Оригинал статьи опубликован на
сайте НПП “Навгеоком” по адресу http://www.agp.ru/projects/5700_forest/
Исследование точности
определения c помощью GPS высотных отметок в хвойном лесу
Авторы: Дронов А.В., Помогаев
О.Н. (НПП “Навгеоком”)
В феврале 2003 г.
в Московской области, недалеко от города Подольска, сотрудниками компании
“Навгеоком” проводились тестовые испытания двухчастотного GPS оборудования компании
Trimble серии 5700.
Целью данной
работы являлось определение точности получения высотных отметок на залесённых
территориях, а также выработка оптимальной методики наблюдений.
Полевые наблюдения были выполнены в период с 10 по 18 февраля 2003 г.
Помехами, влияющими на работу системы, являлся хвойный лес. Для наших задач был
выбран участок леса размером, примерно, 100 х 100 метров. В соответствии с
техническим заданием, требовалось определить точность получения высоты при
данных условиях наблюдений.
Используемое оборудование
Для сбора данных на передвижном комплексе и временных базовых станциях,
мы использовали двухчастотные GPS приёмники Total Station 5700 (передвижной) и
4000SSE (базовые) фирмы Trimble. Эти приёмники относятся к так называемому
“геодезическому классу”. Приёмники позволяют определять координаты с
сантиметровой и миллиметровой точностью.
Типы антенн
На передвижном комплексе использовалась высокоточная GPS антенна Zephyr, которая характеризуется большой
устойчивостью к переотражению сигнала, возможностью слежения за спутниковым
сигналом с крайне низким значением высоты над горизонтом и имеет
субмиллиметровую точность позиционирования фазового центра. Столь высокий
уровень устойчивости к помехам, был достигнут благодаря применению композитных
материалов, похожих на используемые американскими военными в самолётостроении
(технология Trimble Stealth™). К тому же, при уровне качества, приближающемся к
классу “Choke Ring”, антенна имеет более компактную форму. На временных базовых
станциях использовались GPS антенны Micro-centered L1/L2 GP.
Контроллер TSC1 - специально разработан для работы в экстремальных
полевых условиях. Тестовые испытания показали, что корпус контроллера может выдержать
падение с высоты 1.5 метра на твёрдую поверхность. Жидкие кристаллы
промышленного стандарта, использованные в дисплее контроллера, позволяют
сохранить видимым изображение даже при очень низких и очень высоких
температурах окружающей среды, а встроенный датчик автоконтрастности
компенсирует изменение контрастности при резком изменении температуры
окружающей среды. Защита от влаги и пыли реализована на конструктивном уровне и
гарантирует надёжную эксплуатацию системы во время сильного дождя или пылевой
бури.
Климатические условия в районе работ были довольно суровые. Дневная
температура находилась в пределах от -10° С до -30° С и большую часть времени
не поднималась выше -20°С.
Даже в таких непростых условиях GPS-оборудование работало без сбоев. Для
закрепления пунктов на местности были изготовлены металлические штыри длиной 70
см и диаметром 2.5 см. Затем в землю было забито 10 штырей на территории с
открытым небосводом (поле) и 10 штырей в лесу.
Перед началом и после спутниковых наблюдений была выполнена нивелировка с
помощью CST SAL 24 исходных 20 точек съёмки.
Расхождение в превышениях между нивелировкой в начале работ и после, были не
более 2-х мм. При первой установке нивелира было определено превышение между 10
пунктами в лесополосе, а при второй установке между 10 пунктами в открытом
поле. Расстояние между двумя участками небольшое и поэтому пункты, находящиеся
в лесу и пункты, находящиеся в поле, были сняты с одной станции, чтобы
минимизировать ошибки.
Мы решили использовать в производстве метод GPS наблюдений,
подразумевающий непрерывное накопление фазовых измерений сигналов спутников
системы Navstar, не менее чем на 3-х точках одновременно. Так как технология
работ требовала жёсткого контроля геодезических измерений, мы использовали две
базовые станции.
Базовые станции были установлены на местах с открытым небосводом.
На первом этапе базовые станции находились приблизительно в 1 км от
тестового полигона, разнесённые так, чтобы геометрически на местности получался
треугольник максимально близкий к равностороннему, а на втором этапе в 7 км и 9
км от тестового полигона с узким углом засечки.
Данные записывались в память GPS приёмников и вечером перекачивались на
компьютер для дальнейшей обработки.
