Комплект геодезической аппаратуры ГЕО-161
РЕФЕРАТ
Комплект
геодезической аппаратуры ГЕО-161
Введение
В лазерных геодезических приборах в качестве
излучателя светового потока используют оптические квантовые генераторы
(лазеры).
Лазеры бывают твердотельные,
газовые, жидкостные и полупроводниковые. В геодезических приборах используют
газовые и полупроводниковые лазеры. Полупроводниковые лазеры применяют в
основном в приборах для измерения расстояний - светотодальномерах. Газовые же
лазеры применяют в приборах, задающих положение вертикальной или опорной линии:
лазерных нивелирах, указателях направлении, лазерных центрирах и других
приборах различного назначения. В практике геодезического обеспечения
строительства используют газовые гелий-неоновые лазеры непрерывного излучения,
работающие в видимой части светового диапазона и излучающие узконаправленный
пурпурно-красный пучок света.
Лазерные геодезические приборы
Лазерные геодезические приборы
конструируют таким образом, чтобы лазер был установлен параллельно визирной оси
прибора, на котором он смонтирован, или лазерный пучок направлялся через
зрительную трубу прибора. Как правило, при измерениях используют визуальную или
фотоэлектрическую индикацию лазерного пучка. При визуальной индикации для
отсчетов по лучу применяют экран в виде сетки квадратов или концентрических
окружностей, а также нивелирную рейку. При более точной фотоэлектрической
индикации используют специальные фотоприемные устройства с фотоэлементами.
Рассмотрим некоторые типы
известных лазерных приборов, применяемых в строительстве.
Лазерные нивелиры предназначены
для измерения превышений и передачи высотных отметок. Нивелир излучает видимый
пучок света, относительно которого производят измерения превышений. В одних
приборах пучок лазерного излучения направляют по оптической оси зрительной
трубы, в других - зрительная труба соединена параллельно с излучателем ОКГ.
В нивелирах с уровнем ось пучка
приводят в горизонтальное положение цилиндрическим уровнем, в
нивелирах-автоматах - компенсатором. По условиям геометрического нивелирования
оси лазерного пучка и цилиндрического уровня должны быть параллельны.
В настоящее время лазерные
нивелиры выпускают в основном с автоматически горизонтирующимся пучком
излучения, вращающимся лазерным пучком и другими особенностями.
Примером может служить лазерный
нивелир LNA2L
фирмы «Вильд», задающий вращающуюся световую горизонтальную плоскость.
Положение этой плоскости фиксируется на специальной рейке или на стенах зданий.
Нивелир может быть установлен так, чтобы описывалась вертикальная световая
плоскость. Он снабжен вычислительным устройством, выполняющим автоматическое
вычисление высот. Кроме того, с помощью этого нивелира по рейке можно
определять расстояния до 100 м.
Электронные
теодолиты и тахеометры
К современным высокоточным и
высокопроизводительным геодезическим средствам измерений относится новое
поколение приборов, позволяющих выполнять все измерения в автоматизированном
режиме. Применение ЭВМ пятого поколения предполагает интеллектуализацию
компьютеров, т. е. возможность работы с ними непрофессионального пользователя
на естественном языке, в том числе в речевой форме. Речевой ввод
топографо-геодезической информации в полевых условиях обеспечивает улучшение
условий труда и уменьшение числа ошибок наблюдателя.
Для автоматизации полевых
измерений при производстве топографической съемки и других видов
инженерно-геодезических работ созданы высокоточные электронные тахеометры.
Электронный 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 электронный тахеометр Та3М, с помощью которого можно определить:
горизонтальные углы с погрешностью 4"; зенитные расстояния с погрешностью
5"; наклонные дальности с погрешностью 10 мм; горизонтальные проложения;
превышения или высоты точек визирования; приращения координат или координаты
точек визирования.
Прибор может работать в четырех
режимах: разделенном, полуавтоматическом, автоматическом и режиме слежения.
Геодезические задачи решаются с учетом поправок на кривизну Земли, рефракцию
атмосферы, температуру и давление, разность высот штативов прибора и
отражателя.
Информация об угловых значениях
выдается в гонах или в градусах. Датчик углов прибора - кодовый, накопительного
типа. В комплект тахеометра входят отражатели, штат вы, источники питания,
разрядно-зарядное устройство, принадлежности для юстировки прибора и ухода за
ним.
Тахеометр Та3М снабжен электр
оборудованием для работы ночью. Выдаваемая на цифровое табло оперативная
информация может быть выведена в память тахеометра или внешний
накопитель.
