III. feladat: Alaphálózati GPS mérések

Átírás

1 III. feladat: Alaphálózati GPS mérések Az alaphálózatok mérőgyakorlat keretében a hallgatók a hosszúoldalú sokszögelés esetén használt hálózatot GPS mérési technikákkal is meghatározzák. A GPS mérések célja, hogy bemutassuk a különféle GPS helymeghatározási technikák közül azokat, amelyek alaphálózatok létrehozására, azok fejlesztésére felhasználhatóak. Az alaphálózatok létrehozásakor, fejlesztésekor a pontossági előírások és igények behatárolják az alkalmazható GPS technikákat. Ezért jellemzően két GPS helymeghatározási technikát mutatunk be, az egyik az utófeldolgozott statikus helymeghatározás, míg a másik a valós idejű kinematikus (real-time kinematic) helymeghatározás. 1.1 A gyakorlatokhoz felhasznált GPS vevők, és azok rövid használati útmutatója 1.2 Trimble 4000 SE/SSI 1.3 Trimble Leica SR Topcon HiperPro Statikus GPS mérések A mérések időszükséglete: 2 félnap A feldolgozás időszükséglete: 1 félnap A statikus mérések végrehajtása Utófeldolgozott statikus GPS mérések esetén relatív helymeghatározási technikát alkalmazunk, amely segítségével első lépésben a hálózat azon pontjai közötti vektorok (bázisvektorok, bázisvonalak) adatait határozzuk meg, amelyeken GPS vevőket helyezünk el. A rendelkezésre álló vevőpark felhasználásával törekszünk arra, hogy minél több vevő mérjen egyidejűleg a hálózatban, így le lehet rövidíteni a hálózat észleléséhez szükséges időt. A gyakorlat előtt ismertetésre kerülnek a mérésekhez felhasznált GPS vevők. A vevők megismerése után a hálózatmérést a hallgatókkal együtt tervezzük meg. A tervezés során ki kell emelni a következő szempontokat: - A hálózat geometriája (törekedjünk arra, hogy a meghatározandó pontok lehetőleg ne legyenek a hálózat széleihez közel) - A mérőcsapatok szállításának megoldása (átállási idő becslése) - A mérési időszükséglet (egy frekvenciás műszerek használata esetén javasoljuk a 30 perc + 5perc/km, kétfrekvenciás műszerek esetén a 20 perc + 2 perc/km ökölszabályt ). - A bázisállomás(ok) elhelyezésének kérdése - A GPS antennák elhelyezésének kérdéseit (tájolás, fáziscentrum külpontosság, antenna-magasságok mérése, mérések külponton) - A műszerek paramétereinek beállítása (10 fokos kitakarási szög, 15 másodperces integrálási idő) - A mérőgyakorlat időkorlátai miatt sem a statikus, sem az RTK mérések esetében nem vizsgáljuk a műholdgeometria hatását. Mindezek ellenére a feldolgozáskor a hallgatók figyelmébe ajánljuk az ehhez szükséges szoftvereket. A GPS mérések tervezésének végeredményeképpen egyrészt egy olyan táblázatot kell összeállítanunk, amelyben minden csoporthoz hozzárendeljük a: 3-1

2 Óravázlat az Alaphálózatok mérőgyakorlathoz - Felhasznált GPS vevőt, - A mérési intervallumok definícióját (session), - A mért pontot. Másrészről készítenünk kell egy vázlatot a mért hálózatról, hogy leellenőrizhessük, hogy minden szükséges vektort megmérünk-e az alkalmazott mérési programmal, illetve azért is, hogy egyértelmű legyen, hogy melyik csoport a hálózat mely pontján észlel az adott időpontban. Az 1. táblázatban a mérési intervallumok definíciójára láthatunk egy példát, míg az X. ábra a mért vektorokat mutatja be a évi gyakorlat során végzett mérések alapján. Mérési intervallum 1 Topcon 1 2 Topcon 2 Csoport / Műszer 3 4 Leica Leica Trimble 4000 SSI CS T SER 3 H CS T SER H PAP 3 T SER H CS