Особенности гнсс (gnss)технологий
 Скачать 4.54 Mb.
|
|
ГЛАВА ОСОБЕННОСТИ ГНСС (GNSS)-ТЕХНОЛОГИЙ Спутниковые технологии всё шире внедряются в маркшейдерское обеспечение открытых горных работ, создание опорных геодезических сетей на этапе изысканий, строительства и дальнейшей эксплуатации различных промышленных и гражданских объектов. Они всё чаще вытесняют традиционные геодезические методы измерений в связи с универсальностью, мобильностью и достаточной точностью. Преимущество проведения геодезических съёмок там, где местность допускает выполнение спутниковых наблюдений, заключается в том, что при её осуществлении отпадает необходимость создания опорных геодезических сетей и создания съёмочного обоснования. Современные методы спутниковых определений по дальности и точности принципиально обеспечивают возможность проведения съёмочных работ непосредственно на основе государственной геодезической и нивелирной сети [7]. 3.1. Проект производства маркшейдерских работ с применением глобальных спутниковых систем Проект производства маркшейдерских или геодезических работ (ППМР, ППГР) с применением глобальных спутниковых систем (ГНСС) выполняют в соответствии с Инструкцией по развитию съёмочного обоснования и съёмке ситуации и рельефа с применением глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS» [5]. Основанием для составления проекта должны являться техническое задание или программы выполнения топографо-геодезических работ на объекте, которые должны быть составлены в соответствии с указаниями (инструкциями) отраслевого назначения на проектирование маркшейдерских, топографо-геодезических и картографических работ. Согласно СП 126.13330.2017 СНиП 3.01.03-84. Геодезические работы в строительстве, в полном объёме ППГР должен разрабатываться с использованием решений, принятых в проекте организации геодезических работ (ПОГР) Даже при незначительных объёмах работ и простом их техническом решении необходимо составлять программу работ, в которую применительно к использованию ГНСС необходимо включать краткое изложение назначения работ, их состав, сведения об исходных данных и использовании имеющихся материалов, а также схемы размещения проектируемых работ, их объём и сметные расчёты. В ППМР или ППГР все материалы, касающиеся применения ГНСС для выполнения съёмочных работ, должны полно описывать порядок получения конечных результатов – съё- мочного обоснования или плана спутниковой съёмки (полевого оригинала плана, полученного в результате съёмки ситуации и рельефа с применением глобальных навигационных спутниковых систем. Обязательным в техническом проекте является обоснование выбора масштаба съёмки и высоты сечения рельефа. В материалы проекта должны быть включены следующие разделы. Текстовая часть – целевое назначение проектируемых работ – краткая физико-географическая характеристика района работ – сведения о топографо-геодезической обеспеченности района работ – обоснование необходимости и способов построения планово-высотной основы и выбор масштаба съёмки; – организация и сроки выполнения работ, мероприятия по технике безопасности и охране труда 106 – перечень топографо-геодезических, картографических и других материалов, подлежащих сдаче по окончании работ. Графическая часть – схема обеспечения района работ исходными геодезическими данными, топографическими и картографическими материалами с указанием границ проектируемой съёмки; – проект планово-высотных геодезических построений – картограмма расположения участков топографических съёмок с разграфкой листов карт и планов. Сметная часть расчёт необходимых затратна выполнение проектируемых работ. При использовании глобальных навигационных спутниковых систем местоположение точки может быть получено как из абсолютных, таки из относительных определений иногда называемых дифференциальным методом. Абсолютные определения выполняются по принципу пространственной обратной линейной засечки, образованной измеренными псевдодальностями до четырёх и более спутников с одной точки, на которой размещён спутниковый прим- ник (рис. 3.1). Рис. 3.1. Абсолютный метод измерения координат Точность абсолютных определений местоположения ограничена рядом факторов а) погрешностью спутниковых часов б) погрешностью эферемидных данных в) геометрией созвездия спутников г) многолучевой интерференцией и другими погрешностями (рис. Рис. 3.2. Источники погрешностей измерения Среди перечисленных