рекомендуемые параметры маски высоты в градусах
Основные принципы GPS системы при проведении крупномасштабных съемок
Автор работы: Пользователь скрыл имя, 28 Марта 2012 в 17:06, курсовая работа
Описание
Работа состоит из 1 файл
Мой диплом.docx
Оказывает влияние на точность
Потеря точности относительных
Потеря точности определения
Плановых и высотных измерений
Потеря точности в плане (HDOP)
Плановых координат (широта и долгота)
Потеря точности по высоте
Потеря точности по времени
PDOP фактор является лучшим общим показателем точности созвездия, хотя сам по себе PDOP не гарантирует точного определения базисной линии. PDOP равный 4 и ниже, обеспечивает получение очень точных положений. PDOP между 5 и 7 является приемлемым, а PDOP, равный 7 или больше, считается неудовлетворительным. Пользователь может также установить пороговое значение PDOP в приемнике для того, чтобы игнорировать созвездие, PDOP которого выше установленного пользователем предела.
В геодезических приемниках фирмы Trimble по умолчанию устанавливается значение PDOP, равное 7. Следует отметить, что это пороговое значение влияет только на определение положения и не оказывает существенного влияния на последующую обработку базисной линии. Модуль Планирование (Plan) позволяет вычислить PDOP в ходе полевых наблюдений. Если ввести в модуль Планирование (Plan) интересующие пользователя местоположение и дату, то с помощью этих данных можно спрогнозировать видимость спутников и их геометрию.
1.4. Выполнение полевых измерений.
Полевые мероприятия по сбору данных являются важным элементом успешного проведения геодезической GPS съемки. Недостаточно знать, как нажимать кнопки приемника: необходимо также понимать, как использовать большое число приемников таким образом, чтобы обеспечить высокопрофессиональное измерение базисных линий с максимально возможной точностью.
1.4.1.Качество данных и методы сбора данных.
От метода сбора GPS данных напрямую зависит их качество. Важно иметь правильное представление о полевых методах сбора данных. Для достижения максимально указанной точности GPS съемки следует придерживаться предлагаемых предельных значений для величины PDOP и угла возвышения спутников, а также следовать другим рекомендациям по проведению полевых работ. Различные геодезические приемники способны выполнять множество полевых мероприятий, в том числе: статическую съемку, быстростатическую съемку, кинематическую съемку, непрерывную кинематическую съемку, геодезическую съемку в реальном времени (RTS).
С точки зрения геодезиста, все полевые мероприятия, по существу, одинаковы. В приемник или накопитель данных необходимо ввести информацию, которая указывает на то, находится ли пользователь на пункте стационарно или перемещается. Кроме того, можно обеспечить ввод дополнительной информации, касающейся особенностей этих полевых событий.
1.4.2.Положение антенны: взгляд в небо.
Сигналы GPS спутников являются всенаправленными, для получения наилучших результатов антенна должна иметь свободный, ничем не закрытый обзор неба выше предварительно заданного порогового значения угла возвышения. Спутниковые сигналы не проникают сквозь металлические поверхности, стены зданий, стволы деревьев или другие аналогичные объекты. В то же время сигналы проходят через листву деревьев, стекло, пластик и другие аналогичные преграды, хотя это может вызывать ослабление сигнала. В общем случае необходимо стараться обеспечить свободный обзор небосклона. GPS сигнал может быть подвержен воздействию мощных передатчиков (особенно в микроволновом диапазоне). Следует избегать проводить сбор данных в фокусной зоне микроволнового передатчика или вблизи мощных радиолокационных установок; так как это может повредить GPS антенну.
1.4.3.Измерение высоты антенны.
Измерение высоты антенны (или инструмента) является потенциальным источником погрешностей при выполнении любого типа съемки. В Глобальной Системе Позиционирования высота антенны означает то же самое, что и общепринятое понятие высоты инструмента (w), GPS не застрахована от такого рода погрешности измерения. Геодезические GPS приемник могут работать с антеннами различных типов. Пользователю следует убедиться в том, что ему понятно, как измерять высоту своих GPS антенн. Под измерением высоты антенны понимается измерение расстояния от геодезической марки на наземной поверхности до фазового центра антенны.
