Совместная обработка результатов геометрического и ГНСС нивелирования

Оглавление

 

 

 

 

 

 

Введение

Цель данной курсовой работы заключается в совместной обработки спутниковых и нивелирных данных в одном программном комплексе.

 Исходные данные были полученные во время летней практики в городе Болгар студентами группы 690 Б кафедры астрономии и космической геодезии в июле 2012 года.

В практике производства геодезических работ при создании высотного обоснования часто используется комбинированный метод, т.е. координаты части опорных пунктов определяются спутниковым ГНСС – методом, а части пунктов по результатам геометрического нивелирования. Применение такого метода часто бывает вызвано следующими обстоятельствами: недостаточная плотность пунктов ГГС для создания обоснования путем непосредственной привязки нивелиром к опорным пунктам и в тоже время плохие условия приема сигналов ГНСС спутников на значительной части объекта проведения работ. В результате этого, целесообразным становится определение координат спутниковым методом тех пунктов, где условия проведения ГНСС измерений оптимальные, и дальнейшее проложение нивелирного хода от этих пунктов.

Как правило, обработка результатов традиционных и ГНСС измерений осуществляется в разных программных продуктах, что не всегда представляется эффективным, особенно, если с комплектом оборудования одной фирмы поставлено соответствующие офисное программное обеспечение. Таким образом, представляется весьма актуальным рассмотреть вопрос совместной обработки традиционных и ГНСС измерений в одной программе на примере оборудования и программного обеспечения фирмы Trimble. Для  решения  поставленной задачи был использован программный пакет Trimble Business Center (TBC).

    Trimble Business Center - программа обработки геодезических данных, дающая возможность использовать большие возможности технологии приема сигналов от спутников.

В Trimble Business Center есть возможность совместной обработки таких комбинированных сетей, где в полной мере будут использованы достоинства каждого из методов измерений, что в целом улучшит качество создаваемой сети.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Нивелирование и спутниковые измерения

1.1.1 Нивелирования II класса

Нивелирование – определение высот точек земной поверхности относительно исходной точки («нуля высот») или над уровнем моря.

Нивелирование – один из видов геодезических измерений, которые производятся для создания высотной опорной геодезической сети (т. е. нивелирной сети) и при топографической съёмке, а также в целях проектирования, строительства и эксплуатации инженерных сооружений, железных и шоссейных дорог и т.д. Результаты нивелирования используются в научных исследованиях по изучению фигуры Земли, колебаний уровней морей и океанов, вертикальных движений земной коры и т.п.

По точности выполнения нивелирование делят на I, II, III, IV классы точности. I и II классы относят к высокоточному нивелированию, III и IV классы – к точному. Также в строительных работах применяют менее точное – техническое нивелирование, которые ниже точности IV класса. Для каждого класса точности существует определенная методика выполнения работ.

1.1.2 Описание методики обработки нивелирования II класса

Результаты наблюдений на станции записывают в журнал установленной формы или вводят в запоминающее устройство регистратора. При привязке к реперам в журнале отмечают, в каком состоянии находится внешнее оформление репера, и указывают виды работ, выполненные по его восстановлению. Кроме того, при привязке снимают оттиски с номеров марок.

 При работе  нивелиром с компенсатором отсчеты  по рейке и отсчетному барабану (микрометру) делают сразу же после  наведения трубы на рейку, которая  согласно  должна наблюдаться первой, и приведения пузырька установочного уровня на середину. Перед отсчетом необходимо убедиться, что компенсатор находится в рабочем состоянии.

На каждой станции подсчитывают значения превышения по наблюдениям основных и дополнительных шкал реек. Расхождения между превышениями и разность высот нулей реек, вычисленная и полученная из исследований, не должна быть более 0,7 мм (14 делений барабана). Если расхождение получилось более допустимого, то все наблюдения на станции переделывают, предварительно изменив положение нивелира по высоте не менее чем на 3 см.

 Контроль нивелирования  по секции между смежными реперами  и по участку между фундаментальными  реперами заключается в следующем.

  После выполнения нивелирования по секциям в прямом и обратном направлениях сравнивают между собой два значения превышения. Расхождение между этими значениями не должно быть более 5 мм  , если среднее число станций на 1 км хода меньше 15 (первый случай) и 6 мм   - когда среднее число станций на 1 км хода больше 15, а также при нивелировании в труднопроходимом районе (второй случай).