PAP? T 2? - 1. táblázat: Mérési terv a statikus GPS mérésekhez 6 Trimble 4600 X. ábra A statikus GPS mérésekkel mért hálózat A statikus mérések elvégzéséhez minden mérőcsapatnak az alábbi felszerelésre van szüksége: - 1 db Wild műszerállvány v. pillértalp - 1db műszertalp + csonk - 1 db GPS vevő + antenna - 1db adapter (ha nem a vevőhöz tartozó gyári műszertalpat használjuk) - 1db zsebszalag v. mérőeszköz az antennamagasság meghatározásához - cövek, kalapács, mérőállomás, prizma bottal (amennyiben külponton történik a mérés) - rádió - jegyzőkönyvek (lsd. X. melléklet) 3-2

3 A mérések elvégzése után az irodai feldolgozás előkészítéseként kiolvassuk a rögzített adatokat, majd elvégezzük a szükséges konvertálásokat is RINEX formátumba. Ezeken felül a hallgatók elkészítenek egy összesítő táblázatot, amely tartalmazza a mérési időket, a műszerek és az antennák adatait, a fájlneveket illetve az antennamagasságokat. Az összesítő táblázat megtalálható az X. mellékletben. A statikus mérések feldolgozása A statikus mérések feldolgozása bármelyik rendelkezésre álló feldolgozóprogrammal történhet. Mivel a tárgy keretében elsősorban a Trimble Geomatics Office (TGO) feldolgozóprogramot használjuk, ezért a fejezetben található ábrák mindegyike erre a szoftverre vonatkozik. A statikus mérések feldolgozásának előkészületeként már a mérési program során elkészítettük a feldolgozószoftver által megkívánt adatokat. Abban az esetben, ha a feldolgozószoftver közvetlenül fogadja a műszer által rögzített fájlokat, akkor nem történik konverzió. Abban az esetben azonban, ha a műszer adatait nem tudjuk közvetlenül beolvasni, akkor azokat RINEX formátumba kellett konvertálnunk. Ennek eredményeképpen minden észlelési intervallumra és mért pontra rendelkezésünkre áll az észlelési fájl gyári vagy RINEX formátumban. A statikus GPS mérések feldolgzását mindig egy projekt létrehozásával kezdjük meg. A projekt létrehozásakor be kell állítanunk néhány fontos paramétert. Ilyen például az alkalmazott mértékegységek (méter), az alkalmazott koordináta-rendszer (EOV), az alkalmazott geoid modell (nincs). Geoid modellt azért nem alkalmazunk a feldolgozás során, mivel a feldolgozó szoftverekben található geoid modellek jellemzően globális geoid modellek, így azok nem tudják az általunk megkívánt pontosságot biztosítani. Ezt követően az adatok importálását kell elvégeznünk. Az adatok importálását a TGO szoftver esetében külön kell elvégeznünk a gyári formátumban rendelkezésünkre álló fájlokra (.DAT) és a RINEX formátumú fájlokra. Az importálás során a TGO egy táblázatban megjeleníti az egyes fájlok adatait (mérési idő, műszer, antenna, antennamagasság, stb.). Az adatok kiolvasásakor elkészített összesítő táblázat alapján ellenőrizzük le az itt szereplő jellemzőket, és javítsuk őket, amennyiben az szükséges. Az adatok importálásának befejezése után a képernyőn megjelennek a mért bázisvonalak és az észlelt pontok. A GPS mérések feldolgozása során a hálózat egyik pontját megkötjük. Ezt célszerűen a három felhasznált alappont közül választjuk ki. A kiválasztott alappontra kattintva hozzáadunk az alapponthoz egy EOV koordinátát, illetve beállítjuk, hogy azokat alappontkoordinátaként használja tovább a program. Miután ezzel végeztünk elkezdődhet a bázisvonalak feldolgozása. A bázisvonalak feldolgozása során ki kell térnünk a ratio, reference