Фазовый центр антенны – это точка, где приемник производит измерения спутникового сигнала. GPS аппаратура принимает спутниковые сигналы в фазовом центре антенны. Имеется возможность ввода в GPS двух типов высоты антенны: истинной вертикальной (true vertical), либо нескорректированной (uncoirected). При вводе нескорректированной высоты антенны пользователь указывает процессору, что высота антенны измерялась в соответствии с методикой, принятой для данного типа антенны. Иногда такое измерение рассматривается как наклонное. В этом случае в процессе вычисления компонент базисных линий программное обеспечение обработки рассчитывает поправку для этой величины.
При вводе истинной вертикальной высоты антенны пользователь сообщает приемнику и программному обеспечению обработки о своем измерении вертикальной высоты от геодезической марки до фазового центра антенны. В этом случае, во время постобработки никакие поправки к данной величине не применяются. Следует ввести измерение высоты антенны в приемник либо как составную часть информации о станции, при нахождении пользователя на станции, либо как составную часть информации о непрерывной кинематической съемке, в случае если пользователь осуществляет перемещение.
Необходимо быть особо внимательным при измерении высоты антенны, выполняя эту операцию тщательно и точно. Следует провести измерение, а затем повторять его, предпочтительно в двух различных единицах измерений, таких как сантиметры и дюймы. В качестве дополнительной страховки результаты измерения высоты антенны следует зафиксировать в письменном виде.
Проще, как правило, использовать некорректированную высоту антенны, оставляя введение поправок на программное обеспечение. Однако для успешного выполнения работ в поле чрезвычайно важно, чтобы пользователь и его команда придерживались стандартизированной методики. При измерении высоты антенны делается больше грубых ошибок, чем в каком-либо другом аспекте GPS, и последовательное проведение мероприятий лучше всего предохраняет от таких грубых промахов.
Фактор потери точности (Dilution of Precision – DOP) может оказывать сильное влияние на точность данных. Фактор потери точности определения положения (PDOP) является, лучшим общим показателем качества геометрии созвездия спутников и, следовательно, точности данных. Для того чтобы собрать и получить, высококачественные данные, можно задать такое предельное значение PDOP, при превышении которого вычисления положений производиться не будут. Этот предел называется маской PDOP (PDOP mask), и оно должно быть установлено в приемнике перед началом регистрации данных. Рекомендуемое (и выставляемое по умолчанию) значение маски PDOP равно 7. Данное значение PDOP используется при выполнении кинематических съемок, в ходе которых нормой являются очень короткие периоды наблюдений. В случае если значение PDOP равно или превышает 7, приемники фирмы Trimble издают сигнал тревоги, который предупреждает пользователя о необходимости оставаться неподвижным до тех пор, пока значение PDOP не удаляет ниже порогового. При проведении статических и быстростатических съемок, которые требуют более длительных периодов наблюдений по сравнению с кинематической съемкой, пороговое значение PDOP, либо соответствующий ему предупредительный сигнал не используется.
1.4.5.Маска угла возвышения.
1.4.6.Интервалы между эпохами.
Интервал между эпохами (называемый также периодичностью наблюдений ИСЗ – SV sync time) представляет собой периодичность, с которой данные вводятся в память приемника. Интервал, который подходит для конкретной съемки зависит от ряда вещей, включая: 1) процессор базисной линии
2) количества имеющейся памяти в приемнике
3) плотности точек, которая требуется для соответствующего покрытия территории проекта.
