и сравнить её с допустимой. 5. Выполнить уравнивание и вычислить координаты в WGS-84. 6. Выполнить трансформирование координат в нужную систему. 7. Сохранить результаты измерений