System GPS - część 3

To już trzecia i póki co ostatnia część cyklu informacji o GPS autorstwa Ryszarda Bonieckiego z firmy APEKS z Gdańska. W pierwszej części pisaliśmy, czym w ogóle jest system GPS. W drugiej wyjaśniliśmy podstawowe terminy związane z tematem. Dzisiaj rozwikłanie tajemniczych skrótów STS oraz Stop&Go.

Pomiary względne – statyczne (STS)
Warunki jakie muszą zostać spełnione na stanowisku, aby uzyskać zadowalające wyniki:
1. Odkryty horyzont – brak zasłon w „oknie”
2. Ilość obserwowanych satelitów > 4
3. Minimalne wzniesienie „obserwowanych” satelitów „okno” 15 stopni
4. Wskaźnik GDOP < 8
5. Czas obserwacji > 45 minut przy odbiorniku dwuczęstotliwościowym -
60 min przy jednoczęstotliwościowym.


Lepsze warunki pomiaru, (większa liczba satelitów w „oknie”, korzystniejsza geometria (mniejsza wartość wskaźnika GDOP), wykonywanie obserwacji w porze nocnej pozwalają skrócić czas pomiaru.

Powyższe ustalenia odnoszą się do baz o długości do 20 km.

Niektórzy praktycy stosują zależność 10-15 min + 1 minuta na każdy kilometr długości bazy przy odbiornikach dwuczęstotliwościowych i 10-15 minut + 2 minuty na każdy km bazy dla odbiorników jednoczęstotliwościowych, przy minimum 5 satelitach i odkrytym horyzoncie RapidStatic, FastStatic (Trimble).
1. Wybór stanowisk
2. Połączenie i wybór trybu pracy, uruchomienie zestawów
3. „Zrzut” zaobserwowanych danych do komputera
4. Przeprowadzenie post processingu (ewentualnie wyrównania)
5. Omówienie wyników

Stop&Go (SGS)
Ta technologia zaliczana do grupy pseudo–kinematycznych pozwala na określenie położenia mierzonego punktu z dokładnością kilku cm względem punktu referencyjnego.
Polega na wykonaniu inicjalizacji w pobliżu punktu referencyjnego w okresie 10-15 minut, w czasie, w którym zostanie określona liczba pełnych cykli fazowych, a następnie wykonaniu pomiaru na poszczególnych punktach.

Zaletą tej metody jest jej dokładność i szybkość. Czas postoju na mierzonych punktach jest znacznie krótszy, niż przy metodach statycznych zwykle wystarczają 2 epoki (przy interwale 5 sek. jest to 10 sekund pomiaru na stanowisku). Utrudnieniem są wyższe wymagania co do warunków pomiaru - liczba satelitów, konstelacja, konieczność nieprzerwanego odbioru sygnału z 4 satelitów.


Zaleca się stosowanie odbiorników dwuczęstotliwościowych
Metoda wymaga opracowania w drodze post-processingu.
1. Wybór stanowiska i punktów do pomiaru,
2. Skonfigurowanie odbiorników do pracy w trybie SGS
3. Inicjalizacja
4. Pomiar SGS
5. „Zrzut” zarejestrowanych danych,
6. Postprocessing, omówienie wyników.

System GPS - część 2

W pierwszej części pisaliśmy, czym w ogóle jest system GPS. Dzisiaj czas na wyjaśnienie podstawowych terminów związanych z tym tematem.

Pomiary pseudoodległości – pomiary odległości satelita – antena odbiornika na podstawie porównania emitowanego przez satelitę kodu i jego repliki generowanej przez odbiornik. Są to tzw. wyznaczenia nawigacyjne, autonomiczne. Dokładność określenia pozycji rzędu kilku metrów.

Pomiary fazowe – to rodzaj pomiarów stanowiący o wysokiej dokładności wyznaczenia pozycji w technice GPS. Różnicowe pomiary fazowe z dokładnością 1/100 cyklu fazowego fali nośnej umożliwiają wyznaczenie różnic odległości dwóch odbiorników z dokładnością milimetrową.

