Факторы, определяющие возможность и точность измерений, а также длительность сессии наблюдений
Сессия наблюдений - это период времени, когда два приемника или большее количество приемников работают одновременно. Время начала каждой сессии и время ее окончания назначают и согласовывают члены полевой бригады вечером предшествующих суток или утром до начала наблюдений. Другими словами, составляют график наблюдений. Продолжительность сессии зависит от условий видимости небосклона на каждом из пунктов в отдельности и в их совокупности, от количества наблюдаемых здоровых - healthy - спутников, от геометрии наблюдений, от расстояний между пунктами, от наличия или отсутствия пропусков фазовых циклов, и от состояния ионосферы в период сессии наблюдений.
Количество наблюдаемых спутников
Если в течение сессии наблюдают 4 спутника, то длительность сессии должна составлять не менее 1 часа. При наблюдении б спутников необходимая длительность сессии может оказаться равной 45 минутам. Наблюдения на линии средней длины требуют работы в течение 1 часа. Линии длиной в 20 км и более требуют наблюдений в течение 1.5 часов и более. В сетях высшего класса точности, например, в деформометрических сетях, приходилось собирать данные в течение нескольких суток. На фундаментальных пунктах, таких как Менделеево, данные непрерывно собирают годами.
Геометрия наблюдений
Геометрию наблюдений характеризует значение PDOP - position dilution of precision - "размывание" (падение) точности определения местоположения из-за геометрии наблюдений, геометрический фактор [7, 18]. Малое значение PDOP (не более 3) говорит о хорошей геометрии наблюдений. Если значение PDOP находится в интервале 3-5, то выполнять наблюдения в сети можно. Когда PDOP превышает значение 5 (иногда это значение принимают равным семи), такие условия наблюдений годятся только для выполнения работ низшего класса точности и не годятся для создания опорной сети. При создании опорной сети значение PDOP не может превышать 3.
Длины баз
Как сказано в подразделах 6.6 и 10.1, чем длиннее база (базисная линия), тем дольше должна длиться сессия. Короткие базы (до 10 км) обычно требуют длительности сессии примерно в 45 минут. На базах средней длины обычно работают около одного часа. Базы длиной более чем в 20 километров могут потребовать продолжительности сессии в 1.5 часа и более. Наш опыт говорит о том, что в любом случае желательно придерживаться длительности сессии не менее, чем в полтора часа.
Пропуски фазовых циклов
Как было сказано ранее, препятствия блокируют сигналы спутника. В данных, полученных в таких условиях, содержатся пропуски в регистрации сигналов, которые называют пропусками фазовых циклов. Пропуски фазовых циклов создают проблемы на этапе постобработки. Если в сети существуют пункты, где можно ожидать нали-
чие пропусков фазовых циклов, то на базах, включающих эти пункты, планируют более длительные сессии наблюдений.
Состояние ионосферы
Так же, как и любые радиосигналы, сигналы спутников GPS, проходя сквозь ионосферу, подвергаются ее воздействию. В периоды возмущенной ионосферы, когда Солнце активно, скорость распространения сигналов спутников GPS может стать определяемой с большой (плохо предсказуемой) ошибкой. Это, в свою очередь, может отрицательно повлиять на точность определения векторов баз длиной более 10 км. В периоды повышенной солнечной активности наблюдения, как правило, не выполняют. Если такая необходимость возникает, увеличивают продолжительность сессий и/или наблюдают в темное время суток.
Наблюдения и обработка результатов наблюдений
Организация наблюдений
С вечера или рано утром составляют график наблюдений. То есть составляют схему перемещения каждого оператора с пункта на пункт. Также составляют временной график включения и выключения каждого приемника на каждом пункте. В дополнение ко времени, необходимому для выполнения наблюдений, учитывают время на перемещение между пунктами и установку аппаратуры.
