Развитие технологий
За последние десятилетия технологии инерциальных систем получили значительное развитие. Интегрированные навигационные системы, которые давно используются в аэрокосмической промышленности, теперь доступны и в геодезических приложениях. Развитие ГНСС и компактных инерциальных датчиков привело к созданию интегрированных навигационных систем, которые позволяют выполнять измерения в режиме RTK с компенсацией наклона.
Последние технологические разработки использутся в PrinCe i90. Приёмник сочетает в себе современный модуль обработки ГНСС сигналов и высокопроизводительный датчик IMU (инерциальный измерительный блок) для автоматической компенсации наклона вехи. Это значительно повышает производительность съёмки и сокращает потенциальные ошибки, связанные с человеческим фактором.
Принцип компенсации наклона вехи при работе с ГНСС приёмником прост:
если длина вехи известна, достаточно определить угловую ориентацию наклонной вехи
и её проекцию на плоскость относительно направления на север,
как показано на рисунке:
Традиционные технологии
Если наклон вехи (t) может быть измерен с высокой точностью при помощи акселерометров, то измерение истинного азимута (λ) проекции вехи на горизонтальную плоскость относительно направления на Север - является более сложной задачей. В приёмниках, которые уже считаются традиционными, функция компенсации наклона работает за счёт электронного компаса. Он в свою очередь, опирается на измерения магнитного поля с помощью магнитометра и измеряет ориентацию вехи относительно магнитного Севера. Такой подход имеет недостатки.
На точность измерений магнитометра влияют электромагнитные возмущения. Они могут появиться от металлических объектов (автомобили, здания из металлоконструкций) и электрического излучения (линии электропередач, электроустановки). Все эти объекты могут находиться вблизи места выполнения съёмки RTK и создавать помехи.
Магнитное поле измеренное магнитометром, значительно изменяется в зависимости от угла наклона вехи. Это ограничивает диапазон компенсации наклона, всего до 15 градусов.
Кроме того, требуется учитывать сближение мередианов - угол между географическим и магнитным севером. Сближение мередианов меняется в зависимости от местоположения, а также с течением времени. Также, стоит учитывать местные магнитные аномалии.
Продолжительные калибровки магнитометра занимают часть рабочего времени и снижают производительность. Проведение калибровки нужно проводить обязательно, на каждом новом объекте проведения работ.
Одно из основных преимуществ технологии компенсации наклона в приёмниках PrinCe i90, основанной на IMU - это то, что инерциальная система не подвержена электромагнитным помехам и может применяться при больших углах наклона.
Интеграция ГНСС и инерциальной системы
Модуль IMU в ГНСС приёмнике PrinCe i90 представляет собой MEMS датчик, точнее говоря - микроэлектромеханическая система.
Она включает в себя:
- трёхосевой гироскоп для измерения угловой скорости
- трёхосевой акселерометр, для регистрации ускорения относительно ортогональных осей.
Показания датчиков инерциальной системы объединяются и обрабатываются при помощи встроенного микропроцессора.
Каждый модуль IMU индивидуально калибруется при сборке, для уравнивания чувствительности датчиков по осям. Это повышает точность и качество данных, предоставляемых инерциальной системой.
Данные из инерциальной системы, а также модуля ГНСС поступают в ПО LandStar. Специальный алгоритм автоматически обрабатывает полученную информацию для определения положения вехи и соответствующей оценки качества при съёмке и выносе с компенсацией наклона.
Координаты и оценка точности, которые вы получаете в результате обработки ГНСС-сигнала и данных инерциальной системы, определяются для кончика вехи, независимо от угла наклона.
Совместное использование данных от блоков ГНСС и IMU позволяет в реальном времени оценивать смещения акселерометра и гироскопа. Это минимизирует дрейф системы.
Плюсы и сложности при интеграции с ГНСС
При создании PrinCe i90 пришлось решить ряд вопросов, связанных с особенностями приёма и обработки спутниковых сигналов при наклонённой вехе.
При съёмке с компенсацией наклона большое значение имеет надёжное и высокочувствительное отслеживание сигналов ГНСС во всех полосах частот, особенно при больших углах наклона вехи.
Угол места α (веха установлена вертикально) для входящего ГНСС сигнала относительно горизонта антенны уменьшается на величину угла наклона вехи t (см. рис.). Следовательно, возвышение для спутникового сигнала при наклонённой вехе β, тем меньше, чем больше угол наклона t.
При вертикальной вехе, принимаемые под большим возвышением сигналы от спутников, могут стать близгоризонтными при измерении с наклоном (в зависимости от расположения).
При выполнении измерений вблизи зданий или заборов возрастает зашумление сигналов, из-за многолучевости.
Чтобы этого избежать, приёмник PrinCe i90 оснащен передовыми технологиями обработки сигналов. Это обеспечивает максимальное количество используемых ИСЗ при сохранении высокого коэффициента усиления сигнала для съёмки с компенсацией наклона.
Недостаточное количество наблюдаемых ИСЗ или зашумление сигналов - считается сложными условиями для работы с ГНСС оборудованием. В таких случаях, инерциальная система работает в качестве дополняющей, так как она не подвержена помехам в спутниковом сигнале. Поэтому даже вблизи зданий или густом лесу обеспечивается надёжное фиксированное решение.
Производительность
Затраченные усилия по интеграции ГНСС и инерциальной системы оправдывают результат.
В отличии от обычных приёмников, которые используют в инженерно-геодезических изысканиях, приёмники с инерциальной системой выполняют точные измерения, без необходимости установки вехи в вертикальное положение в процессе съёмки или разбивки.
Результаты испытаний: увеличение производительности более чем на 30% по сравнению с традиционной съёмкой без компенсации наклона. Инерциальная система снижает влияние человеческого фактора, связанного с ошибками при горизонтировании приёмника на вехе.
Помимо съёмки, система IMU используется и для разбивочных работ. При поиске точки не требуется держать веху вертикально, поскольку координаты относятся к кончику вехи, а не к вертикальной проекции фазового центра антенны приёмника на землю.
PrinCe i90 обеспечивает эффективное разрешение неоднозначности в условиях плохой видимости спутников и существенных ошибок переотражения (например, городская застройка). Чтобы добиться сантиметрового уровня точности RTK, геодезисту достаточно сориентировать приёмник i90 в направлении относительно открытого неба.
Заключение
Размеры и технические характеристики IMU позволяют встраивать микропроцессоры в компактные устройства, такие как ГНСС-приёмники. В то же время, мощность микропроцессоров в приёмнике и контроллере достаточна для обработки как ГНСС-сигналов, так и высокочастотных данных с инерциальной системы. Цена подобного устройства становится всё доступнее, это позволяет окупить инвестиции достаточно быстро за счёт увеличения производительности и надёжности получаемых данных.
Хорошие результаты IMU системы на модели i90 в дальнейшем приведут к использованию данной технологии и на других моделях приёмников семейства PrinCe.
