Тема 12. Опрацювання даних GPS-спостережень

12.1 Загальний порядок та завдання, що виникають при опрацюванні даних GPS-спостережень

Опрацювання даних GPS-спостережень неможливе без використання ПК та спеціальних програмних продуктів. Кожний виробник GPS-приймачів розробляє своє програмне забезпечення для опрацювання даних спостережень та виконання завдань, для яких власне і велися GPS- вимірювання. Проте всі програмні продукти мають спільні етапи опрацювання даних, крім того існує можливість опрацювання даних програмами різних виробників, використовуючи уніфікований формат файлу – RINEX (Receiver Independent Exchange).

Запис результатів спостережень у програмному забезпеченні рекомендується виконувати у RINEX- форматі, оскільки це надає можливість візуально перевірити запис інформації і використати результати спостережень при опрацювання іншим програмним продуктом. Крім того, універсальний RINEX-формат дозволяє об’єднати спостереження супутників різних навігаційних систем (GPS, TRANSIT, ГЛОНАСС).

Отже, основними етапами опрацювання даних GPS- спостережень є:

1. Імпорт файлів з даними. Він можливий безпосередньо з приймача, або з вже переписаних даних в інших програмних

 

 

продуктах в сумісних форматах, або в форматі RINEX.

2. Опрацювання базових ліній. Базові лінії – це вектори, які простягаються від базової точки до точки роверного приймача, що одночасно проводили спостереження. Опрацювання базових ліній – це процес врахування диференціальних поправок, що дає можливість при подальшому зрівнюванні покращити точність точок знімань. Диференціальні поправки залежать від методу спостережень та умов знімання (видимості супутників, їх кількості, неперервності їх спостереження обома приймачами та ще багатьма іншими факторами).

3. Після опрацювання базових ліній проводять зрівнювання. Зрівнювання спрямоване на отримання більш точних значень точок знімання на основі масивів вимірювань.

4. Калібрування. В результаті калібрування встановлюється залежність між точками в системі координат WGS-84, отриманими за допомогою GPS-приймачів, та місцевими координатами в обраній картографічній проекції.

5. Створення планів та карт на основі точок GPS-знімання або виготовлення інших моделей земної поверхні (наприклад, 3D), в залежності від потреби, та виконання інших задач.

6. Експорт в формати інших програмних продуктів.

Як бачимо, процес обробки даних GPS-спостережень повністю автоматизований, тому далі розглянемо більш детально процес обробки даних із застосуванням спеціальних програмних продуктів.

12.2 Опрацювання даних GPS-спостережень із застосуванням спеціальних програмних продуктів

Розглянемо детальніше кожний з етапів.

1. Імпорт файлів з даними GPS-спостережень первинно виконується безпосередньо з приймача.

Для цього спочатку в програмному продукті створюють новий проект. Він має містити одне логічно закінчене знімання об’єкту або місцевості, незалежно від кількості GPS- сесій та методів, якими вони були виконані. В цьому проекті

 

 

проходить повний цикл опрацювання даних – від імпорту з приймача до отримання кінцевих результатів. для яких і виконувались GPS-спостереження. При створенні проекту необхідно обов’язково вводити його параметри та властивості, такі як одиниці вимірювання довжин, кутів, метеопараметрів, годинний пояс, референц еліпсоїд, параметри перетворення систем координат, модель геоїда та багато інших.

Для імпорту даних GPS-спостережень використовується спеціальний кабель, що з’єднує комп’ютер з приймачем (комп’ютер повинен бути оснащений портами типу COM, LPT і бажано PCMCIA для зчитування карт пам'яті приймачів), або за допомогою карт пам'яті, які зчитуються комп'ютером.

Для розпізнання даних супутникових спостережень комп’ютером необхідно встановити тип носія інформації (модель приймача, карти пам'яті, CD – диск тощо), а також вказати формат запису даних. Будь-яке програмне забезпечення зчитує результати спостережень, як правило, тільки у двох форматах. Це спеціальний формат приймача фірми виробника і RINEX - формат.