погрешностей основными являются погрешности эфемерид спутников. Эфемеридные погрешности это ошибки, обусловленные расхождением между фактическим положением спутника и его расчётным положением, которое устанавливается поданным навигационного сигнала, передаваемого с борта спутника. Значение погрешности обычно не большем (рис. Стандартная точность определения местоположения абсолютным методом, с учетом коррекции всех погрешностей определения, не превышает 5 м, что не позволяет использовать этот метод при развитии съёмочного обоснования и съём- ке ситуации и рельефа. Абсолютные определения используются в бытовых навигаторах и телефонах. На рис. 3.4 показано, как приёмник определяет координаты искомой точки, выполняя измерения и соответствующие вычисления большое число раз. Рис. 3.3. Источники погрешностей измерения псевдодальностей Из рис. 3.4 видно, что отдельные измерения координат и Y отклоняются от среднего значения дом, хотя уточек определения координаты укладываются в отклонение м. Для высокоточного определения координат требуется длительное стояние GPS-приёмника на точке, которое определяется двумя-тремя часами. Отметим также, что при абсолютных измерениях значения координат мы получаем в геоцентрической системе координат, практически неиспользуемой в современной картографии, поэтому требуются дополнительные преобразования для перехода к плоской местной системе координат. К сожалению, такие преобразования не всегда гарантируют качественный пересчёт координат из геоцентрической системы к прямоугольным плоским координатам. Особенно это касается пересчёта высотных отметок. Рис. 3.4. Погрешность позиционирования ГНСС «Галилео» (Методы относительных определений основаны на принципе компенсации сильно коррелированных погрешностей (к которым относятся и эфемеридные погрешности) при одновременном определении кодовых и фазовых псевдодально- стей до спутников одного итого же созвездия с двух точек Аи В (рис. 3.5, При относительном методе измерений один из примни- ков (например, в точке А, называемой базовой) устанавливают на точке с известными координатами, что позволяет постоянно отслеживать изменения вектора суммарной погрешности определения координат этой точки и вводить их в виде поправок в наблюдения на точке В. В качестве базовой точки могут использоваться как государственные и муниципальные «Референцные» станции, таки индивидуальные профессиональные приёмники, устанавливаемые в качестве базовых. К сожалению, станции космического геодезического комплекса (КГС) в качестве базовых в РФ использоваться не могут, так каких координаты являются секретными. Передача корректирующих поправок возможна как через внутренний радиомодем (рис. 3.5), таки через внешний радиопередатчик (трансмиттер, что отражено на рис. Рис. 3.5. Относительный метод измерения координат с использованием внутреннего радиомодема Рис. 3.6. Относительный метод измерения координат (используются внешние радиопередатчики 112 3.2. Целевое назначение проектируемых работ Целью проекта в маркшейдерско-геодезической практике обычно может быть три вида работа) создание опорной геодезической сети б) создание съёмочной сети в) создание сетей специального назначения. К сетям специального назначения нагорных предприятиях обычно относят сети для строительно-монтажных работ – геодезическое разбивочное обоснование (ГРО) и сети для наблюдений за сдвижением горных породи земной поверхностью. Конкретный вид работ выбирают согласно инструкции на маркшейдерские или геодезические работы [15; 31], исходя из конечной цели работ с учётом необходимых масштабов будущих съёмок. Здесь же могут быть оговорены абсолютные и относительные точности измерений, минимальные и максимальные расстояния между создаваемыми (определяемыми) пунктами. Краткая физико-географическая характеристика района работ Физико-географическая характеристика района работ предопределяет выбор дальнейшей методики полевых измерений и камеральной обработки полученных данных. В этом разделе должны быть описаны размеры участка работ, температурный режим района работ, преобладающие формы рельефа, перепады высот, наличие и характеристика лесного покрова, влияющего на видимость созвездия спутников. Могут быть даны рекомендации благоприятного периода работ. Сведения о топографо-геодезической обеспеченности района работ В данном разделе даётся полное описание и характеристика имеющихся пунктов