Выпускаемый отечественной
промышленностью электронный тахеометр 3Та5 решает те же задачи, что и Та3М, но
имеет иные технические характеристики: погрешность измерения горизонтального
угла 5"; погрешность измерения зенитного расстояния 7"; погрешность
измерения наклонной дальности (5 + 3D км) мм.
Существуют роботизированные
электронные тахеометры, например, «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.
Использование
спутниковых технологий в инженерной геодезии
К новому поколению
измерительных систем, применяемых в геодезии вообще и в инженерной геодезии в
частности, относятся приборы (измерительные станции), определяющие координаты
Х, Y и высоту Н точки
по сигналам со специальных спутников, вращающихся вокруг Земли по строго
определенным орбитам.
В настоящее время используются
две спутниковые системы определения координат: российская система ГЛОНАСС
(Глобальная Навигационная Спутниковая Система) и американская систем NAVSTAP
GPS (навигационная
система определения расстояний и времени, глобальная система позиционирования).
Обе системы состоят из 21
действующего спутника и трех запасных. Орбиты спутников практически круговые и
расположены на расстоянии около 20180 км над поверхностью Земли. Такое
количество спутников и их расположение обеспечивает одновременный прием
сигналов как минимум от четырех спутников в любой части Земли.
Каждая из систем включает три
главных сегмента: наземного контроля и управления (НКУ), созвездия спутников
(космических аппаратов - КА) и аппаратуры пользователей (АП).
Наземный сегмент состоит из
сети станций слежения за cпутниками,
службы точного времени и центра управления (главной станции). Наземные станции
собирают информацию об орбитах спутников, обрабатывают ее и передают на
спутники прогноз их координат на определенное время (эфемериды), а также другие
данные. Спутники принимают и хранят информацию с наземных станций, а также
непрерывно излучают для пользователей измерительные радиосигналы, данные о
системном времени, свои координаты и другие сведения. Сегмент пользователя
включает совокупность аппаратно-программных средств, реализующих определение
местоположения спутниковых приемников на поверхности Земли.
Для спутниковых определений
установлены свои геодезические системы координат, представляющие собой
пространственную, прямоугольную систему X,
Y, Z
с началом в центре масс Земли, ось которой направлена к северному полюсу, оси X
и Y лежат в плоскости
экватора; причем ось Х совпадает с плоскостью Гринвичского меридиана, а ось Y
- ей перпендикулярна. Для NAVSTAP
принята система координат WGS-84,
для «ГЛОНАСС» - «ПЗ-90».
Определение местоположения на
поверхности Земли с помощью спутников основано на измерении расстояний
(дальностей) от спутников до приемника по скорости и времени распространения
радиоволн. Если измерить дальности до трех спутников, то, зная их координаты,
методом линейной засечки можно определить координаты точки стояния приемника. В
силу разных по точности «часов» на спутнике и в приемнике и некоторых других
причин определенное до спутника расстояние будет содержать ошибки. Такое
ошибочное расстояние получило название «псевдодальности». Чтобы правильно
вычислить координаты пункта по псевдодальностям, надо их измерять не до трех
спутников, а, как минимум,- до четырех.
Методы определения
местоположений с помощью GPS
можно разделить на абсолютные и относительные. В результате применения
абсолютного метода координаты пользователя определяются в общеземной системе
координат в лучшем случае с ошибкой 1 м.
Для геодезических работ,
включая и топографическую съемку, применяют относительный метод, для которого
необходимо иметь не менее двух спутниковых приемников. Один из них
устанавливается на пункте с известными координатами (базовая станция), другой
(или другие) - на точках, координаты которых определяются. Наблюдая в течение
некоторого времени одновременно с двух станций одни и те же спутники, можно
получить приращения координат относительно базовой станции с ошибкой 0,5 - 2,0
см.
Точность относительных
определений зависит в основном от времени наблюдений, поэтому различают три
основные методики: статическую, кинематическую и динамическую.
Спутниковые приемники
различного класса и назначения выпускает ряд зарубежных фирм: «Аштек» и
«Тримбл» США, «Топкон» Япония, «Карл Цейс» Германия, «Лейка» Швейцария,
«Геотроникс» Швеция, «Серсель» Франция и др. Один из наиболее точных и простых
в обращении спутниковых приемников 460 LS
фирмы «Тримбл» имеет приемную антенну диаметром 18 см, принимающую сигналы
одновременно с нескольких спутников, и встроенную ЭВМ, обеспечивающую
автоматическую регистрацию и разделение сигналов со спутников и их первичную
обработку. Окончательная обработка результатов измерений производится на
персональном компьютере по специальной программе.