Если расхождение получилось больше допустимого, то нивелирование по секции повторяют в одном из направлений.

Явно неудовлетворительное значение превышения исключают. Оставшиеся два значения принимают в обработку, если они не расходятся между собой больше указанных допусков и получены из нивелирования в противоположных направлениях.

В обработку включают все три значения превышения тогда, когда первоначальные не расходятся между собой более чем на 8 мм   для первого случая и 10 мм   - для второго случая, а повторное значение не отличается от каждого из первоначальных более чем на 6 мм .

При окончательной обработке сначала осредняют значения превышения из ходов одного направления, а затем - из ходов прямого и обратного направлений.

Если первоначальные и повторные значения превышения не удовлетворяют перечисленным требованиям, то первоначальные исключают и выполняют еще одно повторное нивелирование в противоположном направлении.

После выполнения нивелирования по участку между фундаментальными реперами сравнивают значения превышения, получившиеся из нивелирования в прямом и обратном направлениях. Нормальное расхождение между этими значениями не должно быть больше 5 мм   для первого случая и 6 мм   - для второго.

  По мере завершения нивелирования по секциям и участкам регулярно составляют ведомость превышений установленной формы.

Поправки в превышения по секциям за среднюю длину метра комплекта реек вводят по результатам эталонирования реек на компараторе МК-1.

В таблице 1  указаны СКО и допустимые невязки для каждого класса нивелирования.

Таблица 1

Класс нивелирования	Средняя квадратическая ошибка		Допустимые невязки в полигонах и по линиям f, мм
	случайная η, мм/км	систематическая σ, мм/км
I	0.8	0.08
II	2.0	0.20
III	5.0	-
IV	10.0**	-

 

* L - периметр полигона или длина линии, км.

** - ошибку вычисляют по невязкам  линий или полигонов.

 Средние квадратические ошибки нивелирования вычисляют по формулам:

где d = hпp-hобр; hпp и hобр - превышения по секциям, полученные соответственно в прямом и обратном ходах, мм;

r - длина секции, км;

n - число секций;

s - накопление разностей Σd на участке (линии), мм;

L - длина этого участка (линии), км.

Протяженность участка (линии) должна быть не менее 100 км. Периметры полигонов нивелирования в зависимости от районов работ и других условий указаны в табл.2[3].

Таблица 2 

Класс нивелирования	Периметры нивелирных полигонов, км
	Обжитые районы России	Малообжитые районы России	Локальные и площадные геодинамические полигоны	Города
				застроенная территория	незастроенная территория
I	1200	2000	40	-*	-*
II	400	1000	20	50	80
III**	60-150	100 - 300	-	25	40
IV**	20-60	25-80	-	8	12

 

1.2 ГНСС измерения.

1.2.1 Методы определений координат с применением ГЛОНАСС технологий

Определение координат по наблюдениям спутников навигационных систем выполняется абсолютными, дифференциальными и относительными методами. В абсолютном методе координаты получаются одним приемником в системе координат, носителями которой являются станции подсистемы контроля и управления и, следовательно, сами спутники навигационной системы. При этом реализуется метод засечки положения приемника от известных положений космических аппаратов (КА). Часто этот метод называют также точечным позиционированием.

В дифференциальном и относительном методе наблюдения производят не менее двух приемников, один из которых располагается на опорном пункте с известными координатами, а второй совмещен с определяемым объектом. В дифференциальном методе по результатам наблюдений на опорном пункте отыскиваются поправки к соответствующим параметрам наблюдений для неизвестного пункта или к его координатам, то есть наблюдения обрабатываются раздельно. Этот метод обеспечивает мгновенные решения, обычно называемые решениями в реальном времени. В них достигается более высокая точность, чем в абсолютном методе, но только по отношению к опорной станции. В относительном методе наблюдения, сделанные одновременно на опорном и определяемом пункте, обрабатываются совместно. Это основное различие между относительным и дифференциальным методом, которое приводит к повышению точности решений в относительном методе, но исключает мгновенные решения. В относительном методе определяется вектор, соединяющий опорный и определяемый пункты, называемый вектором базовой линии.

