Спутниковое геодезическое оборудование: методы измерений и выбор комплекта оборудования для геодезических работ

Спутниковое оборудование вывело геодезию на новый уровень, за счёт высокой точности проводимых измерений.

Комплект спутникового геодезического оборудования

Спутниковое оборудование для геодезии отличается повышенной оперативностью и точностью измерений, возможностью представления данных в разных форматах в каждый момент времени.

Зачем нужен спутниковый геодезический комплект

Геодезическое оборудование нового поколения вытеснило из хозяйственного обихода традиционные методы измерений. Точная GPS-информация о размерах, планово-высотных координатах исследуемых территорий, участков, о местонахождении конкретных объектов стала основой решения геодезических задач.

Что входит в комплект спутникового геодезического оборудования

Стандартный набор изыскательской аппаратуры состоит из приёмников, управляющих, передающих устройств с разным уровнем производительности и технических характеристик.

Спутниковый приёмник GPS / ГНСС

Основа комплекса — спутниковые геодезические приёмники, определяющие работоспособность и точность всего оборудования. Устройства с дешифраторами предназначены для приёма и обработки закодированных сигналов с орбитальных спутников и вычисления координат обследуемых объектов.

Применяются двух- и многочастотные приёмники, отличающиеся функционалом и характеристиками.

Спутниковый модем

Современные модемы с мощностью передачи до 25 — 35 Вт и широким диапазоном настройки частот используются для получения, передачи информации, расширения диапазона покрытия RTK за счёт корректирующих поправок. Некоторые модели оснащаются и радиоретрансляторами для расширения опций.

Ровер

Приёмники, которые используются в качестве подвижных устройств, принимают и обрабатывают сигналы глобальных спутниковых систем навигации и базы. ГНСС-чипы обеспечивают удобство работы в статических и кинематических режимах, заданную точность измерений.

Контроллер

Производительные полевые контроллеры — смартфоны, планшеты — рассчитаны на решение нескольких типов задач: управление работой комплекса, визуализацию, обработку информации с помощью предустановленного ПО.

Универсальные приборы оснащены экранами с удобным интерфейсом, автономными источниками питания, интегрированными дальномерами.

Спутниковая антенна

Антенны улавливают навигационную информацию со спутников и передают на принимающие устройства. Они характеризуются высокой чувствительностью и направленностью действия, что гарантирует надёжный обмен сигналами даже в сложных условиях.

Кабели

Соединение в один контур компонентов геодезического оборудования, питание, передача информации осуществляются с помощью надёжных кабелей в защитных оболочках, предотвращающих помехи.

Трибрахи, треггеры и стойки

Для точной установки геодезического инструментария (приёмников, антенн, теодолита) в заданных точках, фиксации, выравнивания на штативах, вехах, стойках используют специальные крепёжные детали в виде подставок — треггеры, трибрахи.

Геодезическое оборудование и аксессуары

Для бесперебойной работы на полевом этапе, помимо основного оборудования, необходимы специальные аксессуары и приспособления:

отражатели;
штативы-треноги, телескопические вехи;
чехлы, кейсы, сумки, рюкзаки с защитными вставками;
дополнительные аккумуляторы.

ПО для спутникового геодезического оборудования

Ключевые функции программного сопровождения геодезических съёмок и других видов работ:

визуализация, расшифровка, обработка, анализ информации и поправок, полученных от спутников;
контроль режимов и траекторий съёмки;
коммуникация со сторонними устройствами и информационными системами, экспорт, импорт данных.

Варианты конфигурации комплекта ГНСС

От принципа компоновки элементов спутникового геодезического оборудования зависят результативность работы и достоверность результатов. Набор и виды аппаратуры, взаимное расположение на участке подбираются в соответствии с типом поставленных задач, особенностями геометрии объекта, рельефа местности, иных факторов.

В комплект для выполнения стандартных измерений входят два одновременно работающих приёмника — базовый и передвижной, полевой контроллер с ПО, модем, спутниковая антенна. В случае сложных изысканий конфигурация оборудования адаптируется за счёт оснащения дополнительными или специализированными устройствами и аксессуарами — приёмниками, внешним радиомодемом, направленными антеннами, ретрансляторами, аккумуляторами, мачтами.

