Применение спутниковых навигационных систем

Содержание
Введение……………………………………………………………………………...2
Применение спутниковых навигационных систем………………………………..3
Глава 1………………………………………………………………………………..6
1.1. Роль спутниковых систем в современном мире……………………..6
1.2. Процесс развития современных спутниковых систем………………7
1.3. Краткие выводы о состоянии развития ГНСС……………………...12
Глава 2………………………………………………………………………………14
2.1. Обзор приборов приобретенных компанией ОАО «Прикамнефть»
Спутниковый приемник Trimble R6………………………………………………14
2.2. Подготовка для проверки эффективности закупленных приборов на тестовом полигоне………………………………………………………………….19
2.3. Проведение эксперимента на территории тестового полигона приборами Trimble R6 и Trimble R7………………………………………………22
Глава 3………………………………………………………………………………26
3.1. Описание процесса съемок в маркшейдер ...

Президенту компании Leica Geosystems Юргену Дольд. О. Роллену принадлежит фраза, сказанная им на одной из конференций в Лас Вегасе: «Скорость, с которой появляются новые технологии для измерения окружающего мира, просто ошеломляет. И для многих компаний встает вопрос о реакции на эти новые вызовы: "совершенствовать ли старые решения или создавать совершенно новые? И в то время как первый выбор «подтягивает» к сегодняшним реалиям прошлое, совершенствуя его, делая быстрее и дешевле, второй выбор — создает будущее, изобретает новую реальность" [1].
Я считаю, что каждая компания должна работать над обеими этими задачами комплексно. Нет смысла полностью отказываться от старых зарекомендовавших себя решений, необходимо совершенствовать старое и постепенно интегрировать новое. Подобный подход,по моему мнению, будет наиболее эффективен. Ярким примером подобному может служить внедрение спутниковых систем.
На данный момент во всем мире широко используются глобальные навигационные спутниковые системы, их польза и эффективность уже не ставится под сомнение, а для большого количества геодезических фирм и компаний современные объемы работ были бы недостижимы без этих приборов. Благодаря спутниковым системам ведутся работы по мониторингу зданий и сооружений, топографические съемки, решаются навигационные задачи.

Введение.
Президенту компании Leica Geosystems Юргену Дольд. О. Роллену принадлежит фраза, сказанная им на одной из конференций в Лас Вегасе: «Скорость, с которой появляются новые технологии для измерения окружающего мира, просто ошеломляет. И для многих компаний встает вопрос о реакции на эти новые вызовы: "совершенствовать ли старые решения или создавать совершенно новые? И в то время как первый выбор «подтягивает» к сегодняшним реалиям прошлое, совершенствуя его, делая быстрее и дешевле, второй выбор — создает будущее, изобретает новую реальность" [1].
Я считаю, что каждая компания должна работать над обеими этими задачами комплексно. Нет смысла полностью отказываться от старых зарекомендовавших себя решений, необходимо совершенствовать старое и постепенно интегрировать новое. Подобны й подход, по моему мнению, будет наиболее эффективен. Ярким примером подобному может служить внедрение спутниковых систем.
На данный момент во всем мире широко используются глобальные навигационные спутниковые системы, их польза и эффективность уже не ставится под сомнение, а для большого количества геодезических фирм и компаний современные объемы работ были бы недостижимы без этих приборов. Благодаря спутниковым системам ведутся работы по мониторингу зданий и сооружений, топографические съемки, решаются навигационные задачи.

