INFRASTRUKTURA I EKOLOGIA TERENÓW WIEJSKICH INFRASTRUCTURE AND ECOLOGY OF RURAL AREAS Nr 1/II/2012, POLSKA AKADEMIA NAUK, Oddziaá w Krakowie, s. 93–103
Komisja Technicznej Infrastruktury Wsi
Andrzej UznaĔski
POMIARY SATELITARNE
W SYSTEMACH STEROWANIA
MASZYNAMI BUDOWLANYMI
____________
SATELLITE SURVEYING IN CONSTRUCTION MACHINE
CONTROL SYSTEMS
Streszczenie
W ostatnich latach nastąpiá istotny wzrost zaangaĪowania w prace związane z rozbudową i modernizacją infrastruktury komunikacyjnej w Polsce. W przypad-ku transportu drogowego w coraz wiĊkszym stopniu w obsáudze inwestycji stoso-wana jest automatyzacja procesu budowy. Powszechnie stosowane są systemy sterowania maszynami budowlanymi, które generalnie ograniczają udziaá geodety w pracach realizacyjnych na placu budowy.
W pracy scharakteryzowano rodzaje systemów sterowania maszynami bu-dowlanymi, przedstawiono wykorzystywane rodzaje sensorów oraz ich zastoso-wanie związane z maszynami, na których są montowane. Przedstawione zostaáy aspekty technologiczne geodezyjnej obsáugi inwestycji drogowej bazujące na po-miarach satelitarnych: statycznych opracowywanych w post-processingu, kine-matycznych w czasie rzeczywistym RTK GPS oraz najpopularniejszych aktualnie sieciowych pomiarów kinematycznych w czasie rzeczywistym Real Time Network.
O zakresie wykorzystania pomiarów satelitarnych w systemach sterowania maszynami budowlanymi decyduje moĪliwa do osiągniĊcia dokáadnoĞü i nieza-wodnoĞü wyznaczanej pozycji. Ze wzglĊdu na ruch maszyny budowlanej szcze-gólnie istotnego znaczenia nabiera analiza wpáywu latencji wyznaczanej pozycji organu roboczego maszyny z pomiarów satelitarnych w czasie rzeczywistym na dokáadnoĞü prowadzonych prac budowlanych. Zagadnienia te zostaáy ujĊte w pracy.
Sáowa kluczowe: sterowanie maszynami budowlanymi, pomiary kinematyczne
w czasie rzeczywistym RTK GPS, sieciowe pomiary kinematyczne w czasie rze-czywistym RTN, latencja
Summary
In recent years there has been a significant increase in engagement in the works associated with the development and modernization of communication in-frastructure in Poland. In the case of road transport, automation of the construc-tion process is increasingly being used to handle the investment. Construcconstruc-tion ma-chinery control systems, which generally restrict the participation of a surveyor in the works on the building site, are commonly being used.
The paper characterizes the types of construction machine control systems, the types of sensors which are used, and their application related to the machines on which they are mounted. Technological aspects of surveying services for road investments based on satellite surveys have been presented here: static developed in post-processing, Real Time Kinematic GPS and the currently most popular Real Time Network.
The achievable accuracy and reliability of the determined position decides about the scope of use of satellite surveys in the construction machine control systems. Taking into consideration the movement of a construction machine, the analysis of the latency influence of the machine body position determined from the satellite surveys in real time on the accuracy of the conducted construction works, gains special importance. These issues have been comprised in the paper.