Полевое оборудование
Крайне важно не забыть взять с собой на пункт все необходимое оборудование. Иначе начало выполнения первой в данные сутки сессии наблюдений будет задержано. Потребуются изменения в графике наблюдений. Будет потеряно драгоценное время наблюдений и, следовательно, вся бригада потеряет деньги. Во избежание такого рода ситуаций составляют контрольный список оборудования. Контрольные списки оборудования - это важная часть работы профессионалов.
Приведем примерный список полевого оборудования. Приемник; антенна; кабель, их соединяющий (в современной аппаратуре приемник совмещен с антенной и соединяющего кабеля не требуется, такой приемник изображен в верхней части рисунка 11.1.); аккумуляторы; кабель, соединяющий аккумулятор с приемником; запасной
очень емкий аккумулятор (как от автомобиля) и адаптер для прикуривателя (для подзарядки штатных аккумуляторов); штатив; трегер; переходник (адаптер) для антенны; фонарь; рулетка или жезл для измерения высоты антенны; данные о станции (кроки); полевой журнал; средства связи: рация; мобильный телефон; график работы; средства маркировки пунктов: колышки, краска, гвозди, молоток, топор, пила; средства, связанные с регулированием движения людей и транспорта (конусы, фонари); перечень важных сведений: срочные телефонные номера; имена, адреса, номера телефонов владельцев той собственности, на территории которой собираются выполнять геодезические работы; имена, адреса, номера телефонов официальных представителей, регулирующих порядок нахождения на той территории, где собираются выполнять геодезические работы; описания проходов и цифровые комбинации замков; полевое оборудование, запас воды и пищи.
Как видно, оператору приходится иметь с собой много всякого груза. Идеально, если у каждого оператора имеется в распоряжении автомобиль. В труднодоступных районах используют один на полевую бригаду вертолет.
Выполнение наблюдений
Как было сказано в разделе 2, при выполнении наблюдений в статическом режиме или в режиме быстрой статики каждый оператор прибывает на пункт геодезической сети с выключенным спутниковым приемником, устанавливает антенну над центром пункта, выполняет все необходимые подсоединения, включает приемник и ждет, пока приемник накопит достаточный объем информации. Геометрия спутниковых геодезических наблюдений приведена на рисунке 11.1. В процессе наблюдений оператор измеряет высоту антенны над центром пункта, вводит ее значение в память приемника и записывает это значение в полевой журнал. Подробнее об этом написано в следующем подразделе с номером 11.4. Кроме того, оператор вводит в память приемника идентификатор пункта - номер или название пункта - и также записывает этот идентификатор в полевой журнал. После завершения сессии наблюдений оператор выключает аппаратуру и перемещается с выключенным приемником либо на следующий пункт, либо в офис (камералку), если работа на текущий день завершена. Информация, накопленная каждым приемником в течение каждой сессии хранится в отдельном файле.
При создании обычной (не особо высокоточной, не уникальной, не деформометрической) сети сессия наблюдений длится от получаса до примерно двух часов. Как было сказано, сессия - это интервал
Рисунок 11.1. Геометрия спутниковых геодезических измерений
между двумя моментами времени. Сессия наблюдений начинается тогда, когда последний из участвующих в наблюдениях приемников включился в работу, то есть начал сбор информации. Сессия заканчивается тогда, когда первый из приемников прекратил сбор информации. Пребывание на пункте может длиться в течение и нескольких сессий. Это происходит, когда запланировано, что данный приемник в качестве опорного, связующего (референцного) должен выполнить несколько сессий наблюдений совместно с другими (роверными) приемниками, последовательно перемещающимися с пункта на пункт. Иными словами, если программа наблюдений предусматривает, что пункт, на котором размещен данный приемник, играет роль связующего пункта, то наблюдения на данном пункте могут длиться многими часами и/или даже сутками.
Ошибка определения векторов баз зависит от длин баз, от геометрии наблюдений и, в основном, от длительности сессии. Для прикидки можно сказать следующее. На базах длиной в несколько километров при длительности сессии порядка двух часов удавалось определить относительное плановое положение с ошибкой порядка двух миллиметров и относительное высотное положение с ошибкой порядка трех миллиметров. На базах длиной порядка тысячи километров при длительности сессии порядка суток удавалось определить относительное положение, как это ни удивительно, с ошибкой порядка сантиметра.