2.3. Проведение эксперимента на территории тестового полигона приборами Trimble R6 и Trimble R7.Целью эксперимента является проверка: насколько эффективнее окажется съемка приемником Trimble R7 (GPS+ГЛОНАСС) по сравнению с приемником Trimble R6 (GPS). В рамках эксперимента были проведены измерения в режиме RTK. На пунктах поочередно был установлен роверный приемник Trimble R7 (GPS+ГЛОНАСС) затем Trimble R6 (только GPS). Измерения проводились от базовой станции Ref. base, передача поправок велась по каналу GSM от приемника Leicavivags15 по протоколу CMR+. Проводилось по сто измерений на каждой точке. В ходе измерений мною так же измерялось время инициализации приемников. В ходе эксперимента было получено множество координат точек. В качестве критерия оценки точности мною была выбрана средняя квадратическая ошибка (СКО). Квадрат средней квадратической ошибки равен математическому ожиданию квадрата истинной ошибки результата измерения. В данном эксперименте было принято считать измерения равноточными. Вычисление СКО проводилось по формуле:где l - измеренные значения величин, х - истинные значения, n - количество измеренных величин.Измерения приемником Trimble R7.Измерения приемником Trimble R7 на точке 1:Рис. 12. Отклонения по оси ХРис. 13. Отклонения по оси YРис. 14. Отклонения по высоте HКак видно на графиках выше, отклонения значений не превышают 15 мм в плане и 25 мм по высоте на точке с наихудшей видимостью спутников. Распределение отклонений носит случайный характер.Измерения приемником Trimble R7 на точке 2:Рис. 15. Отклонения по оси Х для 2 точкиРис. 16. Отклонения по оси Y для 2 точкиРис. 17. Отклонения по высоте для 2 точкиНа графиках видно, что отклонения для второй точки находятся примерно в тех же пределах что и для первой точки. Условия видимости спутников для первой и второй точки плохие, однако, значения координат для данных точек получены довольно точно.Измерения прибором Trimble R7 на третьей точке:Рис. 18. Отклонения по оси Х для третьей точкиРис. 19. Отклонения по оси Y для третьей точкиРис. 20. Отклонения по высоте для третьей точкиТаковы результаты для прибора Trimble R7 поддерживающего улучшенные сигналы GPS и ГЛОНАСС. Отклонения от истинных координат не превышают 12 мм в плане и 20 мм по высоте. Это является отличным результатом для съемки в режиме реального времени.Таблица 2. – Таблица времени затраченного на инициализацию на каждой из точек.№Время инициализацииот (мин)до (мин)12,237,7821,155,5030,231,41Как видно на таблице время, затраченное на инициализацию, зависит от видимости небосвода. Точка с наилучшей видимостью (3 - на парковке) имеет минимальное время инициализации, а точка у стены здания - максимальную. Таблица 3. – Количество потерь инициализации во время съемки.№Количество потерь инициализации12621532Из данной таблицы можно сделать вывод что стабильность приема сигнала так же зависит от видимости небосвода. На точке с наихудшей видимостью было зафиксировано 26 потерь инициализации, а на точке с наилучшей видимостью было всего две потери инициализации за всё время съемки.Постоянная потеря инициализации мешает проводить съемку и увеличивает временные затраты. Таким образом, съемку легче всего проводить в открытой местности и дольше всего на застроенной территории.Таблица 4. – Таблица СКО для каждой из точек наблюденийЗначения СКО для прибора Trimble R7СКОX, ммY, ммH, мм17,245,5720,0226,526,4012,9535,915,2911,58СКО плановых координат находятся в пределах 7,5 мм, а высотные в пределах 30 мм. Измерения прибором Trimble R6.Прибор Trimble R6 может определять сигналы только спутников GPS. В связи с чем количество спутников, видимое прибором сократилось в два раза и редко превышала 8.Точка 1:Измерения на первой точке провести не удалось из за постоянной потери инициализации. Как только прибор подносился к стене дома, инициализация терялась. Съемка в таких условиях оказалась невозможной, нами было взято лишь несколько измерений. Эти измерения, несмотря на большую ошибку многолучевости и малое количество видимых спутников оказались довольно точными. Отклонения в плане не превысили 30 мм, а по высоте 50 мм, но произвести полноценный цикл из ста измерений было невозможно, ввиду того что время инициализации достигало 15-20 минут. Точка 2:Рис. 21. График отклонений по оси Х для прибора Trimble R6 вторая точка.Рис. 22. График отклонений по оси YРис. 23. График отклонений по высоте для второй точкиВторая точка располагалась у ели и имела чуть лучшую видимость небосвода, чем у первой точки. Для второй точки удалось провести полный цикл измерений. Отклонения координат от истинных находятся в пределах 20 мм в плане и 30 мм по высоте.Измерения прибором Trimble R6 на третьей точке.Рис. 24. Отклонения по оси Х для третьей точкиРис. 25. Отклонения по оси Y для третьей точкиРис. 26. Отклонения по высоте для третьей точкиНа графиках выше представлены отклонения координат измеренных прибором Trimble R6 без функции поддержки спутниковой системы ГЛОНАСС. Отклонения не превышают 20 мм в плане и 31 мм по высоте. Измерения на первой точке провести оказалось невозможным из за плохой видимости небосвода.