Key words: machine control, Real Time Kinematic GPS, Real Time Network,
latency
WPROWADZENIE
Aktualnie w wiĊkszych inwestycjach drogowych w Polsce systemy stero-wania maszynami budowlanymi (systemy SMB) są standardem. W wielu kra-jach przystąpienie do przetargu jest warunkowane posiadaniem takich systemów lub wymogiem ich zastosowania w pracach budowlanych. Korzystanie z syste-mów SMB przynosi korzyĞci ekonomiczne, mimo duĪych kosztów samych sys-temów SMB, zwáaszcza syssys-temów 3D. Prace realizowane są dokáadniej. W za-danych tolerancjach pozwala to na ukáadanie grubszych warstw taĔszych i cieĔszych warstw droĪszych. Prace są wykonywane szybciej dziĊki mniejszej liczbie przejazdów maszyn, co teĪ powoduje dodatkowe oszczĊdnoĞci w zuĪyciu elementów roboczych, paliwie, páynach eksploatacyjnych. àatwiejsza jest praca operatora, a przez to nie jest wymagane tak duĪe jego doĞwiadczenie i prawdo-podobieĔstwo báĊdów osobowych zmniejsza siĊ. MoĪliwe jest prowadzenie prac pod wodą. Ograniczony jest teĪ udziaá geodety w budowie, który jest niezbĊdny jedynie w obsáudze systemu 3D opartego na pomiarach tachymetrycznych sto-sowanych w najdokáadniejszych pracach.
Funkcjonujący od niespeána 4 lat paĔstwowy system ASG-EUPOS umoĪ-liwia nieodpáatne prowadzenie jednoosobowo pomiarów realizacyjnych na ob-szarze caáego kraju w jednolitym i generalnie w miarĊ jednorodnym dokáadno-Ğciowo ukáadzie wspóárzĊdnych. Korzystanie z serwisu NAWGEO systemu
ASG-EUPOS w sieciowych pomiarach kinematycznych w czasie rzeczywistym (Real Time Network) jest rozwiązaniem bardzo popularnym ze wzglĊdu na ekonomicznoĞü takiego pomiaru, podobnie jak w przypadku zastosowania sys-temów sterowania maszynami budowlanymi. JednakĪe o moĪliwoĞci wykorzy-stania danej techniki pomiarowej decyduje przede wszystkim wymagana dokáadnoĞü i niezawodnoĞü wyników pomiarów.
W pracy przedstawione zostaáo zagadnienie wykorzystania pomiarów sa-telitarnych w systemach sterowania maszynami budowlanymi (systemy SMB) wraz z krótką charakterystyką tych systemów oraz problematyką dokáadnoĞci wyników pomiarów satelitarnych, w szczególnoĞci pomiarów wysokoĞci. Prze-analizowano czynniki wpáywające na dokáadnoĞü wyników satelitarnych pomia-rów kinematycznych w czasie rzeczywistym RTK GPS oraz RTN (Real Time Network) w przypadku obiektów znajdujących siĊ w ruchu.
CHARAKTERYSTYKA SYSTEMÓW STEROWANIA MASZYNAMI BUDOWLANYMI
Systemy sterowania maszynami drogowymi zazwyczaj są dzielone wg dwóch kryteriów:
a) stopnia zautomatyzowania sterowaniem pracy maszyny drogowej: sys-temy rĊczne (wskaĨnikowe, proste) i automatyczne, moĪna teĪ sporadycznie spotkaü okreĞlenie systemy póáautomatyczne, w których automatyka pracy związana jest tylko ze sterowaniem wysokoĞcią organu roboczego maszyny budowlanej;
b) liczby kontrolowanych parametrów pracy maszyny drogowej, w któ-rych kontroli moĪe podlegaü:
– system 1D – jeden parametr w trakcie przejazdu maszyny drogowej, wy-sokoĞci lub pochylenie poprzecznego elementu roboczego,
– system 2D – zarówno wysokoĞü, jak i pochylenie poprzeczne elementu roboczego,
– system 3D – poáoĪenie sytuacyjne i wysokoĞci wraz z pochyleniem ele-mentu roboczego, wymaga numerycznego modelu projektu.
Zasada pracy systemu wskaĨnikowego polega na okreĞleniu poáoĪenia elementu roboczego maszyny drogowej wzglĊdem páaszczyzny odniesienia, wyznaczaniu korekty do tego poáoĪenia wzglĊdem projektowanego i przedsta-wieniu jej na wyĞwietlaczu czujnika laserowego lub panelu operatora maszyn drogowej. System wskazuje wysokoĞü organu roboczego (system 1D) lub wyso-koĞü z jego pochyleniem (system 2D) i informuje operatora maszyny co powi-nien zrobiü (áyĪka do góry lub w dóá, tak trzymaj – systemy 1D). Elementy systemu to obrotowy niwelator laserowy (poziomy, jednospadkowy lub dwu-spadkowy) ustawiany na placu budowy i zadający páaszczyznĊ odniesienia oraz czujniki laserowe montowane na maszynie drogowej, bezpoĞrednio lub na
masz-cie elektrycznym z moĪliwoĞcią regulacji jego wysokoĞci z dokáadnoĞcią nawet do 0.1 mm (maszt EM4 Mikrofyn).
