Вы здесь
Создание геодезических сетей с использованием GPS
Введение
Глобальная спутниковая навигационная система (GPS) является эффективным инструментом для решения проблем геодезии. Для эффективного использования GPS в геодезических целях нужно внимательно подходить к выбору метода наблюдений, пунктов сети, оборудования, к планированию и организации наблюдений.
1. Выбор места GPS наблюдений
1.1. Определение положения пункта
Определение координат одного пункта называется "абсолютным определением положения" пункта. Оно выполняется с помощью одного приемника, который измеряет кодовые дальности до спутников (обычно четырех и более).
Определение координат одного пункта относительно известных координат другого пункта называется "относительным определением положения" пункта. Оно выполняется с помощью двух приемников на двух пунктах, которые одновременно измеряют кодовые дальности или фазы несущей до одних и тех же спутников. Точность определения выше, чем в абсолютном методе, так как задействованы наблюдения с двух пунктов. Обычно приемник, установленный в пункте с известными координатами, является стационарным во время наблюдений.
Строго говоря, термин "относительный" употребляется в случае наблюдений фазы несущей, а в случае наблюдений кодовой дальности используется термин "дифференциальный". Абсолютный метод используется в навигации, а относительный в геодезической съемке.
1.2. Статические и кинематические методы наблюдений
Термин "статический" означает выполнение наблюдений с помощью неподвижного приемника, а "кинематический" - с помощью движущегося приемника. Временная потеря сигнала не так страшна для статического метода, как для кинематического. Названные термины необходимо рассматривать в контексте абсолютного и относительного определения положений.
Статическое абсолютное определение положения полезно, если нужна невысокая точность (от 5 м до 10 м), за сравнительно короткий интервал времени наблюдений. Кинематическое абсолютное определение положения используют для определения траектории транспортного средства в пространстве и времени с точностью от 10 м до 100 м (навигация, гравиметрия самолета, наземная гравитационная съемка на транспорте).
Статическое относительное определение положения по наблюдениям фазы несущей в настоящее время является наиболее используемым геодезистами методом, и по-другому данный метод называется "статической съемкой". Принцип основан на определении вектора между двумя неподвижными приемниками. Вектор часто называют "линией базы" или просто "линией" из-за сходства с триангуляционными линиями баз. Рекомендуется вместо термина "линия" использовать слово "база", более распространенное в странах СНГ. Различают "однобазовое" и "многобазовое" определения, причем последний термин применяют, если число пунктов превышает два. При статической съемке достижима относительная точность от 10-6 до 10-7, что эквивалентно миллиметровой точности для баз длиной до нескольких километров.
Кинематическое относительное определение положения выполняется по одновременным наблюдениям на одном неподвижном и одном движущемся приемниках. Метод применяется там же, где и кинематическое абсолютное определение положения, но достигается более высокая точность. Точность в дифференциальном (по кодовым дальностям) определении находится на метровом уровне, а в относительном (по фазам несущей) методе достижима сантиметровая точность.
"Полукинематический" метод, или метод "остановки и движения" (Stop and Go), является комбинацией статического и кинематического относительных определений положения. В этом методе движение приемника чередуется с остановками в заданных пунктах. Наблюдения ведутся постоянно, но во время остановок накапливаются эпохи измерений и, соответственно, повышается точность определений. Метод часто называют просто "кинематической съемкой".
"Псевдокинематический" или "прерывистый статический" метод определения положения предполагает, что на интересующих пунктах наблюдения выполняют еще один раз (примерно через час после первого посещения пункта). Это делается для того, чтобы облегчить разрешение неоднозначности и получить более высокую точность. В основном эти цели достигаются вследствие изменения конфигурации сети спутников. При этом не требуется поддержания непрерывности сигнала между посещениями станции, и приемник во время движения можно даже отключать.
"Быстростатические" методы используют комбинации псевдодальностей и фаз несущей с целью выполнить быструю инициализацию (то есть разрешить неоднозначность) в статическом режиме. В этом случае требуются измерения как кода, так и фазы несущей, на обеих частотах. Наблюдения в течение 5 - 10 минут могут дать относительную точность 10-6.
"Безостановочные (On-The-Fly)" методы позволяют выполнить инициализацию в кинематическом режиме, а не в статическом. Этот метод с использованием кодовых данных позволяет определять положения движущихся объектов с дециметровой и даже с сантиметровой точностью, если неоднозначности разрешены.
1.3. Выбор метода наблюдений
Выбор метода GPS съемки зависит от требований проекта, главным образом, к точности определения положений. При использовании одного приемника имеет смысл лишь определение координат одного пункта - "абсолютное определение положения" пункта. При этом не следует забывать, что неограниченный доступ возможен лишь к коду C/A, и что точность может быть искусственно ухудшена включением режима выборочного доступа (SA - Selective Availability). Более точный P-код в случае режима антиимитации (AS - Anti-Spoofing) или засекречивания P-кода доступен лишь пользователям, имеющим на это разрешение.
При использовании двух или большего числа приемников, один из пунктов служит корректирующей станцией, и на втором пункте достижимы более высокие точности. В дифференциальном режиме наблюдаются кодовые псевдодальности одновременно до четырех (обычно) или более спутников. Корректирующая станция вычисляет действительные поправки к наблюденным кодовым псевдодальностям. Эти поправки затем передаются различными средствами связи на неизвестные пункты, приводя к уточнению независимо вычисленных положений. Поскольку P-кодовые приемники обеспечивают точность кодовых дальностей на метровом уровне, с помощью дифференциального метода достижима субметровая точность определения положения. Следовательно, можно строить сети ниже третьего класса. Преимуществом метода кодовой псевдодальности является его нечувствительность к скачкам фазы и, до некоторой степени, к препятствиям около пункта. Значит, в лесных районах деревья оказывают на кодовые наблюдения меньше влияния, чем на измерения фазы несущей.
В настоящее время геодезические точности достижимы лишь при использовании измерений фаз несущей, выполненных в режиме относительного определения положений. Обработка вектора базы требует, чтобы фазы наблюдались одновременно на обоих концах базы. Следовательно, относительное определение положения было раньше возможно лишь в последующей обработке наблюдений. Недавно были сделаны успешные попытки передачи результатов наблюдений на коротких базах в реальном времени, что дало возможность в реальном времени вычислять вектор базы (Hoffmann-Welenhof et al, 1990).