variance és az RMS mérőszámokra, illetve az egyes megoldási típusokra (Iono-free fixed, L1 fixed, L1 float, stb.) Amennyiben a bázisvonalak között olyat találunk, ahol csak ún. float megoldást kaptunk, vagy a ratio érték túl alacsony, illetve a reference variance túl nagy, akkor meg kell kísérelnünk a rögzített mérési eredmények szűrését. A Timeline funkció segítségével lehetőségünk van arra, hogy a magas zajjal vagy ciklusugrásokkal terhelt méréseket kikapcsoljuk. Így javíthatjuk a bázisvonalak feldolgozásának minőségét. A bázisvonalak feldolgozása után elvégezhetjük a hálózatméréseink ellenőrzését a háromszögzárások vizsgálatával. A háromszögzárások már nem csak a GPS méréseket 3-3

4 Óravázlat az Alaphálózatok mérőgyakorlathoz terhelő hibák hatását, hanem pl. a pontraállási hiba hatását is tartalmazzák. Annak érdekében, hogy a pontraállási hiba hatását csökkenteni tudjuk, kiigazított optikai vetítővel ellátott műszertalpakat használunk, és a pontraállást minden mérési intervallumban újra elvégezzük. Amennyiben a háromszögzárások vizsgálata során nem találtunk hibás bázisvonalat, akkor elvégezhetjük a hálózat kiegyenlítését. A hálózat kiegyenlítése során még mindig csak egy pontot tartunk megkötve annak érdekében, hogy a hálózatot ne torzítsa el a kerethiba. A kiegyenlítést a WGS-84 koordinátarendszerben végezzük el. A kiegyenlítés végeredményeként a hálózatméréseink ellentmondásait a legkisebb négyzetek módszerének segítségével oldottuk fel. Ez azonban még nem jelenti azt, hogy megkaptuk volna a hálózati pontok végleges EOV koordinátáit. A projekt létrehozásakor ugyan kiválasztottuk a hazai EOV vetületi rendszert, mint koordinátarendszert, ez azonban a TGO esetében egy egységes országos transzformáción alapul, amelyet javítottak a transzformációval kapott ellentmondások interpolációjával. Tapasztalataink szerint ez a koordinátarendszer mintegy 2-5 cm-es maradék ellentmondással jellemezhető, de ez az érték helyenként ennél nagyobb is lehet. Annak érdekében, hogy az országosan egységes transzformációval elérhetőnél megbízhatóbb eredményeket kapjunk, lokális transzformációt hajtunk végre. A lokális transzformációt a GPS Site Calibration menüpont segítségével végezzük el. Itt meg kell adnunk a WGS-84 és az EOV rendszerben adott közös pontok koordinátáit, melyek felhasználásával a transzformáció elvégezhető. A közös pontok kiválasztásához amennyiben az idő engedi - több megoldást is összehasonlíthatunk: - Annak érdekében, hogy a hosszúoldalú sokszögeléssel összehasonlítható eredményeket kapjunk, közös pontként a 3 felhasznált alappontot használhatjuk fel. - Közös pontként felhasználhatjuk a környező OGPSH alappontokból néhányat. Az így elvégzett transzformáció összehasonlítható a FÖMI/KGO által készített és hivatalos transzformációs eljárásnak tekinthető - (EHT)2 program eredményeivel. A vízszintes koordináták meghatározása után át kell térnünk a magasságok meghatározására. Ehhez a tanszéken fejlesztett GeoINT programot használjuk fel, amely lokális geoidmegoldások felhasználásával állítja elő a pontbeli geoidunduláció értékét. A Balti alapszint feletti magasságok előállításához első lépésben a TGO kiegyenlítési jelentése alapján gyűjtsük ki a pontok geodéziai koordinátáit (Φ,Λ), majd a GeoINT program segítségével határozzuk meg a geoidunduláció értékét (N) az egyes pontokban. Ezt követően az