что такое статика в геодезии

Режимы и методы спутниковых геодезических измерений.

В режиме «Статика» одновременные измерения на двух или нескольких пунктах выполняются неподвижными приемниками. Один из приемников принимают за базовый. Положение остальных приемников определяется относительно базового. Измерения в режиме «Статика» выполняют, как правило, на больших расстояниях между пунктами (свыше 15 км). Время наблюдений зависит от расстояния между пунктами, числа спутников, состояния ионо- и тропосферы, требуемой точности и составляет обычно не менее 1 ч.

Режим «Быстрая статика» позволяет сократить продолжительность измерений, благодаря возможности применения на линиях до 15 км активных алгоритмов разрешения неоднозначности. Продолжительность наблюдения в этом режиме составляет 5-20 мин.

Режим «Реоккупация» используется, когда нет одновременной видимости на необходимое число спутников. Тогда измерения выполняют за несколько сеансов, накапливая нужный объем данных. На этапе компьютерной обработки все данные объединяют для выработки одного решения.

Режим «Кинематика» служит для определения координат передвижной станции в ходе ее перемещения. При работе в этом режиме необходимо, чтобы приемники на базовой и передвижной станциях поддерживали непрерывный контакт со спутниками в течение всего времени измерений. До начала движения выполняют инициализацию – разрешение неоднозначности фазовых измерений.

Значения средних квадратических погрешностей определения положения, мм, принято характеризовать формулой

Значения параметров a и b приведены в табл. 10.2.

Источник

Понятия «Статика» и «Постобработка»?

«Статика» – это самый первый метод, разработанный для GNSS-измерений. Он может быть использован для измерений длинных линий (обычно 20 км и более). Один приемник устанавливают на точке, координаты которой точно известны. Он называется референц–станцией. Другой приемник, расположенный на другом конце базовой линии, называется ровером. Данные записываются обоими приёмниками одновременно. Важно выполнять запись данных каждым приёмником с одной и той же частотой (интервалом записи данных). Обычно этот интервал составляет 5, 15, 30 или 60 сек. Приемники выполняют запись данных в течение некоторого отрезка времени. Этот период зависит от длины линии, числа наблюдаемых спутников и спутниковой геометрии (которую характеризует такой показатель как «снижение точности» или DOP). Считается, что статика должна выполняться в течение минимум 1 часа на линиях длиной 20 км с пятью спутниками и преобладающим значением GDOP=8. Длинные линии требуют более длительного периода наблюдений. После достаточного накопления данных приемники можно выключить. Затем ровер может перемещаться на следующую определяемую точку для измерения следующей базовой линии. Очень важно произвести избыточные измерения в сети. Например, выполнить измерения на точках, по крайней мере, дважды или измерения дополнительных векторов, чтобы избежать проблем, которые иначе нельзя обнаружить. Намного увеличить производительность, можно добавив ещё несколько роверов. Для увеличения эффективности при наличии трёх приёмников необходима хорошая координация между членами полевой бригады.

Измерения «быстрой статикой». При измерениях быстрой статикой выбирается база, относительно которой работает один или более роверов. Как правило, быстрая статика используется для сгущения существующих сетей, создания съёмочных сетей и т. д. Если вам предстоит работать в районе, где ранее никаких измерений не производилось, прежде всего запланируйте измерения на пунктах местных геодезических сетей. Это позволит вычислить параметры трансформации и, следовательно, координаты всех точек, определённые с помощью GNSS-измерений в этом районе, можно легко перевычислить в местную систему координат. Должны быть выполнены измерения, по крайней мере, на 4 пунктах (плюс 1 пункт для высотной отметки) с известными координатами по периметру района работ. Вычисленные параметры трансформации будут действительны для района, охватываемого этими пунктами. База обычно устанавливается на исходном пункте, координаты которого могут быть включены в трансформацию. Если в вашем распоряжении нет никаких исходных точек, то база может быть установлена где-нибудь в пределах определяемой сети. Затем ровер перемещается, посещая каждый из известных пунктов. Период измерений на каждой из точек зависит от длины базовой линии и GDOP. Данные записываются и обрабатываются в офисе. Далее, с целью выявления грубых ошибок, должны быть выполнены контрольные измерения. Например, повторные наблюдения на точках в другое время суток. При работе с двумя или более роверами необходимо, чтобы они работали одновременно. Это позволит в течение обработки использовать каждый приемник на выбор либо как базу, либо как ровер, что является наиболее эффективным способом GNSS-измерений, но возникают трудности в синхронизации действий операторов приемников. Другой способ получения избыточных измерений – это установка двух базовых станций и использование одного ровера для измерения на точках.

