Особенности инженерных изысканий с применением GPS приемников

В данной дипломной работе представлен обзор существующих методов спутниковых измерений и рассмотрены особенности инженерных изысканий с применением GPS приемников. Много схем, рисунков, примеров. Высокая уникальность. ...

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Глава 1. Применение спутниковых технологий в геодезии
1.1 Область применения спутниковых технологий в геодезии…………….5
1.2 Технология спутникового позиционирования GРS…………………….6
Глава 2. Структура глобальных навигационных систем GPS, ГЛОНАСС
2.1 Структура сигналов спутников GPS………………………………………9
2.2 Структура сигналов спутников ГЛОНАСС............................................16
2.3 Спутниковая навигационная система Galileo.........................................22
Глава 3. Существующие методы спутниковых измерений
3.1 Методы получения координат с помощью GPS………………………….26
Глава 4. Особенности инженерных изысканий с применением GPS приемников
4.1 Преимущества использования GPS при инженерных изысканиях……..35
4.2 Методики измерений GPS приемниками……………………………….37
4.2.1 Статика…………………………………………………………………..37
4.2.2 Быстрая статика…………………………………………………………40
4.2.3 Кинематика……………………………………………………………...43
4.3 Дифференциальные фазовые GPS измерения и разрешение неоднозначности………………………………………………………………..46
4.3.1 Фаза несущей, C/A и Р коды……………………………………………47
Глава 5. Аппаратное обеспечение сбора ГИС-данных
5.1 Одночастотный приемник Leica GS20 PDM……………………………..51
5.2 Двухчастнотный GNSS-приемник Leica GX1230 GG…………………..54
5.3 Постоянно действующая базовая станция (CORS) и сеть………………57
Заключение……………………………………………………………………..62
Библиографический список…………………………………………………..64

ВВЕДЕНИЕ
Глобальные навигационные спутниковые системы занимают особое место в космической инфраструктуре, обеспечивая непрерывный доступ к навигационным услугам потребителям на поверхности Земли, в воздушном и околоземном пространстве. Наиболее широкое распространение в мире получила американская система GPS (Global Positioning System).
Российская ГНСС ГЛОНАСС, первый спутник которой был запущен в октябре 1982 года, была полностью развернута до группировки к концу 1995 года, но после этого не поддерживалась. В 2002 году началась модернизация системы и ее внедрение в гражданской сфере, ....

Группировка НКА Galileo при данной геометрии и высоте орбит повторяется в небе примерно каждые 24 часа, в то время как движение каждого спутника относительно Земли повторяется каждые трое суток. Все это определяется выбором фазировки орбит, числом вращений НКА в сутки и числом следов спутников на поверхности Земли.Обобщенная структура СРНС Galileo состоит из трех основных крупных частей:космического сегмента собственной группировки среднеорбитальных МЕО и геостационарных GЕО (Geostationary Earth Orbit) НКА космического дополнения SBAS (Space Based Augmentation System) к СРНС европейского проекта EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service);наземной инфраструктуры включая комплекс управления;пользовательского сегмента в виде аппаратуры пользователей.Работа системы Galileo базируется на четырёх ключевых службах:Открытая общедоступная служба OS (Open Service) по обеспечению бесплатной навигации и определения координат подвижных объектов с передачей данных по мобильной связи. Обеспечение безопасности движения SLS (Safety_of_Life Service) и гарантия высокой вероятности определения координат "с холодного старта" (с первого включения) в соответствии с требованиями для некоторых режимов ряда международных организаций, таких, как ICAO по авиации, IMO по морскому судоходству и пр.Предоставление навигационной информации госструктурам PRS (Public Regulated Service): полиции, гражданской обороне, службе экстренной помощи и т. п. Основное требование к этой службе – защита информации от внешних воздействий (помех) и несанкционированных доступов со стороны незарегистрированных пользователей.Коммерческая служба CS (Commercial Service) - предоставление гарантированных платных услуг зарегистрированным пользователям. В перечень услуг кроме услуг службы ОS входит также передача дополнительных данных, используемых при управлении движением подвижных объектов, таких, как электронные карты и пр.