Преимущества использования комплектов спутникового геодезического оборудования

Благодаря применению GPS/GNSS-инструментария достигаются следующие технические и экономические эффекты:

непревзойдённая точность позиционирования объектов независимо от времени суток, погоды — от 1 — 2 см до нескольких мм;
повышение скорости измерений в местах с плотной застройкой, сложным рельефом, лесистой местности, при нулевой видимости;
возможность измерять параметры территорий больших размеров вплоть до стран;
качество и достоверность чертежей, схем, расчётов, карт;
минимизация ошибок, за счёт исключения человеческого фактора;
увеличение производительности, сокращение в разы трудоёмкости работ;
мобильность, мгновенное развёртывание;
удобство использования;
доступность освоения навыков работы;
улучшение условий труда.

Цели и задачи GPS измерений в геодезии

Спутниковая высокоточная аппаратура разработана для повышения эффективности, надёжности инженерно-геодезических, инженерно-строительных обследований, достижения максимального уровня точности информации.

Методы спутниковых геодезических измерений применяются для решения разноплановых научных и прикладных задач, к ним относятся:

создание, развитие, реконструкция съёмочных и опорных сетей, определение местоположения опорных пунктов для изысканий;
формирование единой структуры координат для всех сфер научно-хозяйственной деятельности;
определение координат, форм, площадей территорий отдельных участков земной поверхности, создание, корректировка планов, картографических материалов;
топографические исполнительские съёмки;
подготовка геоподосновы, вынос проектов в натуру при проектировании, строительстве, прокладке ресурсных сетей, дорог;
проверка площади, взаимного расположения объектов, мониторинг смещения рельефа земной поверхности, деформации сооружений;
исследования в областях, где требуется точная геометрическая информация — в геологии, землеустройстве, археологии;
определение конфигурации, размеров Земли и гравитационных полей, отслеживание глобальных геологических процессов.

Принцип работы спутниковых GPS приёмников

Глобальная сеть позиционирования состоит нескольких сегментов — космического, контрольного и пользовательского. По околоземным орбитам движутся десятки искусственных спутников, оснащённых передатчиками и высокоточными часами. Спутники синхронно передают на Землю закодированную информацию. Наземные станции управления, мониторинга принимают сигналы, пересчитывают изменения положения спутника и непрерывно передают поправки обратно для уточнения траектории. Алгоритм гарантирует достоверность позиционирования космических аппаратов в каждый момент времени.

Прикладная часть — это оснащенные спутниковыми приёмниками абонентские устройства разного назначения, в том числе геодезическая аппаратура. Принимающие блоки комплекта спутникового геодезического оборудования соединяются с несколькими орбитальными передатчиками сразу. Они обрабатывают получаемые сигналы с учётом точного времени их отправки, вычисляют расстояние до каждого спутника и фиксируют на координатной сетке исследуемой местности. Положение объектов вычисляется методом построения трёхмерного вектора между базой и ровером.

Для вычисления местоположения объекта с точностью до 0,5 м нужно одновременно получить сигналы 8 — 12 спутников. Увеличение числа космических аппаратов позволяет достигать большей точности позиционирования.

Назначение и примеры использования спутникового оборудования для геодезических работ

Компактные и высокоточные комплекты спутниковой аппаратуры востребованы в различных областях.

Геодезические изыскания

Инженерно-геодезические работы проводятся для определения координат месторождений полезных ископаемых, при прокладке маршрутов строительства линий электропередач и трубопроводов, коммуникаций, выносе проектных точек на натуру, создании геодезической разбивочной основы.

Строительство

Спутниковое оборудование незаменимо при создании опорных геодезических сетей, сопровождении строительства от проработки детализированных моделей территорий до возведения зданий, мостов, дорог, портов, линейных объектов — трубопроводов, эстакад, ЛЭП; выносе проектов в натуру, контроле качества работ, соответствия объектов проектным требованиям и стандартам безопасности.

Горнодобывающая промышленность

Спутниковое геодезическое оборудование применяется для управления месторождениями, при проведении подземных и наземных измерений, контроля за деформацией выработок и шахт, удалённого управления горнодобывающей техникой — буровыми установками, экскаваторами.

Сельское хозяйство

Геодезическое GPS-оборудование задействовано в разных сферах сельского хозяйства: управление ресурсами, мониторинг текущего состояния окружающей среды для принятия решений о проведении сезонных работ (сева, обработки гербицидами, подкормки), применение беспилотной сельхозтехники.

Картография

Потенциал спутниковой геодезии позволяет выполнять топографические съёмки и создавать точные атласы, карты и топографические планы территорий, которые востребованы в ряде отраслей, в том числе в кадастровой и землеустроительной.