Источник

Спутниковые измерения в режиме «Статика»

В настоящее время всё большую популярность приобретают методы определения координат и высот с применением спутниковой геодезической аппаратуры (в дальнейшем — СГА).

Данные методы по сравнению с традиционной, «наземной» технологией, имеют неоспоримые преимущества, которые проявляются в повышении производительности труда, снижении издержек производства инженерно-геодезических работ, и как результат — повышения качества продукции, снижение конечной стоимости этапов строительства зданий и сооружений, достижении конкурентоспособности предприятия.

Применение СГА позволяет выполнять геодезические работы там, где по тем или иным условиям применение традиционных технологий невозможно или весьма трудозатратно, восстанавливать или создавать планово-высотную геодезическую сеть в населённых пунктах, где большинство пунктов может быть уничтожено в результате строительства.

Ключевая особенность применения СГА для развития существующей геодезической сети относительными определениями заключается в одновременной работе двух и более приёмников СГА для измерения пространственных векторов.

При определении координат и высот с применением СГА как правило используются следующие методы:

— Статические («Статика» и «быстрая статика», «реоккупация»);

— кинематические («стой-иди», «RTK»).

Рассмотрим наиболее точный и контролируемый метод определения – «Статика».

Схемы построения наблюдений

Применение СГА в геодезической практике позволяет выполнять измерения с различной точностью в зависимости от поставленной цели.

В зависимости от необходимой точности результата развития или создания геодезических сетей могут применяться следующие схемы спутниковых определений:

метод построения сети метод определения висячих пунктов.

— совмещённый метод, когда пункты опорной геодезической сети определяются с помощью СГА, между ними прокладываются традиционные теодолитные и нивелирные ходы, в дальнейшем происходит совместная обработка результатов.

Метод построения сети из всех методов позволяет выполнить определение координат пунктов с наибольшей точностью, большое количество избыточных измерений позволяет достаточно надёжно вычислить остаточные ошибки определений, оценить качество исходных пунктов и исключить грубые ошибки измерений.

Выбор метода развития съёмочного обоснования определяется по таблице:

Методика выполнения измерений в режиме «Статика»

Прогнозирование (планирование) измерений

Наиболее затратный этап в выполнении инженерно-геодезических работ – это полевые работы. Исключением не является и выполнение наблюдений с применением СГА. Чем детальнее и полнее выполнены подготовительные работы, тем качественнее и быстрее могут быть выполнены полевые наблюдения.

Одним из важнейших пунктов программы проведения наблюдений является планирование полевых работ.

Планирование выполняется на основе предварительной полевой и камеральной подготовки материалов.

Полевая подготовка как правило включает в себя рекогносцировку, обследование исходных пунктов, закладку определяемых пунктов будущей спутниковой геодезической сети.

Камеральная подготовка – сбор и анализ исходных данных, изученности района работ, подготовка оборудования, выбор методов и проектирование геодезической сети, прогнозирование полевых наблюдений.

Для прогнозирования спутниковых определений может использоваться программное обеспечение, входящее в комплект СГА или приобретаемое независимо. Примерами таких программных модулей являются:

— Planning (Trimble Business Centre);

— Sattelite Availability (Leica Geo Office).

По полученным в результате прогнозирования периодам времени, оптимальным для наблюдения спутников устанавливают периоды времени, оптимальные для выполнения сеансов наблюдений. Эти данные в виде даты проведения работ и времени начала и конца интервала (периода), в который параметры конфигурации спутникового созвездия оптимальны для спутниковых определений, заносят в рабочую программу полевых работ.

примеры выполнения прогнозирования спутниковых наблюдений:

пример прогнозирования в программе Satellite Availability пример прогнозирования в программе Planning

Полевые работы

Измерения в режиме «Статика» подразумевают выполнение длительных наблюдений на пунктах сети. Наблюдения заключаются в одновременной работе двух и более приёмников СГА для определения векторов геодезической сети. Наблюдения выполняются согласно программе работ, при необходимости корректируя действия в зависимости от внешних условий.