Геодезический
приемник ГЛОНАСС/GPS
ГЕО-161
лазерный геодезический прибор инженерный
Спутниковые навигационные
технологии, широко применяемые при земельно-кадастровых работах и решении задач
геодезии, в настоящее время базируются, в основном, на использовании
оборудования зарубежного производства. В то же время появившийся на российском
рынке в начале 2003 г. спутниковый геодезический приемник ГЕО-161,
разработанный и серийно выпускаемый ОАО «Российский институт радионавигации и
времени», превосходит по некоторым техническим характеристикам и функциональным
возможностям ряд зарубежных аналогов.
Рассмотрим более подробно его
функциональные возможности и результаты практических испытаний.
Основой ГЕО-161 является
совмещенный ГЛОНАСС/GPS
одночастотный геодезический приемник, имеющий 16 каналов слежения за
космическим аппаратом (КА). Конструктивно приемник выполнен в виде моноблока,
объединяющего микрополосковую антенну, приемоизмеритель, накопитель данных,
панель управления и аккумуляторную батарею. Достоинством такой конструкции
является отсутствие кабельных соединений, что, несомненно, удобно для работы в
полевых условиях. Внешний вид приемника представлен на рис. 1.
Приемник имеет сертификаты
Госстандарта России и Минобороны России. Благодаря
малому энергопотреблению (менее 2,5 Вт) длительность работы приемника без
подзарядки аккумулятора достигает 11-12 часов. Емкость внутренней памяти и
оригинальный алгоритм сжатия данных обеспечивает регистрацию измерений по всем
наблюдаемым космическим аппаратам с дискретностью 1 с в течение 12 ч, а с
дискретностью 10 с - пять и более рабочих дней.
При помощи ГЕО-161 обеспечивается
точность измерений базисов не хуже 10 мм + 2 ррm,
а в благоприятных условиях не хуже 5 мм + 1 ррm.
Приемник разрабатывался в
расчете на реальные условия эксплуатации в России, поэтому одним из основных
требований к моноблоку являлась высокая механическая стойкость и работа в
широком температурном диапазоне. Использованные в приемнике технические
решения, выбранная элементная база и аккумуляторная батарея обеспечивают
возможность автономной работы при температуре от -30°С до +55°С.
Приемник обеспечивает реализацию
основных видов съемки, включая динамические режимы, без использования внешнего
контроллера, при помощи несложной встроенной панели управления с набором
светодиодных индикаторов и псевдосенсорных кнопок [1]. Контроль работы
приемника осуществляется при помощи световой и звуковой индикации. При работе
без контроллера сценарии работы (шаблоны) заранее формируются на компьютере и
загружаются в приемник.
В то же время с помощью
контроллера, в качестве которого может использоваться карманный персональный
компьютер (КПК) с ОС Windows
СЕ, программно реализован ряд дополнительных функций: ввод и редактирование
имен точек, ввод высоты антенны приемника, оперативное управление параметрами
сбора данных, навигация по заданному маршруту (в том числе с использованием
электронных векторных карт) и т. д. Контроллер может использоваться и как
внешняя панель управления, так как его кнопки дублируют соответствующие функции
встроенной панели приемника. Следует отметить, что при использовании
контроллера на базе КПК накопление данных выполняется только в памяти
приемника. Подключение КПК может проводиться на непродолжительное время
непосредственно во время работы ГЕО-161 только для выполнения соответствующих
функций, что облегчает его применение в условиях пониженной температуры. При
прекращении работы КПК, например, вследствие разряда батареи, съемка будет
успешно продолжаться и без него.
Настройка приемника, ввод
сценариев работы, а также вывод накопленных измерений осуществляется при помощи
входящего в его состав интерфейсного программного обеспечения (ПО) [2]. Одним
из возможных применений приемника, поддерживаемых интерфейсным ПО, может быть
его использование в качестве постоянной базовой станции. Вычислительная машина
с за груженным интерфейсным ПО также может обеспечивать функции контроллера для
основных режимов съемки. Реализована возможность самостоятельного обновления
программного обеспечения приемника пользователем. Выходным форматом данных
является BL
DataSet, используемый
программным обеспечением геодезическойсъемки GSSoftware
(пакеты серии BL).
Пакет программ
постобработки
Пакет программ BL-Gl
for Windows
- один из представителей семейства BL,
входящий в поставочный комплект приемников, ориентирован на обработку измерений
как ГЕО-161, так и других одночастотных геодезических приемников GPS
и ГЛОНАСС/GPS [З].