Метод статической съемки является наиболее используемым, поскольку единственным основным требованием является относительное отсутствие препятствий для обзора неба на пунктах. Обычно для статической съемки нужно 60-120 минут наблюдений. Однако, этот метод включает в себя использующий более короткие интервалы наблюдений (например, 10 минут) метод "широкой полосы (wide- line)" или метод быстростатической съемки, основанный на быстром разрешении неоднозначности (Frei, Beutler, 1990). Для длинных баз ( > 50 км) обнаружение скачков фаз и разрешение неоднозначностей усложняется. В таких случаях может быть полезным использование дополнительных приемников в окрестностях обоих пунктов базы. Неоднозначности определяются для коротких баз и затем используются для определения неоднозначностей на длинных базах. Эта процедура называется "добавочным расширением (boot- strapping)" сети (Stangle et al, 1991). Обычно статическая съемка используется при государственных, областных и местных контрольных съемках, при фотоконтрольных съемках, при исследовании деформаций и границ плит.
Метод кинематической съемки является наиболее производительным в том смысле, что за наименьшее время можно определить положения наибольшего числа пунктов. Тогда как в статическом методе GPS требуется, чтобы спутники перемещались по небу, в кинематическом методе этого не требуется. Поэтому для кинематического метода является полезным предлагаемое совместное с GPS использование геостационарных спутников. Кинематическая съемка требует проведения тщательной рекогносцировки на местности, поскольку не только пункты остановок и неподвижные пункты, но и трасса между пунктами, по которой движется приемник, должны быть свободны от препятствий. Кинематический метод требует непрерывного сигнала от четырех или более спутников в течение всей съемки. На практике это означает, что движущийся приемник не может проезжать под деревом или близко к столбу. Метод наиболее подходит широким открытым местностям с малым количеством препятствий, а также и для пригородов, где не слишком много больших деревьев нависает над дорогой. С помощью этого метода можно определять положение приемника, размещенного на наземном транспорте, движущемся по данному району по пересекающимся линиям. Трехмерные координаты этого приемника можно определить с высокой точностью (несколько сантиметров), так что возможно подготовить точную топографическую карту этого района.
Псевдокинематическая съемка наиболее близка к статическому методу. Такая съемка требует меньшего времени нахождения приемника в пункте, но нужно дважды побывать на обоих пунктах базы. Обычная схема наблюдений такова: пребывание на обоих пунктах в течение пяти минут, переезд к другим пунктам, и, через один час после первого посещения первой пары пунктов, возврат к ней для повторного наблюдения в течение пяти минут. Преимуществом этого 10-минутного (в сумме) интервала наблюдений, в отличие от 60-минутного, является наличие некоторого промежутка времени, потерянного на переезд к пунктам для повторного наблюдения. Псевдокинематический метод оптимальен для ситуаций, когда пункты находятся вдоль дороги, по которой наблюдатели могут быстро двигаться в промежутках между наблюдениями на пунктах. Главным преимуществом метода является то, что за заданный интервал времени можно побывать на большем числе пунктов, чем при использовании обычного статического метода. В сравнении с кинематическим методом, допускается потеря сигнала, а число спутников не играет такой существенной роли. Слабой стороной метода является необходимость возвращения на пункты. Это ограничивает метод лишь локальными его применениями. Главным конкурентом метода является поэтому быстростатический метод определения положений, в котором нет необходимости вновь посещать пункты. Псевдокинематический метод используется для съемки фотосети контрольных пунктов, для съемок контрольных пунктов низкого порядка, для съемок территорий шахт.
На практике лучше использовать комбинации этих трех методов. Например, статический и псевдокинематический методы можно использовать для установления широкой структуры сети контрольных пунктов и для установки пунктов на другой стороне препятствий, таких, как мосты. Кинематическую съемку можно применить для определения координат большой части пунктов, используя статические пункты в качестве контрольных и для проверки качества наблюдений. Для таких смешанных пунктов необходима тщательная рекогносцировка.
Для того, чтобы иметь опорную сеть для последующих съемок и дать возможность преобразования GPS результатов к национальной системе координат, используют два типа контрольных GPS сетей: пассивные контрольные сети и активные контрольные сети. Пассивная сеть привязана к существующим триангуляционным монументам и высотным реперам. Недостатком такой сети является требание выполнения наблюдей на многих пунктах и поддержка этих пунктов. Однако эта система подходит, когда имеются густые национальные триангуляционные сети и когда контрольная сеть служит другим целям, как, например, геодинамическим исследованиям. Такая густая пассивная контрольная сеть создана, например, в Австрии (Stangl et al, 1991).
Целями активной контрольной сети являются вычисление и распространение в (почти) реальном времени дифференциальных поправок для пользователей, имеющих лишь один приемник, а также вычисление точных эфемерид в процессе постобработки (в офисе). Сбор и распространение данных выполняется с помощью высокоскоростных наземных, а также спутниковых систем связи.
2. Требования к полевому оборудованию
Полевое оборудование включает в себя приемные устройства и дополнительное оборудование, такое, как метеосенсоры, треггеры, штативы и т.п. Рассматриваются лишь геодезические приемники, выполняющие точные измерения векторов баз. Выбор приемника зависит от конкретных требований проекта, потому внимание обращается лишь на общие характеристики.
Для коротких баз длиной до 30 км можно использовать одночастотные приемники, так как влияние ионосферной рефракции в значительной мере исключается использованием разностей фазовых измерений между пунктами базы. В периоды высокой солнечной активности следует использовать более короткие базы. Эта активность имеет период около 11 лет с максимумом в начале 1991 года. Двухчастотные приемники компенсируют (и почти полностью устраняют) ионосферную рефракцию в результате создания свободной от ионосферы комбинации фаз несущих на двух частотах.
Важной характеристикой приемника является скорость сбора данных. Высокая скорость приводит к большому объему данных, и требуется много места для его хранения. Такая высокая скорость необходима для кинематических приложений, а в статических методах наблюдений она облегчает обнаружение и восстановление скачков фазы. Выгоднее также использовать приемники с числом каналов большим, чем минимальное число 4, так как наблюдение избыточных спутников дает дополнительную информацию.
