Совместная обработка спутниковых и нивелирных данных в программном комплексе

Оглавление

Введение

1. Нивелирование и спутниковые измерения

1.1.1 Нивелирования II класса

1.1.2 Описание методики обработки нивелирования II класса

1.2 ГНСС измерения

1.2.1 Методы определений координат с применением ГЛОНАСС технологий

1.2.2 Обработка GPS/ГЛОНАСС измерений

1.2.3Совместнаяобработканаземныхи спутниковыхгеодезических измерений в локальных сетях

2.Совместная обработка результатов геометрического и ГНСС нивелирования

2.1Импорт данных в проекты2

2.2 Обработка базовых линий

2.3 Привязка узловых пунктов ОМС сети к ITRF

2.4 Совместная обработка

Заключение

Литература2

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Введение

спутниковый нивелирный геодезический измерение Цель данной курсовой работы заключается в совместной обработки спутниковых и нивелирных данных в одном программном комплексе.

Исходные данные были полученные во время летней практики в городе Болгар студентами группы 690 Б кафедры астрономии и космической геодезии в июле 2012 года.

В практике производства геодезических работ при создании высотного обоснования часто используется комбинированный метод, т. е. координаты части опорных пунктов определяются спутниковым ГНСС — методом, а части пунктов по результатам геометрического нивелирования. Применение такого метода часто бывает вызвано следующими обстоятельствами: недостаточная плотность пунктов ГГС для создания обоснования путем непосредственной привязки нивелиром к опорным пунктам и в тоже время плохие условия приема сигналов ГНСС спутников на значительной части объекта проведения работ. В результате этого, целесообразным становится определение координат спутниковым методом тех пунктов, где условия проведения ГНСС измерений оптимальные, и дальнейшее проложение нивелирного хода от этих пунктов.

Как правило, обработка результатов традиционных и ГНСС измерений осуществляется в разных программных продуктах, что не всегда представляется эффективным, особенно, если с комплектом оборудования одной фирмы поставлено соответствующие офисное программное обеспечение. Таким образом, представляется весьма актуальным рассмотреть вопрос совместной обработки традиционных и ГНСС измерений в одной программе на примере оборудования и программного обеспечения фирмы Trimble. Для решения поставленной задачи был использован программный пакет Trimble Business Center (TBC).

Trimble Business Center — программа обработки геодезических данных, дающая возможность использовать большие возможности технологии приема сигналов от спутников.

В Trimble Business Center есть возможность совместной обработки таких комбинированных сетей, где в полной мере будут использованы достоинства каждого из методов измерений, что в целом улучшит качество создаваемой сети.

1. Нивелирование и спутниковые измерения

1.1.1 Нивелирования II класса Нивелирование — определение высот точек земной поверхности относительно исходной точки («нуля высот») или над уровнем моря.

Нивелирование — один из видов геодезических измерений, которые производятся для создания высотной опорной геодезической сети (т. е. нивелирной сети) и при топографической съёмке, а также в целях проектирования, строительства и эксплуатации инженерных сооружений, железных и шоссейных дорог и т. д. Результаты нивелирования используются в научных исследованиях по изучению фигуры Земли, колебаний уровней морей и океанов, вертикальных движений земной коры и т. п.

По точности выполнения нивелирование делят на I, II, III, IV классы точности. I и II классы относят к высокоточному нивелированию, III и IV классы — к точному. Также в строительных работах применяют менее точное — техническое нивелирование, которые ниже точности IV класса. Для каждого класса точности существует определенная методика выполнения работ.

1.1.2 Описание методики обработки нивелирования II класса Результаты наблюдений на станции записывают в журнал установленной формы или вводят в запоминающее устройство регистратора. При привязке к реперам в журнале отмечают, в каком состоянии находится внешнее оформление репера, и указывают виды работ, выполненные по его восстановлению. Кроме того, при привязке снимают оттиски с номеров марок.

