Geum.ru

Шавуров Геннадий Анатольевич Мельников Сергей Рафаэяьевшч геотроника. Наземные и спутниковые средства и методы выполнения геодезических работ учебное пособие

Вид материалаУчебное пособие

Содержание


8.4. Обработка полевых данных и рисовка плана
8.3. Технология топографической съёмки
8.2. Электронный тахеометр
6.3.2. Связь определяемых и измеряемых величин
8.1. Спутниковое оборудование для топографической съёмки
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7
8.4. ОБРАБОТКА ПОЛЕВЫХ ДАННЫХ И РИСОВКА ПЛАНА

Обработку данных выполняют непосредственно в поле. Это делают с целью немедленного контроля качества работы и вы­явления участков, снятых недостаточно подробно. Собранные данные переносят из контроллера и тахеометра в портативный полевой компьютер. На компьютере установлено специальное программное обеспечение для рисовки плана. Это обеспечение позволяет автоматически соединять контура и рисовать рель­еф . Перенос данных выполняют либо посредством кабелей, ко­торыми укомплектованы контроллер и тахеометр, либо прямо через разъем компьютера стандарта РС МС1. В результате по­лучают план объекта. По этому плану исполнитель может оп­ределить недостаточно подробно снятые участки, выявить ошибки и исправить их.

Радиотелескоп ТНА-1500, расположенный в Калягине с антенной диаметром 64 м. Радиотелескоп принадлежи

Особому Конструкторскому Бюро

Московского Энергетического Университета

Адрес Интернет: №Мплг.ввс.гвб1.ги/ка1уа2111/Р1к4.Ь1т

Геотроника

Геодезическая интерферометрия

вать данные или подождать еще. Это решение контроллер мо­жет принять и самостоятельно. Встроенные в контроллер фун­кции позволяют вычислять координаты недоступной точки, ' например оси столба. Можно указать, что недоступная точка находится на таком-то расстоянии от антенны вдоль направле- / ния перемещения или перпендикулярно этому направлению. Контроллер сохранит окончательные значения координат объекта.

Контроллер позволяет записывать полевые данные либо во внутреннюю память, либо на карту стандарта РСМС1. Кроме того, возможна параллельная запись «сырых» измерений для их постобработки. Такая возможность полезна на случай, если связь по радиоканалу будет прервана, то есть будет нарушен режим работы в реальном времени. При этом, сохраненные сырые данные спутниковых наблюдений можно использовать для вычисления координат снимаемых точек в режиме обыч­ной кинематики, то есть с постобработкой.

Иногда на участок съемки уже имеется векторный или рас­тровый картографический материал. В этом случае вместо кон­троллера к приемнику подключают полевой компьютер типа «реп-Ьоок», на котором установлено специальное программное обеспечение. Этот компьютер не имеет клавиатуры, но снабжен « световым пером ». Программное обеспечение позволяет выпол - ' нять все вышеописанные действия по сбору данных. При этом имеющийся цифровой картографический материал « под к лады-вают» под выполняемую съемку. Создаваемый (обновляемый) в реальном времени план виден на дисплее. Такую технологию, напоминающую работу на мензуле с использованием фотоос­новы, называют цифровой мензулой.

Съемку с тахеометром исполнитель начинает с того, что ус­танавливает прибор на точку, с которой будет производить съем­ку. Это может быть пункт геодезической сети, созданной ранее с использованием наземных методов. Это может быть пункт вновь созданной спутниковой сети. Это может быть произволь- ,, но выбранная точка, координаты которой тахеометр вычислит из засечки. Центрировав и нивелировав тахеометр, ориентиро­вав его по начальному направлению, задав высоту инструмен- >. та и отражателя, исполнитель вводит имя или номер определя­емой точки, код снимаемого объекта и запускает измерения. Тахеометр измеряет вертикальный и горизонтальный углы на веху с отражателем, расстояние до нее, вычисляет по этим дан-