Таблица 5. – Таблица времени затраченного прибором для инициализации на каждой из точек№Время инициализацииот (мин)до (мин)1  23,127,5530,262,59Среднее время, затраченное на инициализацию прибора Trimble R6 превышает таковое для прибора Trimble R7. Для точки 2 рядом с елью минимальное время инициализации составило больше 3 минут, а среднее порядка 5 минут.Таблица 6. – Таблица показывающая количество потерь инициализация для каждой из точек.№Количество потерь инициализации1 24637Для второй точки было зафиксировано 46 потерь инициализации. Фактически инициализация терялась после каждой удачной записи координат. Работать подобным образом очень неудобно. На запись координат точки уходит от пяти до десяти минут. Таблица 7. – Таблица значений СКО для прибора Trimble R6.Значения СКО для прибора Trimble R6СКОXYH1   212,4411,8918,6737,268,2215,18Наименьшее СКО было достигнуто на точке с наилучшей видимостью спутников. Значения СКО не превысили 13мм для плановых координат и 19 мм для высотных, что является отличным результатом для прибора, работающего только с системой GPS.Выводы по результатам эксперимента.На основании вышеизложенного, можно сделать следующие выводы:Прибор Trimble R6 не подходит для съемки на застроенной территории, и им затруднительно работать на залесенной территории из за постоянных срывов инициализации. В дальнейшем нами было рекомендовано приобрести опцию открывающую доступ к системе ГЛОНАСС для данного приемника. Точность определения координат незначительно зависит от количества спутников на открытой территории и слабо влияет на точность измерений полигонов с плохой видимостью небосвода.Прием сигнала L2C (улучшенной системы GPS) и сигналов спутников ГЛОНАСС приемником Trimble R7 значительно улучшает время инициализации прибора. Новые технологии, используемые в приборе позволяют постоянно наблюдать около 15 спутников. Из их множества в решении применяются спутники с наилучшей геометрией расположения, что позволяет добиваться оптимального времени инициализации и точности определения координат точек.Глава 3.3.1. Описание процесса съемок в маркшейдерской службе компании. Компания Прикамнефть решает широкий спектр геодезических задач, в число которых входят крупномасштабные топографические съемки и разбивки. Маркшейдерская служба компании работает в тесном сотрудничестве с другими службами и организациями для своевременного выполнения поставляемых задач.Одним из важнейших видов работ компании является разработка новых нефтерождений. Процесс работ происходит в тесном сотрудничестве геологической, маркшейдерской, строительной и других служб фирмы. На основе исследований геологической службы выдаются примерные координаты нефтяного месторождения с ошибкой в десятки метров. Создается запрос в маркшейдерскую службу и инженерами-геодезистами создается топографический план местности в масштабе 1:500 или 1:2000, в зависимости от сложности объекта и требований к точности. Топографические работы проводят на участке земли размером от 1 гектара и более. По результатам данных работ выкупается или берется в аренду участок земли с нефтяным месторождением. В случае если данный участок находится на пахотном поле - так же выкупаются участки дороги ведущей через поле к нефтяному месторождению. Параллельно с маркшейдерской службой ведется работа геологических служб по детальному исследованию пластов земли и выявлению точного положения участков с нефтью. Топографический план местности обрабатывается в программе AutoCad, т.к. в дальнейшем файл с обрисованной местностью передается отделу проектирования. Большинство проектных работ ведется в программе AutoCad, поэтому для комфортной работы проектировщиков требуется обрисовка участка нового нефтяного месторождения именно в программе AutoCad. Проектировщики наносят проект на план, по которому ведется дальнейшее строительство. Устанавливаются установки для бурения скважин и ведутся работы по пробному предварительному бурению. Данные работы необходимы для анализа и нахождения участков с нефтью геологической службой компании. Рис. 27. Схематический рисунок бурильной установки.На основе данных работ в маркшейдерскую службу предоставляются дирекционный угол от устья скважины и наклонное расстояние до месторождения. На их основе возможно вычисление координат забоя. Данные координаты предоставляются бурильщикам. Так как современные технологии бурения обеспечивают возможность не только вертикального но и наклонного бурения, не обязательно перемещать бурильную установку на участок непосредственно над месторождением нефти.Рис. 28. Схема наклонного бурения скважин.Если на участке с месторождением присутствуют, какие либо подземные коммуникации, необходимо участие инженера-геодезиста с трассоискателем в процессе бурения скважины.Рис. 29. Проведение горизонтально направленного бурения при сопровождении геодезиста.