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 используются во всех современных приёмниках серии PrinCe. Приёмники сочетают 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:
если длина вехи известна, достаточно определить угловую ориентацию наклонной вехи и её проекцию на плоскость относительно направления на север, как показано на рисунке

С чего все начиналось? Электронный компас

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 устаревшими, 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 меридианов - угол между географическим и магнитным севером. Сближение меридианов 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, 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 приёмниках PrinCe представляет собой MEMS датчик, точнее говоря — микроэлектромеханическую систему. Она включает в себя:

трёхосевой гироскоп для измерения угловой скорости
трёхосевой акселерометр, для регистрации ускорения относительно ортогональных осей.

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

Плюсы и сложности при интеграции с ГНСС

При создании первого приёмника с инерциальной системой 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 был 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.

Мгновенная инициализация IMU

Последние модификации оснащены современной высокоскоростной инерциальной системой, работающей на частоте 200 Гц, которая исключает необходимость выполнения постоянной инициализации IMU вручную. Инерциальная система будет продолжать работать, если вы несёте приемник на плече или горизонтально в руке, и самоинициализируется даже если перевернуть приемник на 180 градусов на несколько секунд. IMU последнего поколения позволяет выполнять съёмку при отклонении вехи на 30 градусов без потери точности. Это является преимуществом, например, для тех работ, где требуется сохранить точность RTK на уровне нескольких сантиметров.

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.

Приёмники PrinCe обеспечивают 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 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.

Автор статьи