При работе нивелиром с компенсатором отсчеты по рейке и отсчетному барабану (микрометру) делают сразу же после наведения трубы на рейку, которая согласно должна наблюдаться первой, и приведения пузырька установочного уровня на середину. Перед отсчетом необходимо убедиться, что компенсатор находится в рабочем состоянии.

На каждой станции подсчитывают значения превышения по наблюдениям основных и дополнительных шкал реек. Расхождения между превышениями и разность высот нулей реек, вычисленная и полученная из исследований, не должна быть более 0,7 мм (14 делений барабана). Если расхождение получилось более допустимого, то все наблюдения на станции переделывают, предварительно изменив положение нивелира по высоте не менее чем на 3 см.

Контроль нивелирования по секции между смежными реперами и по участку между фундаментальными реперами заключается в следующем.

После выполнения нивелирования по секциям в прямом и обратном направлениях сравнивают между собой два значения превышения. Расхождение между этими значениями не должно быть более 5 мм, если среднее число станций на 1 км хода меньше 15 (первый случай) и 6 мм - когда среднее число станций на 1 км хода больше 15, а также при нивелировании в труднопроходимом районе (второй случай).

Если расхождение получилось больше допустимого, то нивелирование по секции повторяют в одном из направлений.

Явно неудовлетворительное значение превышения исключают. Оставшиеся два значения принимают в обработку, если они не расходятся между собой больше указанных допусков и получены из нивелирования в противоположных направлениях.

В обработку включают все три значения превышения тогда, когда первоначальные не расходятся между собой более чем на 8 мм для первого случая и 10 мм - для второго случая, а повторное значение не отличается от каждого из первоначальных более чем на 6 мм .

При окончательной обработке сначала осредняют значения превышения из ходов одного направления, а затем — из ходов прямого и обратного направлений.

Если первоначальные и повторные значения превышения не удовлетворяют перечисленным требованиям, то первоначальные исключают и выполняют еще одно повторное нивелирование в противоположном направлении.

После выполнения нивелирования по участку между фундаментальными реперами сравнивают значения превышения, получившиеся из нивелирования в прямом и обратном направлениях. Нормальное расхождение между этими значениями не должно быть больше 5 мм для первого случая и 6 мм - для второго.

По мере завершения нивелирования по секциям и участкам регулярно составляют ведомость превышений установленной формы.

Поправки в превышения по секциям за среднюю длину метра комплекта реек вводят по результатам эталонирования реек на компараторе МК-1.

В таблице 1 указаны СКО и допустимые невязки для каждого класса нивелирования.

Таблица 1

* L — периметр полигона или длина линии, км.

** - ошибку вычисляют по невязкам линий или полигонов.

Средние квадратические ошибки нивелирования вычисляют по формулам:

где d = hпp-hобр; hпp и hобр — превышения по секциям, полученные соответственно в прямом и обратном ходах, мм;

r — длина секции, км;

n — число секций;

s — накопление разностей Уd на участке (линии), мм;

L — длина этого участка (линии), км.

Протяженность участка (линии) должна быть не менее 100 км. Периметры полигонов нивелирования в зависимости от районов работ и других условий указаны в табл.2[3].

Таблица 2

1.2 ГНСС измерения

1.2.1 Методы определений координат с применением ГЛОНАСС технологий Определение координат по наблюдениям спутников навигационных систем выполняется абсолютными, дифференциальными и относительными методами. В абсолютном методе координаты получаются одним приемником в системе координат, носителями которой являются станции подсистемы контроля и управления и, следовательно, сами спутники навигационной системы. При этом реализуется метод засечки положения приемника от известных положений космических аппаратов (КА). Часто этот метод называют также точечным позиционированием.