Идентификация сессии
Сессию - session - идентифицируют по номеру сессии в рамках текущих суток, по названию (идентификатору) пункта и по номеру текущих суток (дня) (DoY, DOY, day of the year) наблюдений, которые называют также Юлианскими сутками - Julian day. "Day of the year" определяют как номер суток, начиная с 1 января текущего года. Например, 10 Января - 10-е Юлианские сутки; 21 Марта - это 80-е Юлианские сутки. Если выполнили несколько сессий в данные сутки с номером 150, то первой в эти сутки сессии приемник по умолчанию припишет номер 1. Следующей сессии в эти сутки будет приписан номер 2.
Идентификатор сессии включает следующее:
Session 1 on Julian day 150 = 150 - 1
Session 2 on Julian day 150 = 150 - 2
Выполняющий на данном пункте наблюдения оператор изначально формирует идентификатор сессии, вводит его в память приемника и записывает его в полевой журнал. Этот идентификатор может впоследствии, на этапе постобработки, изменить оператор, выполняющий эту постобработку. Приведем примеры. Пусть наблюдения выполнены на пункте Ветлосян (реальный пункт на территории города Ухта, расположенного на севере территории России). И эти наблюдения выполнены 2 января 2003 года в первой в текущие сутки сессии наблюдений. Тогда идентификатор этой сессии может иметь вид VETL.02.01. Или пусть наблюдения выполнены 12 января 2005 года на пункте Куччугуй (реальный пункт в Якутии) в третьей сессии наблюдений. Тогда идентификатор этой сессии может иметь вид KUCH. 12.03.
Работающий на пункте оператор измеряет м вводит в память спутникового геодезического приемника также высоту антенны, аналогично тому, как фиксируют высоту теодолита над центром пункта. Содержание трех последних абзацев отчасти повторяет то, что написано в подразделе 11.3.
Постобработка
На этом этапе работ разрешают многозначность результатов фазовых измерений [7,13] и вычисляют вектор базы в системе координат WGS84. Другими словами, вычисляют компоненты вектора, соединяющего пункты, на которых установлены антенны приемников.
Члены полевой бригады каждый вечер скачивают накопленные данные из приемников в офисный нутбук. При этом в качестве ин-
терфейса используют OSM - office support module - модуль офисной поддержки или просто офисный модуль. Этот модуль используют также в качестве зарядного устройства для аккумуляторов. После того, как информацию скачают, выполняют постобработку. Убедившись в том, что невязки всех замкнутых фигур геодезической сети находятся в допуске, удаляют использованные файлы грубых, необработанных данных (raw data) из памяти приемников. Иначе память какого либо приемника может переполниться и невосстановимо пропадет вся хранящаяся в приемнике информация. Такие случаи, являющиеся следствием небрежности оператора, имели место. Работу приходилось начинать снова и за те же деньги. Написанное в этом абзаце важно. Поэтому тут же все и повторим в расширенном и более подробном виде.
При правильной организации работы на объекте наблюдатели (операторы) выполняют первичную обработку данных сразу вслед за выполнением измерений - вечером тех же суток. Оператор, прибыв после завершения наблюдений на базу (в камеральное помещение, в офис) и поставив на зарядку аккумуляторы, приступает к постобработке. Необходимо выяснить, успешными ли были наблюдения прошедшего светового дня и насколько полученные результаты согласуются с теми результатами, которые были получены в предшествующие дни наблюдений. При выявлении проблем вносят корректировки в планы на следующий день.