При подключении генератора к исследуемым подземным коммуникациям можно определять примерную глубину залегания труб или кабелей. Таким образом для предотвращения повреждений коммуникаций процесс бурения может быть сопровожден инженером-геодезистом маркшейдерской службы компании. Когда бурение достигает забоя скважины, устанавливаются установки для откачивания нефти. Проводятся кабеля электропитания к данным установкам и прокладываются трубы по которым откаченная нефть будет поступать на пункты хранения и переработки. Все данные работы проводятся согласно плану созданному отделом проектирования на топографической карте обрисованной маркшейдерским отделом компании. Когда все строительные работы окончены, инженер-геодезист делает исполнительную съемку с описанием всех текущих изменений местности. Координаты новых скважин с их порядковыми номерами вносятся в специальный каталог, а исполнительная съемка сдается в архив компании. 3.2. Описание проблем и затруднений в рабочем процессе компании. К сожалению, на момент написания дипломной работы, в большинстве маркшейдерских и геодезических компаниях существует проблема с использованием и накоплением современных картографических материалов по объектам находящимся в зоне их обслуживания. Топографические съемки и съемки текущих изменений делаются в программном комплексе AutoCad. Ознакомительные планы и карты создаются в программе ArcView - геоинформационной системе с широким комплексом аналитических средств. Импорт чертежей из AutoCad в ГИС не такая простая задача, как может показаться. ГИС требуется атрибутика объектов, их описание. Таким образом практически вся атрибутика объектов вбивается заново. Так же существуют проблемы при экспортировании файлов с чертежами из AutoCad. ArcView может не распознавать штрихованные объекты и дуги. Полилинии отрисованные в AutoCad с указанием стиля линий (например, водопроводы или линии связи) могут так же не распознаваться в ГИС и обрисовываться обычной полилинией или не обрисовываться вообще. Ввиду всего вышеизложенного любой чертеж при экспорте из AutoCad в ArcView требуется дорисовывать и проверять, что не совсем удобно при больших нагрузках на маркшейдерский отдел компании. На данный момент основными задачами маркшейдерской службы является нахождение трасс подземных коммуникаций, так как не существует точных планов и карт с нанесенными подземными коммуникациями по всем объектам, на которых производятся строительные или ремонтные работы компанией. Так же существенной проблемой является обновление данных. Ввиду того, что практически нет карт с подробными коммуникациями, те, что имеются не обновляются. Таким образом, работа по нахождению подземных коммуникаций на одном и том же объекте за всё время его эксплуатации может проводиться множество раз. Впервые при бурении на данном объекте, а далее при ремонтах скважин, прокладках новых кабелей питания, установке строительных объектов, техники и т.д. Каждый раз при небольших строительных работах инженер-геодезист указывает строителям на все подземные коммуникации и отмечает их на местности колышками или лентами. При этом топографической съемки объекта или даже съемки найденных подземных коммуникаций не ведется ввиду высокой нагрузки и экономии временных затрат. Таким образом, каждый раз проводится одна и та же работа и растёт вероятность ошибки при нахождении трасс.Сложившееся положение дел удовлетворительно при съемке подземных коммуникаций не принадлежащих компании, так как при проведении строительства или ремонта на данных объектах всё равно производится согласование с компаниями которым принадлежат данные коммуникации. Но проблема обновления топографических карт и планов всё равно актуальна при нахождении трасс принадлежащих компании Прикамнефть. Иногда в процессе эксплуатации скважин проще провести новую линию труб чем ремонтировать уже имеющуюся. Таким образом, под землей находится множество коммуникаций эксплуатация которых давно прекращена, но инженер-геодезист не может знать об этом приезжая на объект и проводя работы по нахождению подземных трасс. Все коммуникации найденные маркшейдерской службой они считают эксплуатируемыми и снижая риск их повреждения при строительных работах стараются обходить данные коммуникаций пусть и во вред бюджету компании. 3.3. Возможные методики работы с ГНСС оборудованием.На момент написания дипломной работы сложилась тяжелая экономическая ситуация и в ряде компаний происходили вынужденные сокращения из за сильных убытков. Данная ситуация была учтена в моей исследовательской работе и я поставил задачу разработать методику работ маркшейдерской компании при которой возможно было бы выполнять все основные задачи компании одним действующим полевым инженером.