Время наблюдений в режиме «Статика» для определения координат и высот пунктов определяется из различных условий наблюдений, но как правило их продолжительность составляет не менее часа, или согласно рекомендациям производителей СГА. Предварительно оценить продолжительность сеансов наблюдений можно опытным путём, выполнив предварительные наблюдения на пунктах.

Продолжительность сеанса наблюдений так же зависит от длины определяемых векторов, количества одновременно наблюдаемых спутников, паспортной точности СГА и требуемой точности определяемых пунктов. Опытным путём установлено, что для определения координат и высот пунктов опорной геодезической сети необходимо придерживаться продолжительности сеансов наблюдений, приведённых в таблице ниже.

зависимость продолжительности сеанса от длины определяемых векторов

Приёмники СГА должны быть подготовлены, проверены заряд батарей, количество свободной памяти в устройстве, необходимо обеспечить непрерывность сеансов и работу в течение запланированного времени.

Кроме того, проверяется настройка приёмников на работу с одинаковыми параметрами записи наблюдений (угол отсечки, интервал записи), количество наблюдаемых спутников, которое должно быть не менее 4. При наличии технической возможности, определяемой комплектностью и оборудованием СГА оценивается значение фактора понижения точности (PDOP), допустимость выполнения работ исходя из рекомендации производителя оборудования при данном PDOP.

Работа на станции заключается в выполнении описанных действий, установки антенны приёмника над пунктом с помощью штатива, специальной вехи или непосредственно на пункте, центрировании и нивелировании антенны, измерении высоты до специальной метки с точностью 1 мм, заполнении журнала наблюдений.

В процессе проведения наблюдений необходимо контролировать неизменность положения антенны приёмника, количество наблюдаемых спутников и значение PDOP. Все изменения, в том числе внешних условий наблюдений записываются в журнале.

Спутниковые определения относятся к фазовому центру антенны, поэтому измерение высоты антенны выполняется дважды – при установке и при окончании сеанса. В случае, если измеренная высота отличается более чем на 2 мм, то целесообразно исключить сеанс из дальнейшей обработки, до 2 мм – результат усредняется и записывается в журнал.

Спутниковые приемники работают в температурном диапазоне, установленном производителем. Атмосферные осадки, как правило не влияют на работу, необходимо только следить за тем, чтобы на поверхности антенны не накапливалась вода или снег. Сбои в измерениях могут вызывать разряды атмосферного электричества. Так же нежелательно работать вблизи ЛЭП с напряжением выше 35кВ.

Выполнение расчётов

Предобработка

Измерения, полученные при выполнении полевых работ, загружаются с приёмников, импортируются в новый или ранее созданный проект программного комплекса.

Далее выполняется предварительная обработка с оценкой точности полученных параметров векторов, в результате которой принимается решение о принятии или исключении их в дальнейшей работе. Методика предварительной обработки и принятие решения о пригодности зависит от используемых программных комплексов.

пример обработки базовых линий в Trimble Business Centre

На данном этапе так же оценивается качество выполненных наблюдений, создаётся отчёт о замыкании полигонов, на основании которого делается вывод о пригодности измерений, наличии грубых ошибок.

Определение параметров перехода (трансформации) к локальной СК

В нашей стране приняты различные системы координат и высот, данные пунктов Государственной геодезической сети как правило носят различные ограничительные грифы и закрыты для свободного использования. В отличие от них, данные пунктов в региональных и местных системах координат допустимо использовать без значимых ограничений.

К тому же СГА работает в привязке к положению спутников и связанной с ними системе координат, как правило все измерения проводятся в общемировой геодезической системе координат WGS-84.

Прямые преобразования из данной системы координат в местную или региональную в силу ряда причин (отсутствие или закрытость параметров перехода) могут быть затруднены или невозможны. В таких случаях выполняют вычисления параметров, используя координаты пунктов в нужной системе. Для преобразования необходимо иметь не менее 4, если выполняются только плановые определения и не менее 5 исходных пунктов, если выполняются определения координат и высот. Пример выполнения трансформации:

Уравнивание и оценка точности результатов измерений

После предварительной обработки выполняется уравнивание. Уравнивание производится в несколько этапов.

