3.5. Общие принципы построения геодезических сетей с использованием gps

Построение сетей спутниковой аппаратурой состоит из двух этапов – полевых работ и камеральной компьютерной обработки результатов измерений. Камеральная обработка в свою очередь делится на два этапа – предварительную обработку результатов (определение координат пунктов в геоцентрической системе WGS84) и окончательную обработку. Конечным результатом камерального этапа являются координаты определяемых пунктов в плоской прямоугольной (национальной) системе.

Полевые работы проводят комплектом аппаратуры, состоящим минимум из двух приемников. Один из приемников стационарно размещают на базовой («reference») станции, а второй (передвижной или «rover») последовательно устанавливают на всех определяемых пунктах сети. Измерения заключаются в приеме и записи в накопитель радиосигналов от спутников в течение временного интервала, длительность которого зависит от удаления от базовой станции, условий радиовидимости и т.д. В качестве базовой станции может принята любая точка пространства, геоцентрические координаты которой определены с погрешностью не более 15 м по любой из осей (X, Y, Z) по отношению к центру эллипсоида WGS84 (центру масс Земли). Количество базовых станций определяют исходя из площади объекта (одна станция на 50 км²). Полевая измерительная информация из накопителя должна ежедневно вноситься в компьютер с целью ее последующей камеральной обработки и анализ результатов.

Предварительная камеральная обработка заключается в определении приращений геоцентрических координат каждого определяемого пункта по отношению к базовой станции в рамках стандартной программы, поставляемой в комплекте с измерительной аппаратурой. Определение указанных приращений автоматически производится в процессе компьютерной обработки с выдачей результате в виде геоцентрических координат определяемых пунктов. По завершению предварительной обработки определяемые пункты создаваемой сети будут иметь координаты только в системе WGS84. Окончательная обработка предусматривает перевод (трансформацию) координат пунктов создаваемой сети из системы WGS84 в локальную (национальную).

Под локальной системой следует понимать любую систему плоских прямоугольных координат (СК42, СК63, СК64, СК95 или местную). Для трансформации необходимо иметь координаты некоторого количества пунктов в двух системах - WGS84 и локальной. Пункты, удовлетворяющие данному условию, могут быть использованы в качестве трансформационных после оценки их качества (погрешностей взаимного положения).

Координаты трансформационных пунктов в локальной системе выписывают из каталога. Дополнительные условия, которые должны удовлетворять трансформационные пункты (плотность, взаимное положение по отношению к определяемым и т.д.), отражены в техническом описании и инструкции по эксплуатации спутниковой аппаратуры.

Классической (стандартной) схемой полевых работ является так называемый «лучевой» способ. В случае его использования постоянную базовую станцию располагают в условиях максимальной радиовидимости, а передвижную станцию последовательно устанавливают на каждом из определяемых пунктов (в том числе и на пунктах, которые планируется использовать в качестве трансформационных). Расстояние от базовой до передвижных станций рекомендуется устанавливать не более 4-5км. За счет этого сокращается время наблюдений и увеличивается производительность. Базовую станцию устанавливают в условиях максимальной радиовидимости, т.е. она должна принимать информацию без помех с каждого из спутников, находящихся выше, чем 10-15⁰ над горизонтом. Таким образом, для определения разности геоцентрических координат между базовой и передвижной станциями будет использоваться информация, принимаемая со спутников на передвижной станции.

Измерения на определяемых пунктах выполняют в следующем порядке:

1. аппаратуру центрируют над определяемым пунктом;

2. в случае необходимости производят форматирование (очистку) жесткого носителя (карты памяти) от данных предыдущей съемки;

3. производят выбор режима съемки: «Статика», «Стою/Иду» или «Кинематика»;

4. устанавливают расстояние до базовой станции 5 или 10 км;

5. устанавливают эпоху накопления, совпадающую, как правило, с эпохой накопления базовой станции;

6. осуществляют ввод с клавиатуры номера или названия пункта, а также высоты антенны над пунктом;

7. при величине GDOP не более 8 и отношении «сигнал/шум» не менее 39 (РDOP < 4 и отношении «сигнал/шум» не меньше 6) аппаратуру переводят в режим измерений;

8. в зависимости от расстояния между базовой и передвижной станциями проводят измерение в течение необходимого времени (в режиме «Быстрая Статика» время, рекомендуемое фирмой, следует увеличить на 25-30%);

9. после окончания измерений аппаратуры выключают и сворачивают.