Приемники, способные принимать P-код, неотъемлемы в наиболее точных определениях положений. При использовании P-кодовых приемников, измеряющих как кодовые дальности, так и фазы несущей, векторы баз можно определять более точно и быстро, чем с помощью приемников других типов. Одной из причин этого является то, что P-кодовые приемники гарантируют лучшее разрешение кодовой дальности и что на измерения с помощью P-кодовых приемников меньше влияет многопутность и отражения сигнала. Другой причиной является то, что P-код позволяет реконструировать обе несущие методом коррелирования кода. Недостатком P-кодовых приемников является то, что при включенном режиме антиимитации (антиспуфинга) P-код засекречен и недоступен гражданским пользователям. В таком случае несущую L1 получают корреляцией C/A кода, а восстановление несущей L2 выполняется безкодовым методом - возведением в квадрат.
Другой важной характеристикой при выборе приемника (особенно для кинематических съемок) считают его способность выбора ширины полосы. Ширина полосы должна быть достаточно большой, чтобы предотвратить потерю сигнала, но достаточно узкой, чтобы обеспечить высокое значение отношения сигнал-шум. Следовательно, приемники, способные изменять ширину полосы в зависимости от условий приема сигнала, обеспечат более оптимальные результаты.
Если в съемке задействованы приемники различных типов, могут появиться проблемы вследствие их несовместимости (например, различное число каналов, различные методы обработки). Очень важна шкала нанесения меток времени наблюдения в приемнике. Интерполяция измерений к общей опорной эпохе, предложенная в (Gurtner et al, 1989), может быть затруднена из-за искажения временного сигнала, когда включен режим выборочного доступа (SA). Одним из методов обеспечения общих временных меток является использование внешних осцилляторов (Landau, 1990).
Фазовый центр антенны должен быть стабильным, что, по-видимому, наилучшим образом реализовано в микрополосных антеннах. При использовании различных типов антенн необходимо откалибровать фазовый центр антенны каждого типа. Положение фазового центра зависит от частоты волны принимаемого излучения и потому оно различно для наблюдений на частотах L1 и L2. Большинство производителей GPS приемников поставляет в комплекте коаксиальные антенные кабели длиной до 60 м при стандартной длине 10 м. Длинный кабель обеспечивает больше возможностей для доступа к пункту, но нужно следовать рекомендациям производителя относительно размера (типа) кабеля, чтобы избежать ослабления сигнала. Существует кабель большого диаметра с низким коэффициентом потерь, длина которого превосходит 60 м.
В настоящее время имеется ряд приемников, устойчивых к погодным условиям, легких (4-5 кг), небольших по размерам (6000-7000 куб. см), с малым потреблением энергии (менее 10 ватт), способных наблюдать все видимые спутники (с 6-12 каналами).
Все GPS оборудование, продаваемое сегодня, дает блестящие результаты, так что вопрос выбора приемника зависит в основном от легкости пользования приемником и от наличия денег. Цена GPS приемников быстро понижается. С некоторыми приемниками поставляется программное обеспечение для обработки измерений (иногда за отдельную цену).
Последним фактором, какой нужно учесть при выборе приемника, является учет того, какова главная цель использования приемника. Например, если планируется использовать оборудование для кинематических съемок или в сильно заросших деревьями районах, необходимо купить приемник, антенну которого можно разместить отдельно, на мачте пункта съемки или на макушке призмы. Оборудование с встроенными антеннами может иметь и дополнительные отдельные антенны. Другой важной характеристикой, особенно если планируется кинематическая съемка при движении пешком, является вес приемника и его требования к источнику энергии.
3. Планирование геодезической съемки
3.1. Общие сведения
Рассмотрим вопросы организации наблюдений (Hofmann-Wellenhof B. et al,1992). GPS съемка значительно отличается от съемки классическими методами вследствие ее независимости от погоды и от условия прямой видимости между пунктами. Поэтому планирование GPS съемки, процесс наблюдений и обработка иные. Федеральный геодезический контрольный комитет (FGCC) США опубликовал (FGCC,1988) стандарты и указания для проведения съемки.
Планирование GPS съемки может соответствовать или нсоответствовать определенному приложению или проекту. Прежде чем решить, расходовать ли ресурсы на планирование, необходимо принять решение об основной цели съемки и о желаемой точности результатов (координат). FGCC, например, классифицирует съемки назначением им порядка в зависимости от их точности. Съемки наиболее высоких порядков (A и B) зарезервированы для таких специальных случаев, как научные исследования и создание национальной геодезической сети. Остальные съемки первого, второго, третьего порядков являются классификациями, обычно задаваемыми для картографирования, кадастра и для инженерных проектов. Для успешного выполнения высокоточной съемки планирование обязательно, но для съемок низких (первого, второго и третьего) порядков не нужно выполнять такое обширное планирование, кроме случаев работы в районах, сильно заросших деревьями, или имеющих большое количество препятствий.
При оптимальном планировании GPS съемки обязательно рассмотрение таких параметров, как конфигурация сети пунктов или сети спутников, число и тип используемых приемников, экономические факторы. В противоположность к построению триангуляционных или трилатерационных сетей, когда требуются значительные усилия для поддержки геометрической строгости сети, к геометрии GPS сети и длинам баз такой сети нет таких жестких условий. Фаза планирования должна также включать в себя учет возможностей обработки данных, например, того, позволяет ли имеющееся программное обеспечение вычислять однобазовое или многобазовое решения для векторов баз.
В случае больших проектов с большим количеством пунктов и приемников, планирование GPS съемки можно было бы облегчить использованием компьютерных программ, чтобы сэкономить время и ресурсы. Геодезическая служба Канады, например, разработала соответствующий пакет программ (Klees, 1990). Эта программа планирует маршрут движения транспорта с приемником, выбор спутников, схему создания сети. Более простая программа планирования съемки поставляется фирмой TRIMBLE в составе пакете программ TRIMVEC-PLUS.
3.2. Выбор пункта наблюдения
Попытаемся сформулировать требования, каким должен удовлетворять пункт наблюдения с точки зрения видимости спутников, доступности, связи с контрольными пунктами.