Дополнительные возможности геодезических GNSS приёмников

Спутниковое геодезическое оборудование находит применение для координатной поддержки:

научных исследований, в том числе в области изучения эволюции Земли;
землеустройства и кадастра;
служб эксплуатации зданий и инженерных систем;
сейсморазведки;
грузоперевозок, логистики.

Как правильно разместить спутниковое геодезическое оборудование на участке проведения работ

Для корректной эксплуатации комплекта спутникового геодезического оборудования следует заранее выбрать на обследуемых объектах точки для установки базового приёмника. Опорные пункты рекомендуется разворачивать на возвышениях, вдали от ЛЭП, зданий, деревьев и оврагов. Также желательно избегать работы в зонах станций радиоподавления — у аэропортов, воинских частей ПВО.

Методы спутниковых геодезических измерений

В зависимости от целей, условий съёмки, расстояния между объектами и других факторов, GPS-измерения выполняются несколькими способами.

Статический метод

Режим статики — незаменимый вариант для создания опорных геодезических сетей. Работы проводятся при неподвижных приёмниках без канала связи между ними. Аппараты работают синхронно, измерения накапливаются, скачиваются и обрабатываются после завершения съёмок. Продолжительность наблюдений в каждой точке — не менее 1 ч. Методика даёт самую высокую точность измерений — первые миллиметры, при производительности до 10 точек в день.

Быстростатический метод

Один приёмник размещается на опорном пункте, второй перемещается по намеченным точкам, на каждой выполняются наблюдения в течение 15 — 20 мин. Методика позволяет быстро определить базовую линию, применяется для создания сетей сгущения, съёмок в городских условиях, где много помех — при перемещении приёмник отключается. По точности уступает статическому способу.

Кинематический метод

Техника предполагает использование двух приёмников: базовый локализуется на точке с установленными координатами, ровер постепенно перемещается по точкам участка, координаты которых предстоит определить. Продолжительность измерений на каждой позиции — около 30 сек, точность 1−2 см 2 мм/км.

Непрерывный кинематический

Используются, как минимум, два принимающих устройства. После привязки неподвижного аппарата на первой точке, подвижные приёмники поочередно перемещаются на другие точки измерений. Сферы применения — трассировка дорог, линий электропередач, подземных коммуникаций, других линейных объектов. Точность измерений — 10 — 15 см.

RTK-метод

Кинематика в реальном времени — основной режим работы спутникового геодезического оборудования. Использование соединённых каналом связи базового и роверного приёмников позволило повысить скорость измерений до нескольких точек в минуту, отслеживать координаты объектов в процессе работы, достигать сантиметровой точности.

Как выбрать спутниковое геодезическое оборудование, и что учесть, прежде чем купить

Главные критерии выбора аппаратуры: набор опций, объём и специфика работы — климат, степень экстремальности условий, продолжительность полевых выездов, доступность объектов, способность интеграции с другими системами.

Ключевые характеристики спутникового оборудования для геодезических работ

Производительность, надёжность, работоспособность комплектов ГНСС-оборудования зависит от ряда параметров.

Количество каналов

Принимающие устройства рассчитаны на одновременное отслеживание сигналов от сотен спутников глобальной навигации. В обычных условиях съёмок приёмник регистрирует до 24 — 28 космических аппаратов, каждый излучает 2 — 5 частот.

Чем больше ёмкость приёмника по числу каналов спутниковой связи, тем точнее определение координат. При выборе важно учесть с какими навигационными системами может взаимодействовать прибор, стабильность связи, набор и типы принимаемых сигналов, технологию обработки.

Группировки спутников

Популярные космические системы глобального позиционирования, на базе которых работает геодезическая аппаратура — американская GPS, российская ГЛОНАСС, европейская Galileo и китайская Compas (BeiDou). В каждой группировке — несколько орбит вращения навигационных спутников, что гарантирует приём сигналов в любой точке планеты. Кроме того, используются спутниковые системы дифференциальных поправок и региональные группировки позиционирования.

Чем шире набор сигналов от разных спутниковых систем, доступных для приёмника, тем больше объём и точность информации, которую получают геодезисты.

Время работы и ёмкость аккумуляторов

Аппараты геодезического комплекса функционируют на встроенных литий-ионных батареях, ресурса которых хватает для автономной работы в течение дня полевого обследования — на 8 — 12 ч. В ряде моделей предусмотрены два и больше источников питания, а также опции горячей замены, подзарядки, подключения сменных или дополнительных аккумуляторов.