System automatyczny porównuje aktualne poáoĪenie organu roboczego wzglĊdem powierzchni odniesienia, wyznacza korektĊ poáoĪenia oraz przesyáa ją do panelu operatora oraz jednostki sterującej zaworami hydraulicznymi. NastĊp-nie organ roboczy jest ustawiany w Īądanym poáoĪeniu. Jedynym zadaNastĊp-niem operatora jest sterowanie kierunkiem przejazdu maszyny drogowej. Wg [Stempfhuber, 2006] w systemie póáautomatycznym tylko wysokoĞü, jako naj-istotniejsza, jest kontrolowana w sposób automatyczny. W branĪy [Araya, Kagoshima 2001] system póáautomatyczny, to taki, w którym jedną dĨwignią moĪna ustawiü element roboczy maszyny drogowej w Īądanym poáoĪeniu (np. w przypadku koparki do ustawienia elementu roboczego trzeba uĪyü 3 dĨwigi, które sterują pracą wysiĊgnika, ramienia i áyĪki). AutomatykĊ systemu moĪna wyáączaü i przejĞü na sterowanie rĊczne.
W systemach SMB stosowane są czujniki laserowe, ultradĨwiĊkowe, iner-cyjne, nachylenia (wzdáuĪnego, poprzecznego, dwuosiowe) i obrotu, które áączone są magistralą CAN (Controller Area Network) z komputerem pokáado-wym, skrzynką kontrolną z panelem sterującym, przeáącznikiem wielofunkcyj-nym lub skrzynką poáączeniową. Zadaniem tych czujników jest przekazanie do systemu informacji o aktualnej konfiguracji elementów roboczych maszyny; takich jak áyĪka, lemiesz, stóá itp. Czujniki pochylenia dziaáają jak precyzyjne poziomice z cyfrowym odczytem. Aktualne odchylenie czujnika od pio-nu/poziomu jest podawane do systemu z dokáadnoĞcią do 0,01°. Czujnik obrotu dziaáa z dokáadnoĞcią poniĪej 0,02°. Natomiast czujnik ultradĨwiĊkowy, dla którego linią odniesienia moĪe byü linka, krawĊĪnik, wczeĞniej wyrównana po-wierzchnia, umoĪliwia osiągniĊcie dokáadnoĞci nawet poniĪej 1 mm. Istotnym zadaniem jest ustalenie montaĪowego odchylenia czujnika od linii sworzni da-nego elementu maszyny, który ma byü uwzglĊdniany w systemie. Do áącznoĞci bezprzewodowej wykorzystywane są modemy UHF, GSM lub Bluetooth dla elementów montowanych w lub na maszynie. Natomiast standardowo wykorzy-stywana jest magistrala CAN o istotnych zaletach, m.in. w postaci moĪliwoĞci áączenia wszystkich czujników szeregowo (oszczĊdnoĞü w liczbie kabli).
Maszyny budowlane, na których są montowane systemy SMB to przede wszystkim rozĞcieáacze, równiarki, spycharki, koparki, koparko-áadowarki, a takĪe ubijarki, frezarki, walce, specjalistyczne maszyny do ciągáego ukáadania barier, krawĊĪników, korytek Ğciekowych, a nawet caáych chodników. Na rysunku 1 przedstawione systemy 3D z tachymetrem oraz pryzmatem 360° na maszcie.