Все сеансы наблюдений выполнялись со следующими параметрами:
Следует отметить, что время наблюдений зависит от ряда условий:
Вся работа производилась в местной системе координат. В соответствии с
техническим заданием нас интересовали превышения между точками съёмки. Для этих
целей мы решили создать два полигона по 10 точек. Один в хвойном лесу, а второй
на открытом участке местности. C помощью нивелировки было создано 20 точек с
известными превышениями друг относительно друга. Мы выбрали участок хвойного
леса, расположенный на склоне с разностью превышений около 4 метров.
Все полевые работы были разбиты на 4 этапа, чтобы попробовать применить
различные условия наблюдений на одних и тех же пунктах. Помимо
вышеперечисленных условий съёмки, мы варьировали два параметра, которые могли
повлиять на результат – интервал записи данных и расстояние базовых станций от
передвижного приёмника. В соответствии с этим, мы получили данные при следующих
установках.
Таблица 1.
Перед проведением измерений было выполнено планирование видимости GPS
спутников на данной территории в течение дня (маска возвышения 10° ), чтобы
выявить периоды с минимальным и максимальным количеством возможных спутников.
GPS измерения выполнялись на закреплённых точках с известными
превышениями, от принятой нулевой отметки и составили 24 полных сеанса (по 10
точек) на лесном участке и 2 полных сеанса на открытом.
В качестве управляющего устройства использовался контроллер TSC1, который
позволял нам в реальном времени отслеживать видимость GPS спутников и
целостность рядов наблюдений. Кроме того контроллер позволяет вводить имена
измеряемых точек и высоты антенн, что довольно удобно для хранения всей полевой
информации в цифровом виде. Следует отметить, что технология обработки сигнала
Maxwell 4, реализованная в приёмнике 5700, позволяет уверенно осуществлять
захват и слежение за спутниковым сигналом даже под кронами хвойных деревьев.
Наш опыт показывает, что приёмники Trimble предыдущих моделей не могли
обеспечить подобный уровень работы.
Обработка измерений и апробирование результатов
Полученные данные, мы обработали программным обеспечением Trimble Geomatics Office. Для учёта
местных особенностей мной был настроен собственный стиль обработки GPS
измерений. Доброкачественными решениями считались только фиксированные вектора
с допустимыми значениями относительной дисперсии. При работе в лесу на данный
параметр оказывает сильное влияние многолучёвость от стволов деревьев, которая
частично исключается при использовании антенн Zephyr. После отбраковки
некачественных результатов, был выполнен контроль по замыканиям жёстких фигур,
получившихся от двух базовых станций.
Итоги полевых работ
Статистика показала, что при использовании 2-х базовых приёмников и
одного передвижного GPS 5700, даже в густом хвойном лесу можно получать
приемлемые результаты съёмки. Единственным, надёжным методом работы (для
качественного определения высотных отметок), является “Быстрая Статика”. Лучше
всего строить замкнутые фигуры, что позволит контролировать замыкания в
полигонах.
Процент ошибок на залесённой территории
Возможным контролем при измерениях в условиях сильной залесённости
являются контроль замыканий, а также повторные измерения. На открытой территории
надёжной проверкой качества измерений является только контроль по замыканиям
треугольников и возможность получения фиксированного решения базовой линии без
сильного редактирования сырых измерений, участвующих в обработке.
Процент ошибок на открытой территории
Из диаграмм видно в 100 % случаев значения определяемых с помощью GPS
отметок соответствует заданной точности. Кроме того, контроль по незамыканиям
треугольников является достаточно надёжным критерием оценки качества полученных
результатов.
Диаграммы качества измерений по сериям (24 - лес, 2 - поле)
Из данного исследования мы получили общие рекомендации по работе GPS на
залесённых участках. Безусловно, работу можно рассматривать как тестовую и
не претендующую на полноту исследования. Однако для себя мы выработали
следующие рекомендации. Для проведения успешных измерений (особенно высотной
составляющей) в лесу расстояние от базовой станции не должно превышать 10 км,
дискретность записи 15 сек (при использовании интервала записи данных 5 сек,
заметного улучшения результатов не происходит). При этом желательно обеспечить
PDOP менее 2.5 и количество наблюдаемых спутников более 6. Время сеанса
наблюдений должно варьироваться от 8 до 12 мин., в зависимости от густоты леса.
Подводя итог, можно сказать, что классические данные по методам работы на
залесённых территориях полностью подтвердились. Прогресс в этой области связан
с улучшение приёмной аппаратуры и антенн, что позволяет в отдельных случаях
экономить на времени наблюдений за счёт меньшего количества срывов фазового
сигнала.