130

специально предназначенные для РСДБ, имеют диаметр 20-30 метров. Именно таков необходимый средний геометрический диаметр антенн, входящих в пару. Приемная часть содержит малошумящие охлаждаемые жидким гелием усилители. Такие усилители, также как и антенны большого диаметра, приме­няют для того, чтобы повысить уровень полезного сигнала по сравнению с уровнем шумов, то есть чтобы увеличить отноше­ние сигнал/шум. Регистрируют сигнал на магнитофон с очень широкой синтезируемой полосой записи, то есть на видеомаг­нитофон. Напомним, что чем шире полоса зарегистрированно­го сигнала, тем меньше длина его когерентности и тем выше точ­ность измерений. До регистрации сигнал преобразуют из анало­говой формы в цифровую. Ширина полосы частот регистрируе­мого сигнала должны составлять несколько сотен мегагерц. По­этому специально для РСДБ были разработаны видеомагнитофо­ны, синтезирующие такую беспрецедентно широкую для радио­техники полосу регистрации. Одновременно с записью сигнала на видеомагнитофон записывают временные метки от местного стан­дарта частоты и времени. Его работой управляет водородный ма- зер — наиболее точный из современных опорных генераторов, име­ющий относительную нестабильность 10~14.

Этот же водородный мазер задает ритм работы радиотелес- копа в целом. Таким образом, радиотелескопы работают одно­временно, но их стандарты частоты не связаны друг с другом. Это и позволяет разносить радиотелескопы на расстояния в тысячи километров. Совместной обработке, а именно корреля­ционной обработке, подвергают не сами сигналы, а их привя­занные ко времени записи на видеомагнитофонных лентах. В про­цессе обработки осуществляют поиск максимума функции кор­реляции сигналов - поиск задержки. Он осуществляется тем точ­нее, чем меньше время когерентности сигналов, то есть чем шире их спектр. Именно по этой причине синтезируют широкую поло­су приема и регистрации сигналов. Найдя таким образом времен- ной сдвиг между записями сигналов, определяют с ошибкой в со­тые доли наносекунды время Т задержки прихода сигнала на один радиотелескоп по сравнению с другим. Эта задержка искажена несинхронностью бт часов радиотелескопов.

Квазары — это внегалактические точечные объекты, излу­чающие радиоволны в столь широком диапазоне, что он запол­няет полосу частот любого радиотехнического приемного уст­ройства. Обнаружены сотни квазаров. Их природа недостаточ-

75
Геотроника

Современная технология топографической съемки

но изучена. Квазары удалены на расстояния в десятки и сотни миллионов световых лет. Именно поэтому они являются точеч­ными — их угловые размеры не превышают тысячную долю се­кунды. Кроме того, из-за большого удаления от Земли они не имеют заметных собственных движений. Поэтому квазары практически реализуют инерциальную систему координат на уровне тысячной доли секунды. Эту практическую реализацию называют квазиинерциальной системой координат. Более того, РСДБ дает возможность на том же уровне точности чисто гео­метрическим образом связать квазиинерциальную систему ко­ординат с земной. Никакой другой метод, в том числе и спут­никовые методы, такими возможностями не располагают. Именно по этой причине РСДБ, несмотря на огромные затра­ты, нашла такое широкое применение и играет столь важную роль в геодезии.

6.3.1. Геометрия наблюдений, определяемые и измеряемые величины

На рисунке 6.2 приведена геометрия наблюдений РСДБ.

