Планирование проведения измерений мобильным лазерным сканером

[Admin]

Планирование проведения измерений мобильным лазерным сканером

Дулин С.К.
Якушев Д.А.

Ключевые слова:
контроль качества результатов мобильного лазерного сканирования, методология экспресс-анализа, особенности проведения измерений лазерным сканером
 

• 1 Введение
• 2 Анализ информации и GPS-планирование
• 3 Заключение
• 4 Список литературы

Введение

Системы мобильного лазерного сканирования могут собирать больше данных в день, чем команда геодезистов, использующая традиционные методы в течение недель или даже месяцев. Одно из основных преимуществ лазерной съемки состоит в одномоментном (в пределах короткого интервала времени), точном измерении геометрических параметров множества объектов на достаточно большой территории, что невозможно сделать традиционными способами.
Собрав один раз полные трехмерные данные, пользоваться ими можно многократно. Если данные собраны быстро, аккуратно и точно - мобильный лазерный сканер может быть перенаправлен для выполнения другого крупного проекта, а собранные данные использованы для создания высокоточных моделей инфраструктуры. Для протяженных линейных объектов их актуальность, как правило, составляет не менее 5 лет, а в условиях полного или частичного отсутствия проектной документации в электронном виде - собранная информация бесценна.

Программные продукты с автоматическими возможностями получения необходимой информации из результатов трехмерного измерения для той или иной функциональной задачи придерживаются принципа разделения данных для каждой из них и в большинстве случаев могут быть использованы совместно в одной базе данных.
Но для полноценного использования данных измерений необходимо выполнение следующих условий:

• • Данные должны быть актуальны и своевременны;
• • Данные должны находиться в пределах допустимых погрешностей;
• • Поколения данных должны находиться
• в одной системе координат;
• • Доступ к данным должен осуществляться настолько быстро, насколько этого требуют функциональные приложения.

Организация лазерной съемки и подготовительные мероприятия занимают достаточно длительный промежуток времени, часто связанный с получением специальных разрешений на съемку. Что означает подчас невозможность проведения повторной съемки для исправления ошибок. Особенно это касается мобильного сканирования на железной дороге. В связи с этим на передний план выступает задача оценки потенциальных рисков и их минимизации. Одной из таких подзадач является расчет благоприятной навигационной обстановки. На примере GPS данных рассмотрим что необходимо учитывать при планировании проведения воздушной (мобильной) лазерной съемки.

Анализ информации и GPS-планирование

GPS-планирование необходимо для определения оптимального времени проведения съемки с использованием спутникового оборудования (которое входит в состав системы мобильного лазерного санирования). Соблюдение полученного в результате планирования графика позволит существенно уменьшить риск потери данных из-за некачественной съемки.
Для GPS-планирования используются следующие данные:
Альманахи
В альманахе содержатся параметры орбит спутников группировки и состояние каждого спутника.
GPS-планирование (GPSF) выполняется с использованием наиболее свежего альманаха. Обычно достаточно использовать альманах недельной давности для точного краткосрочного планирования на период от 1 до 3 дней. Долгосрочное планирование выполняется на период до 60 дней со дня получения альманаха.
Лучше всего использовать альманах из последнего скачанного с бортового/базового GPS-приемника набора данных. Либо альманахи с сайтов поставщиков навигационных данных.
Оперативная информация о состоянии группировки GPS-спутников.

А) NANU - Navigational Advisory for Navstar Users
Самая оперативная информация о состоянии группировки, планируемых отключениях и сбоях распространяется в NANU. Самый простой способ получать NANU - подписаться на их рассылку, которая рассылаются пользователям как только появляется оперативная информация о изменении в состоянии группировки.
Каждое сообщение NANU имеет свой уникальный номер: YYYYNNN, где YYYY - год выхода NANU, NNN - порядковый номер NANU в году. С помощью этого номера легко отследить историю NANU, анализ которой поможет в дальнейшем при принятии решения о работоспособности какого-либо конкретного спутника. В каждом сообщении NANU содержится информация об одном спутнике.
Некоторые важные информационные поля в NANU:
SVN, SpaceVehicleNumber, уникальный номер спутника в группировке. Этот номер присваивается спутнику при запуске и не используется в навигационных сообщениях для гражданских пользователей. С его помощью можно отследить историю работы спутника.
PRN, PseudoRandomNumber, случайно выбранный порядковый номер спутника в группировке. Порядковый номер присваивается спутнику с момента его включения и сохраняется за ним в течение всего срока его службы. Именно этот номер высвечивается в списке спутников в программах GPS-планирования.
START JDAY - день начала события, описанного в NANU
START TIME ZULU - время начала события
START CALENDAR DATE - дата начала события
STOP JDAY - окончание события
STOP TIME ZULU //---//---
STOP CALENDAR DATE //---//---
CONDITION - сообщение о состоянии спутника.

