Инженерно-геодезические изыскания и методы геодезических съемок с применением GNSS-технологий

В данной статье поставлена цель – рассмотреть технологические этапы инженерно - геодезических изысканий. Для достижения цели поставлены следующие задачи: рассмотреть методы геодезических съемок с применением GNSS - технологий, уделить внимание конструктивным особенностям приборов и оборудования для этого вида работ, а также программным продуктам, которые применяются для обработки информации.

Материалы и методы.

На данный момент в мире действуют две полностью развернутые GNSS: GPS – Global Positioning System – принадлежит министерству обороны США, также известна под более ранним названием NAVSTAR и ГЛОНАСС – Глобальная Навигационная Спутниковая Система, принадлежащая министерству обороны России. [4]. Эффективность использования данной технологии инженерногеодезических изысканий очевидна и применяется на производстве. Инженерно-геодезические изыскания обеспечивают проект всеми необходимыми данными о ситуации и рельефе местности, объектах на участке проектирования. Все работы по геодезическим исследованиям местности проводят с целью получения материалов топографической съемки.

Создание геодезического съемочного обоснования.

Для производства топографических съемок на первом этапе создается геодезическое обоснование. Геодезическими сетями называют совокупность точек (пунктов), закрепленных на местности определенным образом, положение которых определено в единой системе координат и высот. Геодезические сети подразделяются на плановые и высотные, по точности подразделяются: на государственную геодезическую сеть (ГГС) 1, 2, 3, 4 классов, сети сгущения 1 и 2 разрядов, съемочные сети. Съемочное обоснование создается с целью сгущения геодезической плановой и высотной основы до плотности, обеспечивающей выполнение топографической съемки. Плотность и расположение пунктов съемочного обоснования устанавливается техническим проектом в зависимости от выбранной технологии работ, определенной с соблюдением Инструкции [1]. В связи с широким внедрением в геодезическую деятельность спутниковых технологий, в настоящее время наиболее рациональным методом определения положения пунктов сети является применение спутниковых геодезических средств глобальной системы позиционирования GPS, это обусловлено тем, что спутниковые технологии превосходят традиционные методы по точности и оперативности получения данных. Создание планово-высотной съемочной геодезической сети выполняется спутниковой геодезической аппаратурой, например GPS Trimble R7, R8 (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид GPS приемника Trimble R7.

Важными достоинствами способа определения координат считаются: быстрое получение результатов (т.е. в режиме реального времени), возможность определения координат точек в любое время суток, возможность эксплуатации в сложных метеорологических условиях, возможность вычислений при значительных расстояниях между исходными и определяемыми пунктами, находящимися вне визуальной досягаемости. Незначительные недостатки, связанные с ухудшением качества результатов при работе в зоне высоких помех, рядом с сильными источниками электромагнитного излучения, а так же в условиях значительной ограниченной видимости небесной полусферы, вполне учитываемы и исправимы. Применяя метод GNSS определений, расстояние до спутника определяется по времени прохождения радиосигнала от спутника до приемника. Спутники непрерывно передают сигналы, содержащую информацию об их положении и точном времени, а также дальномерные коды [3]. Как спутник, так и приемник генерируют один и тот же псевдослучайный код строго одновременно в общей шкале времени. Топографические работы с применением GPS-технологий выполняются в два этапа. Первый этап – определение на местности координат точки, которая впоследствии будет играть роль базовой станции.

Второй этап – топографическая съемка местности GPS-приемниками, он возможен только при наличии работающего приемника, установленного на базовой станции, координаты которой определены на первом этапе. Первый этап работ по определению координат базовой станции иначе называют «координирование базовой станции». Площадь района производства работ ограничивается длиной базовой линии, которая может быть вычислена между базовым и роверным приемником. В случае, когда базовый приемник - одночастотный, длина базовой линии обычно не превышает 20-25 км. При использовании двухчастотного приемника – это расстояние в большинстве случаев не превышает 50 км. После определения границ участка работ, приблизительно в его центре отыскивается место для установки базовой станции. Это место должно удовлетворять следующим основным условиям: открытое небесное пространство для спутниковых наблюдений, защищенность от механических повреждений как самого приемника, так и его элементов, сохранность спутниковой аппаратуры в период проведения работ. Для каждого метода геодезической съемки соответствуют разные ситуации, представленные в табл. 1.