Przeznaczenie maszyn do wykonywania okreĞlonych prac związane jest z systemem SMB wymaganą dokáadnoĞcią. W związku z tym przykáadowo na równiarkach i spycharkach moĪe byü instalowany kaĪdy system, na koparkach stosowane są systemy oparte o czujniki laserowe i pomiary RTK GPS/ RTN. Na rozĞcieáaczach zazwyczaj nie są stosowane systemy satelitarne, lecz
wykorzy-stujące tachymetry zrobotyzowane. Ewentualnie moĪna je zastosowaü áącznie z czujnikami pozwalającymi uzyskaü wyĪsze dokáadnoĞci wyznaczania wysoko-Ğci niĪ z pomiarów RTK GPS czy RTN. Takim odrĊbnym rozwiązaniem jest mmGPS, które wykorzystuje laser powierzchniowy LaserZone emitujący wiązkĊ lasera o wysokoĞci 10 m oraz czujnik montowany razem z anteną satelitarną. System wspóápracuje z odbiornikiem satelitarnym zwiĊkszając dokáadnoĞü wy-znaczania wysokoĞci w pomiarach satelitarnych.
Rysunek 1. Maszyny ukáadające krawĊĪniki
[http://www.gomaco.com, http://heg.baumpub.com]
Figure 1. Curb and gutter machines
Szczegóáowe informacje na temat systemów sterowania maszynami bu-dowlanymi moĪna znaleĨü na stronach internetowych firm, m.in.: Leica, Mikro-fyn, Scanlaser, Topcon, Trimble.
POMIARY SATELITARNE W OBSàUDZE INWESTYCJI DROGOWEJ
W ramach geodezyjnej obsáugi inwestycji drogowej, w szczególnoĞci z za-stosowaniem systemów sterownia maszynami budowlanymi, wykorzystywane są pomiary satelitarne realizowane w ramach sesji statycznych opracowywanych w post-processingu oraz pomiary kinematyczne w czasie rzeczywistym RTK GPS oraz ich sieciowa odmiana RTN (Real Time Network). Natomiast same systemy SMB bazują na pomiarach RTK GPS i/lub RTN.
Pomiary statyczne mają zastosowanie do wyznaczania dokáadnych wspóá-rzĊdnych punktów podstawowej osnowy realizacyjnej, aczkolwiek zdarzają siĊ jeszcze inwestycje, choü sporadycznie, w których osnowa zakáadana jest w spo-sób klasyczny. Aktualnie najczĊĞciej osnowa taka ze wzglĊdu na liniowy cha-rakter inwestycji drogowych ma postaü par lub trójek punktów odlegáych od siebie o przeciĊtnie 2-3 km. Punkty w danej parze mają zapewnione wizury i odlegáoĞci na poziomie od 100 m do kilkuset metrów. MiĊdzy punktami
pod-stawowej osnowy geodezyjnej, których wspóárzĊdne wyznaczane są techniką satelitarną, zakáadane są w oparciu o pomiary naziemne ciągi poligonowe lub sieci trójkątów, w których odlegáoĞci miĊdzy kolejnymi punktami wynoszą ok. 100–250 m. OdlegáoĞci miĊdzy punktami szczegóáowej osnowy realizacyjnej zaleĪą w pewnej mierze od systemów SMB, które bĊdą wykorzystywane. Dla systemów 3D TPS punkty znajdują siĊ w odlegáoĞciach ok. 100 m w celu za-pewnienia najwyĪszych dokáadnoĞci pomiarom realizacyjnym.
Niektóre punkty osnowy są lokalizowane pod kątem wykorzystania ich ja-ko stanowiska odbiornika referencyjnego dla pomiarów RTK GPS.
W aspekcie technologicznym naleĪy zwróciü uwagĊ, Īe o ile odlegáoĞci miĊdzy punktami wyznaczanymi wynoszą do kilkuset metrów, a wektory obli-czane zazwyczaj do kilku kilometrów, to wektory nawiązania do stacji referen-cyjnych systemu ASG-EUPOS mają dáugoĞci rzĊdu kilkudziesiĊciu kilometrów, co naleĪy wziąü pod uwagĊ projektując satelitarne pomiary statyczne. Osnowa budowlano-montaĪowa stosowana jest do obiektów inĪynierskich, a jej pomiary są realizowane tachymetrem i niwelatorem. Pomiary kinematyczne w czasie rzeczywistym RTK GPS oraz RTN nie są stosowane do wyznaczania wspóá-rzĊdnych punktów osnowy. Wykorzystywane są natomiast w pomiarach realiza-cyjnych o niĪszej dokáadnoĞci związanych z robotami ziemnymi, ukáadaniem warstw w korpusie drogowym.