Частоты всех трех СРНС (GPS, ГЛОНАСС, Galileo) расположены достаточно компактно, причем для Galileo и GPS даже в перекрывающихся участках частотного спектра, что позволяет принимать их всех одним многоканальным радионавигационным приемным устройством. Частотная многоканальность СРНС Galileo, наряду с широкополосными сигналами, гарантирует надежную помехоустойчивую работу системы, учет и компенсацию ионосферных погрешностей местоопределений и, в конечном итоге, высокую точность навигации. Принципиальная возможность перекрытия частотных спектров СРНС Galileo и GPS состоит в том, что обе эти системы используют кодовое разделение сигналов CDMA (Сode Division Multiple Access).Всего в соответствии с решением ITU на Galileo выделено уникальное число рабочих частот и сигналов: десять навигационных в общем диапазоне, обозначенном как RNSS (радионавигационная спутниковая служба), и один на систему S&R в диапазоне частот 1 544–1 545 МГц .Глава 3. Существующие методы спутниковых измерений3.1 Методы получения координат с помощью GPSСуществует несколько различных методов для получения координат с помощью GPS. Выбор зависит от точности, необходимой потребителю и типа имеющегося GPS приёмника. Методы могут быть разделены на три основных класса:автономная навигация используется единственный (автономный) приёмник. Используется туристами, штурманами для навигации судов находящихся вдали от берега и военными. Точность определения координат около 100 м для гражданских потребителей и приблизительно 20 м для военных потребителей (рис. 10);Рис. 10 - Автономная навигациядифференциальные фазовые измерения позволяют получить точность 0.5 - 20 мм. Используется для геодезических измерений, управления строительной техникой (рис. 11);Рис. 11 - Дифференциальные фазовые измерениядифференциальное координирование (DGPS) позволяет получать координаты с точностью 0.5 - 5 м. Используется для прибрежного кораблевождения, сбора данных для ГИС (Географическая Информационная Система), в сельском хозяйстве (рис. 12).Рис. 12 - Дифференциальное координирование (DGPS)Определение координат с помощью GPS основано на измерении расстояния от спутников до GPS приёмника, находящегося на поверхности Земли. Это расстояние до каждого спутника может быть определено GPS приёмником. Основная идея – решение обратной засечки, которую множество геодезистов используют в своей ежедневной работе. Если известно расстояние до трёх точек относительно собственного положения, то можно определить координаты точки стояния относительно этих трёх точек. По расстоянию до одного спутника, известно, что положение приёмника должно быть некоторой точкой на поверхности воображаемой сферы, центром которой является спутник. Определив точку пересечения трёх воображаемых сфер, получим положение приёмника (рис. 13).Рис. 13 - Пересечение трех воображаемых сферПроблема состоит в том, что по сигналу GPS можно определить лишь псевдодальности и время. Таким образом, для решения имеются четыре неизвестных величины: координаты (X, Y, Z) и время прохождения сигнала.Для GPS измерений необходим приёмник, вычисляющий расстояние от приёмника до спутника. Скорость прохождения радиосигнала - радиоволны распространяются со скоростью света, 290 000 км в секунду (186 000 миль в секунду). Время, затраченное радиосигналом на прохождение от спутника до GPS приёмника. Вычислить его немного тяжелей, так как необходимо знать, когда радиосигнал покинул спутник и когда он достиг приёмника (рис. 14).Сигнал спутника модулирован двумя кодами - C/A кодом и Р-кодом. C/A код основан на сигналах времени генерируемых очень точными атомными часами. Приёмник также снабжён часами, которые используются для генерации соответствующего C/A кода. Рис. 14 – Вычисление времениПосле чего GPS приёмник способен «найти соответствие» или корреляцию кода, полученного от спутника с кодом сгенерированным приёмником. C/A код – это цифровой код, называемый «псевдослучайным», то есть появляющийся случайным образом. В действительности он далеко не случаен и повторяется тысячу раз каждую секунду. Таким образом, можно вычислить время, затрачиваемое радиосигналом на прохождение от спутника до GPS приёмника.Можно думать, что координаты полученные с помощью GPS очень точны и свободны от ошибок, но это далеко не так, потому что существуют несколько источников ошибок, которые снижают точность координат полученных с помощью GPS от (теоретически) нескольких метров до нескольких десятков метров. Источники ошибки:Ионосферные и атмосферные задержки. Поскольку спутниковый сигнал проходит через ионосферу, его прохождение может быть замедлено, эффект, подобный преломлению луча света проходящего через стекло. Эти атмосферные задержки могут привести к ошибке в вычислении дальности, поскольку воздействуют на скорость сигнала(свет имеет постоянную скорость только в вакууме). Ионосфера не вызывает постоянной задержки сигнала (рис. 15).