Таблица 1

Методы геодезических съемок GPS приемниками

Методы геодезической съемки	Соответствующие ситуации
Статическая съемка	Когда требуется измерение большой базовой линии и/или высокая точность
Быстрая статическая съемка	Когда требуется высокая точность на коротком расстоянии при ограниченном времени работ
Кинематическая съемка Стою – Иду (Stop and Go)	Когда требуется поведения наблюдений большого числа точек на коротком расстоянии при ограниченном времени работ
Непрерывная кинематическая съемка	Динамическая  топографическая съемка
Кинематическая съемка в реальном времени (RTK)	Вынесение объекта в натуру, топографическая съемка и другие случаи, когда требуется получение точных координат большого числа точек в реальном времени

При проведении геодезической съемки для постобработки необходимо следовать нижеуказанным правилам: приемники, должны работать синхронно и с одинаковыми или общими интервалами эпох.

Статическая съемка является точным методом геодезической съемки. При статической съемке антенна устанавливается над точкой на штативе (рис. 2). Используются, по крайней мере, два приемника: один на точке с известными координатами, а другой – на точке, координаты которой надо определить: наблюдения проводятся синхронно с одинаковыми интервалами эпох и при наличии, как минимум, четырех «общих» спутниках. Время сеанса обычно составляет около одного часа: интервалы сбора данных длятся 30 секунд, но может варьироваться в зависимости от условий окружающей среды и длины базовой линии. Несмотря на то, что статическая съемка может проводиться при использовании как одно так и двухчастотных измерениях, для одночастотных приемников длина базовых ли- ний обычно ограничена 10 км. Двухчастотная съемка позволяет работать на базовых линиях длиной более 10 км и устраняет ионосферные погрешности.

Рис. 2. Положение антенны над точкой при статической съемке.

Быстрая статическая съемка в значительной мере то же самое, что и статическая съемка за тем исключением, что сеанс измерений может проводиться за более короткий период времени и требует двухчастотных GPS/ГЛОНАСС приемников. Быстрая статическая съемка является эффективной при длине базовой линии в пределах 10 км, времени синхронных наблюдений около 20 минут и периоде сбора данных 15 секунд. Однако, эффективная длина базовой линии и время сеанса может варьироваться в зависимости от количества отслеживаемых спутников, значения DOP (геометрического фактора ухудшения точности), наличия или отсутствия пропусков циклов, влияния многолучевости, а также других факторов и внешних условий.

При кинематической съемке на базовой станции проводится статическая съемка в точности как это описано для метода статической геодезической съемки; при этом подвижная станция осуществляет набор данных во время движения. Различают два вида кинематической съемки: с остановками (Stop and GO) и непрерывная. При кинематической съемке в режиме Стою – Иду, повторно выполняются предельно короткие статические измерения (при остановке) и измерения в процессе движения, делая, таким образом, возможным съемку в большого количества определяемых точек. Так как этот метод требует непрерывного потока данных, необходимо контролировать непрерывное слежение за спутниками в процессе наблюдений и бесперебойную запись данных в процессе движения. Аналитические результаты, полученные этим методом, соответствуют местоположению, определенному статическим методом.

Кинематическая съемка в реальном масштабе времени (RTK) – это методика работ для получения точных координат в реальном времени, и требует специального контроллера для обработки и сохранения результатов. При съемке в режиме RTK так же, как и при кинематической съемке, один приемник служит в качестве базовой станции и осуществляет наблюдения с антенной, закрепленной на штативе или другой неподвижной подставке. Другой же приемник работает на подвижном основании и проводит измерения с антенной на вешке и перемещаемой по определяемым точкам [1].

Методы геодезических съемок GPS приемниками. Приемники классифицируются по конструктивным особенностям – типу слежения за спутниками, видами принимаемых и обрабатываемых сигналов, по портативности и техническим возможностям, по точности и стоимости (рис. 3, 4).

Рис. 3 . Внешний вид ручного GPS приемника.