Первым шагом в планировании GPS съемки является получение мелкомасштабной карты местности, на которую можно нанести желаемые пункты. Топографические карты масштаба от 1:25 000 до 1:100 000 являются самыми подходящими для этой цели, полезны и карты дорог. Все желаемые пункты съемки наносятся на карту вместе с известными контрольными пунктами. В большинстве случаев не стоит использовать контрольные пункты, не включенные в национальную (государственную) систему. Использование координат пунктов, точность которых неизвестна, может привести ко многим проблемам, так что лучше выбрать пункт национальной сети, даже если он на большем расстоянии от пункта проекта, чем другие контрольные знаки.
При планировании GPS съемки, следует учитывать два основных требования: размещение в районе хорошей видимости неба и близость к дороге. Первое требование крайне важно, а второе служит увеличению производительности. Приводим список желаемых характеристик GPS пункта.
- Размещение в области беспрепятственного обзора неба, начиная с высоты 20 градусов (над горизонтом).
- Легкий доступ (преимущественно транспортом).
- Марка, перемещение которой маловероятно.
- Чистый участок для видимой азимутальной марки.
- Место для парковки транспорта.
- Принадлежность земли государству.
Полная привязка GPS сети к национальной системе координат требует выполнения наблюдений минимум на трех контрольных пунктах. Во многих районах имеются суперсети, удобные опорные монументы которых можно использовать для GPS съемок. Если имеются пункты суперсети, нет даже необходимости посещать их до начала работы в поле. Приемлемая плановая привязка будет состоять из измерений координат по отношению к контрольным пунктам национальной сети на каждой стороне территории съемки. Привязка к высотной системе координат обычно требует больших усилий при планировании. Три марки на углах территории съемки обеспечат минимально приемлемую высотную опорную систему координат.
3.3. Выбор оптимального окна наблюдения
На практике существуют способы определения оптимального окна наблюдений, когда число видимых спутников максимально и влияние ионосферы минимально.
Вторым шагом в планировании съемки являются определение оптимального для наблюдений в рамках данного дня интервала и решение вопроса, как поделить этот интервал на сессии (то есть, на периоды, когда два или более приемников одновременно отслеживают те же самые спутники).
Оптимальным окном наличия спутников является интервал, когда одновременно может наблюдаться максимальное число спутников. Ширина окна является функцией положения приемника и уменьшается, если спутниковая система неполная. Оптимальное окно находят, просматривая схемы азимут-высоты спутника либо соответствующие таблицы. Необходимо выбирать такие интервалы для наблюдений, чтобы при максимальном числе видимых спутников диапазоны изменения их азимутов и высот были наибольшими. Программы для построения таких схем предоставляются производителями приемников. Ниже приводим таблицу высот и азимутов для пяти спутников, рассчитанную на 14 марта 1995 года, с 13 до 21 часа, для Киева. Использовалась программа TRIMPLAN из пакета программ TRIMVEC-PLUS.
Вычисление азимута и высоты спутника (над горизонтом) основано на проекции единичного вектора, направленного от пункта наблюдения к мгновенному положению спутника, на ортогональные оси локальной системы координат. Соответствующие формулы можно найти в (Hofmann-Wellenhof B. et al, 1992). Азимут отсчитывается от северного направления к востоку.
Более наглядное представление о видимости спутников дает диаграмма "азимут- высота", или рисунок небесной сферы. На этом рисунке показываются пути (траектории) спутников как функций высоты (над горизонтом) и азимута. Такие рисунки часто дополняют метками времени и изображением местного горизонта (на рисунок наносятся видимые препятствия, либо исходя из данных рекогносцировки в поле, либо используя цифровые модели местности).
Выполнения условия видимости спутников недостаточно - спутники должны быть хорошо распределены по небу с точки зрения геометрии, что означает наличие (в идеальном случае) хотя бы одного спутника в каждом из четырех квадрантов полярной системы координат. Это не жесткое требование, а пожелание. При статической съемке плохую геометрию сети спутников и даже отсутствие четвертого спутника часто можно компенсировать наблюдениями на более длительном интервале. Движение спутников по отношению друг к другу улучшает геометрию и, соответственно, решение. Необходимо следовать рекомендациям производителей, особенно относительно использования трех спутников, поскольку это важно для обеспечения правильности меток времени наблюдений. Наиболее надежным методом выбора периодов адекватного покрытия неба спутниками является выполнение тестовых наблюдений на известных векторах баз в течение всего запланированного периода. Затем этот большой ряд данных можно поделить на меньшие части для обработки на периодах, предполагаемых для наблюдений. Этот метод позволяет проверить приемлемость как определенного периода времени, так и выбранной длины времени наблюдений. Мерой геометрии спутников является фактор GDOP (ГУТ - Геометрическое Ухудшение Точности). Обычно, значения ГУТ, меньшие шести, считаются хорошими, а большие шести считаются чересчур высокими. Факторы ГУТ отражают лишь мгновенную геометрию, относящуюся к единственному пункту. Следовательно, факторы для векторов баз, накопленные на временном интервале сессии, являются более подходящими индикаторами точности. Эти факторы вычисляются самим приемником, а выбор оптимальной конфигурации сети спутников выполняется программой приемника автоматически.
Другим аспектом при выборе окна наблюдений является ионосферная рефракция. Наблюдения в ночные часы являются наиболее подходящими, так как обычно в эти часы ионосфера наиболее спокойна. Дневные же часы предпочтительнее по причинам чисто организационным.
3.4. Выбор сессии наблюдений
Перечислим факторы, влияющие на выбор длины наблюдательной сессии с целью получения решения для векторов баз с достаточной точностью и надежностью.
Сессией называется определенный период времени, выбранный для наблюдений. Первый такой период в течение дня обозначается буквой "a" или цифрой "1". Вторая сессия в течение того же дня обозначается буквой "b" или цифрой "2". Обозначение цифрами имеет тот недостаток, что при числе сессий, большем девяти, потребуется два разряда для обозначения. День наблюдений обозначается его последовательным номером в календарном году (от 1 до 365, или до 366 в високосном году). Например, сессия 235d обозначает четвертую сессию 235-го дня.
Подходящим моментом для начала первой сессии при статической съемке является тот, когда имеется четыре или более спутников выше высоты от 15 до 20 градусов. Последним моментом этой сессии должен бы быть тот, когда четвертый спутник покидает ниже высот от 15 до 20 градусов. Это лишь общее правило, так как полезно все время, когда имеется три спутника до подъема четвертого спутника и после опускания (под линию горизонта) четвертого спутника.
