Геодезические работы с использованием спутниковых систем

Оглавление

Введение. 2

Глава 1. Геодезические работы с использованием спутниковых систем. 4

1.1. Спутниковые радионавигационные системы 4

1.2Пространственная геоцентрическая система координат 6

1.3Геодезические приёмники 8

1.4Планирование и проведение измерений 13

1.5Обработка результатов спутниковых измерений 22

Заключение. 29

Список литературы 31

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Традиционные  методы геодезических измерений  и графического отображения полученной информации на бумажных носителях остались в прошлом. Современное геодезическое обеспечение инженерно-строительных изысканий, проектирования и строительства различных объектов, а также инвентаризации, кадастра и оценки объектов недвижимости базируется на использовании принципиально новых геодезических приборов и технологий, геодезических информационных систем пространственных баз данных. Все полевые измерения и съёмки выполняются сейчас электронными приборами с автоматической регистрацией результатов, автоматизированы и все последующие процессы геодезического производства.

Замена  традиционных средств измерений  на электронные привела к появлению  новых методов и технологий геодезических работ. Спутниковые радионавигационные системы (СРНС) и геодезических приемников принципиально изменило методику построения опорных геодезических сетей. Термин "GPS технологии" (или ГЛОНАСС/GPS технологии) применяется для способов определения координат с применением спутниковых радионавигационных систем– американской системы GPS и российской ГЛОНАСС. Каждая из этих СРНС при полном развертывании состоит из 24 спутников, вращающихся на орбитах с высотой около 20000 км. Спутники непрерывно передают сигналы, содержащие информацию об их положении и точном времени, а также дальномерные коды, позволяющие измерить расстояния.

 Определение координат пользователя СРНС производится с помощью специальных спутниковых приемников, измеряющих либо время прохождения сигнала от нескольких спутников до приемника, либо фазу сигнала на несущей частоте. В первом случае расстояния измеряются с метровым уровнем точности, во втором случае – с миллиметровым уровнем точности. При этом реализован однонаправленный метод измерения расстояний, поскольку и GPS, и ГЛОНАСС являются беззапросными спутниковыми системами, допускающими одновременное использование их многими пользователями.

  Каждый приемник может производить измерения либо независимо от других приемников, либо синхронно с другими приемниками. В первом случае, достигается точность однократного определения координат по кодам порядка 1-15 м. Такой способ идеально подходит для навигации любых перемещающихся объектов, от пешеходов до ракет. Однако более высокую точность можно получать при одновременных наблюдениях спутников несколькими приемниками по фазовым измерениям. При таком способе наблюдений один из приемников обычно располагается в пункте с известными координатами. Тогда положение остальных приемников можно определить относительно первого приемника с точностью нескольких миллиметров. При этом возможны измерения на расстояниях от нескольких метров до тысяч километров.  Кроме определения местоположения границ земельного участка также необходимы кадастровый учет и государственная регистрация.

Принципиальным достоинством спутниковых методов позиционирования является возможность определения  координат в любое время суток  и в любой точке. Отпадает необходимость  наличия прямой видимости между  исходными и определяемыми пунктами. Это позволяет сократить сроки выполнения геодезических работ , снизилось влияние многих погрешностей, в том числе зависящих от исполнителя.

 

 

 

 

 

Глава 1. Геодезические работы с использованием спутниковых систем.

1.1. Спутниковые радионавигационные системы

Системы спутниковых определений  координат первоначально развивались для навигационных целей и обеспечивали точность, не превышающую нескольких метров. Однако современные геодезические приёмники, методы математической обработки позволяют определять плановые координаты с погрешностями 5... 10 мм, высотные — 15...30 мм и меньше. Их точность удовлетворяет требованиям построения опорных геодезических и межевых сетей, обеспечения кадастровых, землеустроительных, изыскательских и других инженерно-геодезических работ. При этом не требуется обеспечивать взаимную видимость между пунктами, строить над ними высокие сигналы, проводить комплекс точных угловых и линейных измерений. Спутниковые измерения выполняются в любых погодных условиях в течение нескольких минут, что существенно упростило производство полевых работ. Однако для наблюдения навигационных спутников (НС) небесный свод над приёмником должен быть достаточно свободен от застройки и растительности.

