Методические указания по выполнению курсово работы Введение
|
Скачать 1.77 Mb.
|
|
3. МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ СПУТНИКОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ Наряду с рассмотренными и уже ставшими классическими методами измерений геометрических параметров, характеризующих техническое состояние зданий, сооружений и технологического оборудования промышленных предприятий и гражданских комплексов, в последние годы стремительными темпами развивается спутниковый метод определения координат. Этот метод стал использоваться не только для целей создания точных и надежных геодезических сетей, но и для целей слежения за положением движущихся объектов и особенно, что очень важно для качества эксплуатации инженерных объектов, – мониторинга их состояния. Этот метод позволяет реализовать пообъектное определение координат и наилучшим образом отвечает требованиям мониторинга геоинформационного пространства (ГИП), поскольку, как правило, изменяются отдельные объекты. Кроме того, он позволяет координировать не только стационарно расположенные объекты, но и динамические объекты, что крайне важно с позиций геоинформационного обеспечения (ГИО). Учитывая эти особенности спутникового метода и относительную новизну его использованияв ГИО, рассмотрим возможности этого метода более детально. 3.1. Общая характеристика спутникового метода координирования Спутниковые технологии, основанные на применении радионавигационных систем GPS и ГЛОНАСС, прочно вошли в геодезическое производство [21, 22]. По сравнению с классическими геодезическими технологиями, они обладают рядом преимуществ [23]: - широкий диапазон точностей практически в глобальном масштабе от десятков метров до единиц миллиметров; - высокая производительность труда (в 5 – 10 раз выше, чем в классических технологиях); - экономическая эффективность, появляющаяся из-за того, что не нужно обеспечивать прямую видимость между наблюдаемыми пунктами и строить высокие знаки; - независимость от погодных условий; - высокая степень автоматизации; - возможность выполнять наблюдения в движении и др. Эти преимущества существенно перекрывают недостатки спутниковых технологий, из которых главными являются сравнительно высокая стоимость оборудования, зависимость от препятствий вблизи антенны, необходимость достаточно сложных преобразований координат, среди которых на особом месте находится проблема получения нормальных высот, и др. Первоначальное назначение спутниковых радионавигационных систем (СРНС) – координатно-временное обеспечение военных действий. Наличие общедоступного сигнала стандартного дальномерного кода дало мощный толчок для разработки гражданского применения СРНС. Эта область применения существенно расширилась после того, как была разработана теория и аппаратура для измерений фазы несущей волны. Уже первые геодезические измерения доказали возможность достижения точности миллиметрового уровня на расстояниях до нескольких километров. Работы многих ученых расширили диапазон расстояний и довели точность наблюдений до 10-9 в глобальном масштабе. В табл. 3.1, взятой из работы [24], указываются основные усовершенствования в спутниковых технологиях, позволившие существенно повысить точность наблюдений. Таблица 3.1 Повышение точности определения координат в спутниковых технологиях и источники ошибок
С развитием спутниковых технологий стала неуклонно расширяться область их применения. Если первые наблюдения выполнялись исключительно для построения небольших опорных геодезических сетей (сети сгущения и инженерные сети в середине 80-х гг.), то, постепенно доказывая превосходство новых технологий в точности, геодезисты перешли к построению государственных сетей (типа известной высокоточной сети HARN в США) и сверхточных геодинамических сетей. Из последних наиболее известна глобальная сеть Международной геодинамической службы, начавшая функционировать с 1994 г. [24]. Эта служба не только отслеживает динамику тектонических плит и совместно с Международной службой вращения Земли (МСВЗ) поддерживает общеземные системы ITRF, но также обеспечивает геодезистов данными измерений, полученными на станциях мировой сети, точными эфемеридами и другой информацией, крайне необходимой при выполнении работ самой высокой точности. Одной из особенностей спутникового метода наблюдений является его способность определять местоположения как мгновенно, так и в течение очень длительного периода времени. Этот фактор делает спутниковый метод незаменимым в задачах мониторинга объектов с самой разнообразной динамикой. Метод пригоден как для мониторинга движений тектонических плит, имеющих скорости несколько сантиметров в год, так и для мониторинга космических объектов, имеющих скорости десятки километров в секунду. Недостатки GPS и ГЛОНАСС, заключающиеся, прежде всего, в блокировании сигналов препятствиями, заставляют разработчиков объединять спутниковые приёмники с другими видами аппаратуры, такими, как инерциальные системы, псевдолиты и пр. Особенно это актуально в условиях крупных городов (городские «каньоны»). Большой толчок в расширении круга применения GPS технологий вызвала отмена режима выборочной доступности 1 мая 2000 г. Это существенно повысило точность абсолютного позиционирования по C/A коду (со 100 м до 15 м при вероятности 95%), улучшило эффективность статического и кинематического позиционирования дифференциальными и относительными методами. Следующим значительным шагом вперед в области GPS технологий должно стать появление сигнала на третьей частоте. Это приведет к дальнейшему повышению точности измерений и уменьшению продолжительности наблюдений, необходимых для достижения нужного уровня точности. Заложенные принципы позиционирования и имеющееся аппаратурно-программное обеспечение привели к появлению нового направления в навигации – так называемой внутренней навигации (indoor navigation), в которой управление средствами передвижения осуществляется в закрытых помещениях, где сигналы спутников не проходят, но их заменяют сигналы от псевдолитов. 