Современное ГНСС оборудование обеспечивает точность, при которой можно совершать крупномасштабные съемки, а простота и удобства при выполнении данных съемок позволяют производить их даже без помощников. Для этого можно параллельно с съемкой местности вести схематичный абрис или производить всю съемку в кодах. Программное обеспечение контролера Trimble позволяет настроить специальную библиотеку кодов подходящую инженеру. Для участков с сложной ситуацией можно использовать встроенную в контроллер камеру. Снимки сохраняются на внутреннюю память и могут быть просмотрены при экспорте данных из прибора в компьютер или непосредственно на экране прибора. Для геокодирования необходимо запомнить все основные коды и не путаться в них занося в контроллер, если помнить данные коды, то скорость съемки сильно возрастает. Если по тем или иным причинам геокодирование не подходит для инженера, работающего с прибором можно использовать простые пометки в названиях точек. Программное обеспечение контроллера настроено таким образом что все письменные обозначения сохраняются а к цифрам в названии при последовательной съемке точек добавляется единица. Контроллер можно закрепить к вехе и передвигаться от точки, к точке задействовав лишь одну руку, а в другой переносить абрис или имеющиеся карты и материалы по данному объекту. Таким образом, инженер способен производить съемки даже сложных объектов в одиночестве, что освобождает фирму от наличия в штате помощников геодезиста, что было бы невыполнимо при использовании тахеометров или теодолитов.Иногда перед компанией ставятся задачи, в которых скорость выполнения преобладает над точностью. Как правило, при подобных съемках ошибки в несколько десятков сантиметров не несут особого вреда, и в таких случаях позволительно использовать какие либо упрощенные или самодельные крепления для прибора. Рис. 15. Самодельное крепление для прибора Trimble R6.3.4. Процесс съемки и обработка отснятых материалов.В связи с тем, что AutoCad предназначен, прежде всего, для проектирования, существуют некоторые проблемы при конвертации материалов из программы AutoCad в программные комплексы, с которыми преимущественно предпочитают работать маркшейдерские службы, такие как ArcView. Так же следует упомянуть, что в связи с рядом санкций введеных против Российской Федерации рядом стран, использование иностранных продуктов может быть не совсем удобным. В будущем возможно прекращение работы служб технической поддержки или же отказ в обновлении продуктов. В связи с этим, рациональным было бы перейти там, где это возможно на отечественные аналоги данных программ. Серьезным конкурентом программы ArcView можно считать программный комплекс от ЗАО КБ "Панорама". В программном комплексе Панорамы работают большинство Российских государственных структур и учреждений. Все кадастровые карты так же созданы и широко используются в данной ГИС. В ходе подготовки к дипломной работе и проведении летней учебной производственной практики мною были выполнены ряд топографических съемок с применением новых приборов.В ходе проведения данных съемок все работы выполнялись в соответствии с техническим заданием на производство инженерно-геодезических изысканий. Геодезические работы проведены с целью получения топографо-геодезических материалов и данных о ситуации и рельефе местности, существующих зданиях и сооружениях, элементах планировки, необходимых для комплексной оценки природных и техногенных условий территории строительства и обоснования проектирования, строительства и эксплуатации объекта.Работа по созданию инженерно-топографического плана объекта выполнялась поэтапно. Этапы и виды работ приведены в таблице: Таблица 8: Этапы проведения геодезических работ и их описание.№ этапаВид работ1 этапПредварительное согласование и уточнение объёмов работ с геологическим отделом. Рекогносцировка участков проведения полевых работ.2 этапПроведение полевых измерений с помощью GPS3 этапПервичная обработка результатов съемки. Согласование рабочих материалов натурных измерений с эксплуатирующими подразделениями. Внесение в рабочие материалы необходимых уточнений.4 этапКамеральная обработка согласованного рабочего материала. Формирование отчетной документации. Сдача готового материала отделу проектирования. При проведении согласования объёмов работ по имеющимся материалам и планам уточнялись состав и местоположение всех объектов, подлежащих съемке. После проведения предварительного согласования был организован осмотр участков проведения работ для полевой рекогносцировки (уточнение в натуре местоположения технических объектов, определения объемов предстоящих полевых работ и т.д.)В соответствии с техническим заданием и для решения проектных задач выполнен поиск подземных коммуникаций. Поиск бесколодезных подземных коммуникаций выполнялся на местности трассопоисковым оборудованием с прямым подключением генератора или индукционным методом.По результатам инженерно-геодезических изысканий составлен инженерно-топографический план объекта в масштабе 1:500 в формате программного комплекса AutoCad 2000. При выполнении инженерно-геодезических изысканий использовались нормативные документы, перечень которых приведён в списке использованной литературы (15-25).Рис. 16. Пример из ряда съемок произведенных в ходе накопления материалов для дипломной работы.