В дифференциальном и относительном методе наблюдения производят не менее двух приемников, один из которых располагается на опорном пункте с известными координатами, а второй совмещен с определяемым объектом. В дифференциальном методе по результатам наблюдений на опорном пункте отыскиваются поправки к соответствующим параметрам наблюдений для неизвестного пункта или к его координатам, то есть наблюдения обрабатываются раздельно. Этот метод обеспечивает мгновенные решения, обычно называемые решениями в реальном времени. В них достигается более высокая точность, чем в абсолютном методе, но только по отношению к опорной станции. В относительном методе наблюдения, сделанные одновременно на опорном и определяемом пункте, обрабатываются совместно. Это основное различие между относительным и дифференциальным методом, которое приводит к повышению точности решений в относительном методе, но исключает мгновенные решения. В относительном методе определяется вектор, соединяющий опорный и определяемый пункты, называемый вектором базовой линии.

Наблюдения в реальном времени (абсолютные, дифференциальные или относительные) предполагают, что полученное положение будет доступно непосредственно на месте позиционирования, пока наблюдатель находится на станции. При пост-обработке результаты получают после ухода с пункта наблюдений.

В каждом из трех указанных методов определений координат возможны измерения как по кодовым псевдодальностям (по фазе кода), так и по фазе несущей. Точность кодовых дальностей имеет метровый уровень, в то время как точность фазовых измерений лежит в миллиметровом диапазоне. Точность кодовых дальностей, однако, можно улучшить, если использовать метод узкого коррелятора или сглаживание по фазе несущей, достигая при этом дециметровый и даже более высокий уровень точности. В отличие от фаз несущих колебаний, кодовые дальности фактически не содержат неоднозначностей. Это делает их невосприимчивыми к потерям счета циклов (то есть изменениям неоднозначностей фазы) и, в некоторой степени, к препятствиям на пункте. Для фазовых же измерений критическим моментом является разрешение их неоднозначностей.

Точность дифференциального и относительного метода значительно выше, чем в соответствующих вариантах абсолютного метода, и может достигать сантиметрового и даже более высокого уровня. Однако следует обратить внимание на два момента. Во-первых, поскольку в этих методах координаты неизвестных пунктов находятся относительно опорного пункта, то погрешности координат этого пункта полностью войдут в координаты определяемых точек, то есть вся развиваемая сеть оказывается смещенной. Во-вторых, поскольку координаты определяемых пунктов используются для вычисления компонент базовых линий, то это также будет сказываться на точности определения приращений координат между опорным и определяемым пунктом[1].

1.2.2 Обработка GPS/ГЛОНАСС измерений В общем случае кампания GPS измерений включает использование небольшого числа приёмников для определения координат большого количества станций. Выполненные в проекте наблюдения разделяются на сессии, состоящие из наблюдений на отдельных станциях (пунктах). Сессия может быть короткой, всего несколько минут, если в малой сети применяется метод быстрого разрешения неоднозначностей, или несколько часов и даже суток, если необходимо достигать высокую точность в более крупных сетях. При ограниченном числе доступных спутников типичная сессия наблюдения в инженерных сетях продолжается от I до 3 часов. Разработаны и используются следующие методики уравнивания спутниковых наблюдений:

уравнивание наблюдений, выполненных на одной станции;

обработка одной базовой линии и последующее объединение базовых линий в сеть;

объединенное уравнивание всех полученных наблюдений отдельной сессии (уравнивание наблюдений многих станций одной сессии),

объединение решений многих сессий в строгое всеобщее сетевое решение.

Уравнивание одной станции (позиционирование точки, «однопунктовое» решение) обеспечивает абсолютные координаты станции в системе WGS-84 (или ПЗ-90). Если обрабатываются только кодовые измерения, то из-за низкой точности эти результаты обычно представляют малый интерес для геодезических применений, но они часто отвечают требованиям некоторых задач геофизики, ГИС и дистанционного зондирования. Типичная область этого применения — навигация.

Концепция одинарной базовой линии очень широко используется в программном обеспечении для обработки спутниковых данных. В совместном уравнивании обрабатываются наблюдения от двух одновременно работавших приемников, преимущественно в виде двойных разностей.