Четыре фактора, определяющие длину сессии, таковы:
- Относительная геометрия расположения спутников и ее изменения.
- Число спутников (влияет на геометрию).
- Степень возмущения ионосферы (для одночастотных приемников), большая для более высоких широт и в дневное время.
- Длина базы.
- Количество препятствий на местности.
Как правило, чем больше видно спутников, тем лучше геометрия и тем короче может быть сессия. Длину сессии можно сократить и при более коротких базах. Например, сессии при базах 1-2 км могут быть длительности 45 минут при наличии пяти спутников (приемник L1). Более длинные базы могут потребовать 90 минут для получения хороших результатов. Для одночастотного приемника таблица 3.2 может служить руководством для планирования длины сессии, когда имеется четыре спутника, а ионосфера стабильна.
Таблица 3.1 Длина сессии как функция длины базы
| Длина базы [км] | Сессия [мин] |
| 0.1 - 1.0 | 10 - 30 |
| 1.1 - 5.0 | 30 - 60 |
| 5.1 - 10.0 | 60 - 90 |
| 10.1 - 30.0 | 90 - 120 |
Какова причина необходимости относительно длинных сессий? Для каждого момента наблюдений фаза несущей измеряется с миллиметровой или более высокой точностью. В результате, для обеспечения точности геодезической съемки было бы достаточно и одного наблюдения. Дело в том, что дециметры, сантиметры и миллиметры измеряются достаточно точно. В реальности, интервал наблюдений должен быть достаточно длинным, чтобы определить метры, разрешив (определив) целое число циклов. При коротких базах (менее 1 км) целое число циклов можно часто определить на 5-10 минутных интервалах, используя лишь наблюдения на частоте L1. Для двухчастотного P-кодового приемника при использовании широкополосного (wide- line) метода можно точно измерять длинные (15 км) базы, отнаблюдав лишь в течение десяти минут.
Наилучшим методом определения оптимальных интервалов наблюдений для больших проектов является выполнение более долгих, чем принято, наблюдений в первый день с целью получения рядов типичных данных. Например, следует провести наблюдения в течение 90 минут для коротких (1-5 км) баз и 120 минут для более длинных (5-20 км). Эти ряды данных при обработке дадут превосходные результаты. Затем можно заново обработать наблюдения, используя лишь отдельные части ряда данных с целью определить момент, когда уже не получить хороших результатов. Например, можно было бы обработать последовательные 30-минутные ряды данных и сравнить результаты с таковыми для полной сессии, чтобы определить, достаточны ли короткие интервалы для достижения хороших результатов.
Более длинная сессия позволяет получить лучшую точность, но стоимость длинной сессии больше. В любом случае, время между сессиями должно быть достаточно большим для переезда между пунктами и настройки аппаратуры. Более старые приемники, например, требуют разогрева осцилляторов.
Чтобы привязать одиночную сессию к общей системе координат, нужно в течение всего проекта наблюдать постоянно по меньшей мере на одном пункте сети (концепция поворотного пункта), или же последовательные сессии должны содержать по меньшей мере один повторный пункт (концепция "прыжка лягушки"), где процесс наблюдений повторяют. Наблюдения на повторных пунктах, число которых больше одного, улучшает точность и надежность сети. При планировании сессий для кинематических съемок необходимо учитывать два фактора. Обычно выбирают время, когда видно пять или более спутников на высоте больше 20 градусов и когда спутники имеют GDOP (ГУТ), меньший шести. Для большинства мест условие ГУТ выполняется при наличии пяти или более спутников. Проблемы возникают, если один из спутников загораживается препятствием в процессе наблюдений, а остающиеся четыре спутника дают высокое значение ГУТ (более шести). Эта проблема устраняется, если остановить передвигающийся приемник, пока не возобновится связь с пятым спутником.
3.5. Съемка без планирования
Не все съемки требуют выполнения обширного планирования. Например это определенные типы фотографической съемки. Поскольку многие типы GPS съемок требуют, чтобы пункты помещались в местах, где могут быть существенные препятствия, основные усилия при планировании сосредотачиваются на разработке схемы и выборе мест, которые относительно свободны от препятствий. Некоторые виды фотосъемки не представляют собой проблему при планировании из-за наличия препятствий.
Если местность является пригородом или состоит из жилых домов, причем имеется много чистых (свободных о препятствий) зон, хорошо распределенных по местности, можно выбрать GPS (и фото-) пункты в ходе реальной съемки. Для такого типа местности единственно необходимой рекогносцировкой является выявление как плановых, так и высотных контрольных пунктов, используемых для привязки съемки к национальной системе координат.
Допуская, что проект съемки, выполняемой фотометодом, осуществляется в совершенно свободной от препятствий местности, и что поблизости имеются приемлемые плановые и высотные контрольные пункты, можно выехать в поле со схемой, где на карте дорог приблизительно нанесены желаемые пункты фотосъемки. В хорошем плане съемка начинается в той части местности, где пункты близки друг к другу, так что руководитель проекта может быстро координировать работу в начале съемки. Во время первой сессии наблюдатели пребывают в назначенных пунктах, тогда как руководитель проекта выбирает следующий ряд пунктов. В качестве знаков могут использоваться металлический кол, вбитый в землю, или гвоздь, вбитый в камень (тротуар). После выбора второго ряда пунктов и завершения первой сессии наблюдатели приступают к выполнению второй сессии, а руководитель проекта выбирает третий ряд пунктов. По окончании местной схемы можно в завершение съемки выполнить привязку к существующей контрольной сети.
Вторым примером непланируемой GPS съемки является установление контрольных пунктов в месте сооружения инженерного объекта. Наблюдатели приезжают на объект с планами, списками координат, другими данными, а руководитель принимает решение и планирует работу прямо на месте. Немедленно после наблюдений данные можно переписать из приемника в компьютер типа “лаптоп” или “ноутбук” и сразу обработать, что займет менее часа. В результате наблюдатели получат точные (первого порядка) координаты контрольного пункта на месте, которые могут использоваться для размещения кольев сооружения.
4. Рекогносцировка в поле
Рассмотрим необходимые действия наблюдателя по прибытии на точку наблюдения, и перечислим факторы, на которые следует обратить внимание (Hofmann-Wellenhof B. et al,1992).