Рис. 15 – Ионосферная задержкаЕсть несколько факторов, которые оказывают влияние на величину задержки, вызванной ионосферой:возвышение спутника: задержка сигналов спутников находящихся низко над горизонтом будет больше, чем сигналов спутников расположенных высоко. Это происходит из-за увеличения расстояния, которое сигнал проходит через атмосферу (рис. 16).Рис. 16 - Возвышение спутникаплотность ионосферы, на которую воздействует солнце: ночью влияние ионосферы весьма низкое. Днём солнце увеличивает воздействие ионосферы и замедляет сигнал. Количество, на которое увеличивается плотность ионосферы, изменяется в соответствии с циклом солнечной активности. Солнечная активность достигает максимума приблизительно каждые одиннадцать лет. В дополнение к этому могут также происходить беспорядочные солнечные вспышки, которые также воздействуют на ионосферу. Ионосферные ошибки могут быть смягчены с помощью одного из двух методов:заключается в осреднении эффекта снижения скорости света, вызванного ионосферой. Этот поправочный коэффициент может быть затем применён к вычисленным дальностям. Однако в этом случае мы полагаемся на некие средние условия, а очевидно, что эти средние условия далеко не постоянны. Поэтому этот метод не оптимальное решение для уменьшения ионосферной ошибки;заключается в использовании «двухчастотных» GPS приёмников. Такие приёмники измеряют сигналы GPS L1 и L2. Известно что, когда радиосигнал проходит через ионосферу, то скорость его замедляется, обратно пропорционально частоте. Следовательно, если сравнить время приёма двух сигналов, то можно точно оценить время задержки прохождения сигнала. Заметьте, что это возможно только с помощью двухчастотных GPS приёмников. В настоящее время большинство используемых приёмников – одночастотные;воздействие на сигнал GPS водяных паров: водяной пар, содержащийся в атмосфере, также может воздействовать на сигнал GPS. Это воздействие, которое может приводить к снижению точности определения координат, может быть компенсировано с помощью моделей атмосферы.Ошибки часов спутника и приёмника. Даже притом, что часы спутника очень точны (ошибка приблизительно 3 наносекунды), они иногда слегка уходят вперёд или назад, что вызывает небольшие ошибки, воздействующие на точность определения координат.Переотражение. Переотражение происходит, когда антенна приёмника установлена рядом с большой отражающей поверхностью типа озера или здания. Спутниковый сигнал не достигает антенны по прямой, а сначала попадает на близлежащий объект. В результате на антенну попадает отражённый сигнал, что образует ложное измерение (рис 17). Переотражение может быть уменьшено с помощью специальных GPS антенн с встроенным защитным экраном (круглый, металлический диск приблизительно 50 см (2 фута) в диаметре), который предотвращают приём низко распространяющихся сигналов. Для получения высочайшей точности, предпочтительней использовать антенну типа Choke-Ring, которая состоит из 4 или 5 концентрических колец вокруг антенного модуля, которые отфильтровывают любой не прямой сигнал (рис. 17).Рис. 15 – ПереотражениеПереотражение воздействует только на высокоточные измерения, такие, например как геодезические измерения. Простые карманные навигационные приёмники не используют методы фильтрации переотражённых сигналов. Рис. 17 - Антенна Choke-Ring (кольцевой дроссель)Геометрическое снижение точности (DOP) - мера строгости спутниковой геометрии и связано с расположением спутников на небесной сфере. DOP может усилить воздействие ошибок определения координат спутника (рис. 18 а,б). а) б) Рис. 18 – Принцип DOP: а) хорошо расположенные спутники -низкая неопределенность положения; б) плохо расположенные спутники -высокая неопределенность положенияНа определение дальности до спутника воздействуют все выше описанные ошибки. В случае, когда спутники расположены на небесной сфере достаточно широко, искомое положение может находиться в пределах заштрихованной области на рисунке 18, и границы возможной ошибки малы. Когда спутники расположены близко друг к другу, размер заштрихованной области увеличивается, что увеличивает неопределенность положения.