Отдельные базовые линии используются как входные данные в программе уравнивания сети. Обработка наблюдений в сети распадается на первичное уравнивание (решение базовых линий) и вторичное уравнивание (уравнивание векторов базовых линий). Эта методика является строгой, если одновременно наблюдали только два приемника, и если используется вся стохастическая информация полной ковариационной матрицы. Однако если пары станций выбраны из большего числа одновременно действовавших приемников, то не все возможные комбинации базовых линий не зависят одна от другой. При одновременных наблюдениях R приемниками получается R (R — 1)/2 возможных базовых линий, но независимыми из них являются только R — 1 линий. Если имеющееся программное обеспечение может обрабатывать только одну базовую линию, то независимые, «не тривиальные» базовые линии должны выявляться с использованием подходящих критериев отбора, таких, как длина базовой линии или число наблюдений. Тем не менее, эта методика не является строгой для сетевых решений, поскольку не учитывается стохастическая информация между одновременно наблюдавшимися линиями. Для улучшения решения необходимо тщательное взвешивание и ослабление корреляции.

В уравнивании многих станций одной сессии совместно обрабатываются все данные, которые наблюдались одновременно тремя или более участвующими приемниками.

В этом случае результатами решения являются R — 1 независимых векторов. Для геодезических целей такое «многопунктовое» уравнивание имеет концептуальные преимущества над методом базовых линий, поскольку используется весь потенциал точности СРНС.

Несколько решений по сессиям можно объединять в уравнивание многих сессий или, более точно по многим станциям и многим сессиям. Это обычная методика, когда крупные сети разбиваются на части из-за ограниченного числа приемников. Основное условие в таком уравнивании состоит в том, что каждая сессия связывается хотя бы с одной другой сессией через одну или большее количество общих станций, на которых наблюдения выполнялись в обе сессии. Расширение числа общих станций повышает стабильность и надежность всей сети.

Решение по многим сессиям является строгим и эквивалентно объединенному уравниванию «все в одном», если используются соответствующие ковариационные матрицы для решений индивидуальных сессий. Пошаговая процедура, начинающаяся с сессионных решений, имеет преимущество в том, что не требуется мощный компьютер. Кроме того, сравнение результатов отдельных сессий обеспечивает лучший контроль точности сети при достаточном объеме избыточных наблюдений на общих станциях[2].

1.2.3Совместная обработка наземных и спутниковых геодезических измерений в локальных сетях Совместная обработка результатов спутниковых и наземных измерений — это возможность получит положительную оценку. Преимущества совместного уравнивания результатов спутниковых и наземных геодезических измерений очевидны для специалистов. Зачастую в производстве приходится выполнять в одном проекте спутниковые и наземные геодезические измерения.

Доступность для рядового геодезиста использования спутниковых определений местоположения на земной поверхности позволяет говорить о возникновении так называемого геодезического навигационного пространства, постепенно вытесняющего и заменяющего пространство геодезических опорных пунктов. Поскольку полный переход на спутниковые методы не может произойти в одночасье, поэтому в настоящее время при выполнении инженерно-геодезических изысканий, строительстве, топографических съемках, кадастровых работах и т. п. во многих случаях имеет место использование, как наземных геодезических измерений, так и спутниковых приемников.

Спутниковые измерения в современных геодезических сетях используются в основном для таких целей:

— повышение точности и надежности сети;

— передачи системы координат с опорных пунктов, удаленных от места развития локальной сети;

— соединения нескольких локальных сетей в единую систему.

Построение сетей сгущения только на основе спутниковых измерений встречается сравнительно редко, поскольку для спутниковых наблюдений необходима достаточная открытость местности вокруг точки стояния приемника, поэтому применяются комбинированные сети. В стесненных условиях застроенной территории или в закрытой местности приходится устанавливать приемник в некотором удалении от опорных или определяемых пунктов, выполняя его привязку с помощью дополнительных звеньев линейно-угловой сети. В результате получаются достаточно сложные и разнообразные геометрические конструкции сетей, требующие гибких и универсальных алгоритмов их вычисления и уравнивания.