Наблюдения в реальном времени (абсолютные, дифференциальные или относительные) предполагают, что полученное положение будет доступно непосредственно на месте позиционирования, пока наблюдатель находится на станции. При пост-обработке результаты получают после ухода с пункта наблюдений.

В каждом из трех указанных методов определений координат возможны измерения как по кодовым псевдодальностям (по фазе кода), так и по фазе несущей. Точность кодовых дальностей имеет метровый уровень, в то время как точность фазовых измерений лежит в миллиметровом диапазоне. Точность кодовых дальностей, однако, можно улучшить, если использовать метод узкого коррелятора или сглаживание по фазе несущей, достигая при этом дециметровый и даже более высокий уровень точности. В отличие от фаз несущих колебаний, кодовые дальности фактически не содержат неоднозначностей. Это делает их невосприимчивыми к потерям счета циклов (то есть изменениям неоднозначностей фазы) и, в некоторой степени, к препятствиям на пункте. Для фазовых же измерений критическим моментом является разрешение их неоднозначностей.

Точность дифференциального и относительного метода значительно выше, чем в соответствующих вариантах абсолютного метода, и может достигать сантиметрового и даже более высокого уровня. Однако следует обратить внимание на два момента. Во-первых, поскольку в этих методах координаты неизвестных пунктов находятся относительно опорного пункта, то погрешности координат этого пункта полностью войдут в координаты определяемых точек, то есть вся развиваемая сеть оказывается смещенной. Во-вторых, поскольку координаты определяемых пунктов используются для вычисления компонент базовых линий, то это также будет сказываться на точности определения приращений координат между опорным и определяемым пунктом[1].

1.2.2 Обработка GPS/ГЛОНАСС измерений

В общем случае кампания GPS измерений включает использование небольшого числа приёмников для определения координат большого количества станций. Выполненные в проекте наблюдения разделяются на сессии, состоящие из наблюдений на отдельных станциях (пунктах). Сессия может быть короткой, всего несколько минут, если в малой сети применяется метод быстрого разрешения неоднозначностей, или несколько часов и даже суток, если необходимо достигать высокую точность в более крупных сетях. При ограниченном числе доступных спутников типичная сессия наблюдения в инженерных сетях продолжается от I до 3 часов. Разработаны и используются следующие методики уравнивания спутниковых наблюдений:

уравнивание наблюдений, выполненных на одной станции;

обработка одной базовой линии и последующее объединение базовых линий в сеть;

объединенное уравнивание всех полученных наблюдений отдельной сессии (уравнивание наблюдений многих станций одной сессии),

объединение решений многих сессий в строгое всеобщее сетевое решение.

Уравнивание одной станции (позиционирование точки, «однопунктовое» решение) обеспечивает абсолютные координаты станции в системе WGS-84 (или ПЗ-90). Если обрабатываются только кодовые измерения, то из-за низкой точности эти результаты обычно представляют малый интерес для геодезических применений, но они часто отвечают требованиям некоторых задач геофизики, ГИС и дистанционного зондирования. Типичная область этого применения - навигация.

Концепция одинарной базовой линии очень широко используется в программном обеспечении для обработки спутниковых данных. В совместном уравнивании обрабатываются наблюдения от двух одновременно работавших приемников, преимущественно в виде двойных разностей.

Отдельные базовые линии используются как входные данные в программе уравнивания сети. Обработка наблюдений в сети распадается на первичное уравнивание (решение базовых линий) и вторичное уравнивание (уравнивание векторов базовых линий). Эта методика является строгой, если одновременно наблюдали только два приемника, и если используется вся стохастическая информация полной ковариационной матрицы. Однако если пары станций выбраны из большего числа одновременно действовавших приемников, то не все возможные комбинации базовых линий не зависят одна от другой. При одновременных наблюдениях R приемниками получается R(R - 1)/2 возможных базовых линий, но независимыми из них являются только R - 1 линий. Если имеющееся программное обеспечение может обрабатывать только одну базовую линию, то независимые, «не тривиальные» базовые линии должны выявляться с использованием подходящих критериев отбора, таких, как длина базовой линии или число наблюдений. Тем не менее, эта методика не является строгой для сетевых решений, поскольку не учитывается стохастическая информация между одновременно наблюдавшимися линиями. Для улучшения решения необходимо тщательное взвешивание и ослабление корреляции.