Структура, способы функционирования и требуемые  характеристики подсистем СРНС во многом зависят от заданного качества навигационного обеспечения и выбранной концепции  навигационных измерений. Для достижения таких важнейших качеств, как  непрерывность и высокая точность навигационных определений, в глобальной рабочей зоне в составе со временной  СРНС типа ГЛОНАСС(глобальная навигационная спутниковая система Р.Ф) и GPS(США) функционируют три основные под системы  космических аппаратов (ПКА), состоящая из навигационных спутников (НС):космическим сегментом; контроля и управления ;сегмент потребителей СРНС(аппаратура потребителя) . Разнообразие видов приемоиндикаторов СРНС обеспечивает потребности наземных, морских, авиационных и космических (в пределах ближнего космоса) потребителей.

Основной операцией, выполняемой  в СРНС с помощью этих сегментов, является определение пространственных координат местоположения потребителей и времени, т. е. пространственно-временных  координат (ПВК). Эту операцию осуществляют в соответствии с концепцией независимой  навигации, предусматривающей вычисление искомых навигационных параметров непосредственно в аппаратуре потребителя. В рамках этой концепции в СРНС выбран позиционный способ определения  местоположения потребителей на основе пассивных дальномерных измерений по сигналам нескольких навигационных искусственных спутников Земли с известны микоординатами  .

  Высокая точность определения местоположения потребителей обусловлена многими факторами, включая взаимное расположение спутников и пара метры их навигационных сигналов. Структура космического сегмента обеспечивает для потребителя постоянную видимость требуемого числа спутников.

                        

                             

Рис.1 Спутник  ГЛОНАССА

 

 

 

 

 

 

1.2Пространственная  геоцентрическая система координат

Если за начало координат принят центр общего земного эллипсоида (центр масс Земли), а ось Z совмещена  с осью вращения Земли, то такую систему  называют Геоцентрической. Она применяется при решении геодезических задач, связанных с обширными частями земной поверхности или со всей фигурой Земли (например, в космической геодезии).

В системе геоцентрических координат  положение точки A на поверхности  эллипсоида определяют геодезической  долготой L и геоцентрической широтой Ф, равной углу между радиус-вектором с и плоскостью экватора

                                                                   

В геоцентрической системе пространственные прямоугольные и эллипсоидальные  координаты связаны соотношениями:

X=pcosῳ cosL; Y=pcosῳsinL; Z=psinῳ ,  где р=R+h; R-средний радиус земли; h-высота пункта над поверхностью элиппсоида ;

ῳ-геоцентрическая высота; L- геодезическая долгота. При решении некоторых задач на поверхности эллипсоида вместо геодезической

широты B или геоцентрической широты  удобно использовать приведенную широту U, оставляя в качестве второй координаты геодезическую долготу L :

 

 

 

 

 

Из центра меридианного эллипса EPE1P1 проведена окружность EP’E1P’1 радиусом , равным большой полуоси А. точка А´ получена пересечением окружности линией АА1, параллельной малой оси эллипса РР1, АС-нормаль к поверхности эллипсоида в точке А . Тогда приведенная широта U определяется как угол , составленный радиусом – вектора ОА´ с плоскостью экватора. Геодезическая , приведенная и геоцентрическая широты связаны между собой простыми соотношениями : tgB=tgU=tgῳ

 

 

    

              

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3Геодезические  приёмники

Для определения координат точек  местности с точностью, удовлетворяющей  геодезическим требованиям, применяются специальные геодезические приёмники. Такие приёмники осуществляют захват сигнала от навигационных спутников, измеряют по фазе несущей частоты псевдодальность, по ней и по дополнительно полученной информации вычисляются координаты.

В геодезии используются фазовые приёмники, так как в настоящее время  только они обеспечивают миллиметровую  и сантиметровую точность позицирования. Наряду с фазовыми существуют кодовые приёмники, работающие по Р- и С/А-кодам, они широко распространены в навигации, но в геодезии имеют ограниченное применение. Следует отметить, что современные геодезические приёмники измерения ведут по фазе и дополнительно по кодам сигнала, ускоряя тем самым процесс позицирования.