Pomiary różnicowe (względne) – podstawowy rodzaj pomiarów GPS w zastosowaniach geodezyjnych polegających na wyznaczeniu pozycji względem punktu (punktów) o znanym położeniu (punkcie referencyjnym)

W kategorii pomiarów różnicowych w zależności od stosowanych procedur pomiarowych wyróżniamy:
1. gdy odbiorniki przez cały okres gromadzenia danych pozostają nawzajem w bezruchu
- obserwacje statyczne
- szybkie statyczne (FastStatic, Rapid Static),
2. gdy jeden lub więcej odbiorników się przemieszcza, a przynajmniej jeden prowadzi pomiar
stacjonarnie
- Stop&Go semi-kinematic
- kinematyczne
3. pomiary RTK (Real Time Kinematic) - pozwalające na uzyskanie pozycji z dokładnością centymetrową w czasie rzeczywistym (konieczne jest ustanowienie komunikacji pomiędzy odbiornikiem bazowym a ruchomym, w celu przesyłania korekt). Zwykle odbywa się to za pośrednictwem radia, coraz częściej jednak wykorzystywane są sieci telefonii komórkowej.

Sensor – odbiornik, zasadnicza część zestawu, do której dostarczane są za pośrednictwem anteny dane z satelitów.

Controller, data logger – urządzenie, za pośrednictwem którego komunikujemy się z odbiornikiem (ustawiamy tryb pracy, częstotliwość rejestrowania danych itp.), i w którym odbywa się rejestracja danych.

















Okno – przestrzeń, w której znajdują się obserwowane satelity, zwykle określa się je w stopniach określających kąt wzniesienia satelity nad horyzontem, powyżej którego sygnały z satelity są rejestrowane.
„Odcinanie części sygnału jest konieczne ze względu na niekorzystny wpływ „grubej” warstwy troposfery i jonosfery nad horyzontem.

Zasłona – naturalny lub sztuczny obiekt ograniczający dotarcie sygnału z satelity do anteny odbiornika

DOP (dilution of precision) – wskaźnik określający geometrię układu odbiornik – satelity systemu GPS w danym momencie (GDOP, PDOP, VDOP, HDOP)

Epoka (interwał pom.) – jeden zarejestrowany cykl obserwacyjny zwykle 5, 10 lub 15 sekund

System GPS – część 1

Dzisiaj poruszamy temat systemu GPS. Czy jest? O czym powinien wiedzieć geodeta, chcąc korzystać z tej zdobyczy cywilizacji. Wszystkie wątpliwości wyjaśni ekspert, Ryszard Boniecki z firmy APEKS z Gdańska.

System GPS, przytaczam za profesorem Kazimierzem Czarneckim, jest swoistą „czarną skrzynką” wymagającą niewielkiego udziału operatora, którego rola jak się na pierwszy rzut oka wydaje, sprowadza się do ustawienia anteny nad punktem pomiarowym, zmierzenia wysokości anteny nad mierzonym punktem, załączenia zasilania i uruchomienia odbiornika. Podobnie, po zakończeniu pomiaru wystarczy nacisnąć kilka „guzików” w określonej kolejności, przesłać zarejestrowane dane do komputera, uruchomić program i po pewnym czasie uzyskać wyświetlone na monitorze wyniki.

Czy zatem istnieje potrzeba, aby współczesny geodeta - użytkownik systemu GPS, rozumiał jego działanie. Odpowiedź jest zdecydowanie twierdząca.

Współczesny geodeta, jeśli chce korzystać z techniki GPS, musi wiedzieć o niej bardzo dużo: musi zdawać sobie sprawę z zasad działania systemu; z jego podstaw teoretycznych; wiedzieć jak działają różne odbiorniki GPS; wiedzieć jak dobrać odpowiedni typ odbiornika i anteny do określonych celów. Powinien wiedzieć także jaka procedura obserwacji będzie właściwa dla celów, jakie chce osiągnąć. Powinien umieć dobrać odpowiednie programy do przetworzenia wyników obserwacji, a później wykorzystać je w różnych układach współrzędnych, w połączeniu z wynikami uzyskanymi np. za pomocą technik klasycznych.

Obserwacje GPS są wykorzystywane w coraz szerszym zakresie. Poza podstawowym - określeniem pozycji, coraz częściej wykorzystywane są do określenia różnic wysokości między punktami (niwelacja satelitarna), czy wyznaczenia przemieszczeń poziomych i pionowych, jeśli wymieniać tyko te zastosowania będące przedtem domeną innych dziedzin geodezji.

Oczywiście nietypowe, bądź eksperymentalne zastosowania wymagają głębszej wiedzy i szczególnej staranności przy wykonywaniu pomiarów.