Широкие возможности программного продукта позволяют использовать его также с
приемниками «Землемер Л1», «Землемер Л1М», приемниками компании Leica
Geosystems (Швейцария) и др.
Пакет позволяет проводить обработку измерений, полученных в режимах съемки
«Статика», «Быстрая Статика», «Истинная Кинематика» (с инициализацией),
«Кинематика-На-Лету» (безинициализации), «Стой/Иди» и «Реоккупация».
Современные алгоритмы
разрешения фазовой неоднозначности позволяют быстро получить высокоточное
решение по фазе на базисах длиной до 30 км, а в благоприятных условиях - до 100
км и более. Число пунктов и базисов в каждом проекте практически не ограничено.
В каждом проекте автоматически создается архив всех загруженных данных с
возможностью их повторной обработки.
Наряду со стандартными
возможностями постобработки предусмотрен обширный набор средств для решения
задач в неблагоприятных условиях, в том числе удобный механизм редактирования
измерений с использованием графиков невязок, контроль замкнутых фигур на
точность замыкания с выбором оптимальных решений, специальный алгоритм расчета
векторов известной длины, контроль локальных участков создаваемой сети
уравниванием, возможность численной коррекции данных и т. д. Важной особенностью
является возможность хранить и анализировать несколько вариантов решений по
каждому базису, при этом окончательная селекция может проводиться как вручную,
так и автоматически.
Утилиты уравнивания и
перевычисления координат позволяют завершить решение типовой целевой задачи
съемки, т. е. выполнить уравнивание и перенос построенной сети в местную
систему координат и высот.
Базы данных создаваемых
проектов основаны на стандартных таблицах Paradox
и полностью открыты. Пакет может легко дополняться новыми утилитами самим
пользователем. Это открывает возможность дальнейшего расширения его функций для
более специальных применений.
Результаты натурных
испытаний
С 10 по 17 сентября 2003 г. на
базе технических средств и при участии специалистов Центра спутниковых
технологий ФГУП «Госземкадастрсъемка» -- ВИСХАГИ были проведены испытания
спутниковой геодезической аппаратуры ГЕО-161 и программы постобработки BL-G1
[4]. Целью испытаний являлось определение перспектив применения аппаратуры
ГЕО-161 при выполнении земельно-кадастровых работ.
Оценка точностных и
эксплуатационных характеристик аппаратуры проверялась путем проведения
координатных определений в режимах «Статика» и «Стой/Иди», причем испытываемые
приемники размещались в пунктах с частичным затенением видимости КА
многоэтажными зданиями и кронами деревьев.
Для определений в режиме
«Статика» были задействованы 7 базовых дифференциальных станций Спутниковой
системы межевания земель, развернутой в Московской области. Дифференциальные
станции оснащены спутниковыми двухчастотными геодезическими приемниками SR530
фирмы Leica
Geosystems.
Испытываемый приемник ГЕО-161
размещался на пункте «G»,
расположенном внутри области, ограниченной пунктами размещения
дифференциальных
станций (рис. 2), и с его помощью проводились наблюдения навигационных КА для
последующего определения расстояний до базовых станций и положения пункта «G».
Длительность сеанса наблюдений составляла 40 мин. Затем, в пункте «G»
размещалось образцовое средство, в качестве которого использовался двухчастотный
приемник SR530, и
проводился сеанс контрольных наблюдений длительностью 30 мин.
Рис. 2. Схема размещения
базовых станций
Измерения, полученные
приемником ГЕО-161 на частоте L1,
обрабатывались попарно вместе с измерениями каждой из дифференциальных станций
(также на частоте L1), и
определялись базовые расстояния и координаты пункта «G»
с помощью программного обеспечения BL-G1.
Аналогично определялись базовые
расстояния и координаты пункта «G»
с помощью двухчастотного приемника SR530
и программного обеспечения SKI
фирмы Leica
Geosystems.
Среднее квадратическое
отклонение (СКО) уравненных координат пункта «G»
составило: для ГЕО-161 • 0,0071 (0,0045 в плане), а для SR530
- 0,0069 (0,0043 в плане).