Радиотелескопы расположены в пунктах 1 и 2. Определяе­мым является вектор Г>, связывающий точки пересечения ази­мутальной (вертикальной) и зенитальной (горизонтальной, уг-лрместной) осей антенн. Его называют вектором базы. Вектор 8 — это вектор единичной длины, направленный на квазар. Он также является определяемым. Векторы «8 , направленные на квазар из пунктов 1 и 2 параллельны. На самом деле они пере­секаются, но на удалении в десятки и сотни миллионов свето­вых лет. На Земле нет ничего более параллельного. По той же причине фронт УИУ' падающей волны — плоский. Угол между векторами Ви5 обозначим р\ Временную задержку прихода фронта волны на пункт 2 относительно пункта 1 обозначим X. Как было сказано, именно задержка является величиной изме­ряемой. Она равна разности отсчетов по часам, установленным на пунктах 1 и 2, в моменты прихода на эти пункты фронта вол­ны. На результат измерения влияют многие факторы: аберра­ция, задержки сигнала в атмосфере, в блоках и цепях станций, относительная несинхронность часов станций. Основной же частью измеренной задержки является геометрическая задер­жка. Все перечисленные факторы тем или иным способом учи­тывают. Для этого в результат измерения вводят поправки.

76

• , /

мени, электронный тахеометр регистрирует и накапливает дан­ные в виде: координаты точки (пикета), имя точки, ее код.

8.3. ТЕХНОЛОГИЯ ТОПОГРАФИЧЕСКОЙ СЪЁМКИ

До начала съемки, выполняемой как спутниковым прием­ником, так и тахеометром, составляют абрис. Затем подготав­ливают библиотеку (классификатор) кодов объектов, подлежа­щих съемке. Это необходимо для рисовки рельефа и для после­дующего разнесения этих объектов по слоям векторной элект­ронной карты. Такими слоями, например, могут быть подзем­ные коммуникации, дорожная сеть, наземные сооружения. Выбирают также систему координат и/или проекцию, в кото­рой будут определены координаты. Возможные системы коор­динат встроены в контроллер. Можно сформировать также любую другую систему координат.

Съемку спутниковым приемником в реальном времени на­чинают с инициализации, то есть с изначального разрешения многозначности результатов фазовых измерений. Если исполь- зуют двухчастотный приемник, то для инициализации доста­точно 1-2 минут. При этом антенна может либо быть установ­лена неподвижно, либо может находиться в движении (режим оп-Ше-Йу). Например, оператору необходимо дойти от шоссе, где он остановил машину, до пункта, расположенного в засне­женном поле. Выйдя из машины, оператор включает аппара­туру. К моменту прихода на пункт инициализация будет завер­шена. При использовании одночастотного приемника на ини­циализацию необходимо затратить 20-25 минут. При этом ан­тенна должна быть установлена неподвижно.

После завершения инициализации исполнитель устанавли­вает веху на определяемую точку и выполняет следующую пос­ледовательность операций. С клавиатуры контроллера-накопи­теля вводит имя точки или ее номер; как правило, используют автоматическую «сквозную» нумерацию. Затем он вводит код снимаемого объекта. Этот код либо выбирают из библиотеки кодов либо набирают вручную. Затем исполнитель вводит вы- соту вехи. Если эта высота осталась неизменной, то исполни­тель подтверждает прежнее значение высоты вехи. В заверше­ние исполнитель фиксирует координаты точки. Он видит на дисплее контроллера значения координат и их ошибки. Исхо­дя из точности, исполнитель принимает решение зафиксиро-

129
Геотраника

Геодезическая интерферометрия






<к>тяи миллионов световых Лет

Кое-что рассовывают по карманам и развешивают на себе. Комплект включает спутниковый приемник со спутниковой ан­тенной, приемный радиомодем с радиоантенной и многофунк­циональный контроллер, предназначенный для управления ра­ботой всего подвижного комплекта. Спутниковую антенну для большей мобильности закрепляют не на штативе, а на специ­альной вехе. Веху с использованием круглого уровня устанав­ливают аа снимаемой точке, чаще всего втыкают в землю. Спут­никовый приемник, обрабатывая сигналы спутников и инфор­мацию, принятую по радиоканалу с базовой станции, вычис­ляет координаты точки, на которой установлена спутниковая антенна. Исполнитель в течение 2-5 секунд получает на дисп­лее контроллера координаты точки стояния вехи с оценкой их точности. Он вводит атрибуты этой точки. Координаты и атри­буты исполнитель сохраняет в памяти контроллера. Помимо описанного оборудования в комплект подвижной станции вхо­дят дополнительные аккумуляторы, соединительные кабели и кабели для переноса данных в компьютер.