Krótka charakterystyka systemu
System GPS tworzą trzy zasadnicze części (segmenty):
- segment kosmiczny – tworzą „w zasadzie” 24 satelity (czynne) umieszczone na sześciu prawie kołowych orbitach o nachyleniu ok. 55 stopni do płaszczyzny równika (po 4 satelity na każdej orbicie), wysokość orbity ok. 20 000 km. Każdy z satelitów emituje bardzo stabilne częstotliwości pomiarowe, transmituje sygnały własnego zegara oraz retransmituje informacje efemerydalne (dotyczące położenia satelity w przestrzeni) i identyfikacyjne (dotyczące tego satelity i całego systemu);
- segment kontroli – składający się z 5 stacji śledzących Colorado Springs (master station) i 4 rozmieszczonych w miarę równomiernie wzdłuż równika. Obserwacje zarejestrowane na stacjach śledzących są przesyłane do stacji podstawowej (master). Centrum obliczeniowe dokonuje wyznaczenia przewidywanych elementów orbity każdego satelity i poprawek pozwalających na określenie pozycji satelity w momencie obserwacji. Te informacje wraz z poprawą zegara satelity są przesyłane do komputera pokładowego satelity, a następnie retransmitowane w postaci tzw. efemeryd pokładowych (części depeszy satelitarnej);
- segment użytkowników - w zależności od rodzaju posiadanego sprzętu i potrzeb użytkownicy wyznaczają swoją pozycję bezpośrednio w systemie WGS-84 (nawigacja) lub przy zastosowaniu innych narzędzi i metod pomiaru (statycznych), w post-processingu, wyznaczają pozycję ze znacznie większą dokładnością. Istnieją też inne sposoby wyznaczenia pozycji (tryby kinematyczne). Omówienie nawet pobieżne wszystkich sposobów wyznaczenia pozycji oraz podstaw teoretycznych wymagałoby obszernego wykładu (cyklu wykładów).































Zainteresowanych odsyłam do literatury - artykułów w magazynie GEODETA (dodatek NAWI), podręczników akademickich i publikacji przekrojowych np.: Geodezja współczesna w zarysie [K. Czarnecki, Wydawnictwo Wiedza i Życie], GPS w praktyce geodezyjnej [J. Lamparski, K. Świątek Wydawnictwo Gall]

W uproszczeniu wyznaczenie pozycji polega na realizacji przestrzennego wcięcia wstecz (liniowego) do punktów (satelitów GPS), których pozycja w przestrzeni choć zmienna, jest możliwa do wyznaczenia na podstawie transmitowanych przez satelity efemeryd.

Planowanie obserwacji

Większość dostawców odbiorników dostarcza wraz ze sprzętem narzędzia do opracowania i wyrównania wyników pomiaru, oraz do planowania misji obserwacyjnych.

Programy do planowania misji obserwacyjnych bazują na informacjach zawartych w almanachu – części depeszy satelitarnej.
Posiadając informacje o przybliżonej lokalizacji stanowisk obserwacyjnych, można zaplanować sesje pomiarowe, dokonując wyboru optymalnych przedziałów czasowych dla wykonania „obserwacji”.

Program podaje informacje o liczbie widocznych w określonym „oknie” satelitów, ich konstelacji, wartości wskaźnika DOP, itp. przedstawione na osi czasu.

Wykorzystanie skaningu laserowego

O skanowaniu laserowym, ogólnych zastosowaniach tej metody pomiaru już trochę pisaliśmy. Dzisiaj nadszedł czas na wypowiedź eksperta w tej sprawie, Ryszarda Bonieckiego z firmy APEKS z Gdańska. Czym jest skaner? Jak działa? Do czego służy? Na wszystkie i inne pytania znajdziecie odpowiedź poniżej.

Skaner to właściwie bardzo szybki tachymetr bezlustrowy, wykonujący pomiar wszystkich elementów w zdefiniowanym zakresie (oknie). Szybkość z jaką wykonuje pomiar (do 125.000 pomiarów/sek) pozwala na znaczne skrócenie i automatyzację prac terenowych, analizę i interpretację wyników pozostawiając operatorowi wspomaganemu specjalistycznym oprogramowaniem.