Точность

Первостепенная характеристика геодезических приборов — погрешность определения координат объектов. Она складывается из постоянного отклонения, которое выражается в мм, и переменных ошибок, зависящих от расстояния между двумя приёмниками, погрешности интерпретации исходной информации, многолучёвости, погрешностей центрирования при установке приборов.

Время инициализации

Термин характеризует инерционность принимающего устройства — период задержки получения сигналов. На скорость инициализации влияют условия приёма, мощность и быстродействие процессора, тип ПО, протоколы обработки сигналов со спутников. При благоприятных условиях процесс инициализации занимает от 5 до 30 сек.

Форматы поправок и протоколы УКВ

Поправки спутниковых геодезических приёмников — это корректирующие данные, которые передаются с базы на ровер для уточнения координат. Часть поправок с открытым форматом доступна для передачи без ограничений, для поправок с закрытым кодом применяется универсальный международный формат поправок RTCM.

Температурный диапазон и защита корпуса

Надёжные, стойкие к механическим повреждениям геодезические спутниковые комплексы рассчитаны на эксплуатацию в разнотипных режимах, условиях и климатических зонах. Устройства снабжены прочными корпусами с классом защиты от пыли и влаги IP65 — IP68 и рассчитаны на эксплуатацию при температурах в диапазоне -45 — +75 0С.

Дисплей

Наличие дисплея в приёмнике даёт возможность без подключения сторонних устройств, выполнять настройку приёмника — при запуске базы, при работе в статическом режиме. С помощью монитора осуществляется выбор протоколов, контроль параметров съёмки — текущих настроек, числа задействованных спутников, состояния аккумулятора, объёма свободной памяти.

USB

Встроенный USB-разъём позволяет быстро подключить приёмник к компьютеру при необходимости настроить специализированные программы, скачать статистические данные.

Встроенная память

Устройства оснащены внутренними картами памяти минимум на 6 — 128 Гб. Объём свободной памяти влияет на продолжительность съёмок при работе в статическом режиме, доступность опции создания резервных копий информации.

WEBUI

Браузерный интерфейс WEBUI предназначен для настройки спутниковых приёмников без использования специальных программ.

Wi-Fi

Стандарт беспроводной связи Wi-Fi предназначен для настройки приёмников в полевых условиях — со смартфонов, планшетов, компьютеров, скачивания информацию без использования кабеля.

Электронный уровень

Приёмники GPS/ГНСС ряда марок оснащены встроенным высокоточным уровнем с электронным угломером. При отклонении вехи от заданного положения в процессе полевых измерений на дисплей контроллера подаётся сигнал. ПО учитывает величину наклона при определении истинного положения точки.

NMEA

Спутниковые приёмники со специальной функцией передают данные о координатах, скорости, времени на сторонние устройства навигации: радары, эхолоты, трассоискатели. Для этого применяются стандарты связи морского навигационного оборудования — протокол NMEA.

NFC

NFC-метки — микрочипы, способные взаимодействовать с радиосигналами определённых частот. Технология беспроводной передачи на малые расстояния позволяет мгновенно соединяться с приёмником и запускать ПО в одно касание.

Поддерживаемые технологии и сервисы коррекции

Для компенсации случайных и системных ошибок, повышения точности позиционирования объектов используют процедуры дифференциальной коррекции глобальных навигационных спутниковых систем (СДК ГНСС или DGPS).

Система коррекции на основе анализа информации со спутников и наземных опорных станций генерирует и передаёт поправки на передвижной приёмник. Ровер вычисляет уточненные значения собственного местоположения. Ряд стран развивает национальные и коммерческие сервисы дифференциальной коррекции.

Форм-факторы ГНСС приёмников

Аппаратная часть приёмников состоит из принимающего блока, спутниковой антенны, управляющего контроллера с предустановленным ПО и модема. По принципу компоновки различают три модификации геодезических приёмников. Они влияют на характеристики и сферы применения.

Моноблок

Элементы приёмника объединены в одном корпусе. Это самый популярный вариант. Устройство используют и как базу, и как ровер. Лёгкие, мобильные, компактные моноблоки отличаются расширенной функциональностью, простотой центрирования.

Раздельное решение

В приёмниках с раздельной компоновкой антенна и модем соединены посредством кабеля или беспроводной связи. Раздельное решение популярно для оснащения постоянных и полевых базовых станций.

Наладонники

Компактные устройства с интегрированными приёмником, модемом с контроллером и антенной используются преимущественно как роверы. При работе «с руки» наладонники обеспечивают субдециметровую точность, уступая по этому показателю моноблоку.