Зарегистрированные приемниками данные (необработанные данные, сырые данные, raw data) скачивают в офисный компьютер. Как было сказано, идентификаторы сессий, хранящиеся в памяти каких-либо приемников, можно изменять. Это делают для того, чтобы соблюсти единообразие идентификаторов сессий и, в частности, идентификаторов пунктов в данной сети. Редко, но случается, что недостаточно опытный полевой оператор ошибся при вводе высоты антенны в память приемника и введенное значение не совпадает со значением, записанным в полевом журнале. Такой грубый промах вызывает сомнения в достоверности полученных данных. Могут даже потребоваться повторные наблюдения не только на данном пункте, но и, естественно, на всех пунктах, работавших в сессии (в сессиях) с участием данного оператора и приемника, установленного на данном пункте. Если же в результате общего обсуждения запись в полевом журнале признана достоверной, то значение высоты антенны, скаченное в офисный компьютер и хранящееся в его памяти, изменяют на значение, записанное в полевом журнале.
Программное обеспечение приемников и офисного компьютера
в какой-то мере контролирует действия операторов и корректность вводимой информации. Говорят, что программное обеспечение обладает "защитой от дурака" - fool proof. Это же выражение можно перевести как "защита дурака". Например, приемник будет сопротивляться выключению, если оператор забыл ввести высоту антенны. Вместе с тем, аппаратура и программное обеспечение не могут контролировать все действия оператора. Центрирование антенны над пунктом - процедура бесконтрольная. При измерении высоты антенны над пунктом, как было сказано, и при введении значения высоты в память приемника оператор может допустить ошибку, а программное обеспечение не сможет эту ошибку выявить. После того, как очередной файл скачан из приемника в офисный компьютер, этот файл из памяти приемника удаляют. Память приемника надо очищать своевременно, как можно чаще. Переполнение памяти приемника приводит к потере всех хранящихся там файлов.
Результатом постобработки, как показано на рисунке 11.1, является вектор базы D. Результатом является также корреляционная матрица, позволяющая оценить точность этого вектора [13]. Обработав очередную базу, оператор выясняет, как полученный результат согласуется с исходными данными (координатами исходных твердых пунктов) и как этот результат согласуется с результатами спутниковых наблюдений в данной сети, полученными ранее. Речь идет о том, как полученные координаты векторов баз (разности координат пунктов) согласуются с каталожными разностями координат исходных пунктов и каковы координатные невязки замкнутых фигур. Согласование спутниковых данных и данных, полученных наземными методами, часто создает проблемы. Эти проблемы возникают потому, что внутренняя точность спутниковой сети выше внутренней точности исходной сети, созданной наземным методом. Этот вопрос выходит за рамки данного учебного пособия.
Вместе с тем следует сказать, что согласование вновь полученных результатов спутниковых измерений (определений) с результатами определений (измерений), полученными ранее наземными методами, является критически важным. Трансформирование и согласование систем координат рассмотрено в работах [7,13].
Что же касается невязок замкнутых фигур, то теоретическая сумма векторов баз равна нулю:
[DX] = 0, [DY] = 0, [DZ] = 0 . (11.1)
Недопустимое отклонение от этого условия свидетельствует о
низкой точности или о грубых ошибках в результатах измерений. Чаще всего причиной является плохое центрирование и измерение высоты антенны. Обычно допустимое значение невязки по каждой координате имеет порядок одного сантиметра.
Завершение работ
Конечным результатом работ является составление каталога координат пунктов геодезической сети и сдача результатов работы заказчику. До того, как результаты работы будут сданы заказчику, необходимо выполнить полевой контроль. В результате выполнения' полевого контроля исполнитель должен еще раз сам убедиться в том, что координаты пунктов вновь созданной им геодезической сети определены с заранее оговоренной точностью. Полевой контроль осуществляют повторными спутниковыми наблюдениями на некоторых из пунктов сети. Эти пункты выбирает либо исполнитель, либо заказчик, либо оба эти юридические лица вместе. Иногда там, где существует взаимная видимость между пунктами геодезической сети, выполняют контрольные измерения расстояний и измерения горизонтальных углов между пунктами геодезической сети. Для таких измерений используют высокоточные дальномеры и теодолиты.