государственной геодезической сети (ГГС) и сетей сгущения, с указанием их класса точности. При этом пункты ГГС как правило должны образовывать внешний каркаса вновь определяемые пункты находиться внутри этого каркаса. В соответствии с методическими указаниями, пункты вновь создаваемой сети должны располагаться в безопасных зонах с учётом летнего развития горных работ либо в зонах отработанных участков с законченным процессом сдвижения [15]. При этом исходных пунктов ГГС должно быть не менее трёх. Инструкция по развитию съёмочного обоснования и съёмке ситуации и рельефа с применением глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS», п. 6.2.4 требует иметь – не менее четырех пунктов с известными плановыми координатами не менее пяти пунктов с известными высотами Это позволяет обеспечить приведение создаваемого съё- мочного обоснования в местную систему координат (МСК) и высот пунктов геодезической основы. Обоснование необходимости и способов построения планово-высотной основы и выбор масштаба съёмки Данный раздел проекта является основным наиболее значимыми объёмным. Прежде чем переходить к выбору методов измерений, следует решить вопрос выбора применяемого оборудования, так как именно от типа оборудования зависит выбор способов и методов, применяемых при ГНСС-изме- рениях. 3.5.1. Выбор оборудования и метода съёмки Профессиональных GPS-приёмников существует всего два типа одночастотные и двухчастотные. Одночастотные (L1) GPS – это приборы, которые работают только по первой базовой частоте. С них начиналась эра GPS-приёмников. Эти приёмники работают медленнее и подходят только для измерений по созданию геодезической основы. Работают ими в основном методом Статика и на расстоянии от базовой станции не более 15 км. Время наблюдения зависит от длины базовой линии (расстояния от базового до подвижного прим- ника), количества видимых спутников и т. п. Двухчастотные GPS-приёмники (L1+L2) – более совершенные приборы. Используются для того же, что и приборы на L1, но работают быстрее и точнее. Во-первых, двухчастотный приёмник может учитывать и устранять влияние ионосферы на кодовые и фазовые измерения, обеспечивая на длинных базовых линиях, или в условиях магнитных бурь более высокую точность измерений по сравнению с одночастотным приёмником. Во-вторых, двухчастотный приёмник требует гораздо меньшего времени наблюдения, чтобы получить требуемую точность. В табл. 3.1 приведены минимальные требования и примерные затраты времени для различных видов съёмок. Напомним, что все данные, приведённые в таблице, предполагают наличие двух измерительных приборов (база и ровер – относительный метод измерения. В качестве базового прибора могут быть использованы как государственные или муниципальные «Референцные» станции, таки индивидуальные. Съёмка Статика обеспечивает максимально достижимую точность. Она используется при длинных базовых линиях (большом расстоянии между приёмниками, свыше 15 км. Но она же требует и максимального времени для своего выполнения около часа и более. В режиме Статика одновременные измерения на двух или нескольких пунктах выполняются неподвижными приёмниками. Один из приёмников принимают за базовый. Положение остальных приёмников определяется относительно базового Таблица Виды съём ок и их х арактеристики Вид с ъёмки Минимальное число общих спутников Минимальное время наблюдений Типичная планов ая т очность* Харак т еристик а Ст атик а 1 час О дно частотная мм + 1 Двух частотная мм + 0,5 Для одно частотной аппаратуры измерения ограничиваются базисными линиями до 10 км. Для двух частотных приёмник ов ограничений на длину базовых линий нет Быст рая статика мин Варьир ует ся между точностью статики и точностью кинематической съёмки, в зависимости ото тношения времени стояния к длине базовой линии Всё тоже, что и при обычной статической съёмк е, нос более короткими временами стояния Окончание табл. Вид с ъёмки Минимальное число общих спутников Минимальное время наблюдений Типичная планов ая т очность* Харак т еристик а Кинем атик а в режиме «С тою/иду » 4 30 с – 1 мин 1–2 см + 1 Предел длины базовой линии составляет км. Необходимы ибо лее общих спутников для выполнения инициализации на ходу Кинем атик ас пост обработкой эпохи см + 1 Предел длины базовой линии составляет км. Необходимы ибо лее общих спутников для выполнения инициализации на ходу точность высотного положения определяемой точки