На первом этапе выполняется так называемое «свободное» уравнивание, которые производится без фиксирования координат опорных пунктов. Данный процесс позволяет оценить всю сеть целиком и качество каждого пункта в отдельности. Особенность этапа заключается в отсутствии влияния ошибок координат исходных пунктов. В результате возможно принятие решения об исключении или повторного выполнения отдельных измерений.

На втором этапе производится поочерёдная фиксация координат опорных пунктов с одновременным выполнением анализа о пригодности каждого пункта для выполнения уравнивания сети. В результате возможно принятие решений об исключении или необходимости добавления других опорных пунктов.

В результате уравнивания создаётся подробный отчёт, в котором проводится оценка качества выполненной работы, каталог уравненных координат и высот с оценкой точности каждого определяемого пункта. Пример такого отчёта:

Использование программного обеспечения

В настоящее время рынок программного обеспечения довольно широк, выбор конкретного продукта зависит от требуемых функциональных возможностей, стоимости, затрат на внедрение и личных предпочтений исполнителей.

Примеры программных продуктов для выполнения всех этапов обработки:

В настоящее время функцию уравнивания спутниковых геодезических измерений как в отдельности, так и совместно с традиционными, добавили в CREDO DAT (версия не младше 4.0 Professional).

Основные функции, которые как правило, входят в программу для обработки спутниковых измерений:

— импорт данных измерений «своего» формата и универсального обменного формата «RINEX»;

— предварительная обработка и оценка точности векторов сети;

— уравнивание и оценка точности результатов измерений;

— экспорт результатов обработки.

Спутниковое геодезическое оборудование всё более активно внедряется в работу, благодаря высокой точности измерений существующие геодезические сети с его помощью могут быть восстановлены или уравнены заново, оно может быть использовано для обеспечения привязки в малообжитых и не обжитых районах.

Статический метод – наиболее эффективный и точный из всех возможных методов геодезических спутниковых определений, он применяется во всех случаях, когда необходимо выполнить создание как опорных геодезических сетей для дальнейшего сгущения традиционными методами, так и планово-высотного съёмочного обоснования для съёмки ситуации и рельефа.

Источник

Прикладная геодезия. Азы космических измерений

Процесс наблюдения за первыми искусственными спутниками Земли выявил одну интересную закономерность — пространственное положение спутника можно рассчитать с хорошей точностью на любой момент времени. Этот научный факт подтолкнул ученых к поистине революционному открытию — использовать спутники, находящиеся за сотни километров от Земли, для определения пространственного положения земных объектов.

Из прошлых статей нашего цикла «Прикладная геодезия» мы узнали, что для определения координат неизвестной точки нам потребуется две точки с известными координатами, которые жестко закреплены на местности (пункты Государственной геодезической сети). Иногда они находились далеко от объекта съемки, что вынуждало исполнителей прокладывать теодолитные хода, зачастую на несколько километров. Теперь же постоянно перемещающиеся в пространстве спутники стали этакими «жесткими» точками, относительно которых и определяются координаты объектов на местности.

GPS (Global Positioning System — система глобального позиционирования) — это совокупность радиоэлектронных средств, позволяющих вычислить местоположение и скорость движения объекта на поверхности Земли или в атмосфере. Данные параметры определяются благодаря GPS-приемнику, который принимает и обрабатывает сигналы со спутников. Для повышения точности измерений система позиционирования включает в себя еще и наземные центры управления и обработки данных.

Когда речь идет о GPS, чаще всего имеется ввиду система NAVSTAR, разработанная по заказу Министерства обороны США. Вообще, много чего инновационного было сперва «обкатано» военными, а потом было «спущено в массы». На долгие годы термин «GPS» стал синонимом спутниковой навигации, также как неологизм «ксерокс» обозначает в принципе любой копировальный аппарат, а не только производства фирмы XEROX. В данный момент кроме NAVSTAR GPS разрабатываются или запущены китайская Бэйдоу, европейская Galileo, индийская IRNSS, японская QZSS и наш родной ГЛОНАСС.