Rysunek 2. Systemy sterowania maszynami budowlanymi [prezentacja firmy Scanlaser] Figure 2. Construction machine control systems
W pomiarach statycznych wyznaczenie wiarygodnej wartoĞci najprawdo-podobniejszej jest moĪliwe, a w przypadku krótkich wektorów moĪna przepro-wadziü dokáadny naziemny pomiar kontrolny. W przypadku pomiarów w czasie rzeczywistym obiektów poruszających siĊ wyznaczenie wiarygodnej wartoĞci najprawdopodobniejszej musi siĊ opieraü na okreĞlonej a priori wartoĞci báĊdów danej techniki pomiarowej. Takie zaáoĪenie znacznie obniĪa pewnoĞü co do okreĞlenia dokáadnoĞci wyznaczonej pozycji w danym momencie czasu. Prze-káada siĊ to w praktyce na realizacjĊ prac o niĪszej dokáadnoĞci w przypadku
pomiarów RTK GPS i RTN. Wynika to z istotnego wpáywu wielu czynników o trudnym do okreĞlenia w czasie rzeczywistym wpáywie na dokáadnoĞü wyzna-czanej pozycji (m.in. refrakcje jonosferyczna i troposferyczna, wielotorowoĞü). W przypadku naziemnych technik pomiarowych moĪliwe jest bardziej nieza-wodne okreĞlenie dokáadnoĞci techniki pomiarowej, gdyĪ propagacja fali odby-wa siĊ w odby-warstwie w przybliĪeniu równolegáej do powierzchni Ziemi.
LATENCJA POMIARÓW RTK GPS I RTN ORAZ SYSTEMÓW SMB
Ze wzglĊdu na ruch maszyny budowlanej istotnym wydaje siĊ byü poru-szenie problematyki latencji wyznaczania pozycji w pomiarach kinematycznych w czasie rzeczywistym. ħródáa opóĨnieĔ w pomiarach RTK GPS/ RTN moĪna podzieliü na związane z: pomiarem czasu, przetworzeniem sygnaáu i transmisją danych. Pierwsze Ĩródáo powoduje opóĨnienie niezaleĪne od rodzaju pomiarów RTK GPS czy RTN. RóĪnice dla pozostaáych ujĊto w tabeli 1.
Tabela 1. ħródáa opóĨnieĔ w pomiarach RTK GPS i RTN Table 1. Sources of delay in the RTK GPS and RTN
Pomiary RTK GPS Pomiary RTN
A1. Przetworzenie sygnaáu w odbiorniku REF sygnaáów
z min. 5 satelitów powyĪej 150
nad horyzontem anteny satelitarnej
w min. 6 odbiornikach REF sygnaáów z min. 5 satelitów powyĪej 50 nad horyzontem
anten satelitarnych B1. Transmisja danych
- ze stacji REF przez internet do Centrum Zarzą-dzającego
-modem GSM, wiadomoĞü GGA protokoáu NMEA z odbiornika ROV do Centrum Zarzą-dzającego
A2. Przetworzenie sygnaáu obliczenie korekcji do obserwacji kodu i fazy
fali noĞnej lub brak w transmisji oryginalnych obserwacji (ang. raw data)
obliczenie danych referencyjnych do pomiarów RTN (VRS, MAC, FKP) lub brak w przypadku serwisu POJ
B2. Transmisja danych modem UHF lub rzadziej modem GSM modem GSM
A3. Przetworzenie sygnaáu
Obliczenie wspóárzĊdnych punktu Obliczenie wspóárzĊdnych punktu B3. Transmisja danych
modem UHF (rzadziej GSM), wiadomoĞü GGA protokoáu NMEA z odbiornika ROV do modemu podáączonego przewodowo do kom-putera pokáadowego maszyny budowlanej
przewodowo, wiadomoĞü GGA protokoáu NMEA z odbiornika ROV do komputera po-káadowego maszyny budowlanej
WartoĞü latencji w pomiarach RTN wykorzystujących protokóá Ntrip oraz poáączenie przewodowe lub modemy GSM zostaáa zbadana przez niemiecki BKG (Bundesamt fur Kartographie und Geodasie) [Gebhard, Weber , Dettmer-ing 2003] i oszacowana na 1.99 s przy poáączeniu przewodowym i na 1.71s w poáączeniu GSM GPRS. WartoĞci wyznaczono z odchyleniami standardowy-mi ± 0.41s. W przypadku postandardowy-miarów RTK GPS estymacja latencji wyników dla odbiornika Leica zostaáa podana w [Stempfhuber 2004]. WartoĞci nie przekro-czyáy 0.06 s, przy czym dla odbiornika SR530 odbierającego sygnaá z 4 do 9 satelitów wyniosáa odpowiednio od 41.1 ms do 54.6 ms z odchyleniem stan-dardowym wyników na poziomie pojedynczych ms.