Объем данных, который необходимо собрать пользователю, может меняться при различных способах наблюдения. Например, при наблюдении базисной линии с использованием метода статической GPS съемки, по всей вероятности, нет необходимости в осуществлении сбора данных через каждые 0.5 секунды, поскольку пользователь продолжает оставаться на одном месте. Интервал между эпохами, равный 15 секундам, как правило, является достаточным. Однако если представить, что после наблюдения этой статической линии, пользователю необходимо преступить к выполнению топографической GPS съемки, то оказалось бы, что 15-ти секундный интервал между эпохами слишком продолжителен, пока пользователь находится в движении. В этом случае для адекватного отображения области съемки на карте, следует установить интервал между эпохами в 1 или 2 секунды, в зависимости от скорости перемещения пользователя или времени его пребывания в каждой точке съемки. При изменении интервала между эпохами необходимо учитывать два основных фактора:
Выбор интервала между эпохами в значительной мере зависит от требований предъявляемых к проекту и от того, как перемещается пользователь при сборе данных.
1.5.Режимы наблюдений базисных GPS линий.
Для наблюдения базисных линий между пунктами с помощью GPS можно использовать несколько методов. Традиционно, при применении GPS для определения базисных линий и остаются в стационарном положении положительно в течение 1 часа. Однако за последние несколько лет был разработан ряд повышающих производительность методов, которые позволяют наблюдателю находиться на базисной линии более короткое время и определять ее гораздо быстрее, не проигрывал в точности.
1.5.1.Методы наблюдений. Статика.
Стандартные статические наблюдения остаются основным методом наблюдения GPS съемки с момента появления концепции использования GPS для создания опорных сетей. Выполнение статической GPS съемки подразумевает установку двух приемников: одного – в опорной точке, другого на станции, положение которой предстоит определить, а также их одновременную работу на протяжении, приблизительно 1 часа в ходе одной сессии съемки.
Требования, предъявляемые к оборудованию и времени наблюдения, отличают быструю статику от других форм GPS съемки, в процессоре базисной линии быстростатической съемки программного обеспечения GPSurvey используются точные псевдодальности и результаты фазовых наблюдений с целью более эффективного определения базисной линии, нежели при статической GPS обработке.
Полевые мероприятия, осуществленные в процессе этой съемки очень схожи с мероприятиями, выполненными в процессе статической съемки, описание которой дается выше, за исключением того, что требования, предъявляемые к продолжительности наблюдений, не являются такими жесткими. В таблице приводится перечень требований к продолжительности наблюдений при быстростатической съемке. Обычно для осуществления быстростатических съемок нужен один сеанс наблюдении базисной линии продолжительностью, как правило 5 – 20 минут. Это намного быстрее, чем 1-часовой период наблюдения, необходимый при выполнении стандартных статических съемок.
Предмет и задачи космической навигации (КН) (стр. 24 )
 | Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 |
Из-за разнообразия спутниковой аппаратуры, способов управления, степени автоматизации и других факторов нет необходимости рассказывать обо всех параметрах, и здесь мы остановимся только на трех параметрах: угол отсечки по высоте, продолжительность сеанса и интервал регистрации.
Угол отсечки по высоте (маска высоты) – это высота спутника над горизонтом, начиная с которой приемник выполняет измерения при восходе спутника или прекращает измерения при его заходе. Чем меньше этот угол, тем больше спутников доступно приемнику и тем более высокую точность можно достигать. Однако у низких спутников обычно повышается уровень шума в измерениях. Зависимость шума измерений от угла высоты вызывается главным образом диаграммой направленности коэффициента усиления антенны приёмника, другие факторы, такие как атмосферное затухание сигнала, дает значительно меньший вклад. Повышение масок высоты способствует прохождению лучей при более благоприятных условиях, уменьшает вероятность возникновения многопутности, но иногда приводит к ухудшению геометрических факторов из-за уменьшения числа доступных спутников.
При автономном позиционировании маска должна обеспечивать наиболее высокую точность. При дифференциальном позиционировании по кодам, когда расстояние между приемниками достигает нескольких сотен километров, маска высоты у мобильного приемника увеличивается на 1° по мере удаления от базовой станции на каждые 100 км. Соблюдение этого условия позволяет обоим приемникам наблюдать одни и те же созвездия спутников, поскольку базовый приемник будет начинать наблюдения раньше, а заканчивать позднее, чем мобильный.