Указанные выше операции выполняют на каждом из пунктов. После завершения полевых измерений в камеральных условиях производят «перекачку» данных с карт памяти на жесткий диск компьютера. «Перекачка» данных может производиться как с использованием контроллера, так и специального устройства – картриджа (в случаях отсутствия контроллера).

Наиболее оптимальным вариантом организации работ является такой порядок, при котором полевые измерения текущего дня обрабатывают на компьютере сразу после их завершения. Это связано с тем, что некоторое количество пунктов (в среднем около 10%) необходимо переопределять повторно из-за неразрешения неоднозначности (низкого качества измерений).

После определения всех пунктов в геоцентрической системе осуществляют их перевод в локальную систему. Данную операцию проводят в рамках фирменного программного пакета. Для перевода (трансформации) координат из геоцентрической системы WGS84 в локальную (принятую на данном объекте работ плоскую прямоугольную) используют трансформационные пункты. Трансформационным пунктом называется пункт, имеющий координаты в двух системах – WGS84 и локальной. В системе WGS84 координаты пунктов получают в результате GPS-измерений, и координаты в локальной системе выписывают из каталога. Расположение и число трансформационных пунктов выбирают в соответствии с требованиями фирм-изготовителей спутниковой аппаратуры, основными из которых являются:

- количество пунктов должно быть не менее 4-х (3-х – в исключительных случаях);

- плотность трансформационных пунктов не должна быть не менее 1 пункта на 25 км;

- все определяемые пункты должны быть находиться внутри контура трансформационных;

- площадь фигуры, которую образуют трансформационные пункты, должна быть максимальной.

Результатом выполнения операции трансформация является каталог координат всех определяемых пунктов в плоской прямоугольной (локальной) системе. Если трансформационные пункты имеют высотные отметки в принятой системе высот, в каталог координат будут включены вычисленные высотные отметки каждого пункта. Величины горизонтальных и дирекционных углов (в локальной системе) можно получить только из решения обратных геодезических задач.

Точность GPS измерений различается от 1 сантиметра до более чем 15 метров, в зависимости от используемой аппаратуры, методики обработки данных и других факторов. Кроме того, на точность получаемых данных влияет опыт и знание основ работы с GPS-системами.

Необходимо помнить, что точность определения плановых координат при использовании GPS обычно в 2-5 раза выше, чем высоты, независимо от местоположения на поверхности Земли. Если используется оборудование и программное обеспечение, дающее точность плановых координат около 1 см, то точность по высоте составит 2-5 см. Это может стать решающим фактором, когда используется оборудование с точностью плановых координат порядка 2-5 метров. В этом случае, точность определения высоты может быть хуже десятков метров.

Погрешность пространственного положения отдельного пункта, координаты которого определены GPS-аппаратурой, могут быть получены из выражения:

,

Где – коэффициент, значение которого определяют, исходя из условий радиовидимости (при идеальной радиовидимости ); - ошибка, обусловленная погрешностью измерений (аппаратурная погрешность); - ошибка центрирования GPS-приемника и измерения его высоты; - ошибка трансформирования, обусловленная погрешностью взаимного положения трансформационных пунктов.

Значение находят из выражения:

где , и - погрешности определения геоцентрических координат пункта.

По результатам теоретических работ и натурных исследований , где - величина аппаратурной погрешности измерения базовых линий. Тогда

.

Значение находят из выражения

,

где - высота установки инструмента (1,5 м); - цена деления круглого уровня (6^’); - радиан (3438^’); 2 (мм) погрешность измерения высоты инструмента.