Oprócz latencji wyników pomiarów RTK GPS/ RTN, na dokáadnoĞü pro-wadzonych robót drogowych wpáywa szybkoĞü dziaáania systemu sterowania maszyną budowlaną oraz báĊdy jej operatora, gáównie w systemach wskaĨniko-wych. OpóĨnienie w reakcji operatora na wskazania systemu jak i latencja sa-mego systemu bĊdzie powodowaáa dalszy ruch organu roboczego maszyny bu-dowlanej powodując niedokáadną realizacjĊ projektu. SzybkoĞü reakcji ukáadu hydraulicznego na korekty przesyáane z panelu sterującego lub komputera po-káadowego moĪna zwiĊkszyü stosując hydraulikĊ z przewodami o wiĊkszej Ğrednicy. UwzglĊdniając prĊdkoĞü maszyny moĪemy wnioskowaü o wartoĞciach liniowych báĊdów, przy czym prĊdkoĞü moĪe byü rozpatrywana w dwóch aspektach: prĊdkoĞü maszyny i prĊdkoĞü organu roboczego. PrĊdkoĞci porusza-nia siĊ maszyn budowlanych w trakcie pracy wahają siĊ od ok. 120 m/h (2 m/min.) do zazwyczaj kilku km/h lub co najwyĪej kilkunastu km/h [Stempfhuber 2006], przy czym dla koparek prĊdkoĞü wynosi zero. W przypad-ku koparki istotny jest ruch áyĪki, czy teĪ lemiesza. W przypadprzypad-ku równiarki organ roboczy jest ustawiany w staáym poáoĪeniu, a istotną rolĊ odgrywa ruch maszyny. Teoretyczny czas trwania szeĞciofazowego cyklu pracy dla przykáa-dowej koparki podano w [Majewski 2009]. Istotne są fazy skrawania i opusz-czania organu roboczego, które wynoszą odpowiednio 2.00 s oraz 2.82 s. Obli-czenie wartoĞci báĊdu liniowego w systemie SMB z tego tytuáu przy danej prĊdkoĞci i czasie jest proste i ma sens tylko w przypadku konkretnej maszyny.
DOKàADNOĝû WYZNACZANIA WYSOKOĝCI W POMIARACH RTK GPS I RTN
Wpáyw wszystkich czynników na dokáadnoĞü wyznaczenia pozycji w po-miarach RTK GPS i RTN moĪna oszacowaü na podstawie róĪnic wspóárzĊdnych z tych pomiarów i z dokáadnych pomiarów naziemnych. Ze wzglĊdu na istotne zróĪnicowanie dokáadnoĞci wspóárzĊdnych poziomych i wysokoĞci wyznacza-nych z pomiarów satelitarwyznacza-nych, zwáaszcza w czasie rzeczywistym, naleĪy je charakteryzowaü oddzielnie. Wyniki pomiarów testowych wskazują na dokáad-niejsze wyznaczanie wspóárzĊdnych x, y w stosunku do 2 - 3 krotnie niĪszej
dokáadnoĞci wysokoĞci, przy istotnie mniejszej wiarygodnoĞci wyników pomia-rów wysokoĞci, w związku z tendencją do czĊstszego wystĊpowania pomiapomia-rów odstających.