Методы космических измерений применяются для:

и во многих других сферах деятельности человека. Рассмотрим некоторые основные сферы применения систем космических измерений более подробно.

С устройствами этой системы навигации мы сталкиваемся на бытовом уровне, под аббревиатурой GNSS скрывается термин «Глобальная навигационная спутниковая система» (англ. — Global Navigation Satellites System). Принцип работы спутниковой системы навигации состоит в измерении расстояния от антенны приемника до спутников, положения которых известны с достаточно высокой точностью. Таблица положения спутника называется альманахом и передается в момент начала измерений с ИСЗ на приемник. Таким образом, зная расстояния между спутниками, и руководствуясь альманахом, можно с помощью простейших геодезических построений, которые мы рассмотрели в предыдущих статьях нашего цикла, вычислить пространственное положение объекта.

Метод измерений расстояния от спутника к приемнику основан на определении скорости прохождения радиоволн. Для возможности измерений спутники передают сигналы точного времени, синхронизированные в свою очередь с высокоточными атомными часами. В начале работы системное время приемника синхронизируется со спутниковым, и дальнейшие измерения базируются на разнице между временем излучения сигнала и временем его приемки. На основании этих данных навигационное устройство вычисляет пространственное положение наземной антенны, ну а скорость объекта, курс и другие параметры — производные от первоначального положения приемника. Как вы наверняка помните из школьного курса физики, скорость прохождения радиоволн равна скорости света, так что можете представить, какая общая точность системы, определяющей расстояние по миллисекундам.

GNSS/GPS антенна

Почему же в некоторых случаях мы получаем достаточно точное значение местоположения, а в некоторых значение не совсем корректное? Не в каждом приемнике встроены атомные часы, поэтому для синхронизации и определения местоположения с приемлемой точностью необходимо получать сигнал одновременно минимум с трех спутников. На мощность принимаемого сигнала влияет гравитационное поле земли, преграды в виде деревьев, домов, отраженные (фантомные) сигналы, атмосферные помехи и ряд других причин. Так как на спутнике невозможно разместить передатчики высокой мощности, наиболее точное местоположение вы получите на открытых пространствах при чистом горизонте.

Теперь, дорогой читатель, обладающий смартфоном со встроенным GPS-приемником, спешим вас огорчить — вам нельзя подавать заявку на открытие геодезической фирмы. Дело в том, что для вычисления местоположения в карманном приемнике используется метод, называемый абсолютным. При одновременном наблюдении 4-х спутников точность определения местоположения может достигать 8 метров, этого достаточно для навигационных измерений. Для геодезии применяют относительный метод измерений, в котором используют минимум два приемника. Один из них устанавливается на точку с известными координатами (т.н. «базу»), а с помощью второго определяют координаты неизвестных точек. При совместной работе 2-х приемников точность измерений возрастает в 100 раз, и мы уже можем получить координаты с сантиметровой точностью, которой достаточно для геодезических нужд.

GPS для геодезических работ

Для использования систем космических наблюдений для проведения топографических работ используют несколько способов, которые отличаются точностью полученных значений и временем, потраченным для их получения.

Статика

Для определения координат неизвестной точки один приемник устанавливается на пункт триангуляции или полигонометрии (известная точка), а другой приемник — на точку, координаты которой необходимо определить. Далее проводится синхронная инициализация устройств, ведь измерения начинаются только тогда, когда два приемника включаются одновременно. Если одно из устройств проработало полчаса, а другое — 15 минут, для получения данных будет использовано только 15 минут совместной работы. После нахождения приемниками спутников начинается сбор данных, которые впоследствии обрабатываются на компьютере.

От включения инструмента до начала работы (получения корректных значений) обычно проходит 15–30 минут, в зависимости от одновременно наблюдаемых спутников. В первые 20–30 минут «база» обеспечивает покрытие с достаточной точностью измерений 5-километровой зоны, затем каждые 10 минут этот радиус расширяется на 5 км, соответственно, зная приблизительное расстояние от точки стояния до базисной точки, можно примерно рассчитать время стояния инструмента для точного определения координат.

Как мы видим на скриншоте одной из программ уравнивания данных, зеленая полоска — это время работы базы, а короткие цветные полоски — время нахождения приемников на станции с неизвестными координатами. С помощью специализированного ПО можно отбраковать некорректные значения измерений и поднять общую точность полученных значений.