С появлением многоканальных приемников, наблюдающих все, что видит (all-in-view), проблема маски высоты становится менее актуальной. Рекомендуемая маска высоты для фазовых приемников 15° при статических измерениях и 10° или 13° для быстрой статики и кинематических измерений. Меньшие углы отсечки по высоте приведут к увеличению объема измерений, более быстрому расходованию памяти приемника. Однако при обработке нередко бывает так, что увеличение объема измерений из-за уменьшения маски высоты приводит к улучшению качества решения. Вклад низких спутников может быть существенным при обработке измерений универсальными программами, а при определении зенитных тропосферных задержек обязательно наличие спутников с высотами порядка 7°.
Продолжительность сеанса измерений. Под сеансом наблюдений или сессией понимается время, в течение которого производится непрерывная регистрация сигналов спутников. Этот параметр особенно важен при статических измерениях фазовыми приемниками.
Известно, что однократное измерение фазы несущей производится с точностью до миллиметра и даже лучше (1.0-0.1% от длины волны), и чтобы обеспечить геодезическую точность наблюдений было бы достаточно пары измерений за 5 – 10 секунд времени. Почему же необходимы длительные сеансы? Объясняется это необходимостью определения целого числа длин волн несущих колебаний в расстоянии от антенны спутника до антенны приемника в момент первого наблюдения каждого спутника. Это число называют неоднозначностью фазовых отсчетов, его величина превышает 107. Минимальное количество эпох, при котором число измерений превышает число неизвестных, равно двум. Однако только достаточно длительные измерения в совокупности с хорошей геометрией расположения пунктов и космических аппаратов обеспечивают наблюдаемость данной динамической системы, обеспечивая несмещенную оценку вектора определяемых параметров.
В относительном методе наблюдений продолжительность сеанса определяется следующими факторами:
— длина базовой линии,
— количество наблюдаемых спутников,
— геометрия спутников относительно наблюдателя и ее изменение в течение сеанса,
— отношение сигнал-шум принятого сигнала.
Обычные значения для продолжительности сеансов в режиме статических наблюдений (особенно при длине базовых линий до 20 км) приведены в табл. 11.1. Эти значения основаны на видимости не менее 4-х спутников, хорошей геометрии и нормальных атмосферных условиях. Заметим, что дополнительные спутники позволяют уменьшить продолжительность сеанса примерно на 20%, эти цифры могут не оставаться слишком постоянными, однако, они гарантируют правильное разрешение неоднозначности и, таким образом, высокие точности.
Таблица 11.1. Продолжительность сеансов для статических измерений
[Hofmann-Wellenhof et al. 2001].
Наилучший метод определения оптимальной продолжительности сеанса в больших проектах – это сделать более чем нормальное наблюдение в первый день работ, получив типичные данные наблюдений. Например, можно сделать наблюдения продолжительностью 60 минут для коротких (1-5 км) линий и 120 минут для более длинных линий (5-20 км). Эти данные при обработке дают хорошие результаты. Затем эти данные можно обработать несколько раз повторно, сокращая последовательно объем данных и сравнивая с результатами по полному объему данных. Так можно подобрать приемлемую продолжительность сеанса [Hofmann-Wellenhof et al. 2001; Антонович и Долганов 2003].
Интервал регистрации. Интервал записи данных в приемнике обычно выбирается кратным минуте. Наиболее популярный интервал для записи измерений в статических съемках – 15 секунд. При длительных сеансах устанавливается интервал 20 или 30 секунд, напротив, для быстрой статики предпочтительнее интервал в 5 секунд для одночастотных измерений и 10 секунд – для двухчастотных измерений.
Что лучше: наблюдать 5 минут с дискретностью в 1 секунду (получается 300 эпох измерений) или 25 минут с дискретностью 5 секунд (также 300 эпох измерений)? Ответ такой: для уверенного разрешения неоднозначностей фаз второй случай предпочтительнее, так как за 25 минут спутники переместятся в пространстве на большие дуги, свободные члены в уравнениях поправок будут вычисляться более уверенно. Иногда говорят о «информационном содержании» наблюдений, которое во втором случае, естественно, больше. (Мерой «информационного содержания» или «геометрической силы» наблюдений является параметр IDOP – Integer DOP [Misra and Enge 2001]).