В зависимости от типа измерений могут быть вычислены различные типы геометрического снижения точности или DOP:VDOP - снижение точности по высоте: дает снижение точности в вертикальном направлении;HDOP - снижение точности в плане: дает снижение точности в горизонтальном направлении;PDOP - снижение точности положения: дает снижение точности трёхмерного положения;GDOP - геометрическое снижение точности: дает снижение точности трёхмерного положения и времени.Наиболее полезный DOP – это GDOP, так как это комбинация всех коэффициентов. Некоторые приемники, однако, вычисляют PDOP или HDOP, которые не включают временную составляющую. Лучший путь уменьшения GDOP – это наблюдение как можно большего количества спутников. На сигналы от низко расположенных спутников ошибки воздействуют в большей степени.Общее правило при геодезических GPS измерениях - лучше наблюдать спутники с углами возвышения 15° и выше. Наиболее точные координаты будут вычисляться в случае низкого GDOP (обычно 8 или меньше).Избирательный доступ (S/A) - это процесс воздействия на GPS сигнал. Предназначен он для того, чтобы частные лица не пользовались полной точностью GPS. Воплощается воздействием на спутниковые часы техникой известной как «добавление псевдослучайного сигнала», который слегка изменяет время. К тому же передаваемые эфемериды (или траектория движения спутника) слегка отличаться от той, что в действительности. Конечный результат состоит в снижении точности определения координат. Стоит отметить, что S/A воздействует на гражданских потребителей, использующих один GPS приёмник, для получения автономного положения. На потребителей использующих дифференциальные измерения S/A существенно не воздействуют.Шифрование кодовых данных Anti Spoofing (A-S) является намеренным с целью препятствовать доступу к Р-кодовой части сигнала GPS гражданским лицам и неприятелю и следовательно вынудить их использовать C/A код, к которому применён S/A. A-S шифрует Р-код в результате чего получается сигнал, называемый Y-кодом.Глава 4. Особенности инженерных изысканий с применением GPS приемниковПреимущества использования GPS при инженерных изысканияхСоздание глобальной спутниковой трилатерации – эта система базируется на измерении расстояний до спутников с применением радиоволн.На первом этапе осуществлялось фотографирование спутника на фоне звездного неба. Для этой цели использовались специальные фотокамеры. Метод заключался в том, что фотографировался один и тот же спутник с двух различных точек. Обязательным условием было синхронность фотографирования. После обработки результатов фотографирования определялось направление вектора соединяющего эти наземные пункты. Множество таких векторов образуют пространственную сеть –триангуляцию.Для пространственной триангуляции необходимо определить масштаб сети. Масштаб можно определить методом локации. Этот метод создания сетей называют геометрическим методом М:3000 км. Достоинства этого метода в том, что при синхронном фотографировании можно исключить теорию движения искусственного спутника Земли. Вместе с этим не учитываются все возможные факторы, влияющие на траекторию спутника. Это аномалии гравитационного поля Земли.Динамический метод основан на учете изучения эволюции орбиты спутника во времени. Для реализации метода необходимо иметь модель движения спутника.Определение координат с помощью GPS позволяет достигнуть фундаментальной цели геодезии - определение абсолютного положения с одинаковой точностью в любом месте на земной поверхности.Используя классические геодезические и топографические методы, мы всегда определяем положение относительно исходных геодезических пунктов, с точностью, зависящей от расстояния до этих пунктов. Поэтому GPS предоставляет существенное преимущество перед обычными методами.Наука геодезия – это основа для GPS, и, наоборот, GPS превратилась в главный инструмент геодезии. Цели геодезии:1. Создание и обслуживание национальных и глобальных трёхмерных геодезических опорных сетей на поверхности земли, с учётом того, что их положение изменяется со временем из-за смещений центров, закрепляющих пункты этих сетей. 2. Измерение и представление геодинамических явлений (движение полюсов Земли, приливно-отливные явления и подвижки земной коры).3. Определение гравитационного поля земли, включая его временные изменения. Хотя большинство потребителей никогда не коснутся любой из вышеупомянутых задач, необходимо чтобы любой использующий GPS оборудование имел общее представление о геодезии.