Для работы в режиме реального времени используют как одночастотные, так и двухчастотные приемники. Двухчастот-ные приемники более дороги, но их применение предпочтитель­но. Основное их достоинство по сравнению с одночастотными приемниками состоит в том, что существенно сокращается и упрощается процедура инициализации. Она занимает несколь­ко минут и может выполняться как на месте, так и в движе­нии. Появились спутниковые приемники, использующие тех­нологию подавления шумов, сопровождающих сигналы спут­ников. С такими приемниками можно, например, проходить через заросли небольших деревьев, не рискуя потерять захват сигналов спутников.

8.2. ЭЛЕКТРОННЫЙ ТАХЕОМЕТР

Как было сказано, электронный тахеометр чаще всего ис­пользуют для досъемки тех участков объекта, где применение спутниковых приемников по условиям видимости небосклона невозможно, затруднено или нецелесообразно. В комплект электронного тахеометра кроме самого прибора входят несколь­ко вех с призменными отражателями и рация для связи между исполнителем и реечниками, которых в этом случае можно на­звать вешечниками. В процессе съемки, то есть в реальном вре-

128

■. 1 *

Рис. й.Й. Геометрия наблюдений РСДБ

Если все необходимые поправки введены, измеренная задер­жка будет равна геометрической задержке. Далее будем назы­вать ее временной задержкой или просто задержкой. Будучи ум­ноженной на рабочую скорость V радиоволн, временная задер­жка дает геометрическую задержку т-У, то есть разность рас­стояний от пунктов 1 и 2 до квазара.

В левой части рисунка 6.2 дан график, иллюстрирующий процедуру поиска задержки путем корреляционной обработки сигналов. Он повторяет график на рисунке 1.6 из раздела 1.2.6. Величину временного сдвига между записями сигналов меня­ют вблизи предрассчитанного значения задержки Т.
Геотроника

Современная технология топографической съемки

Значение коэффициента корреляции киг в зависимости от задержки меняется, характер изменения отображен графиком. Функция имеет несколько экстремумов; их называют также лепестками. Среди них имеется главный, центральный экст­ремум. Задачей является поиск задержки, соответствующей середине главного экстремума. В этом смысле корреляционная обработка эквивалентна экстремальному способу фазового де­тектирования .

Поиск задержки тем точнее, чем уже главный экстремум, то есть чем меньше Дт. Это достигается синтезом широкой полосы приема и регистрации сигналов. После того, как максимум функ­ции корреляции найден, величину задержки определяют как вре­менной сдвиг одноименных временных меток, сопровождающих записи сигналов на видеомагнитофонных лентах.

Из-за суточного вращения Земли задержка с течением вре­мени меняется; имеет место ненулевая частота интерференции (6.1) или частота интерференционных полос, пропорциональ­ная скорости изменения задержки. Она имеет смысл доппле-ровской частоты. Эту частоту измеряют попутно с измерением задержки. Ограничимся рассмотрением в качестве измеряемой величины только временной задержкой, как дающей более бо­гатую геодезическую информацию. Для этого приведем соот­ветствующие аналитические соотношения. При желании ана­логичные соотношения можно получить и для частоты интер­ференции, что сделано, например, в работе [22].