Значение находят из выражения

,

где - максимальная ошибка взаимного положения пары трансформационных пунктов; - расстояние по перпендикуляру от определяемого пункта до стороны с максимальной погрешностью взаимного положения исходных пунктов; при км .

Следовательно, погрешность взаимного положения двух пунктов i и j, координаты которых определены GPS, вычисляют следующим образом

.

В этой формуле

,

где дина стороны между определяемыми пунктами; - разность дирекционных углов определяемых и исходной сторон.

Погрешность дирекционного угла линии i-j длиной S определяют из выражения

.

В таблице 3.1 приведены минимальные длины сторон в плановых сетях, создаваемых с использованием GPS-аппаратуры.

Аналог создаваемой плановой сети	Минимальное расстояние между пунктами, км
	исходным и определяемым				смежными определяемыми
	категория радиовидимости
	I	II	III	IV	I	II	III	IV
ОПОРНЫЕ ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ СЕТИ
Триангуляция 3 кл.	3.12	4.44	6.00	14.8	0.89	1.27	1.72	4.23
Полигонометрия 4 кл.	0.65	0.92	1.25	3.08	0.41	0.59	0.79	1.95
ОПОРНЫЕ МАРКШЕЙДЕРСКИЕ СЕТИ
Полигонометрия 1р.	0.26	0.37	0.50	1.23	0.21	0.29	0.40	0.98
Полигонометрия 2р.	0.13	0.18	0.25	0.62	0.10	0.15	0.20	0.49
СЪЕМОЧНЫЕ СЕТИ (для обеспечения съемки масштаба 1:500) (аналог теодолитных ходов со сторонами длиной 100 м)
Для 1/f=1:3000	0.08	0.11	0.15	0.37	0.04	0.05	0.07	0.17
Для 1/f=1:2000	0.05	0.07	0.10	0.24	0.04	0.05	0.07	0.17
Для 1/f=1:1000	0.03	0.04	0.05	0.12	0.04	0.05	0.07	0.17

При использовании одночастотной GPS-аппаратуры, указанные в данной таблице значения длины линий необходимо увеличить не менее, чем в 2 раза; при проведении измерений «непосредственным» способом; для двухчастотной аппаратуры – допускается уменьшение длины линий не более, чем в раз; для одночастотной аппаратуры требуется умеличение длины линий не менее, чем в раз.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дайте определение Спутниковой Навигационной Системе (СНС).

2. Какие СНС Вы знаете, назовите их основные параметры?

3. Какие подсистемы в СНС Вы знаете, их основные функции?

4. В чем заключается основной принцип определения координат точек местности с иcпользованием GPS?

5. Что является основой GPS-измерений?

6. Суть спутникового метода определения местоположения точки на земной поверхности?

7. Что такое спутниковая дальнометрия, суть способа определения расстояний до искусственных спутников Земли.

8. Псевдослучайный код, как его используют при определении расстояний до навигационных спутников?

9. Какие факторы влияют на точность определения расстояния до навигационных спутников, как их устранять?

10. Как делятся GPS-приемники по принципу организации работ со спутниками?

11. Как делятся приемники по точности определения местоположения?

12. Режимы работы спутниковой аппаратуры.

13. Измерительная станция, ее составляющие, функции.

14. Этапы построения сетей с использованием GPS.

15. Полевые работы с использованием GPS.

16. Камеральные работы при обработке данных, полученных GPS.

17. В какой системе координат работает GPS.

18. Какая операция осуществляется для получения координат в национальной или местной системе.

19. Какими величинами оценивают точность измерений спутниковой аппаратурой?

20. Как можно рассчитать ошибку пространственного положения отдельного пункта, координаты которого определены GPS-аппаратурой?

21. Как можно оценить погрешность дирекционного угла линии из результатов измерений спутниковой аппаратурой?

22. Как можно оценит погрешность дирекционного угла линии из результатов измерений спутниковой аппаратуры?

23. Порядок работы на станции при использовании GPS-аппаратуры.

24. Трансформационные пункты, их использование.

25. Основные преимущества GPS-измерений по сравнению с традиционными методами.

69