ellipszoidi magasság (h) ismeretében a Balti alapszint feletti magasság (H) előállítható az alábbi egyszerű összefüggéssel: H = h N. Beadandó munkarészek A statikus GPS mérésekkel kapcsolatban az alábbi munkarészeket kell beadni: - Csoportonként: - Hálózat kiegyenlítésének eredményei (Network Adjustment Report) - Transzformációs paraméterek és ellentmondások (Site Calibration Report) - Pontok EOV koordinátái és ellipszoid feletti magasságai (TGO-ból) - Számított geoidundulációk és Balti alapszint feletti magasságok 3-4

5 - Az összes meghatározott koordináta egy közös összefoglaló táblázatban (kiegyenlítésből származó Φ, Λ, h; Y EOV, X EOV, H, N) - Egyénenként: - Műszaki leírás a mérés és a feldolgozás végrehajtásáról, valamint a kapott eredmények értékeléséről Valós idejű kinematikus (RTK) mérések A mérés időszükséglete: 1 félnap A feldolgozás időszükséglete: 1 félnap Az RTK mérések nagy előnye a statikus mérésekkel szemben, hogy csak minimális utólagos feldolgozást igényelnek. Így a hétköznapi gyakorlatban egyre többen alkalmazzák a technikát alappontok meghatározására is. A program célja, hogy bemutassuk a technika alkalmazhatóságának lehetőségeit és korlátait az alaphálózatok fejlesztésében. Mivel napjainkban már adottak a feltételek a hazai aktív hálózat felhasználására, ezért alapvetően két különböző mérési technikát fogunk alkalmazni: - RTK mérések saját bázissal - RTK mérések hálózati korrekciókkal A mérések végrehajtásának sajátosságai Annak érdekében, hogy az alaphálózatoktól elvárható pontosságot biztosítani tudjuk az RTK technikával, a következőkre különös figyelmet kell szentelnünk. Transzformáció Mivel az RTK rendszerek alapvetően WGS-84 koordinátákat határoznak meg, így azokat transzformálnunk kell az általunk kiválasztott vetületi rendszerbe. Ezt az RTK rendszerek beállításával el tudjuk érni. A mérések előkészítése során létrehozunk egy lokális transzformációs paramétersort a környező OGPSH pontok segítségével. Ez a lokális paramétersor fogja biztosítani, hogy a meghatározott koordinátáink az országosan egységes transzformációnál pontosabban illeszkedjenek a vízszintes alaphálózatunkba. Mérési idő tervezése RTK méréseknél (különösen kizárólag GPS holdak felhasználása és városi környezet esetén) fontos, hogy a mérést mikor hajtjuk végre. Ezért megismertetjük az RTK mérések időbeli ütemezésének kérdéseit. Ehhez bármilyen mérés-tervezésre alkalmas szoftvert felhasználhatunk. A tervezés során figyelembe vesszük a kitakaró objektumok elhelyezkedését és azok kitakaró hatását is. Pontraállás Alaphálózati méréseket nem végezhetünk a mozgó vevőhöz tartozó mérőbot segítségével, hiszen annak hossza miatt az antenna jelentős elmozdulásokat szenvedhet. Ezért minden állásponton a vevőket műszerállványon helyezzük el, így biztosítva azok mozdulatlanságát. A pontraállás hatásának csökkentésére minden ponton legalább két észlelést végzünk, melyek között a pontraállást megismételjük. 3-5

