АО «ПРИН» Геодезическое оборудование. Базовые станции. Сервисный и Учебный центры

Преимущества использования инерциальной системы в ГНСС-измерениях

Тесты и обзоры

PrinCe

29.05.2020

Преимущества использования инерциальной системы в ГНСС-измерениях.

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.

Схематическая интеграция модулей ГНСС и инерциальной системы на примере приёмника PrinCe i90

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.
Следите за нашими новостями!

Автор статьи