4.1. Подготовка карты
После нанесения GPS пунктов на карту и составления инструкции, как добраться до существующих контрольных пунктов, вы готовы к проведению рекогносцировки на местности. Назначьте каждому пункту уникальный идентификатор. Наиболее очевидным методом выполнения этого является последовательное назначение каждому пункту номера. Пункты могут иметь более информативный идентификатор (полное название), но простая последовательная нумерация упрощает будущие ссылки на каждый пункт. Во время рекогносцировки необходимо посетить каждый пункт и проверить его на соответствие условиям, перечисленным в п. 3.1.
4.2. Проблема препятствий
Прежде всего, статическая GPS съемка требует беспрепятственного обзора неба на высотах более 15-20 градусов и отсутствия поблизости отражающих объектов. Эти требования особенно важны для кинематических приложений, где путь движущейся антенны нужно тщательно выбрать заранее. Желательно, чтобы на каждый переезд к новому пункту уходило минимум времени между сессиями. Это может быть менее важным, когда используются вездеходы или наблюдаются эксцентрические пункты. Последнее часто имеет место в случае лесов или в городской местности. Станции, имеющие много препятствий, требуют дополнительного рассмотрения. На таких пунктах рекогносцировщик должен приготовить в полярных координатах рисунок, изображающий вертикальные углы и азимуты препятствий, которые выше горизонта на 20 градусов. На этот рисунок часто накладывается рисунок небесной сферы с траекториями спутников (рисунок "азимут-высота").
Проблему с препятствиями можно решить двумя способами. Первый заключается в размещении антенны на макушке мачты, чтобы обеспечить обзор выше 20 градусов. Геодезическая служба Швеции, например, разработала укрепленную растяжками 30-метровую мачту, которая очень быстро воздвигается и устанавливается вертикально над маркой с помощью двух теодолитов. Некоторые производители выпускают призменные столбы, которые вытягиваются на 10 метров и которые можно использовать с той же целью. Второй способ преодоления проблемы с препятствиями заключается в выборе времени, когда над пунктом видно достаточное число спутников. Данные, используемые для определения вектора базы, состоят из наблюдений спутников, общих для двух пунктов, поэтому нужно проверять наличие того же самого препятствия на обоих концах вектора базы. Загораживание препятствием спутников на одном конце базы исключает эти спутники из решения, так что будьте внимательны при анализе данных. Ручной метод анализа заключается в выполнении рисунков небесной сферы с трассами спутников на каждый час для используемых пролетов спутников, а затем - в визуальном сравнении рисунков препятствий на станциях с рисунками трасс спутников. Некоторые производители продают программное обеспечение, позволяющее выполнять этот анализ.
Полевая рекогносцировка обязательна перед выполнением кинематической съемки. Каждый пункт необходимо проверить на видимость неба, а дорога для проезда между пунктами тоже должна иметь хороший обзор неба. Поскольку кинематический метод требует, чтобы поддерживалась непрерывность приема сигнала с четырех или более спутников, хороший обзор неба на практике означает отсутствие препятствий (на высотах выше 20 градусов). Если имеются препятствия при движении по дороге (например, мосту), то по обе стороны препятствия необходимо разместить стационарный пункт, чтобы можно было переинициализировать (восстановить непрерывность фазы сигнала) движущийся приемник. Путь, которым следует наблюдатель между пунктами, должен быть ясно отмечен на крупномасштабной карте, чтобы быть уверенным, что нежелательных скачков фаз не будет.
Полевая рекогносцировка не так важна для псевдокинематической съемки, поскольку этот метод съемки требует отсутствия препятствий лишь на пунктах, где выполняются повторные наблюдения. В случае дифференциальных (навигационных) съемок, когда измеряются кодовые дальности, рекогносцировка не нужна вовсе, так как приемники можно просто включить и наблюдать в любой момент. Этот режим используется больше для точной навигации, а не для съемки.
4.3. Проблема многопутности сигнала
Многопутность является следствием приема антенной приемника нежелательных сигналов, образовавшихся в результате отражения реального сигнала со спутника. Проблема особенно серьезна, когда антенна помещается вблизи ограждения или других металлических объектов. Спутниковые сигналы отражаются от металлических предметов и искажают прямые сигналы, вызывая ошибки фазы. В случае изгороди, антенну можно поднять над ней, и проблема будет решена. Если пункт близок к металлическому зданию, единственным практическим решением должно быть смещение пункта в другое место. Многопутность не является проблемой для пунктов, размещенных посреди скоростных трасс, где большие грузовики едут с высокой скоростью. Многопутность, вызванная наличием грузовика вблизи антенны, слишком коротка по длительности, чтобы вызвать серьезные проблемы. Однако, следует избегать парковки больших металлических транспортных средств вблизи антенны.
4.4. Подготовка отчета о рекогносцировке
Если пункт отвечает всем условиям, он должен быть отмечен, для установки монумента. Рекогносцировщик должен нарисовать размещение пункта на крупномасштабной карте местности и приготовить предварительное описание того, как добраться до пункта от известного ориентира (например, от здания местной почты). Это описание сэкономит многие часы в будущем. В случае, когда монумент устанавливает другая бригада, она дополняет описание информацией об окончательном размещении марки и привязке к близлежащим явным ориентирам. Для съемок, выполняемых с целью включения пунктов в национальные сети, составление такого описания обязательно, а в некоторых случаях нужно нарисовать и схему местности. Окончательная документация о пункте на местности должна бы включать фотографию окрестностей пункта, название и адрес владельца, предварительные координаты, информацию об источниках энергии и т.д.
5. Выбор монумента
В данном разделе будет описано, какой тип монумента предпочтительнее, в зависимости от назначения GPS пункта (Hofmann- Wellenhof B. et al,1992).
Возведение монументов, наверняка не было бы нужно, если бы были созданы контрольные сети. В настоящее время возведение монументов все еще нужно для проектов, где планируются пункты, на которых будут выполняться повторные наблюдения (например, для целей геодинамики). Заметим, что монументы, установленные не на прочных скалах или не на глубоких бетонных опорах (столбах), не годятся для высокоточной съемки.