При обработке таких сетей зачастую используется раздельная обработка спутниковых и наземных измерений, т. е. уравниваются спутниковые измерения, и полученные координаты точек используются для наземных линейно-угловых звеньев сети как жесткие. В этом случае теряется определенная часть точности сети и, главное, имеет место некоторая неоднозначность результатов при оценке качества измерений по невязкам в отдельных звеньях сети. Поэтому объясним интерес в научных публикациях к методам совместного уравнивания наземных и спутниковых геодезических измерений.

Чаще всего предлагается выполнять уравнивание таких сетей в пространственной геоцентрической системе координат, в которой выполняются спутниковые определения координат и в которую необходимо редуцировать наземные измерения и координаты наземных опорных точек. Теоретически это, несомненно, правильно, но в современных условиях геодезической практики строго выполнить вычисления не всегда возможно. Прежде всего, необходимо, чтобы исходные наземные пункты имели координаты, привязанные к некоторому референц-эллипсоиду и должны быть известны точные параметры перехода к референц-эллипсоиду, относительно которого определены координаты спутниковых наблюдений. Обеспечение этих требований в условиях построения инженерных локальных сетей трудно выполнимо: имеются некоторые ограничения в доступе к полным координатам, кроме того, используемые системы координат СК-42 и СК-63 не имеют точных параметров перехода в систему WGS-84, в которой выполняются спутниковые определения координат системой GPS. 4]

2.Совместная обработка результатов геометрического и ГНСС нивелирования

2.1Импорт данных в проекты ГНСС данные для каждой бригады обрабатывались в отдельных проектах независимо друг от друга. Проверялось соответствие типов антенн, высот антенн с файлами наблюдений для каждого конкретного вектора, при необходимости производился пересчет высот.

(Рис.1).

Рис. 1 Импорт данных в проект и исправление параметров антенн После успешного исправления параметров антенн в проекте, данные наблюдений были успешно импортированы.

2.2 Обработка базовых линий Следующим этапом была выполнена обработка базовых линий. В среднем ошибки положения базовых векторов составляли около 10 мм в плане и 15 мм по высотной составляющей.

Замыкание полигона показывает величину ошибки для набора измерений в сети. Замыкание полигона вычисляется следующим образом: выбирается точка, с которой было сделано одно или несколько измерений, добавляется одно из этих измерений к координатам точки и вычисляются координаты второй точки на основе данного измерения. Этот процесс повторяется один или несколько раз по всем точкам полигона и заканчивается в исходной начальной точке. При отсутствии ошибок в измерениях последняя вычисленная координата должна в точности совпадать с исходной начальной координатой.

Исходя из отчетов об обработке базовых линий и замыкании полигонов, были выявлены не удовлетворительные по точности, заданной в программе вектора. Для каждого такого вектора создавался «Отчет об обработке базовых линий» для просмотра всей итоговой сводки о результатах процесса и подробной информации о каждой обработанной базовой линии. В отчете содержалась информация по отслеживанию и невязкам спутников ГНСС (Рис.2).

Рис. 2 Заключение по отслеживанию спутников ГНСС При необходимости для отдельного вектора вызывалось меню «Редактор сессии», в котором было возможно исключить из обработки весь сигнал или его часть от конкретного спутника (Рис.3).

Рис. 3 Редактор сессии для векторов Удалялись промежутки времени, где имели место плохие и прерывистые сигналы, выполнялась повторная обработка векторов. После этого была осуществлена передача ITRFкоординат с ОМЗ на остальные пункты сети. Далее выполнялось уравнивание сети.

Рис. 4 Уравненная сеть с эллипсами ошибок В ходе уравнивания были получены уравненные ITRF координаты на пункты сети.