3.2. Возможности GPS и ГЛОНАСС в программах мониторинга 3.2.1. Методы спутниковых наблюдений В спутниковых технологиях используются измерения двух видов величин: псевдодальности и фазы. Псевдодальность  – это расстояние между спутником i и приемником A, получаемое при умножении значения скорости света с на измеренную по показаниям часов спутника и приемника временную задержку в распространении сигнала. Эта задержка искажена ошибками в показаниях часов, влиянием среды распространения, задержками в аппаратуре спутника и приемника и другими факторами, которые для простоты рассмотрения опустим. Псевдодальности измеряются по сигналам точного кода на частотах диапазонов L1 и L2 и по сигналам стандартного кода на диапазоне L1.Воспользуемся моделью псевдодальности в упрощенном виде [25]  (3.1)где t – номинальное время приема (системное время, время GPS или ГЛОНАСС);  – ионосферная задержка;  – тропосферная задержка; dti и dtA – поправки часов спутника и приемника;  – геометрическая дальность;  – погрешность измерения псевдодальности, имеющая порядок одного метра и более (шум измерений псевдодальности). В левой части уравнения (3.1) находятся измеренные или известные с некоторыми погрешностями величины.Геометрическая дальность представляет собой истинное расстояние между спутником и приемником. Подлежащие определению координаты пункта скрыты в геометрической дальности, которую можно явно записать как  , (3.2)где  – компоненты вектора геоцентрического положения спутника в эпоху t; XА, YА, ZА – три неизвестных координаты пункта наблюдений, образующих вектор RА в земной геоцентрической системе.Измеренная спутниковым приемником в момент первого наблюдения фаза  равна разности между фазой принятого от спутника сигнала несущей волны и сигнала, созданного в приемнике. Когда сигнал спутника принимается, может измеряться только дробная часть фазы, то есть целое число волн  , называемое начальной неоднозначностью фазы, неизвестно. При последующих наблюдениях приемником дополнительно фиксируется число целых циклов частоты, накопленных от начального наблюдения. Фазу в циклах выражают в единицах расстояния умножением на длину волны л. Упрощенную модель фазовых измерений можно представить в виде выражения [22] (3.3)Здесь  – погрешность измерения фазы или шум измерений. Он имеет порядок 1 – 2 мм, откуда видно, что фазовые измерения значительно точнее кодовых,  .Практическая реализация уравнений (3.1) и (3.3) чаще всего связывается с линеаризацией уравнения (3.2). Для этого вектор RА представляется в виде суммы векторов  известного приближенного положения пункта A и вектора поправок  , то есть . (3.4)Последующая подстановка уравнения (3.4) в (3.2) и последующее разложение в ряд Тейлора до членов первого порядка дает  , (3.5)где  , (3.6) (3.7)Подстановка линеаризованной геометрической дальности (3.5) в уравнения псевдодальности и фазы дает следующие математические модели основных видов измеряемых параметров:  (3.8) (3.9)Уравнения (3.8) и (3.9) могут быть использованы для определения координат абсолютным, дифференциальным и относительным методом. 3.2.2. Абсолютный метод (точечное позиционирование) Позиционирование по кодовым псевдодальностям. Когда используется единственный приемник, имеет смысл производить только точечное позиционирование по кодовым псевдодальностям. Концепция точечного позиционирования характеризуется как космическая трилатерация. Для точечного позиционирования GPS обеспечивает два уровня услуг: 1. Стандартная служба позиционирования по C/A коду (Standard Positioning Service, SPS) с открытым доступом для гражданских пользователей. 2. Точная служба позиционирования (Precise Positioning Service, PPS) с доступом для авторизованных пользователей. Подобный подход реализован в системе ГЛОНАСС. Для определения координат пункта по измеренным псевдодальностям в уравнение (3.8) необходимо подставить значения тропосферной и ионосферной задержек, а также значение поправки часов спутника. Данные об ионосферной задержке для одночастотных приемников даются в навигационном сообщении спутника. Там же имеется информация о часах спутника. Для определения тропосферной задержки можно использовать любую из множества моделей поправок: Хопфильда, Саастамойнена и др. Для обеспечения субметровой точности в величине не обязательно измерять метеорологические параметры (температуру, давление, влажность), достаточно воспользоваться данными некоторой стандартной атмосферы. В результате получается уравнение поправок вида  , (3.10)в котором  . (3.11)Уравнение (3.8) содержит четыре неизвестных: поправки в координаты пункта и поправку часов приемника. Для их определения необходимо одновременно наблюдать не менее четырех спутников. При числе спутников ns > 4 полученная система уравнений решается по методу наименьших квадратов. Для SPS доступен только C/A код. С выключенным режимом SA достижима точность 22.5 м при вероятности 95%. PPS дает доступ к обоим кодам и может быть получена точность метрового уровня, однако для российских пользователей эта служба недоступна. Позиционирование по фазе несущих колебаний. В уравнении (3.9) неизвестными являются три координаты пункта, начальная неоднозначность