Б) STATUS - состояние группировки.
Сообщение о статусе группировки кратко резюмирует все NANU за день.
Расшифровка информационных полей сообщения о статусе:
FCSTDV - предупреждение о запланированной операции Delta-V по перемещению спутника на его исходную орбиту
FCSTMX - предупреждение о предстоящем обслуживании спутника. Чаще всего это перевод передатчика на резервный эталон частоты, накачка эмиссионной трубки или обновление ПО.
FCSTEXTD - продление периода неработоспособности спутника на неопределенное время.
FCSTSUMM - сообщение о вводе спутника снова в эксплуатацию, содержит точные времена, когда спутник был недоступен.
FCSTCANC - сообщение об отмене запланированной ранее недоступности спутника.
fcstrescd - сообщение о переносе ранее запланированной недоступности спутника, обычно связанной с его обслуживанием.
UNUSUFN - уведомление о том, что спутник недоступен на неопределенное время.
UNUSABLE - сообщение, которое «закрывает» период недоступности спутника, «открытый» сообщением UNUSUFN
UNUNOREF - сообщение о кратковременной недоступности спутника, которая была устранена менее чем за 1 час.
USABINIT - сообщение о вводе в группировку нового спутника LEAPSEC - сообщение о точном времени «скачкообразного» введения 1-секундной поправки во время системы GPS для компенсации рассогласования UTCu GPS времен со временем UT1 превышающем 0.9 секунды [1-3].
Сообщения NANU и STATUS - оперативные источники информации о состоянии группировки. Состояние спутников в альманахе отражается с существенной задержкой, особенно это касается смены состояния из нерабочего в рабочее.
В конце каждого сообщения NANUu STATUS публикуется строка POC (PointOfContact), где можно найти дополнительную контактную информацию.

В) YUMA-альманахи.
В YUMA-альманахах раз в неделю публикуется информация о прогнозируемых параметрах орбит и о состоянии спутников. Наиболее важная информация о состоянии спутников содержится в строке SatelliteHealth. Состояние спутника кодируется двумя цифрами. Расшифровка кодов состояния:
00 ALLSIGNALSOK
01 ALL SIGNALS WEAK, 3 - 6DB BELOW SPECS
02 ALL SIGNALS DEAD
03 ALL SIGNALS HAVE NO DATA MODULATION
04 L1-P SIGNAL WEAK
05 L1-P SIGNAL DEAD
06 L1-P SIGNAL HAS NO DATA DEMODULATION
07 L2-P SIGNAL WEAK
08 L2-P SIGNAL DEAD
09 L2-P SIGNAL HAS NO DATA DEMODULATION
10 L1-C SIGNAL WEAK
11 L1-C SIGNAL DEAD
12 L1-C SIGNAL HAS NO DATA DEMODULATION
13 L2-C SIGNAL WEAK
14 L2-C SIGNAL DEAD
15 L2-C SIGNAL HAS NO DATA DEMODULATION
16 L1 & L2-P SIGNAL WEAK
17 L1 & L2-P SIGNAL DEAD
18 L1 & L2-P SIGNAL HAS NO DATA DEMODULATION
19 L1 & L2-C SIGNAL WEAK
20 L1 & L2-C SIGNAL DEAD
21 L1 & L2-C SIGNAL HAS NO DATA DEMODULATION
22 L1 SIGNAL WEAK
23 L1 SIGNAL DEAD
24 L1 SIGNAL HAS NO DATA DEMODULATION
25 L2 SIGNAL WEAK
26 L2 SIGNAL DEAD
27 L2 SIGNAL HAS NO DATA DEMODULATION
Код 0 указывает на нормальную работу спутника. Коды 7, 8, 9, 13, 14, 15, 25, 26, 27 соответствуют состоянию спутника, позволяющему принимать навигационные сигналы и проводить обработку данных лазерного сканирования. Сравнение NANU и YUMA-альманаха помогает принять решения о возможности использования спутника.
Оперативная информация о прогнозируемых аномалиях в атмосфере и ионосфере, солнечная активность
Каждый час и по мере поступления информации, на сайте http:// www.swpc.noaa.gov в разделе CurrentAlertsAndWarnings обновляется информация о солнечной активности, состоянии тропосферы и ионосферы. В этом разделе печатаются предупреждения пользователям навигационной системы GPS о возможных сбоях.
Стандартный вид публикуемого предупреждения:
:ALERTS:
Magnetic A-Index >=50 Watch for 15 Sep 2000 UT
Comment: None
The following Alert was CONTINUED at 0100 UT on 15 Sep 2000
Protons Event >10 MeV @ >=10pfu BEG 12 Sep 2000 1555 UT
Comment: The current flux level is 19 pfu’s.
A maximum flux of 321pfu’s was reached at 0340 UT on 13 Sept.Sudden Impulse observed at Boulder 15 Sep 2000 0510 UT 36 nT Comment: None
Magnetic K-Index of 4 Warning valid from 15 Sep 2000 0545 to 1500 UT
Comment: None
На что в этих сообщениях стоит обращать внимание:
а) Присутствие в сообщении информации о ProtonEvent> 10 MeV @ >=10pfu. (выброс тяжелых протонов с Солнца). Выброс тяжелых протонов с большой вероятностью может привести к различного рода сбоям в работе GPS-спутников [1-6].
б) Magnetic K-Index of XX Warning. Сообщение о «магнитной буре», оказывающей влияние на систему GPS. Значения XX более 5 соответствуют «геомагнитным штормам», приводящим к существенным изменениям орбит спутников GPS.
Прогнозирование GPS обстановки производится с помощью специальной программы Mission Planning.
На основе полученных данных о состоянии спутников, принимается решение о включении или выключении соответствующих спутников в «таблице доступности спутников». Выключение спутника в этой таблице будет транслироваться программой как его отсутствие, что фактически будет отражать реальную ситуацию. Если прогнозируется, что какой-либо спутник будет недоступен (выключен) не в течение всего дня, то планирование с выключением этого спутника выполняется только в период его недоступности.
Во время рассмотрения периодов времени с количеством доступных спутников не более шести, стоит обращать внимание на прогнозы SEC Alerts&Warnings. Если в прогнозе SEC указано, что в это время ожидается SSEU (SatelliteSingleEventUpset), то существует вероятность того, что GPS-покрытие может стать недостаточным из-за сбоя хотя бы одного спутника. Прогноз SSEU обычно появляется за несколько дней до события и имеет неплохую (20-30 мин) точность.
В процессе работы программы Mission Planning необходимо указать координаты планируемого базирования GPS-приемника и указать затенения небосвода (маскирование).
После соответствующих вычислений программой могут быть выведены на экран зависимости (рис. 1) количества доступных спутников от времени (Availability) и дифференциального параметра точности от времени (PDOP).
В процессе анализа полученных зависимостей GPS обстановка считается приемлемой для следующих полученных условий:
а) Количество спутников (Availability) не менее 6.
б) График PDOP не должен иметь явно выраженных максимумов и значение PDOP должно быть равным или менее 5.
Обычно приемлемое время «наступает» сразу после появления 6-го по счету спутника в зоне видимости, однако стараются иметь некоторый запас (5-10 мин) перед его выходом из зоны видимости.