W przypadku wiĊkszoĞci prac drogowych dokáadnoĞü wspóárzĊdnych poziomych jest mniej istotna niĪ wysokoĞci, która najczĊĞciej powinna byü wyznaczona z dokáadnoĞcią nie mniejszą niĪ 1 cm. Przeprowadzone badania zagadnienia niwelacji satelitarnej w czasie rzeczywistym zostaáy przedstawione w pracy [UznaĔski 2010]. W tabeli 2 podano róĪnice wysokoĞci normalnych z niwelacji precyzyjnej oraz wysokoĞci elipsoidalnych z pomiarów RTK GPS i RTN przeliczonych do wysokoĞci normalnych z uwzglĊdnieniem modelu qu-asi-geoidy „Geoida niwelacyjna 2001”. Analizy przeprowadzono dla 175 punk-tów i 14 reperów trzech odcinków testowych przedstawionych szerzej w [UznaĔski 2010]. Z tabeli 1 wynika, Īe z pomiarów RTK GPS moĪna uzyskaü wysokoĞü punktów dokáadniej i bĊdzie ona bardziej wiarygodna niĪ z pomiarów RTN. RozstĊp przedziaáu róĪnic wysokoĞci wyniósá dla pomiarów RTK GPS 8.6 cm, a dla pomiarów RTN 16.3 cm. RównieĪ odchylenie standardowe róĪnic wysokoĞci wyniosáo dla pomiarów RTK GPS 11 mm i byáo dwukrotnie mniejsze niĪ dla pomiarów RTN, dla których wyniosáo 20 mm.
Tabela 2. Udziaá procentowy róĪnic przewyĪszeĔ w przedziaáach [UznaĔski A., 2010] Table 2. Percentage share of heights differences in intervals [UznaĔski A., 2010]
Przedziaá [cm] Pomiar RTK [%] Pomiar RTN [%] [-0.5, 0.5] 35.4 20.9 [-1.0, -0.5) ∪ (0.5, 1.0] 26.0 16.4 [-1.0, 1.0] 61.4 37.3 [-2.0, -1.0) ∪ (1.0, 2.0] 25.7 25.8 [-3.0, -2.0) ∪ (2.0, 3.0] 9.7 23.6 [-5.0, -3.0) ∪ (3.0, 5.0] 2.8 9.3 [-10.0, -5.0) ∪ (5.0, 10.0] 0.3 4.0
Bardzo istotnym czynnikiem na placu budowy jest terminowoĞü realizacji prac ze wzglĊdu na ogromne koszty związane z niedotrzymaniem terminów. Prowadzenie prac z wykorzystaniem systemów satelitarnych w niekorzystnych warunkach moĪe byü przyczyną duĪych báĊdów. Przykáadem są wyniki pomia-rów testowych na terenie sąsiadującym z obszarem, nad którym wystąpiáa burza ze sporadycznymi wyáadowaniami atmosferycznymi. OdlegáoĞü miejsca pomia-rów od granicy opadów atmosferycznych wynosiáa ok. 10 km. RóĪnice wysoko-Ğci dla pomierzonych wówczas punktów siĊgnĊáy 18 cm.
Dodatkowym czynnikiem nie wpáywającym korzystnie na wyniki pomia-rów RTK GPS/ RTN jest formowanie skarp i praca maszyny budowlanej w du-Īym przechyle. KaĪda geodezyjna antena satelitarna jest wyposaĪona we wbudo-wany ground plane, który w takim przypadku bĊdzie blokowaá sygnaáy z satelitów.