6.3.2. Связь определяемых и измеряемых величин

Исходным шагом в разработке теории любого геодезическо­го .метода, в том числе и РСДБ, является получение аналити­ческих соотношений, связывающих измеряемые величины с определяемыми параметрами. Сделаем этот шаг. Из рисунка 6.2 видно, что длина I) вектора Г> связана с задержкой т фор­мулой:

х У = 1)со8р. (6.5)

Поскольку вектор 5 — единичный, то есть длина его 5=1, то, не нарушая равенства, запишем (6.2) в виде:

(6.6) В правой части этого выражения стоит скалярное произведе-

78

но узнать координаты каждого пикета, их ошибки, дату и вре­мя его съемки, фамилию исполнителя.

8.1. СПУТНИКОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТОПОГРАФИЧЕСКОЙ СЪЁМКИ

Комплект спутниковых приемников, реализующих (поддер­живающих) режим наблюдений в реальном времени, включа­ет базовую (опорную, референцную) станцию и, как минимум, одну подвижную (роверную) станцию.

Оборудование базовой станции включает геодезический фа­зовый спутниковый приемник со спутниковой антенной, а так­же передающий радиомодем с радиоантенной. Спутниковую антенну центрируют над пунктом с известными координатами. Таким пунктом может быть пункт созданной ранее неземными методами геодезической сети. Либо это может быть пункт гео­дезической сети, вновь созданной спутниковым методом в ре­жиме статики. Как правило, спутниковую антенну базовой станции оборудуют граундплеином для уменьшения влияния многопутности. Спутниковый приемник обрабатывает приня­тый антенной сигнал и формирует первые разности «спутник-спутник» фазовых измерений. Передающий радиомодем с по­мощью радиоантенны транслирует эту и другую информацию. Расстояние, на котором этот сигнал может быть принят под­вижной станцией, зависит от множества факторов: от характе­ристик модема, от рельефа, от степени застройки местности или от степени ее залесенности, от зашумленности эфира. Если си­туация благоприятна, то сигнал можно принять на расстоянии в 15 и более километров. Если ситуация неблагоприятна или есть необходимость передать информацию на большее расстоя­ние, то используют ретранслятор. Роль такого ретранслятора выполняет такой же модем.

Помимо описанного оборудования в комплект базовой стан­ции входят: аккумуляторы, штатив, штанга для измерения высоты спутниковой антенны, соединительные кабели, кабе­ли для переноса данных в компьютер, вспомогательное обору­дование.

Аппаратуру подвижной станции исполнитель не только пе­ревозит с одной точки на другую. Гораздо чаще он ее перено­сит. Поэтому комплект упаковывают в специальный рюкзак.

127
Геотроника

Геодезическая интерферометрия

жит коды объектов; она позволяет соединять точки, принадле­жащие одному контуру. Семантическая информация представ­ляет собой характеристики объектов: хозяйственные, экономи­ческие, вообще кадастровые. Синтаксическую и семантическую информацию, а также служебную информацию объединяют понятием атрибутивной информации. При выполнении цифро­вой съемки как метрическую так и атрибутивную информацию для цифровой модели местности получают и фиксируют в поле.

Суть современной технологии выполнения топографической съемки состоит в сочетании спутниковых приемников, реали­зующих кинематический режим измерений в реальном време­ни, электронных тахеометров и некоторой другой аппаратуры, например, лазерных рулеток. Спутниковыми приемниками в реальном времени с ошибкой 2-3 сантиметра определяют пла­новые координаты и высоты объектов. Тахеометр используют для досьемки тех участков местности, где значительная часть небосклона закрыта препятствиями и где использовать спут­никовые приемники невозможно или нецелесообразно. Такая ситуация имеет место на территории, густо застроенной высо­кими зданиями.