Определение базовых расстояний
с помощью приемников ГЕО-161 и SR530
Базовая линия
Расстояние,
м Разность LГЕО
- LSR, м
LГЕОLSR-
G56, 13,397656,
13,32410, 0735-
G54185, 822354185,
79720, 0251
- G41547,
038241546,
97680,
0614
LYTK
- G55769,
038255768,
98790,
0503
VERN-
G14539,
921614539,
9384-0,
0168
NOG
- G49471,
621049471,
60360,
0174
ROMA
- G47835,
655847835,
59390,
0619
Длина вектора, образованного
разностями уравненных координат пункта «G»,
полученных с помощью приемника ГЕО-161 и приемника SR530,
которую можно рассматривать в качестве оценки абсолютной погрешности
координатных определений, составила около 2 см.
Определения в режиме «Стой/Иди»
выполнялись с помощью двух приемников ГЕО-161, один из которых использовался в
качестве базового, а с помощью второго выполнялись измерения координат на
каждом пункте по замкнутому маршруту. Погрешность определений в этом режиме
оценивалась в виде разностей одноименных координат первого и последнего
(совмещенного с первым) пунктов. Полученная после обработки с помощью ПО BL-G1
величина погрешности составила 3 мм.
С 24 по 30 сентября 2003 г.
были проведены испытания аппаратуры ГЕО-161 на кафедре астрономии и космической
геодезии МИИГАиК [5]. Технические характеристики представленных для испытаний
комплектов аппаратуры проверялись путем проведения относительных координатных
определений по наблюдениям в режимах «Статика» и «Быстрая статика» на пункте с
известными координатами.
Для оценки точности
относительных координатных определений в режимах «Статика» и «Быстрая статика»
на разном удалении от базовых станций, помимо приемника ГЕО-161, в эксперименте
были задействованы двухчастотные приемники Odyssey-RS
и Odyssey-E
фирмы Торсоп, снабженные антеннами Regant,
и двучастотный приемник SR530
фирмы Leica. Результаты
съемки обрабатывались с помощью программы Pinnacle
фирмы Торсоп.
Для оценки точности
использовались статические наблюдения, выполненные на базовых линиях длиной 7,
9 и 11 км.
Как было описано выше, во время
наблюдений рядом с приемниками ГЕО-161 устанавливался приемник Торсоп HiPer-GGD,
периодически эти приемники менялись местами. Кроме того, в обработке
использовались результаты наблюдений точек, полученные приемником SR530.
Отношение сигнал/шум в условных единицах, принятых в RINEX,
варьировалось для данных SR530
- от 3 до 9 единиц, для Hi
Per - от 6 до 9
единиц, для ГЕО-161 - от 6 до 8 единиц. Шум фазовых измерений для ГЕО-161
невелик - ширина шумовой дорожки не превышала 0,02 цикла. Из 16-и получасовых
серий наблюдений только в пяти были обнаружены срывы в слежении за фазой
несущей для сигнала одного из спутников. Во всех случаях число срывов в
слежении за фазой несущей не превышало четырех.
Это показывает, что приемники
ГЕО-161 обеспечивают стабильное слежение за навигационными сигналами всех
спутников в пределах видимости.
Металлический корпус приемника
играет роль хорошего экрана типа groundplane,
который заметно снижает влияние многолучевости и отражений от подстилающей
поверхности на результаты измерений.
В результате испытаний было
установлено, что точность определения базовых линий длиной 5 и 7 км составляет
не более 3 мм. Отдельно следует отметить такие положительные качества приборов
как низкий уровень шума фазовых измерений и хорошую защищенность от влияния
многолучевого распространения навигационных радиосигналов.
Заключение
Таким образом, комплект
геодезической аппаратуры ГЕО-161 с базовым составом средств, включающим два
приемника, программное обеспечение BL-G1,
вспомогательные принадлежности и эксплуатационную документацию, обеспечивает
проведение основных видов геодезических и земельно-кадастровых работ.
Это дает основание
рекомендовать спутниковый геодезический приемник ГЕО-161 для оснащения
предприятий, выполняющих геодезические работы различного назначения.
1.Руководство по
спутниковой съемке с использованием ГЕО-161. Руководство пользователя. - СПб.:
ОАО РИРВ, 2008.
2.Интерфейсная
программа для геодезических приемников изделия ГЕО-161. Руководство
пользователя. - С-Пб.: ОАО РИРВ, 2008.
3.BL-L/G for Windows.
Руководство
пользователя. - С-Пб.: ОАО РИРВ, 2008.
4.Заключение о
результатах испытаний аппаратуры ГЕО-161. Центр спутниковых технологий. -М.:
УФГП «Госземкадастрсъемка», 2007.
5. Технический отчет о результатах испытаний
геодезической спутниковой аппаратуры ГЕО-161. - М.: МИИГАиК, 2009.