Возведение монументов является принятым термином, описывающим установку любого объекта, используемого для отметки пункта. Обычно используются отрезки стали, усиливающие плоскость, в которую впечатана метка (капсюль), задающая пункт. Каждый наблюдатель должен решить, какой тип марки подходит для проекта. Стальной стержень может годиться для маркирования пункта фотосъемки, тогда как массивный бетонный монумент подошел бы для геодезической съемки областного уровня значимости. Главное, чтобы марку можно было легко найти, по крайней мере во время выполнения съемки.
6. Организация выполнения наблюдений
Рассмотрим процедуру создания графика наблюдений на пунктах в зависимости от числа имеющихся приемников, пунктов наблюдений, типа сети (радиальный, замкнутая геометрическая фигура), необходимости привязки вновь создаваемой сети к существующей (Hofmann-Wellenhof B. et al, 1992).
Фаза планирования для статической съемки заканчивается макетом организационного плана для проекта. Во-первых, каждой полевой бригаде выделяются штаты и оборудование для съемки. Затем каждой бригаде назначаются пункты, на каких она должна провести наблюдения во время заданных сессий. Полевые бригады должны быть полностью ознакомлены с местностью и должны быть способны быстро передвигаться между пунктами. В настоящее время работа на GPS приемниках не требует высокой квалификации персонала. Однако неполадки лучше устраняются обученными бригадами.
6.1. Расчет минимального числа сессий
Минимальное число n сессий в сети из s пунктов при использовании r приемников определяется выражением:
 |
(6.1) |
Где: o - число перекрывающихся между сессиями пунктов.
Уравнение имеет смысл лишь для r > 0 и o і 1. В случае вещественного числа, n нужно округлить до ближайшего большего целого.
В другом подходе к плану предполагается, что каждый пункт сети будет посещаем m раз. В этом случае минимальное число сессий равно:
 |
(6.2) |
где n, в случае вещественного числа, нужно округлить до ближайшего большего целого.
Число i избыточно посещенных пунктов при минимальном перекрытии o = 1 определяется выражением:
 |
(6.3) |
Рассмотрим квадратную сеть, состоящую из девяти равномерно распределенных пунктов (П1, П2,..., П9). Допустим, что имеется три приемника (А, Б, В). Если в качестве метода наблюдений выбран "метод прыжков лягушки" с одним перекрывающимся между сессиями пунктом, уравнение (6.1) дает n = 4 для минимального числа сессий. Первые четыре сессии в таблице 6.1 представляют собой один из вариантов соответствующего организационного плана, где на пунктах П4, П5 и П6 наблюдения выполняются повторно. Если каждый пункт посещается дважды, тогда m = 2, и уравнение (6.2) дает n = 6, что отражается еще двумя дополнительными сессиями в табл.6.1. Выбранный план имеет то свойство, что наблюдаются все короткобазовые вектора между смежными пунктами, и это обеспечивает однородную точность по сети. Для исключения систематических ошибок приемника или антенны рекомендуется выполнять между сессиями обмен оборудованием.
Таблица 6.1. Основы организационного плана
| Приемник | Сессия | а | б | в | г | д | е |
| А | П2 | П4 | П4 | П6 | П7 | П1 | |
| Б | П5 | П5 | П1 | П3 | П8 | П2 | |
| В | П8 | П6 | П7 | П9 | П9 | П3 |
6.2. Типы сетей
Организационный план также зависит от типа сети (то есть, от распределения пунктов) (см. Snay, 1986; Unguendoli, 1990). Имеется два основных типа GPS сети:
- радиальный тип,
- тип замкнутой геометрической фигуры.
6.2.1. Радиальный тип сети
Радиальные съемки выполняются размещением одного приемника в фиксированном пункте и в измерении векторов баз от этого пункта до приемников, размещаемых в других пунктах.
Нет никаких геометрических ограничений для планирования такого типа съемки, за исключением того, что пункты, расположенные очень близко, должны быть связаны прямыми наблюдениями. Рассмотрим на рис. 6.1 пункты 2 и 3, размещенные на расстоянии 10 км от пункта 1 и на расстоянии 100 м друг от друга. Если бы пункты 2 и 3 наблюдались в разное время, ошибка между пунктами была бы значительной. Относительная ошибка длины базы 10-5, например, привела бы к ошибке 10 см для пунктов 2 и 3. Следовательно, ожидаемая ошибка между пунктами 2 и 3 была бы 14 см (квадратный корень из (102 + 102)), что соответствует относительной ошибке 1:714. Большинство наблюдателей не потерпело бы такой большой относительной ошибки, поскольку она производит плохое впечатление о точности всей сети. Вообще говоря, кинематические съемки являются радиальными съемками, а многие псевдокинематические съемки выполняются в радиальном режиме. Положение каждого пункта, определенное радиальным методом, нельзя проверить, так как имеется лишь одно определение координат и нет геометрической проверки для положения. Подходящим использованием радиальной съемки могло бы быть установление сети фотосъемки, так как фотограмметрист способен выполнить независимую проверку координат, используя аналитические соединения (связи). Другим применением было бы получение положений скважин (колодцев) или геологических структур, когда точные координаты могут быть не нужны.
6.2.2. Замкнутая сеть
GPS съемки, выполненные статическими (и псевдокинематическими) методами, где важна точность, требуют, чтобы наблюдения выполнялись систематически и чтобы сеть образовывала замкнутую геометрическую фигуру. На рис.6.2 показана типичная схема, состоящая из 18 пунктов. Предпочтительная схема наблюдений состоит в последовательном посещении смежных пунктов и переходе по фигуре. Например, схема на рис.6.2 может наблюдаться следующим образом при наличии трех приемников. Приемник А был бы помещен в пункте 1, приемник Б в пункте 2, приемник В- в пункте 3 во время первой сессии. Были бы собраны данные с трех приемников и для сессии выбранной длины. Затем приемники были бы выключены, приемник А перевезен в пункт 11, приемник Б в пункт 10, а приемник В остался бы в пункте 3, чтобы перекрыть (связать) обе сессии. После интервала времени, затраченного на переезды, три приемника были бы включены для проведения второй сессии и сбор данных продолжился бы. Альтернативой этому способу является перемещение всех трех приемников таким образом, чтобы приемник А находился в пункте 3, приемник Б в пункте 11, приемник В - в пункте 10 во время второй сессии. Любой план работает одинаково хорошо. Однако второй способ позволил бы исключить возможные систематические ошибки приемника, так как перекрывающийся пункт 3 был бы занят различными приемниками в последовательных сессиях. Другой способ - ход по трехштативной теме является предпочтительным, так как он обеспечивает требуемую проверку для замкнутой фигуры и дает максимум производительности. Вообще говоря, цель создания схемы измерений - напрямую связать так много смежных пунктов, как это возможно.