Перед остаточним записом результатів спостережень необхідно перевірити за польовими журналами спостережень наявність усіх вимірів, назви пунктів спостережень, висоти антени та фазового центру, елементи приведення фазового центру антени. При виявленні помилок їх виправляють.

При записі результатів спостережень також необхідно вказати тип супутникових ефемерид (broadcast або precise). Супутникові (broadcast) ефемериди поширюються разом із супутниковим сигналом і записуються приймачем у файли результатів вимірів. Точні (precise) ефемериди визначаються за результатами спостережень станцій стеження за супутниками і поширюються за допомогою мережі Інтернет із запізненням у часі від 1 до 6 діб. Вони використовуються, якщо точки спостереження при супутникових ефемеридах не досягли необхідної точності, або при високоточних спостереженнях.

 

 

2. Наступний етап опрацювання супутникових радіонавігаційних спостережень базується на сумісній обробці відкоригованих результатів спостережень на окремих станціях і визначенні приростів координат усіх можливих векторів базових ліній.

Опрацювання векторів може виконуватись наступними способами:

- визначення окремих базисних ліній і їх об’єднання в мережі;

- обчислення односеансних спостережень, проведених на багатьох станціях;

- сумісна обробка даних декількох сеансів спостережень.

Розв'язок векторів базових ліній отримують об'єднанням всієї одержаної у результаті вимірювань інформації (двочастотні, фазові, кодові та допплеровські спостереження). При цьому необхідно врахувати тропосферну та іоносферну затримки поширення супутникового сигналу. При розв'язку векторів програмним забезпеченням фірм виробників супутникової радіонавігаційної апаратури для врахування тропосферної та іоносферної затримок використовують стандартні моделі. Для тропосфери приймається модель Hopfield, для іоносфери – стандартна модель.

Перед розв'язком векторів необхідно вказати наближену максимальну довжину вектора і апріорну середню квадратичну похибку визначення довжини вектора.

Розв'язок неоднозначності (врахування диференційних поправок) на векторах до 20 км виконується стандартними методами. Для векторів більшої довжини використовуються спеціальні методи (наприклад, Fara). Якщо програмний продукт не вибирає автоматично оптимальний метод розв'язку неоднозначності за вказаною наближеною довжиною вектора, то необхідно у відповідному вікні програмного продукту вибрати спосіб розв'язку неоднозначності.

Критерієм достовірного визначення компонент вектора є розв'язок фазової неоднозначності. У випадку нерозв'язання

 

 

фазової неоднозначності виконується детальне проведення аналізу кількості супутників, до яких проводились виміри, та зміни величини GDOP. Якщо на початку або у кінці інтервалу спостережень кількість супутників, до яких проводились виміри, була недостатньою або параметр GDOP перевершував 6 одиниць, то допускається коригування обсерваційного файлу RINEX-формату шляхом вилучення початкових або кінцевих епох, які не задовольняють умовам спостережень. Якщо повторне опрацювання відкоригованого файлу не дозволяє розв'язати фазову неоднозначність, то точки підлягають повторним вимірюванням.

3. На основі оброблених базових ліній відбувається зрівнювання мережі. Перед зрівнюванням мереж необхідно виконати перевірку розв'язаних векторів базових ліній на наявність недопустимих похибок. Для цього необхідно всі вектори включити у окремі трикутники і визначити нев'язки цих трикутників за приростами усіх координат. За нев'язками приростів координат визначається загальна нев'язка кожного трикутника за наступним виразом

S x 2

y 2 z 2

(12.1)

де x,

y, z

– нев'язки трикутника за відповідними

координатами.

4. Загальноземні системи координат і моделі геоїда часто не враховують регіональні спотворення при переході до прямокутної системи координат. Для зменшення цих спотворень використовується калібрування.