Другой фактор, который также необходимо учитывать, это проблема восстановления потерь счета циклов. Эта проблема лучше будет решаться в первом случае, где точки на траекториях будут располагаться чаще, и их можно увереннее аппроксимировать какими-либо функциями. Поэтому в длительных сеансах обычно антенны стараются располагать в местах, лишенных препятствий.
При кинематических измерениях интервалы записи данных обычно устанавливаются равными 1, 2, 3 или 5 секундам, в зависимости от скорости движения антенны. При больших скоростях данные собираются чаще, чтобы иметь возможность точнее определять положение антенны в момент регистрации нужного события (например, момента съемки аэрофотоаппаратом).
11.2.4 Форма геодезических спутниковых сетей
Форма сети. В сетях триангуляции все углы в треугольниках измеряются с одинаковой точностью. В равносторонних треугольниках в процессе их решения это обеспечивает получение сторон с одинаковой точностью. Если встречается треугольник с разными углами, то сторона, лежащая против большего угла будет определяться грубее остальных сторон. Напротив, сторона, лежащая против острого угла будет получаться точнее большой стороны, но такая сеть будет быстро уменьшаться в размерах. Проблема формы треугольников объясняется нелинейной функциональной моделью, используемой в триангуляции для связи параметров измерений (углов) с параметрами сети (координатами пунктов).
Длинные и короткие базовые линии. Присутствие в сети длинных и коротких базовых линий может создавать некоторые сложности при реализации проекта. Из-за сильной корреляции ошибок атмосферы на коротких базовых линиях целочисленные неоднозначности обычно разрешаются гораздо лучше, чем на длинных линиях. Решения с вычисленными неоднозначностями (фиксированные решения) приводят к малым средним квадратическим ошибкам в разностях координат. Плавающие решения, то есть без разрешения неоднозначностей, часто являются единственной возможностью для длинных базовых линий, но они дают значительно большие средние квадратические ошибки. Когда в сети есть короткие и длинные базовые линии, совокупность коротких линий будет получаться с высоким весом в уравнивании сети. Это будет приводить к неравноточной сети пунктов. Поэтому длинные базовые линии следует находить из двучастотных измерений и с использованием точных эфемерид. Тогда их статистические оценки будут сравнимы с оценками коротких базовых линий [Leick 1994]. Впрочем, в работе [Eckl et al. 2001] делается вывод о том, что при использовании точных эфемерид и научного программного обеспечения точность определения векторов базовых линий слабо зависит от расстояния, есть зависимость только от времени.
Данная проблема напрямую связана с определением ориентирных направлений. Ориентирные пункты располагаются в пределах прямой видимости, обычно на небольших расстояниях. Передачу координат из спутниковых измерений следует производить с контролем не менее чем по двум векторам.
Опорные и контрольные точки. Для объединения проектируемой сети с существующими сетями необходимо иметь несколько общих точек, чтобы провести полноценное уравнивание и контроль полученных данных. Число опорных точек, необходимых для уравнивания с ограничениями (то есть с определением параметров преобразования координат) определяется размерами новой сети и требуемой точностью привязки, но оно не должно быть менее трех. Однако, если хотя бы одна из выбранных точек окажется неудачной, то привязка оказывается бесконтрольной или даже невозможной. Поэтому лучше иметь избыточное количество опорных точек. Для линейных сетей типа траверсов такие точки рекомендуется располагать не реже, чем через 50 км. Плановую привязку можно проконтролировать, если связывать точку сети с парой опорных пунктов.
Проблема привязки спутниковых сетей по высоте более сложная, потому что спутниковые измерения дают приращения эллипсоидальных высот, а отметки реперов даются в системе нормальных высот. Для преобразования эллипсоидальных высот в нормальные высоты необходимо знать превышение квазигеоида над эллипсоидом, которое не является постоянным на объекте работ. Для равнинных районов работ расстояния между точками высотной привязки должны быть не реже, чем через 10 км, чтобы добиваться точности на уровне нивелирования IV класса. В горных районах расстояние должно быть еще меньше, порядка 5-8 км. Чем точнее планируется получить квазигеоид, тем больше необходимо иметь контрольных точек и чаще их располагать. Нельзя допускать, чтобы точки были сосредоточены в одной какой-либо части сети или располагались по прямой линии, они должны равномерно располагаться по всей площади объекта.