AugmentationSpeed, PAS) во времени. Если PAS превышает ~ 0,25 1/мин, то необходимо провести более детальный анализ ситуации, в результате которого принимается решение о возможности проведения полетов в соответствующий промежуток времени. Если известно, что лазерное сканирование будет проводиться в каком-то определенном направлении, и известно, какое маскирование имеет бортовая GPS антенна, то легко оценить, будет ли достаточно спутников на небосводе. Здесь удобно ввести дополнительное, к круговому 15-ти градусному, маскирование антенны, отражающее реальное затенение.
PDOP вычисляется для оптимального, из числа обозреваемых, расположения спутников. Однако, с учетом реального маскирования антенны оптимальное расположение спутников может оказаться недоступным. В этом случае можно либо исключить затененные спутники из рассмотрения либо ввести дополнительное маскирование. Если все же оказалось, что для выбранного периода времени GPS покрытие недостаточно, можно указать, что в соответствующий промежуток времени проводить съемку можно только в определенном направлении.
Круговое маскирование 15° принято наиболее оптимальным для бортового GPS приемника.

Заключение

К основным преимуществам технологии лазерного сканирования, несомненно, можно отнести высокую скорость и оперативность съемки, недостижимую любыми другими методами измерений. В области обследования линий электропередач воздушная лазерная съемка сегодня является практически мировым стандартом. При этом нельзя забывать о правовых вопросах. Например, для проведения любой аэросъемки требуется пройти долгий путь получения соответствующих разрешений, связанных как с вопросами секретности, так и с вопросами использования воздушного пространства. Это может занимать весьма значительное время, что отрицательно влияет на оперативность. Основным результатом лазерного сканирования - будь то наземное, воздушное или мобильное - является облако трехмерных точек, с той или иной точностью описывающих геометрические параметры объекта съемки. Количество лазерных отражений, полученных при съемке объекта обследования, часто составляет сотни миллионов и даже миллиарды. Обработка таких массивов данных и формирование на их основе конечных продуктов для пользователей в различных отраслях деятельности сегодня является наиболее трудоемкой составляющей лазерной технологии.

Список литературы

1. Single Event Upsets (SEUs), US Satellites and Space Weather Center, https://www.usgs.gov/land-resources/nli/landsat/single-event-upset?qt-science_support_page_related_con=0#qt-science_support_ page_related_con , Файл GPS Forecast Guide.
2. Satellites and Space Weather, US Satellites and Space Weather Center, https://www.swpc.noaa.gov/communities/satellites, Файл GPS Forecast Guide.
3. Santerre, R., Geiger, A. & Banville, S. Geometry of GPS dilution of precision: revisited. GPS Solut 21, 1747-1763 (2017). https://doi. org/10.1007/s10291-017-0649-y
4. IEEE Space Environment Topics: Navigation, Файл GPS Forecast Guide, RN GPSF-5
5. Ionospheric effects on GPS, GPS World, vol.2, no. 4, p. 48, April 1991
6. Effects of the Equatorial Ionosphere on GPS, GPS World, vol. 4, no. 7, p. 48, July 1993.