Rysunek 3. Przechyá masztu równiarki [www.topcon.eu] Figure 3. Mast tilt graders
WNIOSKI
Zastosowanie systemów SMB w inwestycji drogowej niesie ze sobą wy-mierne korzyĞci ekonomiczne dla wykonawcy robót. Zalety pomiarów satelitar-nych są szczególnie widoczne przy liniowym charakterze inwestycji o znacznej dáugoĞci. Najdokáadniejsze wyniki pomiaru osnowy moĪna uzyskaü w takim przypadku z sesji statycznych. W przypadku poáączenia systemów SMB z po-miarami satelitarnymi podstawowe znaczenia ma dokáadnoĞü i wiarygodnoĞü wyników pomiarów RTK GPS oraz RTN, szczególnie dla wyznaczanych wyso-koĞci organów roboczych maszyn budowlanych. Wyniki pomiarów testowych skáaniają do korzystania na placu budowy z pomiarów RTK GPS mimo, Īe są kosztowniejsze, gdyĪ wymagają ustawiania wáasnej stacji referencyjnej. Jednak-Īe są dwukrotnie bardziej dokáadne i bardziej wiarygodne. Procent wartoĞci odstających dla obliczonych wysokoĞci jest istotnie mniejszy niĪ w pomiarach RTN. W pomiarach RTK GPS i RTN moĪe wystąpiü duĪe zróĪnicowanie laten-cji, odpowiednio ok. 50 ms i ok 2s. Ponadto za pomiarami RTK GPS przemawia istotnie mniejsze ryzyko przestojów z tytuáu napáywu danych ze stacji referen-cyjnej do ruchomego odbiornika GPS/GNSS niĪ w przypadku korzystania z systemu ASG-EUPOS w pomiarach RTN
Dla duĪych inwestycji na odcinku kilku-kilkunastu kilometrów moĪe pra-cowaü kilkadziesiąt maszyn wyposaĪonych w systemy SMB. Jednym z kierun-ków rozwoju systemów SMB jest montowanie modemów radiowych GSM lub
UHF/VHF, dziĊki którym moĪliwa jest zdalna kontrola, aktualizacja danych dla maszyny i skuteczne zarządzanie pracą maszyn. Definicja obszarów pracy ma-szyn (ang. geo-fence area) moĪe teĪ peániü dodatkowo rolĊ ochrony antykradzie-Īowej, podobnie jak kontrola zdefiniowanego czasu pracy maszyny. Korzystając z systemów SMB naleĪy pamiĊtaü o okresowej rekalibracji maszyn ze wzglĊdu na zuĪywanie siĊ elementów skrawających organów roboczych.
OczywiĞcie wykorzystanie pomiarów satelitarnych naleĪy dostosowaü do wymagaĔ dokáadnoĞciowych robót. Dla prac wymagających najwyĪszych do-káadnoĞci i niezawodnoĞci, związanych z ukáadaniem warstw wiąĪących i Ğcie-ralnych drogi, zazwyczaj stosowane są systemy oparte na zrobotyzowanych tachymetrach, choü moĪliwe jest zastosowanie dodatkowych czujników wspóá-pracujących z odbiornikami satelitarnymi.
BIBLIOGRAFIA
Araya H., Kagoshima M. Semi-automatic control system for hydraulic shovel. Automation in Construction, 10 (2001), s. 477 - 486, http://www.elsevier.com/locate/autcom
Gebhard, H., Weber G. Dettmering D. Networked Transport of RTCM via Internet Protocol. 2003 http://www.iag-aig.org
Stempfhuber W. Ein integritätswahrendes Messsystem für kinematische Anwendungen. Deutsche Geodätische Kommission, Vol. C, No. 576, München 2004, ss. 131.
Stempfhuber W. 1D and 3D Systems in Machine Automation. 3rd IAG / 12th FIG Symposium, May 22-24, Baden 2006.
Majewski P. Instrukcja laboratoryjna Pomiary parametrów napĊdu koparki hydraulicznej z napĊ-dem elektrycznym. Politechnika Warszawska, Warszawa 2009, ss. 11.
UznaĔski A. Niwelacja satelitarna RTK GPS i RTN. Zeszyty Naukowo-Techniczne Stowarzysze-nia InĪynierów i Techników Komunikacji Rzeczpospolitej Polskiej, Oddziaá w Krakowie, z. 154. Kraków 2010, s. 633–650.
Dr inĪ. Andrzej UznaĔski auznan@agh.edu.pl tel. 012 617 23 14 Katedra Geodezji InĪynieryjnej i Budownictwa Wydziaá Geodezji Górniczej i InĪynierii ĝrodowiska Akademia Górniczo-Hutnicza al.Mickiewicza 30 30-059 Kraków