Приёмники подразделяют на двухсистемные, работающие по спутникам ГЛОНАСС/ GPS одновременно или раздельно, и односистемные, работающие только по НС одной системы. В настоящее время наиболее распространены в геодезии односистемные GPS -приёмники. Вместе с тем в РФ с 2003 года начат выпуск двухсистемного приемника ГЕО-161, имеющего ряд преимуществ, к двухсистемным относятся также приёмники типа Lеgасу-Е-2484 и другие. С развитием систем ГЛОНАСС, GPS, GALILEO многосистемные приёмники в геодезических работах станут более перспективными.

Кроме того, геодезические приёмники  подразделяют на одно- и двухчастотные, одно- и многоканальные. В одночастных измерения псевдодальности выполняются по одной частоте сигнала, а в двухчастотных — на частотах L1 и L2 одновременно. Двухчастотные приёмники требуют меньше времени на инициализацию и позицирование, обеспечивают высокую точность. К двухчастотным приёмникам относятся Тrіmblе 4000851, Тrimblе 5700, Тrimble 5800, 2-МАХ и другие.                      

Одноканальные приемники захват сигналов осуществляют последовательно по каждому НС. Многоканальные одновременно отслеживают и принимают сигналы от созвездия спутников, включающего до 8— 12 НС. В настоящее время выпускаются, в основном, многоканальные приемники, которые имеют дополнительные каналы приема сигналов от геостационарных спутников.

 Антенный блок принимает радионавигационные сообщения от НС. Приёмник генерирует сигнал, который сравнивается с сигналом, полученным от спутника. В измерительном блоке определяются разность фаз этих двух сигналов и кодовая задержка. Вычислительный блок проводит первичную обработку полученной информации от всех НС в течение всего времени позицирования и записывает её в блок памяти прибора. Управление работой всех блоков приёмника осуществляется автоматически.

     а ) Сигнал НС                           б) Сигнал НС

  

                                                          ⁷ -I 8

Рис. 4 а) режим постобработки; 6) режим реального времени;

1. — антенный блок; 2 — приемник;

3 — генератор опорного сигнала;

4. — измерительный блок;

5— блок первичной обработки;

6— блок памяти;

7 - контроллер с ПО режима КТК;

8 — блок  связи с базовой станцией

На рисунке 4 представлены две блок-схемы приёмников, которые различаются применяемым режимом обработки результатов измерений. Если приёмник работает в режиме постобработки, то результаты измерений заносятся в блок памяти приёмника, а по завершении наблюдений передаются в компьютер для постобработки. Для передачи в компьютер приёмник имеет специальные порты подключения и кабель. При полевых работах можно к приёмнику подключить контроллер, с клавиатуры которого вносится информация о пунктах, особенностях наблюдений, высоте антенны.

Если приёмник работает в режиме реального времени, то подключение  контроллера обязательно. Кроме  того, приёмник должен иметь блок связи, по которому передаётся необходимая для обработки информация с базового пункта на определяемый. Контроллер должен быть оснащён программным обеспечением обработки в режиме РТК. Для связи используют специальные радиомодемы (например, Тrimmark, Trimble) или каналы мобильной связи.

В настоящее время геодезические  приёмники выпускаются разных конструкций. В ряде приборов антенный блок.

Определен от приемника , применяются  легкие антенны , которые устанава-ются на раздвижной вехе и могут быть вынесены над закрывающими небосвод объектами. К таким приёмникам относятся Тrimble5700, Тhales 6500, РгоМаrк-2 и другие. В других приборах (Тrimble 4600STRATUS Sоkkіа) антенна и приёмник объединены в одном корпусе, куда вставляются также элементы питания. Такие приёмники имеют только панель управления, состоящую из клавиши включения и небольшого табло. Наиболее информативна панель управления приёмников Stratus, которая позволяет контролировать автоматически протекающий процесс измерений .

В геодезических приёмниках применяются  специальные конструкции антенн с высокой стабильностью фазового центра, чувствительные к GPS сигналам. Для подавления многолучёвости от местных предметов антенны имеют отражающее устройство, применяются микрополосковые конструкции. Такие антенны с высокой стабильностью фазового центра и подавлением влияния многолучёвости могут обеспечивать миллиметровую точность определения координат.

В качестве источников питания используются компактные литиево-ионные аккумуляторы(Stratus) или элементы типа АА(Тrimble 4600).    Геодезические приёмники устанавливаются над точкой на штатив) или на вехе с круглым уровнем . При установке на вехе применяется бипод, который делает положение вехи и приемника устойчивым .