обычно принимается в 2 раза ниже плановой Эпоха (epoch ) – момент времени получения единичного измерения, выполненного и зафиксированного спутниковым приёмник ом 117 Съёмка Быстрая статика обеспечивает сантиметровый уровень точности при времени стояния на пунктах от 8 минут и дольше. Точное время стояния на пункте зависит от длины базовой линии, числа видимых спутников и их геометрического расположения (PDOP). Режим Быстрая статика позволяет сократить продолжительность измерений, благодаря возможности применения на линиях до 15 км активных алгоритмов разрешения неоднозначности. Съёмка «Реоккупация» используется, когда нет одновременной видимости на необходимое число спутников. Тогда измерения выполняют за несколько сеансов, накапливая нужный объём данных. На этапе компьютерной обработки все данные объединяют для выработки одного решения. В данном режиме съёмки на снимаемую точку ровер устанавливают несколько раз через определённые промежутки времени, пока не наберут определённое количество данных. Съёмка Кинематика служит для определения координат передвижной станции входе её перемещения. Работа в этом режиме требует, чтобы приёмники на базовой и передвижной станциях поддерживали непрерывный контакт со спутниками в течение всего времени измерений. До начала движения выполняют инициализацию (разрешение неоднозначности фазовых измерений). Съёмка Кинематика в режиме «Стою/иду» использует фазовые измерения от четырёх или более спутников, общих для приёмников, работающих в качестве базовой станции и подвижного приёмника. Базовая станция при такой съёмке записывает данные постоянно, находясь на неподвижной точке с известными координатами. Приёмник, работающий как подвижный приёмник, для достижения сантиметровой точности вначале должен быть инициализирован (для успешного разрешения фазовой неоднозначности при постобработке). Передвижную станцию (ровер) перемещают сточки на точку, делая на каждой точке остановку и выполняя для повышения точности несколько эпох измерений в течение 5–30 с. Оборудование и метод измерений (съёмки) выбирают, исходя из поставленной задачи и требований основных инструкций Например, Инструкция по производству маркшейдерских работ (РД 07-603-03) (п. 27, табл. 2) при проведении полигонометрического хода го класса требует предельную относительную невязку хода 1:25 000 при максимальной его длине 30 км, что соответствует погрешности определения координат см на 1 км хода (табл. 3.2) [31]. Данная точность может быть получена при любом методе съёмки за исключением кинематики в чистом виде, но при использовании двух частотных GPS-приёмников. Даже метод «Стою/иду» даёт нам такую точность при работе в пределах 10 км. Таблица Характеристика сетей полигонометрии го класса, го иго разрядов Показатели 4-й класс 1-й разряд 2-й разряд Предельная длина хода, км: отдельного 10 между исходной и узловой точками между узловыми точками Предельный периметр полигона, км 15 Длина сторон хода, км: наибольшая 2 0,8 наименьшая 0,12 средняя расчётная 0,50 0,30 Число сторон входе, не более 15 Предельная относительная невязка хода 1:25 000 1:10 000 Средняя квадратическая погрешность измерения угла (по невязкам входах и полигонах, с Угловая невязка хода или полигона, не более, где п – число углов входе, с 5√n 10√n 20√n Примечание: 1. В отдельных случаях при привязке ходов полигонометрии к пунктам государственной геодезической сети с использованием светодальноме- ров длины примычных сторон хода могут быть увеличены на 30 %. 119 2. В порядке исключения входах полигонометрии го разряда длиной до 1 км ив ходах полигонометрии го разряда длиной до 0,5 км допускается абсолютная линейная невязка 10 см. Число угловых и линейных невязок, близких к предельным, допускается не более 10 %. 4. Допускается увеличение длин ходов полигонометрии го иго разрядов на 30 % при условии определения дирекционных углов сторон хода с точностью' не реже чем через 15 сторон и не реже чем через 3 км. «Методические указания по созданию, контролю и реконструкции маркшейдерско-геодезических сетей нагорных предприятиях с использованием спутниковой аппаратуры п. 2.4, табл. 2) для создания опорных маркшейдерских сетей рекомендуют только Быструю статику [15]. Это можно объяснить тем, что в 1998 году промышленностью изготавливались GPS-приёмники только на одну частоту (табл. Таблица Выбор режима съёмки, способа измерений и количества GPS-приёмников |