Плюс этого метода — высокая точность измерений, минус — затраченное время на инициализацию каждой точки.

Кинематика

«База» таким же образом располагается на пункте с известными координатами, а второй приемник после инициализации может в движении регистрировать точки без дополнительной инициализации перед каждым измерением. Если при первом способе мы получаем, предположим, две базовые точки, с которых будет вестись тахеометрическая съемка, т.е. для работы нам еще необходимо иметь тахеометр, то в случае с кинематическими измерениями достаточно двух приемников, один из которых выполняет функцию тахеометра, время регистрации точки — 1–2 минуты.

Этот способ хорошо подходит для съемки линейно-протяженных объектов, таких как линии ЛЭП, каналы, дороги, нефтепроводы, и т.д. Достоинство такого способа — экономия времени, недостаток — измерения желательно проводить на небольшом удалении от базы, примерно 5–15 км. Если внезапно сигнал от спутника пропадет, процедуру инициализации придется проходить заново, поэтому такой способ не всегда возможно применить в крупных городах, где высокие здания и деревья закрывают горизонт.

RTK GPS

Если первые два способа дают нам положение точки в международной системе координат, которую потом необходимо перевести в региональную, то метод RTK (от англ. Real Time Kinematic — кинематика в реальном времени) позволяет нам получать значения пространственного положения точек в принятой для нашей местности системе координат, используя при этом всего один приемник. Нет, базовая точка, несомненно, существует, но в этом случае базовые точки неподвижно закреплены на высоких зданиях, и в совокупности образуют сеть, сродни мобильной. И приемник, и базовые станции, обмениваются информацией посредством интернета, что позволяет им синхронизироваться не только со спутниками, но и друг с другом, минуя цепочку пересчета и уравнивания координат в специализированном ПО.

Как вы понимаете, базовые станции строят далеко не энтузиасты, доступ к ним платный, но он с лихвой окупается количеством затраченных человеко-часов. Действительно, если в случае со статическими измерениями бригада состоит минимум из трех человек, один из которых стережет «базу», а два других выполняют съемку с помощью тахеометра, то для измерений RTK достаточно всего одного специалиста. Инициализация таких устройств происходит практически мгновенно, через несколько минут инструмент готов набирать данные или выполнять обратное действие — осуществлять вынос в натуру съемочных точек, заранее рассчитанных на компьютере, что необходимо, к примеру, при разбивке участка под строительство. Это — технология будущего. Вообще, как ни парадоксально звучит, уже следующее поколение геодезистов будет представлено IT-шниками, век программируемых калькуляторов и таблиц Брадиса безвозвратно ушел.

GPS vs ГЛОНАСС

Для определения координат NAVSTAR GPS и ГЛОНАСС используют 21 действующий спутник и три запасных, вращающиеся на круговых орбитальных плоскостях, причем этих плоскостей в системе GPS в три раза больше, чем в ГЛОНАСС. Спутники оснащены солнечными батареями, и совершают свой полет на высте более 20 км от поверхности Земли. Такое удаление от планеты и количество спутников обечпечивают практически в любой точке земного шара одновременное наблюдение минимум 4-х спутников. Время полного витка вокруг Земли — 12 космических часов.

В системе GPS все спутники излучают сигнал на двух одинаковых частотах, и каждый аппарат посылает свой индивидуальный код, который позволяет распознавать спутники. У ГЛОНАСС код одинаков для всех спутников, вещание ведется так же в двух диапазонах. Как видим, параметры у систем примерно одинаковые, так кто же лучше?

Если GPS обеспечивает достаточную точность определения координат по всему миру, то ГЛОНАСС «заточен» под российские реалии, что теоретически позволяет ему с большей точностью определять пространственное положение точек на местности именно в нашей стране. Российская система позиционирования не зависит от настроения «дяди Сэма», который во время военных конфликтов специально понижал точность измерений, частично кодируя сигнал. В любом случае, GPS и ГЛОНАСС — это не конкуренты, а в некотором роде союзники, так что имеет смысл приобретать приемники, одновременно поддерживающие две системы, точность от этого только выиграет.

Источник