Рис. 6.2
6.3. Привязка к национальной системе координат
Когда для пункта в схеме желательно получение координат и высот в национальной системе координат, должны быть сделаны привязки к существующей контрольной сети. На рис.6.2 плановые контрольные пункты (ПКП) отмечены треугольниками и обозначены как ПКП1, ПКП2, ПКП3. Соответствующая привязка к контрольным пунктам требует, чтобы были выполнены прямые наблюдения между пунктами существующей контрольной сети. Целью таких наблюдений является как проверка точности существующей контрольной сети, так и определение масштаба, смещения и поворота между контрольной и новой GPS сетями. После размещения приемника на плановом контрольном пункте выполняются измерения между контрольным пунктом и ближайшим пунктом GPS сети. Например, на рис. 6.2 пункты ПКП1, ПКП2, ПКП3 наблюдались бы в течение одной сессии, а связь пунктов ПКП1 и 1 была бы выполнена во время другой связи (при использовании трех приемников).
Привязки к высотным контрольным пунктам (ВКП) выполняются несколько иначе, чем к ГКП. Нет геометрического смысла для измерения между существующими марками (ВКП), так как ошибка в высоте геоида поглощает любую возможную GPS ошибку. Высотные привязки обычно выполняются с ВКП, ближайшего к GPS пункту. На рис. 6.2 ВКП показаны как ВКП1, ВКП2, ВКП3, ВКП4. На рис. 6.2 пункт ВКП выбран совпадающим с пунктом 1, и тем самым ликвидируется необходимость выполнения привязки к этому пункту. Существующие монументы следует выбирать в качестве GPS пунктов, где это возможно, чтобы не помещать марки на земле. На рис. 6.2 предполагается, что пункты ВКП1 и ВКП3 близки к пунктам 6 и 13, соответственно, чтобы была сделана привязка высот ВКП и GPS пункта классическими методами. Предполагается, что пункт ГКП2 располагается довольно далеко от пункта 18, так что требуется выполнение GPS измерений для связи этих двух пунктов. Причем желательно выполнить два сеанса таких измерений.
Рис. 6.2 представляет идеализированную схему, но основные принципы применимы ко всем схемам контрольных сетей. Окончательно, основные положения создания сети таковы:
- Сеть должна состоять из замкнутых петель или других геометрических фигур.
- Должны быть выполнены привязки по меньшей мере к трем (2 суперсети) плановымП контрольным пунктам, на которых тоже должны быть выполнены GPS наблюдения.
- Должны быть выполнены привязки по меньшей мере к четырем высотным контрольным пунктам с использованием непосредственных (прямых) средств.
В дополнение к этим общим указаниям, разными учреждениями может предписываться выполнение других измерений, как, например, выполнение определенного процента повторных измерений и установок. Если перекрывается один пункт в сессии и используется три приемника, сеть из 22 пунктов (18 GPS пунктов 3 ГКП, 1 ВКП) потребовала бы проведения 11 сессий, причем одна база (между пунктами 18 и ВКП2) должна быть измерена дважды. При 15 сессиях можно сделать девять замыканий. Одна из возможных схем посещения пунктов для определения координат 22 пунктов приведена в табл. 6.2.
Таблица 6.2 Организационный план для сети на рис. 6.2
| Сессия | Приемник | ||
| А | Б | В | |
| a | ПКП1 | ПКП2 | ПКП3 |
| b | ПКП1 | 1 | 2 |
| c | 3 | 10 | 2 |
| d | 11 | 10 | 12 |
| e | 1 | 13 | 12 |
| f | ПКП3 | 13 | 14 |
| g | 15 | 10 | 14 |
| h | 3 | 4 | 5 |
| i | 6 | 7 | 5 |
| j | 9 | 7 | 8 |
| k | 9 | 10 | 15 |
| l | 16 | 17 | 15 |
| m | ВКП2 | 17 | 18 |
| n | ВКП2 | ПКП2 | 18 |
| o | 8 | 7 | 18 |
Если сессия длится 60 минут, и требуется 30 минут на переезд, на проведение 15 сессий потребуется 2 дня при идеальных условиях. Более реальная схема потребует на выполнение три дня, если используются сессии длиннее одного часа.
7. Выполнение съемки
Выполнение GPS измерений значительно облегчается при хорошем планировании. Хорошо спланированная съемка обычно проводится достаточно гладко. Обсудим различные аспекты проведения GPS съемки, а также пути повышения производительности работ (Hofmann-Wellenhof B. et al,1992).
7.1. Подготовка к выполнению наблюдений
Рассмотрим действия, выполнение которых необходимо перед выполнением наблюдений (установка антенны, измерение высоты и смещения антенны, калибровка и программирование приемника, инициализация наблюдений).
7.1.1. Установка антенны
Во избежание многопутности (эффектов отражения) рекомендуется парковать автомобиль как можно дальше (не ближе 10 метров) от антенны.
Антенна монтируется на опорах, штативах с треггерами или на протяженном (или призменном) столбе, оборудованном стабилизирующими стойками. Такой протяженный столб со стабилизирующими стойками называется биподом, и его использование может значительно ускорить проведение съемки. При выполнении кинематических или псевдокинематических съемок достаточно бипода, так что антенна поддерживается на постоянной высоте и уменьшается время на установку. Использование бипода для статических съемок не является решающим, но его использование уменьшает возможность необнаружимой грубой ошибки при измерении высоты антенны (так как высота стержня фиксирована).
Меньшая проблема, возникающая при использовании GPS, это проблема треггера, но на нее также следует обратить внимание. Съемка настолько точна, насколько точно способен наблюдатель отцентрировать антенну над маркой пункта съемки. Наилучший способ избежать этой проблемы заключается в использовании составного коллимирующего треггера, способного вращаться с целью проверки центрирования.