Pomiar skanerem zawiera wiele analogii do pomiaru fotogrametrycznego – w obu wypadkach do lokalizacji punktów wykorzystywane są promienie (celowe) wychodzące z jednego punktu (punkt przecięcia osi obrotu skanera, punkt osi optycznej obiektywu kamery fotogrametrycznej). Przewaga skanera wyraża się w uzyskaniu trzeciego wymiaru z jednego stanowiska skanera w przeciwieństwie do metod fotogrametrycznych, w których konieczne jest wykonanie jeszcze jednego zdjęcia z innej lokalizacji kamery dla uzyskania trzeciego wymiaru.
Jedną z najważniejszych cech obu metod, jest poprzez fakt rejestracji stanu otoczenia na określony moment, możliwość powrotu do danych źródłowych w dowolnym momencie i pozyskanie interesujących nas informacji. Dla metody fotogrametrycznej moment to czas otwarcia migawki kamery, dla skaningu laserowego to z reguły, kilka – kilkanaście minut, co jednak w typowych zastosowaniach można traktować jako „moment”, wobec czasu trwania pomiaru przy zastosowaniu klasycznych metod, tym bardziej, że podczas skaningu wykonywane są też zdjęcia odpowiednio skalibrowaną kamerą.

W typowym dla trybu statycznego ustawieniu (na statywie w pozycji ~pionowej), skaner z wysoką dokładnością pomierzy elementy, od których zostanie odbity promień lasera położone w odległości od 1,5 m do ok. 500 m od przyrządu.
Nominalna dokładność wynosi ± 5 mm, lecz dla krótszych odległości może być wyższa – na poziomie ± 2 mm.

Dokładność pomiaru odległości od skanera do obiektu należy skoordynować z ustawieniem rozdzielczości kątowej (w kierunku poziomym i pionowym).

Zastosowania skanera (w trybie statycznym).
Metoda skaningu ma zastosowanie przede wszystkim dla:
- obiektów zagrożonych katastrofą budowlaną,
- inwentaryzacji skomplikowanych, niedostępnych konstrukcji w zakładach przemysłowych,
- szybkiej o niespotykanych dotąd dokładności i możliwościach prezentacji inwentaryzacji obiektów zabytkowych dla potrzeb dokumentacyjnych i konserwatorskich,
- jw. rejestracji miejsc katastrof, przestępstw itp.
- monitoringu budowli podlegających dynamicznym wpływom otoczenia (zapory wodne, wały przeciwpowodziowe, słupy energetyczne, kominy przemysłowe itp.) – przez porównanie z rejestracją (pomiarem) wyjściową stanu obiektu,
- wyznaczenia zmian objętości składowisk (hałd) materiałów sypkich jak, kruszywa budowlane naturalne i sztuczne, surowców, paliw stałych (węgiel, koks itp.)
- sporządzenia mapy do celów projektowych – zwykle jako uzupełnienie do pomiarów klasycznych – szczególnie dla pomiaru obiektów o skomplikowanych formach, lub konstrukcji w typie obiektów mostowych, a także naturalnych powierzchni terenu o mało zróżnicowanych trudnych do zdefiniowania formach (wymagających przy zastosowaniu klasycznych metod zaangażowania doświadczonych specjalistów z wyobraźnią przestrzenną, nie wspominając o znacznie dłuższym czasie pomiaru). Na podstawie danych ze skanowania przefiltrowanych dla uzyskania siatki punktów w rozstawie np. 1*1 m tworzymy numeryczny model tereny (DTM), który możemy przedstawić np. w formie planu warstwicowego o skoku uzależnionym od charakteru terenu. Tak gęsta siatka (ok. 10 000 punktów/1 ha) pozwala na utworzenie DTM bardzo zbliżonego do rzeczywistego ukształtowania terenu przy założeniu tylko występowania punktów rozproszonych (random).
- dokonania oceny prawidłowości opracowania rzeźby terenu z pomiarów klasycznych (utworzony i przedstawiony graficznie jak opisano w przypisie 2 DTM porównuje się z opracowaniem rzeźby terenu w sposób klasyczny),
- sporządzenie bilansu robót ziemnych poprzez porównanie modelu terenu „projektowanego” (opracowanego z danych projektowych) i rzeczywistego opracowanego na podstawie wyników skanowania laserowego.

Jak widać z przeglądu zastosowań metody skaningu laserowego w trybie stacjonarnym ocenę zmian stanu (przemieszczenia, odkształcenia, uszkodzenia) mierzonych obiektów można dokonać poprzez porównanie ze stanem wyjściowym, czyli konieczne jest wykonanie pomiaru wyjściowego, jako bazy do porównań. Należy także nadmienić, że pomiar wyjściowy i kolejne pomiary monitorujące powinny być wykonane w tym samym układzie odniesienia.