6 Óravázlat az Alaphálózatok mérőgyakorlathoz Antennák fáziscentrumának külpontossága Hagyományos RTK méréseknél nem szokás az antennák külpontosságának a figyelembe vétele. Alaphálózati méréseknél azonban ügyeljünk arra, hogy az antennákat mindig észak felé tájoljuk, hogy az antennák fáziscentrumának korrekcióját a feldolgozó modulok helyesen vehessék figyelembe. A műholdgeometria hatása Alappontmeghatározás esetén az RTK méréseket minden ponton legalább kétszer, lehetőleg eltérő műholdgeometria mellett kell elvégeznünk. Ezért a hálózat egyes pontjain kétszer végzünk észleléseket, oly módon, hogy az észlelési sorrend ne változzon. A hálózati kerethibák hatása / helymeghatározás ellenőrzése A hálózati kerethibák hatásának csökkentése érdekében a mozgó vevőnek nem csak a meghatározandó alappontokon, hanem a hosszúoldalú sokszögeléshez felhasznált összes alapponton észlelnie kell. Így a mérések feldolgozása során egy helyi transzformációval elérhetjük, hogy eredményeink konzisztensek legyenek a hosszúoldalú sokszögeléssel kapott eredményekkel. A felhasznált alappontokon történő észlelés ahhoz is segítséget nyújthat, hogy ellenőrizni tudjuk az RTK helymeghatározást. A mérések elvégzése A mérések előkészítése során elvégezzük a mérések tervezését a kitakaró objektumok figyelembevételével, valamint meghatározzuk a felhasználandó transzformációs paramétereket. A méréseket oly módon hajtjuk végre, hogy felállítunk legalább 1 rádióval ellátott bázisállomást a felhasznált alappontokon, majd a mozgó vevővel egyenként felkeressük a meghatározandó alappontokat és a hosszúoldalú sokszögeléshez felhasznált alappontokat. Minden egyes ponton műszerállvánnyal állunk pontra és az antennákat észak felé tájoljuk. Ezt követően elvégezzük a helymeghatározást az általunk telepített bázisállomás és a FÖMI/KGO által üzemeltetett hazai aktív GPS hálózat segítségével is. Miután az összes ponton egyszer már észleltünk, megismételjük az észlelét ugyanabban a sorrendben, mint ahogy azt az első forduló esetén tettük. A mérésekhez szükséges eszközök: - RTK vevőpár (min. 1 db) - Wild műszerállvány (2 db vevőpáronként) - Mérőszalag (műszerenként 1db) - Tájoló (1 db) - PDA, mobiltelefon a hálózati korrekciók vételéhez (amennyiben a vevőpár nem képes közvetlenül a hálózati korrekciók vételére) A mérések feldolgozása Az eredmények kiolvasása után, a két fordulóban végzett észleléseket átlagoljuk, ezáltal csökkentve a műhold geometria és a pontraállás hibájának hatását. Ezt követően összehasonlítjuk a hálózati RTK-val és az önálló bázisállomással kapott eredményeket. A hosszúoldalú sokszögeléssel történő összehasonlításhoz a felhasznált alappontok adott 3-6

7 illetve mért koordinátái segítségével egy kétdimenziós lokális transzformációt hajtunk végre. A pontok magasságainak meghatározásához ismét felhasználhatjuk a GeoINT program által számított geoidunduláció értékeket. Beadandó munkarészek Az RTK mérésekkel kapcsolatban az alábbi munkarészeket kell beadni: - Csoportonként: - A meghatározott pontok EOV koordinátái és magasságai Balti alapszint felett (önálló RTK, hálózati RTK eljárásokkal) - Transzformációs paraméterek és ellentmondások (a felhasznált alappontokat mint közös pontokat definiálva) - A meghatározott pontok EOV koordinátái (transzformáció után) - Számított geoidundulációk és Balti alapszint feletti magasságok - Az összes meghatározott koordináta egy közös összefoglaló táblázatban - (Y EOV, X EOV, H) önálló RTK - (Y EOV, X EOV, H) hálózati RTK - (Y EOV, X EOV, H) transzformált önálló RTK - (Y EOV, X EOV, H) transzformált hálózati RTK - Balti alapszint feletti magasságok (geoidundulációk figyelembevételével) - Egyénenként: - Műszaki leírás a mérés és a feldolgozás végrehajtásáról, valamint a kapott eredmények értékeléséről 3-7