2.3 Привязка узловых пунктов ОМС сети к ITRF

Перед проведением процедуры уравнивания осуществлялась передача ITRF-координат с точек спутниковой сети, на которых имелись продолжительные наблюдения спутников, на остальные точки сети.

Нужный Rinex-файл с указанием параметров антенны отправлялся на сервер обработки (trimblertx.com), далее на электронную почту приходил отчет, содержащий координаты точки и ее точностные характеристики (Приложение 1). В случаях, когда на одну точку сети имелось несколько файлов, по каждому из них находились ITRF-координаты и вычислялись средневзвешенные координаты. Далее в результате дальнейшей обработки глобальные координаты были переданы на все точки спутниковой сети.

2.4 Совместная обработка Перед тем, как выполнить уравнивания сети, делаем совместную обработку для каждой части сети, после этого экспортируем их в формате .asc. Эта процедура выполняется для того, чтобы открыть эти проекты в одном проекте. После чего выполняется уравнивание сети.

На рисунке 5 представлен общий вид картины — совместно импортированные данные ГНСС измерений и нивелировании. Фиолетовым цветом показан ход нивелирования.

Рис. 5 Импортированные данные ГНСС измерений и нивелирования Рис. 6 Уравненная сеть нивелирования После уравнивания сети делаем калибровку на местности.

Для процесса калибровки в проекте TBC требовалось ввести точки с координатами в МСК-16. Далее, используя пункт «Калибровка на местности», поочередно выделялись одни и те же точки, имеющие координаты в разных системах.

Калибровка — это нахождение параметров преобразования, которые наилучшим образом определяют переход от глобальных координат (ITRF, WGS-84), в системе которых работают ГНСС в местную систему координат.

Полученные параметры калибровки обеспечивают плановую и высотную трансформацию с ошибкой не более 40 см.

После успешного преобразования было произведено сравнение координат пунктов, с результатом полученным «вручную» в Microsoft Office Excel.

Заключение

В результате выполнения настоящей работы были решены следующие задачи:

— подготовка к импорту и импорт необходимых спутниковых измерений в отдельный проект для каждой бригады в TBCv2.4

— обработка базовых линий, улучшение их точностных характеристик

— передача ITRF-координат на ОМС пункты спутниковой сети и дальнейшее их уравнивание

— уравнивание нивелирного хода для каждой бригады

— совместное уравнивание сети

— калибровка

— анализ полученных результатов Таблица 3

В представленной таблице показана разница уравненных координат, полученных в программных комплексах Microsoft Office Excel и Trimble Business Center. В среднем разница высот составляет 1 — 4 см. Расхождения результатов обработки двумя различными методами в среднем порядка 2 см. На основании этого, можно сделать вывод, что совместная обработка ГНСС и геометрического нивелирования дает приемлемый для практических нужд результат, т. е. программу Trimble Business Center можно использовать для создания высотного обоснования топографических съемок при комбинированных методах измерений (ГНСС и геометрическое нивелирование). Данный метод будет эффективнее с экономической точки зрения — используется только один программный пакет. Можно предположить, что точность определения полученных из комбинированных измерений высот после обработки в TBC может быть значительно повышена, но для этого необходимо провести дополнительные исследования.

1.Антонович К. М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии. том 1. М.: ФГУП Картгеоцентр, 2005.

2. Антонович К. М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии. том 2. М.: ФГУПКартгеоцентр, 2006.

3.Инструкция по нивелированию I, II, III, IV классов. Москва ЦНИИГАиК, 2003 г.

4. Совместная обработка наземных и спутниковых геодезических измерений в локальных сетях С. Могильный, А. Шоломицкий. http://ena.lp.edu.ua /ntb.

5. Справка ПО Trimble Business Center.

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Отчет о калибровке на местности Параметры калибровки по высоте

Разница невязок между GPS и известными координатами

Приложение 4