Рис. 11.1. Проект спутниковой геодезической сети.
На рис. 11.1 приводится проект спутниковой геодезической сети из 15 пунктов. Ее привязка к ГГС осуществляется в плане к пунктам триангуляции (точки A, B, C, D, E), а по высоте – к реперам (точки F, G, H, I). Здесь намеренно выбран не совсем удачный проект. Пункты 10, 14 и 15 находятся за контуром пунктов триангуляции, их координаты будут получаться из экстраполяции координатной сетки. Было бы полезно добавить еще одну привязку на юго-восточном углу сети. Привязка к пунктам C и D позволяет контролировать ошибки в координатах этих пунктов, а к пунктам A, B и E – не дает этого. Привязка к пункту B контролирует только ошибки в базовых линиях. Привязка по высоте к реперам F и G не дает того эффекта, что привязка в плане к пунктам триангуляции C и D, здесь можно проконтролировать только базовые линии, но не отметки реперов, поэтому привязка к реперам H и I вполне достаточная. В случае повышенных требований к точности высот желательно располагать реперы по каждому углу спутниковой сети, а привязку выполнять двумя сеансами, как показано на реперах I и H.
Контрольные точки нужны для того, чтобы убедиться в правильности проведенных наблюдений и преобразований плановых координат и отметок.
Избыточные связи. Доверие к результатам измерений зависит от объема избыточных данных. Избыточные связи между точками позволяют уверенно локализовать грубые промахи. Хотя избыточные связи требуют дополнительных затрат труда, отказываться от них не следует, и нужно стремиться, чтобы каждая точка получалась не менее, чем по двум векторам. Радиально-лучевая схема построения сети, являющаяся обычным явлением при многих видах съемок, недопустима при построении опорных геодезических сетей.
11.2.5 Количество приемников
Количество приемников и производительность работ. Производительность работ при наблюдении геодезической сети зависит как от ее класса, конфигурации, физико-географических условий и погодных условий, доступности пунктов, так и от количества используемых приемников и их распределения по пунктам в сеансах наблюдений. Под сеансом или наблюдательной сессией понимается промежуток времени, в течение которого каждый из R приемников регистрирует в каждую из E эпох данные по каждому из s спутников. Рассмотрим вопрос о том, сколько сеансов потребуется для съемки сети из P пунктов, если в распоряжении имеется R приемников.
Очевидно, что для определения координат P пунктов достаточно P—1 базовых линий. Для контроля потребуется некоторое избыточное количество линий, хотя контроль можно делать и посредством замыкания полигонов. Пока ограничимся числом необходимых базовых линий.
Известно, что с помощью R приемников можно определить R-1 независимых базовых линий из их общего количества в сеансе R×(R-1)/2. Поэтому, если, например, одновременно работают три приемника, то они не обеспечивают объективный контроль в треугольнике, который они образуют, так как третья базовая линия является точной комбинацией двух других базовых линий. В треугольнике можно обработать все три линии раздельно и убедиться, что невязки в замкнутой фигуре по каждой координате равны нулю. Небольшие отступления от нуля возможны из-за ошибок округлений или отбраковки разных измерений. Таким образом, число сеансов Q, необходимое для определения P точек с использованием R приемников равно:
, (11.1)
где квадратные скобки означают переход к целому числу, ближайшему к вещественному в скобках. Если каждая линия измеряется k раз, то величину Q нужно умножить на это число, а после умножения на продолжительность сеанса оценить необходимую продолжительность наблюдений.
Можно посмотреть, как уменьшится число сеансов, и, следовательно, сроки работ, если будет добавляться один приемник, в зависимости от их наличия на момент начала работ:
. (11.2)
Значения функции 
для некоторых R следующие: