Руководство по установке, настройке и эксплуатации;pdf

Министерство образования и науки Российской Федерации
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ГЕОДЕЗИИ И КАРТОГРАФИИ
Утвержден
Учебно-методической
комиссией МИИГАиК
от «____»__________2014 г.
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
ПО ДИСЦИПЛИНЕ
«Системы сбора и представления геопространственных данных»
Москва 2014
Автор-разработчик УМК:
Кавешников М.Б
Сведения об авторе
Кавешников Максим Борисович
Должность:
Доцент
Образование:
Высшее
Научная степень:
Кандидат технических наук
Тема диссертации: «Бортовой алгоритм обработки потока измерений
системы "ГЛОНАСС"
Публикации:
1. Кавешников М.Б., Маслаков А.А., Герасимова Н.В., Методика
нанесения
горизонталей
на
топографические
карты
по
материалам воздушного лазерного сканирования // Изв. вузов.
Геодезия и аэрофотосъёмка. - 2009. - № 1. - С. 28-33.
2. Шайтура С.В., Грузинов В.С., Кавешников М.Б., Ковальчук А.К.,
Кулаков Д.Б., Семенов С.Е., Татаринович Б.А., Яроц В.В.
Геоинформационные
системы
в
управлении
двуногими
шагающими роботами. Часть 2. Системы космической навигации.
-М.:Изд.-во «Рудомино», 2008, 12.25 п.л.
3. Универсальный
политехнологический
методам работы
системами
комплекс
обучения
со спутниковыми радионавигационными
GPS/ГЛОНАСС.
Сборник
докладов
на
III
Международной научно-практической конференции Геодезия
Маркшейдерия Аэросъёмка. На рубеже веков. Февраль 2012 г.
4. Методика сбора данных при помощи программы Талка КПК с
приёмниками NovAtel DL-V3 в режиме реального времени
сантиметровой
точности
(RTK)
//Тезисы
докладов
XII
Международной научно-практической конференции «Методы
дистанционного зондирования и ГИС-технологии для оценки
состояния окружающей среды, инвентаризации земель и
объектов недвижимости». GeInfoCAD 2010 г.
5. М.Б.Кавешников, А.Ю. Старостин, Концепция информационного
обеспечения перспективных для освоения малонаселённых
территорий РФ. Стр. 130-136. Сборник статей по итогам
международной
научно-технической
конференции,
посвященной 230-летию основания. Журнал «Известия ВУЗов.
Геодезия и аэрофотосъемка» 2009 г. МИИГАиК (часть 2) Москва,
Гороховский пер.4.
6. М.Б.Кавешников, Махина Е.К. .Опыт разработки полевых
программ для сбора пространственных данных без аппаратной
связи с ГНСС приёмником. Сборник докладов на V-ой.
Международной научно-практической конференции Геодезия
Маркшейдерия Аэросъёмка. На рубеже веков. Февраль 2014 г.
Повышение
МИИГАиК, «Разработка фондов оценочных средств
квалификации:
аттестации студентов и выпускников на соответствие
требованиям образовательных стандартов» 72 часа, дата
окончания 23.04.2014.
Поощрения,
награды:
Награждён Почётной грамотой Министерства образования и науки
Российской Федерации «за многолетнюю и плодотворную работу по
развитию и совершенствованию учебного процесса, значительный вклад в
дело подготовки высококвалифицированных специалистов» (приказ от 05
марта 2009 года № 256/к-н).
СОДЕРЖАНИЕ
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСА
ТРЕБОВАНИЯ К РЕЗУЛЬТАТАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
ПЛАН ЛЕКЦИОННЫХ ЗАНЯТИЙ
УЧЕБНЫЕ
ЭЛЕМЕНТЫ
ИЗ
КОТОРЫХ
СОСТОИТ
МОДУЛЬ
ДИСЦИПЛИНЫ
6. ИНФОРМАЦИОННОЕ
И
МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
7. ВЫПИСКА ИЗ УЧЕБНОГО ПЛАНА
1.
2.
3.
4.
5.
8. УЧЕБНО-ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН КУРСА
9. ПРАКТИКУМ
10. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПРОВЕДЕНИЮ ЛЕКЦИОННЫХ
ЗАНЯТИЙ
11. ПАСПОРТ ФОНДА ОЦЕНОЧНЫХ СРЕДСТВ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
12. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПРОВЕДЕНИЮ ПРОМЕЖУТОЧНОГО
ТЕСТИРОВАНИЯ
13. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ
АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ:
14. ДЕЛОВАЯ (РОЛЕВАЯ) ИГРА ПО ДИСЦИПЛИНЕ
15. ТЕМА ГРУППОВОГО ИНДИВИДУАЛЬНОГО ТВОРЧЕСКОГО
ПРОЕКТА
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ОПИСАНИЕ СРЕДЫ ТЕСТИРОВАНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. УЧЕБНЫЙ И НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ КОМПЛЕКС
НА БАЗЕ ГНСС ПРИЁМНИКОВ NOVATEL DL-V3, ПЛАТЫ NOVATEL OEMV3
L1L2 G KIT И АНТЕННЫ TOPCON CR-4 (КРАТКИЙ ОБЗОР)
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. ВАРИАНТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОМПЛЕКСА В УЧЕБНОМ
ПРОЦЕССЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. ТЕРМИНЫ И ОБОЗНАЧЕНИЯ:
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСА
Учебная
дисциплина
«Системы
сбора
и
представления
геопространственных данных» предусмотрена учебным планом
бакалавриата для направления 120100 «Геодезия и дистанционное
зондирование» профиль «Исследования природных ресурсов» в качестве
дисциплины по выбору.
Значимость и актуальность
подготовке выпускника.
Современные
системы
дисциплины
сбора
в
профессиональной
геопространственных
данных
представляют собой высокоинтегрированные программно-аппаратные
мобильные комплексы. Они включают в себя спутниковые системы
глобальной навигации ГНСС, высокоточные системы инерциальной
навигации
на
микромашиных
базе
современных
гироскопах
и
лазерных,
акселерометрах,
оптоволоконных,
системы
цифровой
фотографии, лазерного сканирования, трассопоискового оборудования,
радаров, георадаров, беспилотных летательных комплексов. Многие из них
обладают фантастической производительностью. Системы мобильного
лазерного сканирования и мобильные фотографические комплексы
позволяют создавать трёхмерную модель Московского Кремля, с
точностью десятки сантиметров, за один объезд! Они практически меняют
представление о традиционных дисциплинах, таких как геодезия,
картография,
аэрокосмические
съёмки,
геоинформатика.
Являясь
последним достижением мировой научно-технической и инженерной
мысли эти системы открыли много возможностей по моделированию
земной поверхности. Появление портативных компьютеров – «гаджетов»
привело к тому, что любая такая система высокопроизводительная система
по -существу является локальной вычислительной сетью с мобильными
элементами.
Огромные
возможности
этих
систем
при
полевых
обследованиях, полигонных экспериментах, внесении в базу данных
экологических проб с заполнением их пространственных атрибутов. Эти
системы сами по себе могут быть дополнением к традиционным данным
дистанционного зондирования и повышать эффективность их применения.
Практически, во многих случаях они позволяют сами обеспечивать
необходимыми геодезическими и пространственными данными многие
современные сферы деятельности.
Поэтому, развиваясь в рамках своего направления бакалавр геодезии
и дистанционного зондирования обязательно будет сталкиваться с этими
системами, или работа с этими системами будет составлять их основные
трудовые
функции
Знание
рассматриваемых
систем
сбора
геопространственных данных повышает уровень учащихся по всем
основным компетенциям этого направления. Кроме того, применение
спутниковых систем навигации, как части современных глобальных
информационных систем вошли в образовательные стандарты ведущих
мировых вузов. И не только технических, а так же и юридических.
10 декабря 2008 г. на Первом Российском Молодёжном Инновационном
Конвенте (Зворыгинский проект) президент Российской Федерации (ныне
премьер-министр)
Дмитрий
Анатольевич
Медведев
с
трибуны
молодёжного форума дал прямое указание создавать при вузах
структуры поддерживающие талантливую молодёжь. Действуя в этом
направлении возможно со временем создать формы обучения путём
вовлечение учащихся в инновации. Практически, это совместная с
преподавателем, рационализаторская работа, связанная с улучшением
учебного процесса, подготовка учебных полигонов, и даже получения
научных
результатов.
Двигаясь
в
этом
направлении,
в
рамках
разработанной программы учащимся предлагается по выбору выполнение
части задачей курса в виде инновационного проекта.
Отличительные особенности курса для направления «Геодезия и
дистанционное зондирование»:
Предмет для учащихся по этой специализации читается с позиций
применения в области инженерных изысканий, но акцентируется внимание
на технические приёмы, позволяющие наиболее эффективно использовать
информационную составляющую этих систем. Что очень важно, учитывая
тот факт, что условия функционирования уникальные, а иногда даже
экстремальные.
При
изложении
материала
уделяется
внимание
функциональной
составляющей – элементы управления, принципы работы систем, их
частей, функции обработки информации, интерфейсы. Сведения о полевых
работах излагаются как содержание предметной части в объёме
достаточном,
чтобы
выполнять
самостоятельные
измерения
и
контролировать параметры систем.
2. ТРЕБОВАНИЯ К РЕЗУЛЬТАТАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
В результате освоения дисциплины студенты должны:
ЗНАТЬ
− основы принципов функционирования, обработки информации в
спутниковых радионавигационных системах GPS ”Navstar” и
“ГЛОНАСС”(ПК18, ПК32, ПК24,ПК31).
− принципы работы современных высокопроизводительных систем
сбора геопространственных данных использующмх комбинацию
спутниковых
радионавигационных
систем
и
инерциальные
навигационные системы” (ПК18, ПК32, ПК24,ПК12,ПК30,ПК-31)
− принципы работы модулей лазерного сканирования наземного,
воздушного и мобильного. (ПК18, ПК32, ПК24,ПК12,ПК30,ПК31)
− принципы сбора пространственных данных использующих
совместно
фотограмметрическую
инерциальную
навигацию.
обработку,
Принципы
спутниковую
и
функционирования
беспилотных летательных комплексов (ПК15, ПК18),
− аппаратные
интерфейсы,
применяемые
в
спутниковой
радионавигационной аппаратуре, особенности её сопряжения с
компьютерами и компьютерными сетями. Структуру сигналов
спутниковых радионавигационных систем и особенности их
распространения (ПК30,ПК29,ПК28)
− особенности
применения
этой
аппаратуры
при
привязке
материалов ДЗЗ, беспилотных летательных комплексов, результатов
воздушного и мобильного лазерного сканирования, совместного
применения ГНСС и ИНС. (ПК31,ПК32,ПК33,ПК26)
− основы математической обработки измерительной информации
алгоритмами
Калмана-Бьюсси,
их
применение
в
режиме
высокоточной кинематической съёмки и кинематической съёмки в
реальном времени RTK, их поведение при разрывах слежения за
фазой. (ПК26, ПК12),
− нормативно-правовую базу хранения координат пунктов и
пространственных данных (ОК 14)УМЕТЬ
-производить определение координат точки приемником ГНСС
(ПК18).
- выполнять привязку аэрокосмических материалов по опорным
точкам, измеренным ГНСС (ПК 18).
-выполнять оценку качества пространственных данных по ГНСС.
-определять положение контуров местности высокопроизводительным
кинематическим методом с целью уточнения информации в рамках
полевых обследований, выполнять создание элементов ГИС в полевых
условиях (ПК18).
-собирать и настраивать комплект спутниковой радионавигационной
аппаратуры, (ПК31), (ПК15).
-настраивать передачу данных со спутниковой аппаратуры по сети,
управление спутниковой аппаратурой по сети.(ПК29)
ВЛАДЕТЬ
- навыками обработки информации полученной с ГНСС, в том числе в
точном кинематическом режиме реального времени (ПК26).
- навыками использования информации с постоянно-действующих
базовых станций (ПК 18),(ПК 26).
-навыками управления постоянно-действующей станции по сети (ПК29).
Результаты освоения дисциплины вносят вклад в формирование
следующих компетенций.
Общекультурные компетенции (ОК):
• владение культурой мышления, способность к обобщению, анализу,
восприятию информации, постановке цели и выбору путей ее достижения,
умение логически верно, аргументированно и ясно строить устную и
письменную речь (ОК-1);
• готовность к кооперации с коллегами, работе в коллективе; знание
принципов и методы организации и управления малыми коллективами
(ОК-2);
• понимание
социальной
значимости
своей
будущей
профессии,
обладание высокой мотивацией к выполнению профессиональной
деятельности (ОК-4);
• способностью понимать сущность и значение информации в развитии
современного информационного общества, сознавать опасности и угрозы,
возникающие в этом процессе,
соблюдать основные требования
информационной безопасности, в том числе защиты государственной
тайны (ОК-14)
профессиональные компетенции (ПК):
•
способность проводить моделирование процессов и систем (ПК-5);
•
способность
участвовать
информационных
в
технологий
работах
по
в
внедрения
ходе
доводке
и
и
освоению
эксплуатации
информационных систем (ПК-15);
•
способность
использовать
технологии
профессиональной
деятельности,
приборостроение,
наука,
административное
в
областях:
техника,
управление,
разработки
объектов
машиностроение,
образование,
медицина,
юриспруденция,
бизнес,
предпринимательство, коммерция, менеджмент, банковские системы,
безопасность информационных систем, управление технологическими
процессами,
механика,
техническая
физика,
энергетика,
ядерная
энергетика, силовая электроника, металлургия, строительство, транспорт,
железнодорожный транспорт, связь, телекоммуникации, управление
инфокоммуникациями, почтовая связь, химическая промышленность,
сельское хозяйство, текстильная и легкая промышленность, пищевая
промышленность,
медицинские
и
биотехнологии,
горное
дело,
обеспечение безопасности подземных предприятий и производств,
геология,
нефтегазовая
отрасль,
геодезия
и
картография,
геоинформационные системы, лесной комплекс, химико-лесной комплекс,
экология, сфера сервиса, системы массовой информации, дизайн,
медиаиндустрия, а также предприятия различного профиля и все виды
деятельности в условиях экономики информационного общества (ПК-18).
•
способность
технологий
разрабатывать
(методические,
средства
реализации
информационных
информационные,
математические,
алгоритмические, технические и программные) (ПК-12);
•
способность проводить сбор, анализ научно-технической информации,
отечественного и зарубежного опыта по тематике исследования (ПК-23);
•
готовность участвовать в постановке и проведении экспериментальных
исследований (ПК-24);
•
способность обосновывать правильность выбранной модели, сопоставляя
результаты экспериментальных данных и полученных решений (ПК-25);
•
способность использовать математические методы обработки, анализа и
синтеза результатов профессиональных исследований (ПК-26);
•
•
•
способность формировать новые конкурентоспособные идеи и
реализовывать их в проектах (ПК-28).
способность к инсталляции, отладке программных и настройке
технических средств для ввода информационных систем в опытную и
промышленную эксплуатацию (ПК-29);
способность проводить сборку информационной системы из готовых
компонентов (ПК-30);
•
Сервисно-эксплуатационная деятельность:
•
способность поддерживать работоспособность информационных систем и
технологий в заданных функциональных характеристиках и соответствии
критериям качества (ПК-31);
•
способность
обеспечивать
безопасность
и
целостность
данных
информационных систем и технологий (ПК-32);
•
способность адаптировать приложения к изменяющимся условиям
функционирования (ПК-33);
3. ПЛАН ЛЕКЦИОННЫХ ЗАНЯТИЙ
Тема 1. Задачи сбора геопространственных данных при создании и
обновлении ГИС
Объектно-ориентированные базы данных. Свойства и атрибуты баз данных.
Пространственный атрибут. Специфика создания геопространственных баз
данных и пространственного атрибута. Краткая история методов сбора
пространственной информации от мерных сетей до ГНСС, ИНС. Основные
переломные этапы в истории методов сбора пространственных данных.
Основные ограничения старых методов измерений, факторы, благодаря
которым, они перестали развиваться и в настоящее время используются в
редких случаях. Боковая рефракция, как непреодолимое препятствие при
измерении
горизонтальных
углов.
Триангуляция,
триллатерация,
полигонометрия. Распространение радиосигналов в атмосфере – ограничение
наземных
радиогеодезических
методов.
Орбитальные
построения
спутниковых радионавигационных систем. Недостатки СРНС на низких и
средних орбитах. Ограничения классических ГНСС . Основные изобретения
в
физике,
радиоэлектронике,
технике,
которые
позволили
создать
современные методы сбора пространственных данных. Атомные часы, лазер,
прецизионные станки, цифровые подходы в системах связи. Современные
возможности систем сбора пространственных данных. ГНСС, ИНС, жестко связанные системы ГНСС+ИНС, наземное, воздушное и мобильное лазерное
сканирование, сочетание боковой фотограмметрической обработки, ГНСС,
ИНС, ГНСС, ИНС +аэрофотосъёмка.
Вопросы для самопроверки:
1. Какое ограничение остановило развитие сетей триангуляции?
2. Как повлияли изобретения в области ядерной физики на системы
определения пространственных координат?
3. Как повлияли изобретения в области цифровой связи на портативность
навигационных устройств?
Рекомендуемая литература
1. Браун Ллойд Арнольд. История географических карт./пер с англ
Н.И.Лисовой- М.: ЗАО Центрполиграф, 2006 г., 479 с.
2. Кусов С.В. Измерение Земли. История геодезических инструментов.
М.:Дизайн. Информация.Картография. 2009 г. 256 стр.
Тема2 . Состав современной системы спутниковой навигации.
1. Система спутниковой навигации как основная и существенная часть
современных систем сбора пространственных данных.
2. Состав систем ГНСС. Деление на сегменты. Назначение сегментов.
Сегмент управления и формирование навигационного сообщения.
Космический сегмент и орбитальное построение. Сегмент пользователей и
функциональные дополнения для передачи корректирующей информации.
3. Особенности отечественной и американской системы. Системы навигации
третьих стран- Галилео, Бейдоу.
4. Основной способ определения координат на основе обратной
пространственной засечки. Определение дальностей по задержке. Фазовые
измерения. Проблема неоднозначности фазовых определений. Кодовые и
фазовые приёмники сигналов ГНСС.
Вопросы для самопроверки:
1. Каким образом эфемериды НКА попадают на его борт?
2. Где находится центр управления GPS Navstar?
3. Где находится центр управления ГЛОНАСС?
4. Количество орбитальных плоскостей в орбитальном построении
системы
ГЛОНАСС? GPS Navstar?
5. Может ли фазовый приёмник определять положение по кодовым
измерениям?
Рекомендуемая литература
1. Сетевые спутниковые радионавигационные системы. Под ред.
Шебшаевича В.С. //Радио и связь, Москва,1993.
2. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС// Под
ред. В. Н. Харисова, А. И. Перова, В. А. Болдина.— М.: ИПРЖР, 1998. 400
с., ил.
3. Peter Dana. Global Positioning System Overview// University of Texas
1994.
Тема3 . Сигналы современных систем радионавигации.
1. Основные параметры сигнала – амплитуда, частота, фаза, временная
задержка. Использование этих параметров для определения положения.
Использование амплитуды для определения направления.
Использование изменений частоты для определения скорости. Эффект
Доплера. Интегральные системы на основе эффекта Доплера.
Использование фазы для определения направлений. Фаза и временная
задержка для определения дальностей.
2. Частотный план современных систем ГНСС . Несущая частота.
Неоднозначности при использовании несущей. Биполярная фазовая
манипуляция. Дальномерный код. Псевдослучайные
последовательности для формирования дальномерных кодов.
Циклические коды, М-последовательности, коды Голда.
3. Реализация дальномерных кодов. Система двоичных регистров со
сдвигом. Мгновенный (аналоговый) и статистический (цифровой)
подход к обработке параметров сигнала. Корреляция как критерий
оценки совпадения эталонного и принятого сигнала. Принцип действия
коррелятора. Реализация коррелятора в ГНСС приёмниках.
4. Принципиальная схема ГНСС приёмника. Антенна, малошумящий
усилитель, антенный кабель, приёмник сигнала на несущей частоте,
аналого-цифровой преобразователь, корреляторы, блок решения
навигационной задачи.
5. Принцип наложения навигационного сообщения. Полный состав
сигнала ГНСС.
Вопросы для самопроверки:
1. Как искали передатчик разведчиков в знаменитом фильме «Семнадцать
мгновений весны»?
2. Как ещё можно определить операцию вычисления целочисленного
остатка от деления на 2?
3. Как подавляется помеха в цифровой схеме приёма?
4. Какова роль ячейки суммирования со сбросом в радионавигационной
технике?
Рекомендуемая литература.
1. Яценков В.С. Основы спутниковой навигации. Системы GPS
NAVSTAR и ГЛОНАСС.- М: Горячая линия – Телеком, 2005. 272 с.:ил..
2. GLOBAL POSITIONING SYSTEM STANDARD POSITIONING
SERVICE SIGNAL SPECIFICATION.ANNEX A. STANDARD
POSITIONING SERVICE PERFORMANCE SPECIFICATION // 2nd edition, June 2, 1995.
3. Цифровая обработка сигналов в СПРС (конспект лекций проф.
М.И.Жодзишского). Выпуск1.3 от15.02.2006
Тема 4. Принцип дифференциальной коррекции.
1. Основные факторы, влияющие на точность определения положения.
Характер влияния этих факторов на измерения, выполняемые двумя
или несколькими приёмниками сигналов ГНСС. Факт исключения
большинства систематических ошибок при относительных измерениях.
Использование векторов, для построения координатных сетей и для
создания опорных координатных пунктов.
2. Особенности дифференциальной коррекции для кодовых и фазовых
измерений. Дифференциальная коррекция при разных режимах
измерений.
3. Дифференциальная коррекция в реальном времени. Передача
дифференциальных поправок по каналам связи. Дифференциальная
коррекция фазовых измерений в реальном времени –Real Time
Correction.
Проблема потери фазовых циклов и временной потере точности
измерений. Системы преодоления мёртвых зон. ГНСС жестко
связанные с ИНС.
4. Дифференциальная коррекция в координатах. Недостатки.
дифференциальная коррекция в измеряемых параметрах.
Рекомендуемая литература.
Сетевые спутниковые радионавигационные системы. Под ред.
Шебшаевича В.С. //Радио и связь, Москва,1993.
Тема 5 . Принципы современных высокопроизводительных систем сбора
геопространственных данных используемых в сочетании с ГНСС.
1. Комбинированные системы на базе ГНСС. ГНСС+ИНС. ГНСС+трассопоисковое оборудование. ГНСС+ИНС+Георадар. Наземная
фотосъёмка и аэрофотосъёмка в сочетании с ГНСС и ИНС. Сочетание
тахеометрии и ГНСС.
2. Принципы лазерного сканирования. Облака точек. Наземное лазерное
сканирование. Системы лазерного сканирования на подвижных
объектах. Воздушное лазерное сканирование. Особенности обработки
данных воздушного лазерного сканирования. Определение уровня
Земли и классификация по высоте. Мобильное лазерное сканирование.
Особенности обработки.
Обработка сырых измерений- замена облаков точек сетками и
графическими объёмными примитивами. Наложение текстур и
фотографий на поверхности. Фото реалистические модели.
Измерительные 3D модели.
3. Аэрофотосъёмочные системы в сочетании с ГНСС и ИНС. Мобильные
системы оперативного картографирования с использованием ГНСС,
ИНС и наземной фотосъёмки.
4. Сбор геопространственных данных с использованием беспилотных
летательных комплексов. Привязка материалов съёмки с
использованием опознаков. Привязка материалов съёмки на базе
треков ГНСС и перекрытий снимков.
Рекомендуемая литература
1.
Кавешников М.Б., Маслаков А.А., Герасимова Н.В., Методика
нанесения горизонталей на топографические карты по материалам
воздушного лазерного сканирования // Изв. вузов. Геодезия и
аэрофотосъёмка. - 2009. - № 1. - С. 28-33.
2.
Грузинов В.С., Кавешников М.Б. Ковальчук А.К, Кулаков Д.Б.,
Семёнов С.Е., Старостин А.Ю., Татаринович Б.А., Шайтура С.В.,
Яроц В.В. Геоинформационные системы в управлении двуногими
шагающими роботами. Часть 2. Системы космической навигации.
Тема 6 .Орбиты систем ГНСС.
1. Методы описания движения околоземных космических аппаратов.
Дифференциальные уравнения движения. Движение в центральном
поле тяготения. Решение Кеплера - основные идеи. Элементы
эллиптической орбиты. Возмущенное движение. Алгоритм вычисления
гринвичских координат по бортовым эфемеридам.
2. Орбитальное построение системы GPS “NAVSTAR”. Особенности.
Орбитальное построение системы ГЛОНАСС. Особенности.
3. Альманах и эфемериды. Точные эфемериды, получаемые из
геодинамических моделей.
Вопросы для самопроверки:
1. Что такое перецентр орбиты?
2. Пересечением каких плоскостей является линия узлов?
3. Каково отличие в назначении между альманахом и эфемеридами?
Рекомендуемая литература.
1. Субботин М.Ф. Введение в теоретическую
астрономию//Гл.ред.физико-математической литературы, из-во
«Наука» 1968.
2. Зигель К., Мозер Ю. Лекции по Небесной Механике. М.: РХД /
Тема 8 Теоретические основы обработки данных, применяемой в ГНСС и
системах использующих ГНСС.
Понятие системы. Динамическая система. Линейная динамическая
система с дискретным временем. Оценка для стационарного случая- метод
наименьших квадратов. Рекуррентное гауссово-марковское оценивание.
Фильтр Калмана. Следящее свойство фильтра Калмана. Многомодельные(
агрегативные) фильтры Калмана. Фильтры Калмана с анализом скачка
вектора состояния.
Применение фильтров Калмана для получения кинематических решений и
решений реального времени. Применение фильтра Калмана в
комбинированных системах на базе ГНСС+ИНС.
Рекомендуемая литература.
1. К.Брамер, Г.Зифлинг. Фильтр Калмана-Бьюсси. - М.: Наука, 1982.
2. Линник Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы теории
обработки измерений.// Физматгиз, 1962 г.
Тема 7. Представление геопространственных данных.
Виды представления пространственных данных- фотографии, схемы,
планы, электронные карты, трёхмерные модели, текстовая информация.
Использование файловой системы для хранения пространственных данных.
Форматы хранения растровых изображений. Описание простейшего формата
RAW. Роль заголовка в современных форматах.
Форматы векторных
изображений. Двоичные и символьные форматы. Формат пакета Автокад –
DXF.
Формат пакета ArсGIS. Shape-файлы. Форматы для хранения
высокоточных
измерений
ГНСС.
Формат
RINEX.
Обмен данными в реальном времени. Передача байта через порт RS232.
Протоколы. Протокол NMEA. Протоколы передачи дифференциальных
поправок. Протоком RTCM.
Рекомендуемая литература
1. Вернер Гуртнер (Астрономический институт Бёрнского университета),
Лоу Исти( ”UNAVACO”, Боудлер, Колорадо) Аппаратнонезависимый
формат обмена навигационными данными RINEX.//Перевод на русский
язык: Чукин В. В., Кононова Е. А. Российский государственный
гидрометеорологический университет. [email protected], 27 октября 2008
г.
2. ArcView(R) Version 2 Shapefile Technical Description//An ESRI White
Paper Copyright © 1994 Environmental Systems Research Institute, Inc.
3. All rights reserved. Printed in the United States of America.
4. Edward Blake [email protected] About the Raw Graphic Format
5. Спецификация
формата
DXF
на
сайте
компании
Autodesk//
www.autodesk.com/autocad/acad2000
6. Описание протокола NMEA на сайте- http://www.gps-profi.ru/
7. RTCM recommended standards for differential GNSS service version
2.2//Radio Technical Commission for Maritime Service. RTCM special
committee No 104. January 15, 1998.
Вопросы для самопроверки:
Какой программой можно прочитать код, который содержится в файле
DXF?
В каком программном продукте можно просматривать формат RINEX?
В чём отличие в использовании символьных и двоичных форматов?
Тема 8. Практика и перспективы применения современных методов сбора
пространственных данных.
Сбор пространственных данных для целей навигации. Транспортные
телематические системы. Проблема обновления информации в транспортных
системах. Навигационные задачи в авиации. Управление морским
транспортом и навигация в порту. Применение оперативного сбора данных
для охраны автотранспорта. Применение систем пространственного сбора в
области земельного кадастра, проектировании и строительстве протяжённых
и сложных сооружений, реставрации зданий и крупных исторических
объектов,
электронные
музеи.
Понятие
об
инфраструктуре
геопространственных
данных.
Информационные системы обеспечения сбора геопространственных данных.
Системы постоянно-действующих базовых станций приёма сигнала ГНСС. Их
применение для геодинамики, геодезии и создания ГИС. Технология
виртуальных базовых станций. Технология решений без базовых станцийPresize Point positioning. Концепция комплексного мониторинга территорий.
Вопросы для самопроверки:
Как применяется принцип дифференциальной коррекции при навигации в
порту?
За счёт чего ускоряется инициализация при использовании виртуальных
базовых станций?
Рекомендуемая литература
1. Кивотов В.В, Кавешников М. Б, Марченко А.Г., Кутырев А.В.
ПРИМЕНЕНИЕ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ
"LARS" ДЛЯ ОХРАНЫ АВТОТРАНСПОРТА// Известия Тульского
Государственного Университета. Серия Технологическая
системотехника. Выпуск 1. 2003 год.
2. Грузинов В.С., Кавешников М.Б. Ковальчук А.К, Кулаков Д.Б.,
Семёнов С.Е., Старостин А.Ю., Татаринович Б.А., Шайтура С.В., Яроц
В.В. Геоинформационные системы в управлении двуногими
шагающими роботами. Часть 2. Системы космической навигации.
3. М.Б. Кавешников, А.Ю. Старостин, Концепция информационного
обеспечения перспективных для освоения малонаселённых территорий
РФ. Стр. 130-136. Сборник статей по итогам международной научнотехнической конференции, посвященной 230-летию основания
МИИГАиК. Журнал «Известия ВУЗов. Геодезия и аэрофотосъемка»
2009 г. (часть 2) Москва, Гороховский пер.4.
4 . УЧЕБНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ИЗ КОТОРЫХ СОСТОИТ МОДУЛЬ ДИСЦИПЛИНЫ
Ввиду малого количества часов содержание дисциплины представлено
в виде одного модуля :
Модуль ( Системы сбора и представления геопространственных данных)
Учебный элемент 1. Лекционный курс
Учебный элемент2. Практикум
Учебный элемент3. Деловая игра
Учебный элемент 4. Проект
Учебный элемент 5. Подведение итогов изучения курса.
5. ИНФОРМАЦИОННОЕ И МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Рекомендуемая литература:
а) основная литература:
1.
Сетевые
спутниковые
радионавигационные
системы.
Под
ред.
Шебшаевича В.С. //Радио и связь, Москва,1993.
2.
Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС// Под
ред. В. Н. Харисова, А. И. Перова, В. А. Болдина.— М.: ИПРЖР, 1998. 400 с. :
ил.
3.
Peter Dana. Global Positioning System Overview// University of Texas 1994.
4.
Интерфейсный контрольный документ ГЛОНАСС//КНИЦ, Редакция 4.0
1998
5.
GLOBAL
POSITIONING
SYSTEM
STANDARD
POSITIONING
SERVICE PER- FORMANCE STANDARD// ASSISTANT SECRETARY OF
DEFENSE
FOR
AND,
CONTROL,
COMMUNICATIONS,
AND
INTELLIGENCE. OCTOBER, 2001
6.
К.Брамер, Г.Зифлинг. Фильтр Калмана-Бьюсси. - М.: Наука, 1982.
б) дополнительная литература:
1. А.А.Генике,
Г.Г.Побединский.
Глобальные
спутниковые
системы
определения местоположения и их применение в геодезии.//Москва,
Картгеоцентр, 2004.
2. Субботин М.Ф. Введение в теоретическую астрономию//Гл.ред.физикоматематической литературы, из-во «Наука» 1968.
3. Зигель К., Мозер Ю. Лекции по Небесной Механике. М.: РХД / Регулярная и
хаотическая динамика, 2001 г., 384 с.
4. RINEX: The Receiver Independent Exchange Format Version 2// Werner Gurtner
Astronomical Institute University of Berne 1998.
5. Галазин В.Ф., Каплан Б.Л., Лебедев М.Г. и др. Система геодезических
параметров Земли «Параметры Земли 1990»(ПЗ90). Под ред. Хвостова В.В.
Справочный документ КНИЦ, Москва ,1998.
6. Department of Defense World Geodetic System. Its Definitions and Relationships
with Local Geodetic Systems// National and Imagery and Mapping Agency
Technical Report 4 Jule 1997.
7. Яценков В.С. Основы спутниковой навигации. Системы GPS NAVSTAR и
ГЛОНАСС.- М: Горячая линия – Телеком, 2005. -272 с.:ил..
8. Линник Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы теории обработки
измерений.// Физматгиз, 1962 г.
9. DL-V3 User Manual//Rev1. NovAtel, 2007.
10.Кивотов В.В, Кавешников М. Б, Марченко А.Г., Кутырев А.В.
ПРИМЕНЕНИЕ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ "LARS"
ДЛЯ ОХРАНЫ АВТОТРАНСПОРТА// Известия Тульского
Государственного Университета. Серия Технологическая системотехника.
Выпуск 1. 2003 год.
11.Грузинов В.С., Кавешников М.Б. Ковальчук А.К, Кулаков Д.Б., Семёнов С.Е.,
Старостин А.Ю., Татаринович Б.А., Шайтура С.В., Яроц В.В.
Геоинформационные системы в управлении двуногими шагающими
роботами. Часть 2. Системы космической навигации.
12. М.Б.Кавешников, А.Ю. Старостин, Концепция информационного
обеспечения перспективных для освоения малонаселённых территорий РФ.
Стр. 130-136. Сборник статей по итогам международной научно-технической
конференции, посвященной 230-летию основания МИИГАиК. Журнал
«Известия ВУЗов. Геодезия и аэрофотосъемка» 2009 г. (часть 2) Москва,
Гороховский пер.4.
13.Вернер Гуртнер (Астрономический институт Бёрнского университета), Лоу
Исти(”UNAVACO”, Боудлер, Колорадо) Аппаратнонезависимый формат
обмена навигационными данными RINEX.//Перевод на русский язык: Чукин
В. В., Кононова Е. А. Российский государственный гидрометеорологический
университет. [email protected], 27 октября 2008 г.
14.ArcView(R) Version 2 Shapefile Technical Description//An ESRI White Paper
Copyright © 1994 Environmental Systems Research Institute, Inc. All rights
reserved. Printed in the United States of America.
15.Edward Blake [email protected] About the Raw Graphic Format.
16.Спецификация формата DXF на сайте компании Autodesk//
www.autodesk.com/autocad/acad2000
17.Описание протокола NMEA на сайте- http://www.gps-profi.ru/
18.RTCM recommended standards for differential GNSS service version 2.2//Radio
Technical Commission for Maritime Service. RTCM special committee No 104.
January 15, 1998.
19.Цифровая обработка сигналов в СПРС (конспект лекций проф.
М.И.Жодзишского). Выпуск1.3 от15.02.2006
20.Браун Ллойд Арнольд. История географических карт. /пер с англ
Н.И.Лисовой- М.: ЗАО Центрполиграф, 2006 г., 479 с.
21.Кусов С.В. Измерение Земли. История геодезических инструментов.
М.:Дизайн. Информация.Картография. 2009 г. 256 стр.
6. СРЕДСТВА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ:
Технический комплекс для демонстрации и обучения на базе спутниковых
радионавигационных приёмников систем GPS и ГЛОНАСС. Комплекс
предназначен
для
поддержки
гепространственных
данных.
радионавигационной
аппаратуры,
практически
со
всем
обучения
Комплекс
спектром
технологиям
представляет
позволяющей
совокупность
ознакомить
возможностей
сбора
учащихся
современных
систем
спутниковой навигации, включая высокоточные измерения и оперативное
картографирование.
Комплекс
создан
в
рамках
Федерально-Целевой
программы «Повышение потенциала высшей школы» и продолжает
совершенствоваться по инициативе заинтересованных преподавателей.
Технический комплекс позволяет обучение в аудитории по принципу
облачных технологий, а так же знакомство с аппаратурой во дворе
университета. В настоящее время ведутся работы по дополнению комплекса
антенной движущейся по рельсам и управляемой преподавателем. Это
позволяет выполнять кинематические измерения во время занятий в
аудитории. Технический состав комплекса – комплект полнофункциональных
приёмников NovAtel DL-V3 позволяющие принимать сигналы двух наиболее
распространённых систем американской GPS и Российской ГЛОНАСС (в
комплект входят радиомодемы для работы в режиме реального времени
комплект GPS приёмников для постобработки Leica 1200, навигатора Garmin,
компьютеров и ПО обработки данных. Полнофункциональные приемники
применяются для демонстрации высокопроизводительных режимов сбора
данных, а приёмники для постобработки для самостоятельных измерений
проводимых учащимися. Более подробное описание комплекса технических
средств содержится в Приложении 2.
Программное обеспечение, применяемое для реализации курса:
Пакет для постобработки данных Leica Geo Office, пакет для постобработки
кинематических данных и PPP- Graf/Nav, пакет для обработки геодезических
статических измерений Graf/Net. Программа для полевого сбора данных
приёмниками NovAtel – SurvCE. Программы для настройки приёмников
NovAtel и сохранения данных на компьютер – NovAtelConnect, Logger. Для
выполнения задач по обработке сигналов используется математический пакет
Матлаб. Для управления удалённой базовой станцией используются
программы
обратного
администрирования
Remote
Administrator,или
TeamViewer.
Для привязки космических снимков по опорным ГНСС измерениям
используются программы Envi и Erdas.
В рамках курса используются видеоматериалы:
1. Фрагмент из новостей ВГТРК, где аспирант демонстрирует работу
лазерного сканера (автор репортажа Ольга Скабеева).
2. Видеозапись эксперимента по определению влияния шумов аппаратуры
ГНСС на измерения в режиме RTK.
Используемые интернет ресурсы:
1. Описания форматов данных с официальных сайтов кампаний ESRI,
Autodesk, Erdas.
2. Международный образовательный сайт по ГНСС определениям для
геодинамики- Sopac.edu
ВЫПИСКА ИЗ УЧЕБНОГО ПЛАНА
ЗЕТ
Формы контроля
Индекс
Б3.В.ДВ.2
Заче
Экза Заче ты с
мены ты оцен
кой
Наименование
Системы сбора и
представления геоданных
8
Семестр 8
13 нед
Лек
Лаб
12
36
Пр
КСР
СР
1
59
Экз
ЗЕТ
3
Часов
в том числе
Курс Курс
Экспер
овые овые
тное
прое рабо
ты
кты
3
Факт
3
По ЗЕТ
108
Всего
108
Экз
СР
Ауд
59
49
УЧЕБНО-ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН КУРСА
Количество аудиторных часов
Аудиторные
№
ТЕМЫ
Самостоя-
Практические
п/п
Лекции
(семинарские)
тельная
Всего
работа
занятия
Задачи сбора
студентов
1
2
3
2
1
2
3
2
2
4
6
2
1
4
5
2
1
2
3
2
геопространственных
данных при создании и
1
2
3
обновлении ГИС
Состав
современной
системы
спутниковой
навигации
Сигналы
современных
систем радионавигации.
Принцип
4
дифференциальной
коррекции.
Принципы
современных
высокопроизводительных
систем
сбора
геопространственных
5
данных
используемых
сочетании с ГНСС.
в
6
Орбиты систем ГНСС.
2
4
6
Теоретические
2
4
6
2
2
2
4
2
12
24
36
20
обработки
основы
данных,
применяемой в ГНСС и
системах
7
использующих
ГНСС
Представление
геопространственных
данных.
8
ИТОГО:
.7. ПРАКТИКУМ
Практическое задание №1
точность
измерений.
геометрический фактор.
Изучение влияния расположения спутников на
Определение
параметров,
характеризующих
При выполнении задания используется пакет Маткад. В пакете создаётся
простейшая модель измерения дальностей до спутников, позволяющая задавать
положение каждого спутника по его широте и долготе. По измеренным
дальностям четырёх спутников вычисляется ковариационная матрица
определяемых координат наблюдателя. По ковариационной матрице
оцениваются коэффициенты, характеризующие качество геометрической
засечки.
Данные
коэффициенты
вычисляются
каждым
учащимся
самостоятельно. Расчётные формулы учащийся использует из лекционного
курса. Причём, каждому учащемуся ставится задача получения наилучших
геометрических коэффициентов. Значения первого получившего записывается на
доске, следующий должен получить коэффициенты лучше. Отстающим
приходится решать более сложную оптимизационную задачу, чем успевающим.
Такой подход создаёт здоровое соревнование на занятиях, а материал лучше
запоминается. Материал закрепляется на других практических занятиях путем
демонстрации реальных
спутниковой аппаратурой.
геометрических
коэффициентов,
получаемых
Практическое задание №2 Определение параметра сигнала при помощи
коррелятора.
При выполнении задания используется пакет Маткад. В пакете создаётся
простейшая модель сигнала в ортогональном представлении. Строятся графики.
В параметры эталонной модели сигнала вносятся изменения. Строятся таблицы
оцифрованных сигналов, как эталонного, так и измеряемого. По таблицам
находится корреляция и строится корреляционная функция в зависимости от
измеряемого параметра. По максимуму корреляционной функции определяется
внесенное изменение параметра. В качестве параметра учащиеся могут выбрать
частоту или фазу. Задавая разные параметры, учащиеся проверяют
работоспособность метода. Корреляционная функция строится графически.
Расчётные формулы учащийся использует из лекционного курса. Форма
контроля- объяснение учащимся состава модели, принципов определения
параметра и поведение полученных результатов.
Практическое задание №3 Определение задержки сигнала по дальномерному
коду ГЛОНАСС.
При выполнении задания используется пакет Маткад. В работе используется
модели сигнала и коррелятора созданные в предыдущей работе. Дополнительно
разрабатывается модель дальномерного кода ГЛОНАСС в соответствии с
спецификацией сигнала из [8]. Моделируется сдвиг по времени и затем
определяется по корреляционной функции так же как в задании 2. Полученный
результат фиксируется для разных значений задержек. Форма контроляобъяснение учащимся состава модели, принципов определения задержки по
времени и поведения полученных результатов.
Практическое задание №4 Определение задержки сигнала по дальномерному
коду GPS. Исследование принципа разделения сигнала по коду.
При выполнении задания используется пакет Маткад. В работе используется
модели сигнала и коррелятора созданные в предыдущих работах. Дополнительно
разрабатываются модели дальномерных кодов для двух разных спутников GPS.
Моделируется суммарный сигнал двух спутников. Подставляя эталонные
сигналы для разных спутников, учащиеся получают разные задержки по времени.
Форма контроля- объяснение учащимся состава модели, принципов определения
задержки по времени и принципа разделения сигнала по коду.
По итогам выполнения 1-4 –го задания проводится промежуточный зачёт.
Практическое задание №5 Измерение положения точки ГНСС приёмником
В случае благоприятной погоды занятие проводится во дворе университета, в
противном случае измерения производятся с приёмниками расположенными на
крыше университета. Один приёмник на крыше настраивается как базовый и
собирает данные для дифференциальной коррекции.
Второй приёмник устанавливается на штативе в точке с известными
координатами или используется вторая антенная стойка и второй приёмник.
Занятия организуются так, что сначала выполняется статическая съёмка (15-20
мин), а затем определяются съёмочные точки («stop and go», или фиксация точки
с использованием маркера события ) Каждый учащийся определяет несколько
съёмочных точек (не менее одной). Во время выполнения измерений студентами
они фиксируют внимание на основных технологических особенностях процесса
измерений. После выполнения измерений собранные данные переписываются на
компьютер, и затем выполняется постобработка. При анализе результатов
каждый студент находит свои съёмочные точки. Анализируется навигационное
решение, результаты дифференциальной коррекции по коду и по фазе. Оценка
точности измерений для этих случаев создают правильные представления о
возможностях технологий разной степени сложности.
Рекомендации по проведению занятия. Занятие проводится в виде деловой игры.
Придумывается объект съёмки и учащиеся выполняют сбор данных.
Фиксируются все основные технологические этапы.
Практическое задание №6 Изучение характеристик определений в реальном
времени.
В случае благоприятной погоды занятия проводятся во дворе университета.
Базовым приёмником назначается приёмник на крыше. Приёмник-ровер во дворе
связывается с ним по GSM модему и получает с него дифференциальные
поправки. Учащиеся знакомятся с решениями по коду и по фазе, наблюдают
зависимость изменения координат от перемещений антенны. Производится
съёмка точек и сохраняется слой с точками.
В случае плохой погоды или неустойчивой работы GSM-связи, используются
антенны, установленные на крыше университета. В этом случае приёмники
находятся на близком расстоянии, и связь между ними производится по кабелю.
Учащиеся изучают способы настройки приёмников, модемов, признаки
устойчивой работы и условия обеспечения заданной точности. В качестве версии
может быть рассмотрено подключение обоих приёмников к одной антенне. В
этом случае, расстояние между отсчётными центрами приёмников равно
теоретически нулю. Получаемые, в этом случае, ненулевые длины векторов
представляют собой шумовую компоненту методической ошибки измерений
базовой линии.
Практическое задание №7 Определение координат навигационного спутника
на момент решения навигационной задачи.
В Пакете Маткад выполняется реализация алгоритма вычисления гринвичских
координат навигационного спутника на момент решения навигационной задачи.
Расчётные формулы учащийся использует из лекционного курса.
Каждый учащийся выполняет решение самостоятельно. Распакованные
эфемериды выдаются учащимся индивидуально. Например:
Входные данные: Эфемеридная информация, поступающая из навигационного
сообщения
M0 := 2.80915913755
-cредняя аномалия на отсчетное время (время на которое вычислены
эффемериды)
−8
dn := 0.53609375⋅ 10
Отличие средней аномалии от расчетного значения
−1
e := 0.115431019⋅ 10
Эксцентриситет орбиты
sqrtA := 5153.67255
Квадратный корень из Большой полуоси орбиты
Omega0 := 0.929064833
Долгота восходящего узла орбиты
i0 := 0.939228642734
Угол наклона на отсчетное время
Om := 1.544328199
Аргумент перегея
−8
OmegaDot := −0.8408⋅ 10
Скорость прецессии восходящего узла
−9
Idot := 0.2828⋅ 10
Скорость изменения угла наклона
−5
Cuc := 0.31907⋅ 10
Амплитуда косинусоидальной гармоники для коррекции аргумента широты
−5
Cus := 0.4652⋅ 10
Амплитуда синусоидальной гармоники для коррекции аргумента широты
Crc := 277.468
Амплитуда косинусоидальной гармоники для коррекции радиуса орбиты
Crs := 65.687
Амплитуда синусоидальной гармоники для коррекции радиуса орбиты
−7
Cic := 0.1676⋅ 10
Амплитуда косинусоидальной гармоники для коррекции угла наклона орбиты
−6
Cis := −0.154599⋅ 10
Амплитуда синусоидальной гармоники для коррекции угла наклона орбиты
toe := 17⋅ 3600 + 59⋅ 60
Отсчетное время - время на которое вычислены
эффемериды
mu := 398600.8
Геоцентрическая гравитационная постоянная
t := 17⋅ 3600 + 0.00
Текущее время
−4
Omz := 0.72921151467⋅ 10
-угловая скорость вращения Земли
Задание на выполнение индивидуального инновационного проекта;
Для сильно подготовленных и талантливых учащихся задания 5-8 могут быть
заменены
индивидуальным
инновационным
проектом.
Тема проекта выбирается по результатам консультаций со специалистами
поставщиками оборудования – НПК «GPSCom», НПК «Йена Инструмент»,
«ГНСС плюс». Уровень новизны соответствует так называемой полезной модели
(рационализаторское предложение). Это означает, что принципиально решение
задачи известно, но на данном предприятии или группе предприятий никем
получено не было. Соавторами разработки могут являться преподаватель,
дипломники, аспиранты.
На 2014-2015 год предлагается тема: «Оценка средней плотности электронов в
ионосфере по измерениям c геодезических постоянно-действующих базовых
станций» .
7. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПРОВЕДЕНИЮ
ЛЕКЦИОННЫХ ЗАНЯТИЙ
Целью
изучаемого
лекционных
студентами
занятий
является
самостоятельно
по
структуризация
материала
литературе,
прояснение
принципиальных моментов, которые трудно выполнить самостоятельно,
сообщение и разъяснение фактов, которые в учебной литературе отсуствует.
Литература, приведённая автором умк, проверена и используется не только
как учебная, но её активно используют специалисты отрасли. Так называемая
«литература электронных библиотек» и поверхностно декларативные учебники,
издаваемые по данной теме, к употреблению не рекомендуется. Они имеют
низкий
рейтинг
среди
технических
специалистов.
Поэтому приводимая здесь литература раздаётся учащимся в виде CD-диска.
Частично его бумажные аналоги имеются в библиотеке университета.
Предполагается, что учащиеся готовятся к лекции сначала по источникам, а на
лекции преподаватель их окончательно ориентирует в теме.
ПАСПОРТ ФОНДА ОЦЕНОЧНЫХ СРЕДСТВ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
№
1
2
3
4
Контролируемые темы
дисциплины
Код контролируемой
компетенции
Эволюция методов
измерения
пространственных
координат от мерных
цепей до ГНСС
ОК-4, ПК-18,ПК-23
Состав современной
ПК-18,ПК -23
системы спутниковой
навигации
Сигналы
современных ПК-18, ПК23
систем радионавигации.
Принципы определения ПК-18,ПК23,
параметров сигнала
в ПК26
Наименование оценочного
средства
Зачёт
Зачёт , тест
Зачёт, РГР
Зачёт, РГР
ГНСС приёмниках.
6
ПК-18,ПК23,
Принцип
Деловая игра.
дифференциальной
коррекции.
7
Принципы современных ПК-18,ПК29
высокопроизводительных
систем
Деловая игра, или проект (по
выбору)
сбора
геопространственных
данных используемых в
сочетании с ГНСС.
8
9
Орбиты систем ГНСС.
основы ПК28, ПК26
Теоретические
обработки
ПК25, ПК26
Зачёт, РГР
Зачёт
данных,
применяемой в ГНСС и
системах использующих
ГНСС
10
11
Представление
геопространственных
данных.
ПК 31, ПК 32, ПК33, Зачёт
ПК29
Практика и перспективы ПК18,ПК29, ПК28.
применения современных
методов
пространственных
данных
сбора
Зачёт, деловая игра или проект
(по выбору)
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ
АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ :
(В интернет версии не публикуется)
Вопросы для зачёта:
1.
Особенности прохождения сигналов в атмосфере.
2.
Формат RINEX. Назначение. Общее описание.
3.
Сегмент управления системы GPS.
4.
Протокол NMEA. Назначение. Передача сообщений через
COM порт.
5.
Векторные и растровые форматы.
6.
Простейший растровый формат BIL (RAW)
7.
Элементы орбиты навигационного спутника.
8.
Сигналы систем GPS и ГЛОНАСС. Сходства и отличия.
Характеристики дальномерных кодов.
9.
Состав системы GPS. Деление на сегменты. Назначение
сегментов.
10.
Навигационное сообщение. Альманах. Эфемериды.
11.
Состав комплекта оборудования для геодезического GPS-
приёмника.
12.
Принцип дифференциальной коррекции.
13.
Параметры, определяющие орбиту навигационного спутника.
14.
Принципы построения векторных форматов.
15.
Технология определения координат точки фазовым GPS-
приёмником.
16.
Роль заголовка в современных форматах.
17.
Физические факторы, влияющие на точность GPS-измерений.
18.
Система счёта времени GPS.
19.
Точность кодовых и фазовых наблюдений.
20.
Двоичные и символьные протоколы передачи данных.
21.
Основные этапы обработки фазовых наблюдений.
22.
Соединительные
кабели,
применяемые
в
комплекте
аппаратуры GPS- приёмника.
23.
Основные системы координат, используемые в GPS –
ГЛОНАСС- приёмниках. Система WGS-84 и система ПЗ90.
24.
Орбитальное построение системы ГЛОНАСС.
25.
Параметры,
характеризующие
ориентацию
орбиты
в
пространстве.
26.
Параметры, характеризующие форму и «размер» орбиты.
27.
Принцип действия транспортного GPS-приёмника.
28.
Определение высоты антенны при точных определениях.
29.
Геометрический фактор. Влияние геометрии расположения
спутника на точность определения координат.
30.
«Отсчетная точка» GPS-приёмника.
31.
Установка антенны GPS на точке.
32.
Традиционные наземные методы получения координатной
информации. Триангуляция, триллатерация, полигонометрия.
33.
Принцип действия радиопеленгатора.
34.
Наземные радионавигационные системы.
35.
Спутниковые системы радионавигации на средних орбитах.
36.
Спутниковые системы радионавигации на высоких орбитах
GPS, ГЛОНАСС, Галилео, EGNOS.
37.
Сферы
применения
спутниковых
радионавигационных
систем.
38.
Применение GPS-приёмников на транспорте.
39.
Применение GPS-приёмников для синхронизации процессов.
40.
Применение GPS-приёмников для геодезии и кадастра.
41.
Применение GPS- приёмников для привязки аэрофотосъемки
42.
Применение GPS-приёмников в строительстве, мелиорации,
сельском хозяйстве.
43.
Условия
распространения
радионавигационного
сигнала
систем GPS и ГЛОНАСС.
44.
Радионавигационный сигнал. Основные параметры сигнала.
45.
Мгновенный и статистический метод определения параметров
сигнала.
46.
Принцип действия коррелятора.
47.
Определение фазы при помощи коррелятора.
48.
Определение относительной скорости объекта.
49.
Проблема неоднозначности фаз. Дальномерный код.
50.
Система
двоичных
регистров
со
сдвигом.
М-
последовательности.
51.
Дальномерный код ГЛОНАСС.
52.
Коды Голда. Дальномерный код GPS.
53.
Разделение сигналов, передаваемых на одной частоте в системе
54.
Прогноз движения навигационных спутников на момент
GPS.
определения положения.
55.
Определение положения пункта по координатам спутников и
измеренным псевдодальностям. Связь измеренных и определяемых
параметров.
56.
Приближенное определение положения по 4-м дальностям.
Метод возведения в квадрат.
57.
Линейная система уравнений для поправок в приближенные
координаты пункта.
58.
Решение избыточной системы линейных уравнений. Метод
наименьших квадратов.
Принцип минимума суммы квадратов невязок и метод
59.
наименьших квадратов. Основная идея получения матричного уравнения.
60.
Принципиальная схема GPS-приёмника. Как реализован
коррелятор?
61.
Принципиальная
схема
GPS-приемника.
Роль
аналого-
цифрового преобразователя.
62.
Выражения для привязки аэрокосмических материалов по
линейным объектам.
63.
Методы закрепления на местности мест взятия экологических
64.
Использование
проб.
сигналов
ГНСС
для
дистанционного
зондирования.
Рекомендации по проведению зачёта. К зачёту допускаются выполнившие все
практические работы и задания. В экстренных случаях допускается замена
невыполненного задания штрафным вопросом. Преподаватель случайным
образом назначает вопрос. Второй вопрос учащийся выбирает сам. Оценка
строится на сопоставлении выбранного и обязательного вопроса. Преподаватель
должен убедиться, что основную часть тем студент усвоил. В этом случае зачёт
ставится, в противном- нет.
№
1
Наименование
оценочного средства
Зачёт (собеседование)
2
Тест
3
Деловая игра
4
Проект
Краткая характеристика
оценочного средства
Средство контроля,
организованное как
специальная беседа
преподавателя с
обучающимся на
темы, связанные с
изучаемой
дисциплиной, и
рассчитанное на
выяснение объема
знаний обучающегося
по определенному
разделу, теме,
проблеме и т.п.
Система
стандартизированных
заданий, позволяющая
автоматизировать
процедуру измерения
уровня знаний и
умений обучающегося.
Совместная
деятельность группы
обучающихся и
преподавателя под
управлением
преподавателя с
целью
решения учебных и
профессиональноориентированных
задач путем игрового
моделирования
реальной проблемной
ситуации.
Конечный продукт,
получаемый в
результате
планирования
и выполнения
комплекса учебных и
исследовательских
заданий.
информационном
пространстве и
уровень
Представление
оценочного средства
Вопросы по
темам/разделам
дисциплины
Фонд тестовых
заданий
Тема (проблема),
концепция, роли и
ожидаемый результат
по каждой игре
Темы групповых
и/или
индивидуальных
проектов
сформированности
аналитических,
исследовательских
навыков, навыков
практического и
творческого
мышления.
Может выполняться в
индивидуальном
порядке или группой
обучающихся.
ДЕЛОВАЯ (РОЛЕВАЯ) ИГРА ПО ДИСЦИПЛИНЕ
1. Тема (проблема): «Привязка космического снимка двора МИИГАиК из ГУГЛ
по ГНСС треку».
2. Концепция игры: Выполняется запуск и настройка базового приёмника,
готовится подвижный приёмник, выполняется статическая сессия, которая
используется для кинематики и фиксации съёмочных точек. В качестве
фиксируемых точек используются характерные точки на снимке. Определяются
характерные маршруты вдоль линейных объектов. Треки маршрутов и
характерные точки используются для привязки снимка.
3. Роли: Исполнитель на базовой станции, исполнитель статической съёмки,
исполнитель кинематической съёмки, исполнитель камеральной обработки.
4 Ожидаемые результаты : учащиеся выясняют принципиальные моменты
технологии и собственноручно выполняют основные операции.
Критерии оценки:
- оценка «зачтено» выставляется студенту, если студент может кратко
объяснить все технологические действия, выполняемые в соответствии с
заданными ролями, а также, если он получил координаты одной и более точек
учебного объекта с точностью 1-10 см.……………..…………;
- в противном случае ставится оценка «не зачтено»
ТЕМА ГРУППОВОГО ИНДИВИДУАЛЬНОГО ТВОРЧЕСКОГО
ПРОЕКТА
Групповые творческие задания (проекты):
1 «Оценка средней плотности электронов в ионосфере по измерениям c
геодезических постоянно-действующих базовых станций».
Критерии оценки:
- оценка «зачтено» выставляется студенту, если выполнен отчёт и в нём даны
ответы на основные вопросы поставленные в проекте.
- оценка «не зачтено» …в противном случае.
Вопросы, поставленные в проекте.
1.
Способны ли приёмники NovAtel DL-V3 давать полезную для
исследователей информацию об ионосферных стинциляциях с частотой,
близкой к 5 гц?
2. Возможно получить подобную информацию за счёт последующей
математической обработки измерений?
3. Если из спектра шумов приёмника удалить составляющие вблизи 5 гц
можно ли это считать, что влияние этих стинциляций учтено? Будет ли
учёт таких стинциляций существенно улучшать оценки определяемых
навигационных параметров.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПРОВЕДЕНИЮ
ПРОМЕЖУТОЧНОГО ТЕСТИРОВАНИЯ
Как правило, учащиеся, которые прослушивают курс лекций, считают,
что успеют изучить материал позже и практически вместо активного изучения
материал принимается к сведению и имеет место поверхностное восприятие.
Для разрушения этой иллюзии один или два раза в семестр проводится блиц
тестирование. Оно состоит из небольшого числа вопросов (15 не более) и
краткосрочное по 30 сек на вопрос. Оно заставляет учащихся собраться и
активно изучать материал лекций.
( в интернет версии вопросы тестов и ответы не публикуются )
Вопросы для теста
Выбор из списка единственного правильного ответа
Вопрос 1.
Где находится отсчетная точка GPS?
Геометрический центр тригера штатива
Верный Фазовый центр антенны
Самая северная точка антенны
Геометрический центр антенны
Время на ответ: 30 сек .
Вопрос 2.
Для чего нужен формат RINEX?
Верный Независимый текстовый формат обмена данными между GPS
приемниками
Независимый формат представления данных для земельного
кадастра
Формат представления GPS данных, принятый в системе LINUX
Формат представления данных GPS для трехмерного моделирования
Время на ответ: 30 сек .
Вопрос 3.
Протокол NMEA это:
Протокол обмена данными между спутниками системы GPS
Двоичный протокол обмена данными между GPS приемником и
пользователем
Протокол обмена данными между кораблем и береговой охраной
Верный Символьный протокол обмена данными GPS и пользователя
Время на ответ: 30 сек .
Вопрос 4.
Минимальное
число
спутников,
необходимое
для
определения положения
2
1
Верный
4
3
Время на ответ: 30 сек .
Вопрос 5.
Высота орбиты спутников GPS:
10 000 км
Верный 20 000 км
36 000 км
48 000 км
Время на ответ: 30 сек .
Вопрос 6.
Номинальное количество спутников GPS
Верный 24
16
28
32
Время на ответ: 30 сек .
Вопрос 7.
Что такое большая полуось орбиты?
Расстояние между центром и фокусом эллипса
Расстояние между противоположными точками эллипса
Минимальное расстояние от центра эллипса до текущей точки
эллипса
Верный Наибольшее расстояние от центра эллипса до текущей точки эллипса
Время на ответ: 30 сек .
Вопрос 8.
Для чего кодируется сигнал GPS?
Для ограничения круга пользователей системы
Для борьбы с помехами при передаче сигнала
Верный Для вычисления задержки сигнала статистическим методом
Для идентификации пользователя системы
Время на ответ: 30 сек .
Вопрос 9.
Что такое наклон орбиты?
Верный Угол между плоскостью орбиты и экватором
Угол между плоскостью орбиты и нулевым меридианом
Угол между плоскостями орбит спутников GPS
Угол между вектором скорости КА и плоскостью орбиты
Время на ответ: 30 сек .
Вопрос 10.
Что такое эксцентриситет орбиты?
Отношение между большой полуосью и малой полуосью эллипса
Верный Отношение расстояния между центром и фокусом эллипса и
большой полуосью орбиты
Смещение центра масс спутника GPS относительно его оболочки
Характеристика сжатия Земного эллипсоида
Время на ответ: 30 сек .
Вопрос 11.
Что такое дифференциальный метод GPS?
Метод, когда один GPS примник используется для повышения
мощности сигнала второго
Метод определения орбиты GPS при помощи дифференцирования
Верный Метод, когда один GPS приемник используется для корректировки
ошибок второго
Метод, когда измеряются навигационные дифференциальные
параметры
Время на ответ: 30 сек .
Вопрос 12.
Геометрический фактор это:
Фактор, повышающий точность геометрических определений при
помощи GPS
Фактор, характеризующий геометрическую фигуру, которую
образуют спутники в пространстве
Фактор раразвития геометрии как науки, после создания систем
глобального определения положения
Верный Фактор, характеризующийй влияние геометрии GPS спутников на
точность определения положения
Время на ответ: 30 сек .
Вопрос 13.
Для чего нужно навигационное сообщение?
Верный Обеспечить пользователя данными для решения навигационной
задачи : о положении спутников, уходе спутниковых часов, и
служебной информацией
Обеспечить пользователя данными, необходимыми при навигации в
городских условиях
Обеспечить пользователя данными о задержке сигнала по линии
спутник – пользователь
Обеспечить пользователя информацией о моменте начала передачи
навигационного сигнала
Время на ответ: 30 сек .
Вопрос 14.
Что такое коррелятор?
Верный Програмное или аппаратное устройство для статистического
определения параметра сигнала
Математический оператор корректировки реляций.
Програмное или аппаратное устройство для определения
корреляции фазы и частоты
Програмное или аппаратное устройство для исключения корреляции
из сигнала
Время на ответ: 30 сек .
Вопрос 15.
Что такое WGS84 ??
World Geodetic System 1984 г. мировая система координат, принятая
в системе GLONASS
World Geodetic System 1984 г. локальная система координат,
принятая в системе GPS
Верный World Geodetic System 1984 г. мировая система координат, принятая
в системе GPS
World Geodetic System 1984 г. локальная система координат,
принятая в системе GLONASS
Время на ответ: 30 сек .
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ОПИСАНИЕ СРЕДЫ ТЕСТИРОВАНИЯ
Среда тестирования представляет собой специально разработанное для нужд
учебного процесса кафедры программное обеспечение, состоящее из редактора
тестов ETest и программы тестирования Test. Автором данной программы
является Мальцев Александр Сергеевич. Программа разработана в рамках его
дипломного проекта.
Среда тестирования выполняет следующие основные функции:
1) Создание теста, наделенного функциями:
•
установка времени на ответ
•
возможность ограничения количества вопросов из
общего набора вопросов
•
защита настроек теста паролем
3) Сохранение файла с тестом
2) Возможность редактирования созданного ранее теста
3) Проведение теста, наделенного функциями:
•
случайный порядок вопросов
•
информация
о
состоянии
ответа
по
выбору
преподавателя
4) Вывод информации о результате тестирования
5) Шифрование файла с тестом
Инструкция для пользователя
Запуск модуля осуществляется путем запуска исполняемого файла
«ETest.exe». При этом на экране появляется окно формы данного модуля,
изображенное на Рис. 1
Рис. 1 Внешний вид главной формы модуля «Редактор тестов».
При открытии меню Файл и выборе команды Создать появляется окно,
показанное на рис. 2:
Рис. 3 Окно создания нового теста
Назначение элементов модуля.
•
Поле ввода «Название теста» предназначено для ввода названия
создаваемого теста.
•
В поле ввода «общее количество» вопросов вводится общее
количество вопросов в тесте.
•
Поле «задаваемых при тестировании» предназначено для ввода
вводится количества вопросов для тестирования, которые будут выбираться из
общего набора вопросов. Например, если имеется большой объем материала и
ограниченное количество времени, в процессе тестирования сложно охватить
всю тему, но если из 100 вопросов случайным образом отберутся 30, то это
охватит весь объем и не займет много времени.
•
Следующее поле - «Время на один вопрос»; слева вводится время в
минутах, с права – в секундах.
•
При нажатии кнопки «Защита опций паролем» будет предложено
ввести пароль. Эта функция не обязательна, но при тестировании студентов
крайне необходима. Защита паролем не позволит самостоятельно открыть файл
теста, а также по окончании тестирования, при попытке закрытия, программа
будет запрашивать пароль. К этой функции мы еще вернемся позже.
•
Кнопка «ОК» - нажатием на данную кнопку начинается процесс
создания нового теста. Его можно увидеть на Рис. 2.3.
•
Кнопка «Отмена» - выход в главное меню программы.
Рис. 4 Окно редактирования теста
Надпись «Название теста» отображает наименование теста, введенное в
предыдущем окне. Кнопка «Смена пароля» позволяет сменить заданный ранее
пароль к тесту. В поле «Вопрос №» предназначено для ввода вопроса, а поля
«Ответ 1», «Ответ 2», «Ответ 3», «Ответ 4», - для ввода вариантов с ответами.
В меню «Верный вариант» отмечается правильный вариант ответа. При
нажатии на кнопку «Вперед» переходим ко второму вопросу, и так далее до
того номера вопроса, который мы ввели в поле «общее количество». При
помощи кнопок «Назад» и «Вперед» можно перемещаться по нашему тесту. На
первом вопросе блокируется кнопка «Назад», на последнем – кнопка «Вперед».
Чтобы сохранить тест необходимо выбрать в меню Файл команду
Сохранить. При закрытии программы будет также предложено сохранить тест.
Файл сохранится с расширением «.tes».
Как уже было сказано, в данной программе применяется алгоритм
шифрования, который не позволяет получить информацию о тесте (в частности
о правильных ответах), например через текстовый редактор. Таким образом,
если открыть файл с тестом через блокнот, то мы увидим шифр в действии (Рис
5).
Рис. 6 Вид файла теста, открытого через блокнот
Это позволяет хранить различные файлы с тестами непосредственно в
компьютерном классе, не опасаясь, что студенты смогут получить информацию
о тесте.
Созданный ранее файл с тестом можно открыть с целью редактирования.
Для этого из меню Файл выбираем пункт Открыть. Если требуется
открыть тест, в котором при создании был задан пароль, то при открытии будет
предложено ввести его, что и показано на Рис. 7
Рис. 7 Открытие теста, защищенного паролем
Инструкция для пользователя Test.
Запуск модуля осуществляется путем запуска исполняемого файла
«Test.exe». При этом на экране появляется окно формы данного модуля,
изображенное на Рис. 8
Рис. 8 Внешний вид модуля тестирования
Для начала необходимо открыть файл с тестом, для этого из меню Файл
выбираем пункт «Открыть тест» и выбираем нужный файл теста. Чтобы
приступить к тестированию, выбираем пункт «Начать тестирование» из меню
«Тест». Если при его создании использовалась функция «Защита паролем», то
будет предложено ввести пароль, как показано на Рис. 9.
Рис. 9. Запрос пароля при открытии теста, защищенного паролем
Если введенный пароль неверен, то программа завершит свою работу, при
введении правильного пароля начнется процесс тестирования
(Рис. 10).
Рис. 10. Процесс тестирования
Назначение элементов модуля
Надпись «Название теста» отображает наименование теста, введенное при
его создании. Ниже идут поля с вопросом и вариантами ответов, еще ниже
кнопки. Каждая кнопка отвечает за свое поле с вариантом ответа. При нажатии
на кнопку с вариантом ответа, автоматически будет предложен следующий
вопрос. В верхнем левом углу, справа от надписи «Осталось» отсчитывается
время, оставшееся на текущий вопрос. Ниже, около надписи «На весь тест»
отображается время, отведенное на тест. Еще ниже показывается номер
вопроса. В поле «Количество правильных ответов» по завершению
тестирования отображается количество ответов, на которые студент ответил
верно. В поле «Количество неправильных ответов», соответственно вопросы, на
которые ответили не верно. В поле «Всего вопросов» показывается количество
вопросов, заданных при тестировании. На основании этих данных,
преподаватель может выставить оценку.
В пункте меню «Настройки» имеется пункт «Информация об ответе».
При его активизации студенту будет показываться верно ли он ответил на
каждый вопрос теста. Этот пункт так же защищен паролем и применяется по
выбору преподавателя. В большинстве случаев студенту нежелательно знать,
верно ли он ответил на вопрос, для избежания подсказок. Но в некоторых
случаях узнать результат ответа бывает очень полезно, для этого в функции и
применена парольная защита. Эта возможность отображена на рис. 11.
Рис. 11. Опция информации о состоянии ответа
Наконец, когда тест будет завершен, будет выведена информация о
количестве правильных/неправильных ответах, кнопки с вариантами ответов
исчезнут, а при попытке закрытия программы будет запрашиваться пароль (если
таковой был задан при создании теста). Это необходимо для того, чтобы
студент не смог пройти тест повторно.
Рис. 12 Блокирование закрытия программы
При введении верного пароля программа будет закрыта.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2:
УЧЕБНЫЙ И НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
КОМПЛЕКС НА БАЗЕ ГНСС ПРИЁМНИКОВ NOVATEL
DL-V3, ПЛАТЫ NOVATEL OEMV3 L1L2 G KIT И
АНТЕННЫ TOPCON CR-4.
КРАТКИЙ ОБЗОР
Введение
Спутниковый метод на сегодня является самым современным для сбора
пространственных данных в геодезии, картографии, землеустройстве, в системах
мониторинга транспорта. Спутниковые данные дают возможность создавать
геодезические сети пунктов, координатную основу (широты, долготы, высоты
объектов) для планов, карт, баз данных, геоинформационных систем.
Длительные многосуточные наблюдения обеспечивают данными о деформации
зданий, оползневых эффектах, геодинамических явлениях.
Появился широкий ассортимент пользовательской аппаратуры, с её
помощью стало осуществимым решение широчайшего круга задач: от проблем
сельского хозяйства, мелиорации, строительства, управления транспортом, до
вычисления путей миграции перелётных птиц.
В настоящее время в развитых западных странах уже созданы или
создаются сети постоянно действующих станций, принимающих сигналы
спутниковых радионавигационных систем. Их данные применяются для
высокопроизводительных
геодезических
съемок,
в
геодинамических
исследованиях, при мониторинге транспорта, в метеорологии. Такие работы
поддерживают созданием центров технической поддержки, включающие в себя
мощные консалтинговые формирования, форумы специалистов.
Предлагаемый учебный и научно-исследовательский комплекс получит
широкую специализацию, – для массового, многопланового внедрения
спутниковых навигационных технологий в экономику страны. Он сможет
соединить в себе черты центра дистанционного обучения и консультационновнедренческого подразделения. Создаваемый комплекс в рамках вуза позволит
приблизить существующие образовательные стандарты и уровень выпускаемых
специалистов запросам современной экономической жизни. Он окажет
существенную помощь при повышении статуса российской спутниковой
радионавигационной системы “ГЛОНАСС”.
Примечание. Группа специалистов, создавшая комплекс, состоит
исключительно из преподавателей университета, студентов и асптрантов, при
поддержке нашими выпускниками из компаний GPScom, Йена Инструментс и
других. Работа ведётся на межкафедральной и межфакультетской основе
движущей силой которой, является взаимный научный и профессиональный
интерес. Идейным и неформальным лидером в этой работе в настоящее
время
становится
проректор
по
науке
Непоклонов
В.Б.
Назначение документа
Данный документ предназначен для ознакомления с составом и
возможностями учебного и научно-исследовательского комплекса на базе ГНСС
приёмников NovAtel DL-V3, платы Novatel OEMV3 L1L2 G Kit и антенны Topcon
CR-4. Он может стать основой для обсуждения путей повышения уровня
преподавания GPS-ГЛОНАСС технологий, более активного вовлечения
студентов и аспирантов в научно-исследовательский процесс, укрепления
внешнего авторитета (брэнда) университета, привлечения потребителей научнотехнической продукции на хоздоговорной основе.
Назначение комплекса
Учебный и научно-исследовательский комплекс на базе ГНСС приёмников
NovAtel DL-V3, платы Novatel OEMV3 L1L2 G Kit и антенны Topcon CR-4
предназначен для обеспечения учебного процесса по направлениям связанным с
применением спутниковых радионавигационных систем GPS и ГЛОНАСС, и
ведения научно-технических разработок НИЧ МИИГАиК. Поддерживаемый
учебный процесс предполагает занятия, как в рамках аудиторных часов, так и в
рамках подготовки курсовых и дипломных проектов, а так же индивидуальных
форм обучения. Научно-техническая работа предполагает освоение и создание
новых более производительных приёмов работы с данным оборудованием,
разработка комбинированных систем, создание нового программного
обеспечения. Данный интеллектуальный задел может быть использован для
внедрения новых технологий в интересах заказчиков использующих данные
технические средства, проведения частных консультаций, а в перспективе
создания консалтинговых групп по данному направлению.
Состав комплекса
На момент составления данного обзора комплекс представляет систему рабочих
мест расположенных на территории университета. К ним относятся:
1. Антенна на крыше университета в Юго-Восточном углу Астроплощадки.
2. Рабочее место в предбаннике выхода на крышу рядом с лифтовым
помещением на
6-ом этаже.
3. Рабочие места в коридоре кафедры.
4. Интерактивная доска и компьютер преподавателя в ауд.165 или 170.
5. «Искусственная труба». Закопанный на глубину 25 см. металлический
уголок с кабелем для подключения трассопоискового генератора.
Дальнейшее наращивание комплекса, расширение и углубление его
специализации, добавление новых рабочих мест будет отражено в последующих
версиях документа.
Антенна на крыше университета
Антенна на крыше университета в Юго-Восточном углу
Астроплощадки.
Двухчастотная choke-ring GPS-ГЛОНАСС антенна с 20-ти метровым
кабелем проведённым в предбанник крыши (лифтовое помещение). Также
имеется дополнительный антенный кабель (РК-50) для подключения
геодезической антенны.\
Дополнительный кабель для подключения антенны в юго-восточном
углу Астроплощадки.
Рабочее место для технической проверки и исследования
приемников GPS/ГЛОНАСС в предбаннике выхода на крышу
университета.
Данное рабочее место состоит из:
• Приемника на базе платы ГНСС платы Novatel OEMV3 L1L2 G Kit
• Сервера последовательных устройств DS-100
• Источника бесперебойного питания
• Соединения типа «витая пара» для связи с компьютером в ауд. 154.
• Персональный компьютер с монитором
• Антивандальный сейф
• Стол и стулья для размещения переносного оборудования и проведения
занятий с группой студентов.
Рабочее место в предбаннике выхода на крышу.
Размещение рабочего места в предбаннике выхода на крышу.
Оборудование для стационарной работы.
Схема соединения GPS-ГЛОНАСС приёмника компьютером
Схема подключения интерактивной доски
Рабочее место для демонстрации работы и настройки gsm-модема.
Рабочее место программиста
. Открытый стандарт технологий Novatel позволяет отечественным
специалистам активно создавать методики собственной разработки,
повышающие эффективность применения этой техники.
Подобная работа осуществляется аспирантом кафедры ВТ и АОАИ
Саврухиным С.Ю под руководством доц. Кавешникова М.Б. и при поддержке
компании «GPSCom». Разработана программа «BaseLogger». «BaseLogger» –
программное обеспечение для работы с базовой станцией. Основная задача:
сбор сырых измерений в формате RINEX.
Рабочее место программиста также было использовано при отработке
командных файлов позволяющих работать программе Талка КПК с приёмником
NovAtel в режиме реального времени RTK.
Рабочее место «Искусственная труба».
Предназначено для разработки и внедрения в учебный процесс
комбинированной технологии определения положения подземной трассы с
определением координат приемником GPS-ГЛОНАСС, позволяющей наносить
на карту или строить трёхмерные модели нефтегазопроводов, кабелей и других
протяжённых подземных объектов.
Поиск тестовой учебной трубы во дворе университета.
(Манучехр Салимов ФПК-4-2)
Фиксация положения тестовой учебной трубы.
Интерактивная доска и компьютер преподавателя в
ауд.165 и 170.
Технология компании NovAtel позволяет широко варьировать набор
собираемых данных, что позволяет, не только очень хорошо проиллюстрировать
работу GPS-ГЛОНАСС приемников, но и многие процессы, связанные с работой
этих
систем.
Управление настройками базовой станции, установленной на крыше
университета через интерактивную доску непосредственно в аудитории.
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
ВАРИАНТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОМПЛЕКСА В УЧЕБНОМ
ПРОЦЕССЕ
Создание и внедрение в учебный процесс комбинированных
систем
Комбинация GPS-ГЛОНАСС оборудования с трассопоисковым
комплектом.
Нанесение на планы и карты подземных трасс и коммуникаций
выполняется в рамках технического контроля при строительстве этих
сооружений, а так же в случаях утраты технической документации и
необходимости её восстановления.
При создании планов масштаба 1:500 - 1:2000 положение трубы может
быть зафиксировано на местности при помощи трассопоискового оборудования,
а так же может быть определена глубина её залегания. Зафиксированное
положение может быть привязано и нанесено на топоплан.
Суть комбинированной технологии на базе приёмников NovAtel и
трассопоискового оборудования Radiodetection:
•
Трассопоисковая
система
подключается
к
полевому
контроллеру для сбора измеренных глубин. Запускается программа
сохранения сообщений в файл
•
К порту I/O GPS-ГЛОНАСС приемника подключается
интерфейсный кабель, где контакты ppc и event1 подключаются к кнопке.
•
Веха с антенной монтируется вдоль пистолета трассоискателя.
•
GPS-ГЛОНАСС приёмник запускается в режиме кинематики
при постобработке.
Кабель для работы с маркером события.
Маркер события используется для вычисления координат в момент
прерывания от внешнего устройства.
Последовательность работы системы:
• Пистолет трассоискателя с вехой устанавливается в точку
положения трубы ( по максимуму электромагнитных колебаний )
• Нажимается
кнопка
определения
глубины.
Глубина
оценивается визуально. Если она лежит в допустимом диапазоне, то
нажимается кнопка маркера события, для фиксации координат точки
стояния.
• На следующей точке операция повторяется.
• По окончании работы в поле выполняется постобработка. В
результате получаются наземные координаты в виде текстового отчета.
• Накопленный файл глубин используется для вычисления
координат трубы.
• Координаты точек трубы используются для построения
трёхмерной модели или переносятся в ГИС.
Кнопка для синхронизации измерения глубины трубы и координат
пятки трассоискателя по GPS-ГЛОНАСС
Тестирование приёмников
Определение внутренних шумов приёмников на базе нулевой
длины (нулевой базе)
Если подключить два GPS приёмника к одной антенне, то вектор
между ними будет теоретически равен нулю. Однако, из-за разности
задержек сигналов в аппаратуре обоих приемников, вектор измеренный
таким образом, будет представлять шумовую компоненту. По этой
шумовой
компоненте
статистически
оценивается
компонента,
характеризующая случайную задержку сигнала одного прибора.
Использование рабочего места для сравнения двух приёмников
на нулевой базе.
Оценка внутреннего шума GPS-ГЛОНАСС приёмника путём измерения базы
нулевой длины.
Тестирование приёмников путем организации вектора, концы
которого реализованы общими антеннами.
Схема измерения вектора комплектами с совмещёнными концами
Сопоставление комплекта приёмников Leica 1200 c комплектом
приёмников NovAtel DL-V3
Для полного независимого тестирования была предложена и
реализована более сложная схема. Суть её в том, что на концах базовой
линии устанавливаются по два приемника подключенные к общей антенне
через ветвитель. Возникает возможность определять одну и ту же базовую
линию синхронно разными комплектами.
Если один комплект приборов принят за эталонный, то другой может
быть протестирован на различных базисах, в различных режимах и при
разных условиях. При этом возможно сравнение по схеме «технология с
технологией». Например, технология Leica c технологией NovAtel, При
этом, прием сигнала, обработка данных может выполняться независимо
своей аппаратурой и программным обеспечением. Если необходимо
оценить только аппаратную часть ошибок, то обработка может
осуществляться одной программой.
Описание установки для тестирования:
• 1,2 ГНСС приёмники NovAtel DL V3
• 3,4 ГНСС приёмники Leica GPS1200
• 5 «Базовый» антенный ветвитель : подключает антенные входы
приёмников 2 и 4 к стационарной антенне на крыше университета
• 6 «Роверный» антенный ветвитель : подключает антенные входы
приёмников 1 и 3 к «роверной» антене
• 7,8 Аккумуляторное питание для приёмников NovAtel DL V3
Антенные ветвители (TNC)
0
Xi
Yi
Zi
− 0.05
i
Оценка разностей векторов определяемых двумя комплектами
приёмников, при совмещении концов векторов через ветвители
Проведены предварительные эксперименты на крыше университета,
самостоятельную обработку данных в пакетах Leica Geo Office и Graf/Nav,
самостоятельная окончательная обработка результатов в пакете Маткад.
Анализ результатов показал расхождения обоих методик в 2 см. Что
обуславливается различием стандартных установок и коэффициентов
моделей применяемых методик.
Рабочее место для оценки шумов приборов в режиме RTK.
Обучение работе в режиме реального времени сантиметровой
точности RTK
Вкладка Equip/GPS Rover для настройки подвижного приёмника.
Дипломник Брагин М.С. изучает режим RTK.
Адаптация отечественных программных продуктов для работы в
режиме RTK
Вкладки для посылки командного файла.
Тестирование режима
приемниками
NovAtel DL-V3
работы
программы
«Талка-КПК»
с
Экран Талки КПК с меткой текущего положения антенны.
Прямой анализ данных и управление приёмником из пакета Матлаб
и информационная поддержка широкого круга научной общественности.
Специализированное программное обеспечение приемников NovAtel
предполагает в качестве конечного пользователя узкий круг специалистовгеодезистов, ГИС-инженеров, картографов. Однако, возможно обеспечить
данными GPS и ГЛОНАСС более широкий круг пользователей – всех умеющих
работать с пакетом Матлаб. В этом пакете есть функции обмена данных с
COM-портом, и это позволяет посылать команды, читать и распаковывать
сообщения с приемника.
Прямая передача данных в пакет матлаб. Трехмерное изображение
траектории блуждания навигационного решения (сообщение Bestpos).
Участие в работе студентов, дипломников и аспирантов
Только в текущем году по материалам проводимых экспериментов были
написаны и защищены дипломные работы:
1. Трубицын Т.В. «Комбинированное использование GPS-ГЛОНАСС
приемников и тахеометров в интересах городского кадастра»
2. Благовещенский
С.А.
«Координатная
привязка
слоёв
геоинформационных систем непосредственно в полевых условиях с
применением КПК и приёмников NovAtel DL-V3 в режиме
кинематической съёмки в реальном времени»
3. Вахонин
Д.В.
«Информационное
обеспечение
постоянно
действующей базовой станции наблюдения за сигналами GPSГЛОНАСС»
4. Кириллов А.С. «Методика использования данных GPS-ГЛОНАСС
для привязки космических снимков высокого разрешения при
создании ГИС».
5. Зарецкий Д.В. «Применение GPS приёмников Garmin GPS map 60 c
для решения транспортных задач».
6. Поздняков
С.В
информационного
«Проектирование
обеспечения
и
создания
пользователей
сайта
для
постоянно
действующей базовой станции наблюдения за сигналами GPSГЛОНАСС»
7. Брагин M.C. «Информационные технологии создания кадастровых
планов с применением GPS-ГЛОНАСС»
8. Долгих Д. «Технология нанесения ЛЭП на кадастровые планы с
использованием GPS-ГЛОНАСС»
9. Белоусов А.А. «Применение нулевой базы для оценки методических
ошибок фазовых спутниковых навигационных приёмников для
ускоренной аттестации методик создания ГИС»
Сводная бригада из дипломников и студентов, пишущих курсовые
работы.
Работа приёмников NovAtel c дополнительным оборудованием.
Конструирование комбинированного инструмента для съёмки
трубопроводов
Совмещение GPS-ГЛОНАСС
приемника и трассоискателя
1. геодезическая антенна NovAtel
2. диэлектрическая штанга
3. трассоискатель
4. пластиковые хомуты
Принцип совмещения оборудования
Съемка трубопровода комбинированным инструментом во дворе
университета. Дипломник Манучехр Салимов. Выпуск 2011 г.
Обработка данных в пакете Graf/Nav и апробация комбинированной методики.
Дипломная работа по оценке качества дорожного покрытия. Приёмник NovAtel
применяется с интервалом отсчета в 0.05 c.( 20 гц).
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. ТЕРМИНЫ И ОБОЗНАЧЕНИЯ:
Данные — информация, представленная в виде, пригодном для обработки
автоматическими средствами при возможном участии человека; факты, понятия
или команды, представленные в формализованном виде, позволяющем
осуществить их передачу, интерпретацию или обработку как вручную, так и с
помощью систем автоматизации. Д. о пространственных объектах, снабженные
указанием на их локализацию в пространстве (позиционными атрибутами), носят
наименование пространственных.
Геопространственные данные - пространственные данные, которые имеют
привязку к системам пространственных координат заданных на поверхности
Земли.
GNSS(ГНСС) - Global Navigation Satellite System-Глобальная система
спутниковой навигации;
GPS, Global Positioning System – американская система глобальной спутниковой
навигации. Ввиду огромного вложения в неё средств странами атлантического
блока, является наиболее развитой в научном и техническом плане, и является
классическим примером для изучения, в том числе, и для будущих разработчиков
отечественной
системы
навигации.
ГЛОНАСС –российская система спутниковой навигации, в военной сфере
практически адекватна американской, но некоторые гражданские, научные и
технические службы у неё недостаточно развиты. Это может стать предметом для
разработок молодых и талантливых учащихся и выпускников.
RTK –Real Time Kinematic режим дифференциальной коррекции фазовых
измерений в режиме реального времени. Практически режим определения
координат в движении сантиметровой точности.
Фазовые измерения – определение сдвига фаз между принятым сигналом и
эталонным. Производится электронной
схемой, которая называется
коррелятором.
Программно-аппаратный комплекс – совокупность технических или
программных средств, предназначенный на решение группы отраслевых задач.
Двухчастотная choke-ring GPS-ГЛОНАСС антенна – антенна ГНСС
приёмника, облучатель которой защищён концентрическими кольцами по
технологии choke-ring. Позволяет принимать сигналы на двух рабочих частотах
для каждой системы (и для GPS, и для ГЛОНАСС).
ИНС- инерциальные навигационные системы. Системы на лазерных
оптоволоконных, вибрационных гироскопах и точных акселерометрах.
Позволяют измерять угловые скорости и ускорения объекта и интегрировать по
ним траекторию. Если траектория уже определена, например по GPS, то система
позволяет определять ориентацию на любой момент времени.
Постоянно действующая базовая станция наблюдения за сигналами GPSГЛОНАСС. Постоянно работающий двухчастотный навигационный приёмник,
результаты измерений которого используются для дифференциальной коррекции
в многопользовательском режиме, с возможной передачей поправок по каналу
связи в реальном времени и по сети интернет.
Постобработка – режим, при котором и базовый и подвижный приёмник
сохраняют свои измерения в память, а определение координат выполняется по
окончании полевых измерений в офисном компьютере, после объединения обоих
наборов данных.
Трассопоисковая система – Система, позволяющая определять плановые
координаты и глубины залегания трубы по электромагнитным колебаниям,
которые генерируются в теле трубы при помощи подключённых к ней
электродов.
Эффект Доплера- увеличение частоты электромагнитных калебаний при
удалении источника излучения. При приближении – уменьшение частоты.
World Geodetic System – мировая международная отсчётная гринвичская
система координат заданная на эпоху 1984.0.
Эфемериды - предвычисленные координаты навигационных спутников. Термин
заимствован из астрономии.