Правильное планирование и подготовка к измерениям существенно влияют на успешность измерений также как и осознание возможностей и ограничений GPS.GPS имеет большие преимущества по сравнению с традиционными геодезическими методами:не требуется прямой видимости между точками;можно использовать в любое время суток при любой погоде;предоставляет результаты с очень высокой геодезической точностью;больший объём работ может быть выполнен быстрее с меньшими трудозатратами.Для использования GPS необходимо чтобы в поле зрения GPS антенны находилось, по крайней мере, четыре спутника.Иногда, спутниковые сигналы могут блокироваться высокими зданиями, деревьями и пр. Следовательно, GPS нельзя использовать в закрытом помещении. Также трудно использовать GPS в центре города или лесистой местности.Из-за этих ограничений в некоторых случаях может быть экономически эффективней использовать тахеометр или комбинировать GPS и обычные измерения.Методики измерений GPS приемникамиСуществует несколько методик измерений, которые могут использоваться с большинством геодезических GPS приёмников.Геодезист должен выбрать соответствующую методику измерений, для решения поставленной перед ним задачи.СтатикаИспользуется для измерения длинных линий, развития геодезических сетей, изучения движений тектонических платформ и пр. Предлагает высокую точность на длинных расстояниях, но сравнительно медленные измерения.Это был первый метод, разработанный для GPS измерений. Он может быть использован для измерений длинных линий (20 км и более).Один приёмник устанавливают на точке, координаты которой точно известны в системе WGS84. Он называется референц – станцией. Другой приёмник, расположенный на другом конце базовой линии называется ровером.Данные записываются обоими приёмниками одновременно. Важно выполнять запись данных каждым приёмником с одной и той же частотой (интервалом в записи данных). Обычно 15, 30 или 60 секунд.Приёмники выполняют запись данных в течение некоторого отрезка времени. Этот период зависит от длины линии, числа наблюдаемых спутников и спутниковой геометрии (которую характеризует такой показатель как «снижение точности» или DOP). За правило считается, что статика должна выполняться в течение минимум 1 часа на линиях 20 км с пятью спутниками и преобладающим значением GDOP 8.Длинные линии требуют более длительного периода наблюдений. После достаточного накопления данных приёмники можно выключить. Затем ровер может перемещаться на следующую определяемую точку для измерения следующей базовой линии.Очень важно выполнить избыточные измерения в сети. Например, выполнить измерения на точках, по крайней мере, дважды или выполнить измерения дополнительных векторов, чтобы избежать проблем, которые иначе не были бы обнаружены. Намного увеличить производительность можно добавив ещё несколько роверов.Для увеличения эффективности при наличии трёх приёмников необходима хорошая координация между членами полевой бригады, например:сеть ABCDE должна быть определена с помощью трёх приёмников. Координаты А известны в WGS84. Приёмники расположены в точках A, B и Е. Запись GPS данных выполняется в течение необходимого периода времени.по истечении нужного периода измерений приёмник из точки E перемещается в D, а из B в C, определяется треугольник ACD.затем из А в E, а из C в B, определяется треугольник BDE.в завершение из В перемещается в C, определяется линия ЕС.конечный результат – это измеренная сеть ABCDE. На каждой точке измерения выполнены три раза и каждая следовательно, определена, по крайней мере дважды. Это обеспечит избыточность. Любые грубые ошибки будут выявлены и некачественные измерения можно будет удалить.Быстрая статикаИспользуется для развития съёмочных сетй, сетей сгущения и пр. Предлагает высокую точность на базовых линиях до 20 км намного быстрее обычной статики.При измерениях быстрой статикой выбирается база относительно которой работает один или более роверов. Как правило, быстрая статика используется для сгущения существующих сетей, создания съёмочных сетей и т. д.Если предстоит работать в районе где ранее никаких GPS измерений не производилось, прежде всего следует запланировать измерения на пунктах местных геодезических сетей. Это позволит вычислить параметры трансформации и следовательно все точки определённые с помощью GPS в этом районе можно легко перевычислить в местную систему координат.