Рис. 4. Внешний вид многоканального GPS-приемника.

Точность определения координат GPS приемниками. На точность определения координат существенное влияние оказывают ошибки, возникающие при выполнении процедуры измерений. Природа этих ошибок различна.

Неточное определение времени. При всей точности временных эталонов ИСЗ существует некоторая погрешность шкалы времени аппаратуры спутника. Она приводит к возникновению систематической ошибки определения координат около 0,6 м.

Ошибки вычисления орбит. Появляются вследствие неточностей прогноза и расчета эфеме- рид спутников, выполняемых в аппаратуре приемника. Эта погрешность также носит систематический характер и приводит к ошибке измерения координат около 0,6 м.

Инструментальная ошибка приемника обусловлена, прежде всего, наличием шумов в электронном тракте приемника. Отношение сиг-нал/шум приемника определяет точность процедуры сравнения принятого от ИСЗ и опорного сигналов, т.е. погрешность вычисления псевдодальности. Наличие данной погрешности приводит к возникновению координатной ошибки порядка 1,2 м.

Многопутность (многолучевость) распространения сигнала . Появляется в результате вторичных отражений сигнала спутника от крупных препятствий, расположенных в непосредственной близости от приемника. При этом возникает явление интерференции, и измеренное расстояние оказывается больше действительного. Такому сигналу требуется больше времени для достижения приемника, чем прямому. В результате воздействия этого фактора ошибка определения псевдодальности может увеличиться на 2.0 м.

Ионосферные задержки сигнала. Ионосфера – это ионизированный атмосферный слой в диапазоне высот 50-500 км, который содержит свободные электроны. Наличие этих электронов вызывает задержку распространения сигнала спутника. Для компенсации возникающей при этом ошибки определения псевдодальности используется метод двухчастотных измерений на частотах L1 и L2 (в двухчастотных приемниках). Линейные комбинации двухчастотных измерений не содержат ионосферных погрешностей первого порядка.

Тропосферные задержки сигнала. Тропосфера – самый нижний от земной поверхности слой атмосферы. Она также обуславливает задержку распространения радиосигнала от спутника. Величина задержки зависит от метеопараметров, а также от высоты спутника над горизонтом. Компенсация тропосферных задержек производится путем расчета математической модели этого слоя атмосферы. Тропосферные задержки вызывают ошибки измерения псевдодальностей в 1 м.

Геометрическое расположение спутников. При вычислении суммарной ошибки необходимо еще учесть взаимное положение потребителя и спутников рабочего созвездия. Для этого вводится специальный коэффициент геометрического ухудшения точности PDOP (Position Dilution Of Precision), на который необходимо умножить все перечисленные выше ошибки, чтобы получить результирующую ошибку. Величина коэффициента PDOP зависит от взаимного расположения спутников и приемника. Большое значение PDOP говорит о неудачном расположении ИСЗ и большой величине ошибки.

Программный комплекс TRIMBLE Business Center, используемый при обработке геодезических данных. Trimble Business Center является идеальной офисной программой для обработки и анализа геодезических данных GNSS и наземных геодезических данных (тахеометра и нивелира), зарегистрированных в полевых условиях, а также для их экспорта в пакет программ для САПР. Данная программа предоставляет ряд уникальных функций, она проста в освоении и использовании. Работающие с GNSS данными инженеры по достоинству оценят широкие возможности и простоту использования программы. Оснащенная множеством инновационных и уникальных функций, программа Trimble Business Center исключительно проста в использовании, интуитивно понятна и универсальна. Разнообразные средства визуализации, такие как Вид в плане, 3D Вид, Хронологический Вид и Редактор сессий помогут вам увидеть конкретные данные в контексте всего проекта. А мощные возможности управления пространственными данными обеспечат новый уровень производительности при обработке геодезических и строительных измерений.

Заключение. В заключении необходимо отметить, что рассмотрены современные геодезические технологии инженерно-геодезических изысканий с применением GNSS технологий и геодезического оборудования. Эффективность использования данной технологии инженерно-геодезических изысканий очевидна, в настоящее время актуальна и обеспечивает высокую производительность.