5. Подальше опрацювання даних проходить в тих межах, які необхідні для розв’язання поставлених задач. Це може бути перетворення координат точок з однієї системи в іншу, опрацювання кодів елементів місцевості, інтерполяція, створення 3D-моделі та виконання інших локальних задач.

Програмні продукти можуть виконувати перетворення координат пунктів з однієї геодезичної системи в іншу за відомими параметрами переходу між ними. Для цього у

 

 

відповідному вікні програмного забезпечення необхідно ввести сім параметрів переходу між системами координат і записати їх в окремий файл. Допускається визначення локальних параметрів переходу із системи ETRF-89 у систему СК-42 (СК-63, УСК-2000) на територію, охоплену мережею, і визначення за ними координат пунктів у системі СК-42.

Для визначення параметрів переходу між системами координат ETRF-89 і СК-42 (СК-63, УСК-2000) необхідно ввести координати як мінімум чотирьох вихідних пунктів у системі СК-42 у відповідне вікно програмного забезпечення. Як мінімум три пункти повинні охоплювати по периметру створену мережу, а четвертий пункт повинен знаходитись на території, покритій мережею. У відповідному вікні проводиться ідентифікація пунктів у системах координат ETRF-89 і СК-42 і проводиться обчислення параметрів переходу і оцінка точності моделі трансформації. Обчислені параметри переходу записують в окремий файл.

Використання топокодів під час GPS-спостережень може полегшити нанесення ситуації. Під час зйомки кожній точці присвоюється топокод, який відповідає за певній об’єкт або за межу на місцевості. В програмному продукті, використовуючи спеціальні бібліотеки, можна досить легко і швидко їх розшифрувати та нанести ситуацію. В ідеалі топокоди (а також назви точок, що доповнюють їх) можуть замінити традиційний абрис, проте під час GPS-спостережень виконувати його необхідно.

Проведення інтерполяції відбувається автоматично, проте можливе редагування горизонталей в ручному режимі.

Існує можливість імпортувати окремі об’єкти до проекту та використати їх в створенні плану.

6. На будь-якій стадії обробки існує можливість експорту даних GPS-спостережень в інші програмні продукти для подальшого опрацювання або використання.

Таким чином, використання автоматизації при опрацюванні даних GPS-спостережень значно економить час працівників.

 

 

12.3 Оцінка точності GPS-спостережень

Основними факторами, що впливають на точність визначення координат точок при GPS-спостереженнях та причинами виникнення похибок є:

1. Кількість супутників, які спостерігає приймач під час зйомки;

2. Геометрія супутників;

3. Тривалість спостереження.

4. Співвідношення сигнал/шум SNR.

5. Вплив іоносфери (для одночастотних приймачів).

В основному ці фактори враховуються, проте повністю їх усунути не вдається.

Оцінка точності відбувається в програмних продуктах при опрацюванні базових ліній, зрівнюванні та калібруванні. При цьому інформацію про точність визначення базових ліній і точок можна переглянути, а при недостатній точності для користувача з’являється повідомлення. Оцінку точності можна провести і в ручному режимі.

Для досягнення необхідної точності при вимірюванні методами з подальшою обробкою рекомендується під час спостережень дотримуватись рекомендацій виробника щодо тривалості спостереження, максимального значення PDOP i SNR, маски відсічення супутників, місця встановлення базового та роверного приймачів тощо.

 

 

3. МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДЛЯ ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

Метою лабораторних робіт є закріплення студентами теоретичного матеріалу з дисципліни, який висвітлюється на лекціях та при самостійному опрацюванні інформації з інших джерел стосовно супутникової геодезії.

В даному курсі лабораторні роботи охоплюють теоретичний матеріал з питань застосування систем координат та часу, орбітального руху і параметрів орбіти, а також практичного застосування глобальної позиційної системи GPS при визначенні координат точок земної поверхні різними методами та точністними характеристиками для забезпечення землевпорядних та кадастрових робіт.