фазы для каждого спутника и поправка часов приемника для каждой эпохи, то есть при съемке в одну эпоху будет иметь место явный дефицит ранга. Из этого делается вывод о том, что кинематические наблюдения в абсолютном режиме по фазе несущей невозможны, или требуют инициализации, которая позволяла бы разрешать фазовые неоднозначности. После их определения система уравнений наблюдений вида (3.9) приводится к виду (3.8) и может решаться так же, как по кодовым псевдодальностям при числе спутников ns≤4. Если съемка ведется в статическом режиме, и наблюдается ns спутников в течении nt эпох, то полное число наблюдений равно ntns. При тех же условиях число неизвестных равно 3 + ns + nt. Проблема дефицита ранга решается, если число спутников ns>=4, а число эпох наблюдений nt>=2. Следовательно, абсолютный фазовый метод в отличие от позиционирования по кодовым псевдодальностям не является моментальным. Однако более важной является не проблема конфигурации наблюдений, а проблема точности эфемерид. Передаваемые по радио со спутника элементы орбиты позволяют вычислять положение спутника в пространстве с погрешностью не лучше трех метров. В таком случае целесообразность фазовых абсолютных наблюдений вообще становится сомнительной. Учеными Лаборатории реактивного движения при Калифорнийском технологическом институте (США) разработан метод определения положения пункта по фазе несущей с использованием точных эфемерид и поправок часов, определяемых Международной геодинамической службой [19]. Такие эфемериды характеризуются погрешностью около 10 см, точностью поправок часов спутников 0.1 нс, дискретностью эфемерид 30 минут. Метод был применен для мониторинга паров воды в атмосфере. В другом варианте метода использовались только точные эфемериды, а поправки часов спутников находились в процессе обработки, то есть метод можно использовать в условиях режима зашумления C/A [19]. Метод был опробован в статическом и кинематическом режиме. Недостатками методов позиционирования по точным эфемеридам является их большая задержка – порядка двух недель. Характеристики различных вариантов абсолютного метода приводятся в табл. 3.2. Таблица 3.2 Характеристики точности абсолютного метода позиционирования по кодам и по фазе несущей
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Похожие:
 |
Методические указания по изучению дисциплины и выполнению контрольной... Организация аварийно-спасательных и противопожарных работ: Методические указания по выполнению контрольной работы / Университет га.... |
|
Методические указания по выполнению выпускной квалификационной работы... Методические указания по выполнению выпускной квалификационной работы для специальности 08. 02. 08 Монтаж и эксплуатация оборудования... |
|
Методические указания по выполнению самостоятельной внеаудиторной... Методические указания по выполнению внеаудиторной самостоятельной работы по учебной дисциплине иностранный язык предназначены для... |
 |
Методические указания по изучению дисциплины и выполнению контрольной работы Санкт-Петербург Аэродромы и аэропорты: Методические указания по изучению дисциплины и выполнению контрольной работы / Университет га. С. Петербург,... |
|
Методические указания по выполнению курсовой работы Самара, 2012 Технические средства охраны: метод указания по выполнению курсовой работы / Сост. В. Н. Ворожейкин; Самар гос техн ун-т. Самара,... |
|
Методические указания по выполнению курсовой работы по дисциплине аудит При разработке методических указаний по выполнению курсовой работы в основу положены |
|
Методические указания по выполнению лабораторной работы №13 для студентов... Установка web-интерфейса к серверу Mysql в Linux. Методические указания по выполнению лабораторной работы №13 для студентов специальности... |
|
Методические указания и задания по выполнению домашней контрольной... Методические указания и задания по выполнению домашней контрольной работы для студентов-заочников |
|
Методические указания для студентов по выполнению курсовой работы... Методические указания составлены в соответствии с Федеральными государственными требованиями к минимуму содержания и уровню подготовки... |
|
Методические указания по выполнению внеаудиторной самостоятельной... Методические указания предназначены для студентов техникума, обучающихся по специальности |
|
Методические указания по выполнению практических работ адресованы... Автомеханик, входящей в состав укрупненной группы профессий 23. 00. 00 Техника и технологии наземного транспорта в соответствии с... |
|
Методические указания к выполнению курсовой и дипломной работ по... Методические указания составлены применительно к выполнению курсовой работы по дисциплине: Экономика и организация производства на... |
|
Методические указания к выполнению выпускной квалификационной работы... Методические указания к выполнению выпускной квалификационной работы бакалаврами по направлению подготовки 260200. 62 «Продукты питания... |
|
Методические указания к выполнению kjrcobou и дипломной работ по курсу Методические указания к выполнению курсовой и дипломной работ по курсу «Экономика и организация производства на предприятия приборостроения»:... |
|
Методические указания предназначены для разработки выпускной квалификационной... Методические указания предназначены для разработки выпускной квалификационной работы по специальности 26. 02. 03 «Судовождение» на... |
|
Методические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине... Методические указания по выполнению лабораторных работ рассмотрены и утверждены на заседании кафедры «Безопасность труда и инженерная... |