При выполнении цифровой съемки спутниковыми прием­никами и электронным тахеометром одновременно с определе­нием и фиксацией координат точек и объектов, фиксируют так­же их атрибуты: код объекта, его характеристики, коммента­рии. Например, снимая некоторый объект, указывают, что это — столб, что столб — железобетонный, что на нем висит свето­фор, что на этом столбе также висят электропровода, соединя­ющие этот столб с такими-то столбами, и так далее. Всю ин­формацию фиксируют в цифровом виде в накопители. Затем ее используют для автоматической рисовки топографического плана и составления связанной с этим планом базы данных. Ис­полнитель переносит информацию из накопителя в полевой ком­пьютер. Компьютер составляет цифровой план снятого участка. Исполнитель исправляет и дополняет этот план. Перенос данных съемки из накопителя в компьютер, рисовку плана и его коррек­тировку выполняют в поле, «на капоте автомобиля». Исполнитель имеет возможность сравнивать полученную им цифровую модель местности с находящейся перед его глазами этой самой местнос­тью до тех пор, пока не удостоверится в идентичности.

То обстоятельство, что план является цифровым, предостав­ляет его пользователю большие возможности. Например, мож-

126

ние векторов. Поэтому, перенеся V в правую часть, запишем (6.3) в векторном виде:

т = -1>-5. (6.7)

Далее необходимо получить это выражение в координатной форме. Вектор базы естественным образом выражается в зем­ной системе координат ХУ2, фиксированной на исходную фун­даментальную эпоху (см. раздел 2.3). Вектор направления на квазар задают в экваториальной системе координат а, 5. Век­торы имеют вид:

Г АХ' ДУ

(6.8)

(6.9)

5 =

созбзша

31Пб

Чтобы подставить эти выражения в (6.4), необходимо выра­зить векторы в единой системе координат. Переведем вектор базы в экваториальную систему. Для этого умножим его на мат­рицу вращения К:

К = Крг хК„хК8 хКр, (6.10)

где Кр,. — матрица прецессии; Кп — матрица нутации; В„ — мат­рица суточного вращения Земли; Кр — матрица движения по­люса (2.4). Каждая из этих матриц является ортогональной мат­рицей вращения размером 3x3 и образуется произведением мат­риц (2.3).

Матрица прецессии имеет вид:

у)хЕ1(-), (6.11)

где аргументами являются три параметра прецессии. Их гео­метрический смысл и формулы для вычислений даны в рабо­тах по астрономии и спутниковой (космической) геодезии, на-

79
Геотроника

Современная технология топографической съемки

пример в [15,16].

Вв =В1[-(е+Де)]хК8(-Ду)хВ1(е), (6.12)

где е — средний наклон экватора к эклиптике; Ае и А\|/ — пара­метры нутации.

Матрица суточного вращения Земли имеет вид:

(6.13)

В.=В3(5Ф),

где 5, — истинное звездное гринвичское время.

Таким образом, выражение (6.4) в координатной форме име­ет вид:

(6.14)

Формула (6.11) — это уравнение связи, то есть уравнение, связывающее измеряемую величину задержки с определяемы­ми параметрами. Определяемыми параметрами являются три координаты вектора базы, то есть разности координат пунктов, см. (6.5), две координаты квазара, см. (6.6), две координаты полюса, три параметра прецессии, два параметра нутации и мгновенное звездное гринвичское время. К этому списку необ­ходимо добавить относительную поправку станционных часов. Итого — 14 определяемых параметров.

Наблюдения выполняют сериями. Длительность серии чаще всего составляет сутки. В работе участвуют одновременно от двух до шести радиотелескопов. За серию наблюдают несколь­ко квазаров. Например, используемый в международных про­граммах каталог N08 содержит 19 квазаров. Таким образом, одна серия дает сотни результатов измерений, что существен­но превышает число неизвестных.

Уравнение (6.11) нелинейно относительно определяемых па­раметров. Чтобы использовать аппарат способа наименьших квад­ратов, необходимо разложить это уравнение в ряд Тейлора, огра­ничившись членами с первыми производными. Это выполнено в работе [22]. В результате получается система параметрических уравнений. Решают их многогрупповым способом. Неизвестные разделяют по нескольким признакам: геодезические и астроно­мические параметры; медленно меняющиеся со временем пара­метры и меняющиеся быстро и тому подобное. Ошибки определя-

80