Συνδυασμός μεθόδων δορυφορικού και αδρανειακού γεωδαιτικού εντοπισμού στην ψηφιακή καταγραφή οδικών δικτύων

Abstract

This thesis researches on the potential of the combination of the kinematic and differential positioning methods and also of an inertial navigation system used for the digital survey of roads, which is accomplished through the geodetic positioning of a vehicle moving steadily in a two way journey along the border lines of a road. The object of the research is the development of techniques in order to define the geometric elements of the road axis precisely, so as to evaluate the structure of the road and then redesign and improve it wherever necessary. The field measurements include the survey ofthe Northern national road ofCrete, two new parts ofthe same road, the road connecting Dionysos and Penteli and finally the road connecting Spata and Keratea. The equipment used is an intergrated GPS and inertial navigation system, a pair of dual-frequency geodetic GPS receivers for applying the relative kinematic positioning method, a pair of navigational (code-only) receivers for applying the relative differential positioning method and also a digital inclinometer used for measuring the vertical declinations ofthe road. The route ofthe vehicle is registered through the geodetic positioning ofthe antennae ofthe mobile receivers which are mounted on the top ofthe car. The three-dimension sequential coordinates of the vehicle result from the solution of the GPS measurements, while next the axis coordinates are computed through a software specially developed for this purpose. The comparison between the results of kinematic and differential surveying is achieved through a special software running in graphical environment and therefore is indicative of the accuracy of the two individual methods. Moreover, in this preliminary stage of processing, the data of the two methods are combined in order to cover the gaps created in some cases in the kinematic measurements with the corresponding, less sensitive in signal loss differential measurements. In the next stage the geometric elements of the road axis are defined (chaînage, azimuth, slope and vertical declinations) and, according to them, the values of the parameters of the horizontal and vertical elements of the road are calculated. Firstly the azimuth and the inclination diagram are designed, in which the adjustment of the characteristic curves which correspond to the horizontal and vertical elements is made through special software. Then the elements are adjusted to the corresponding diagrams ofthe horizontal and vertical alignment ofthe road, where the final check of the quality ofthe adjustment is performed. The values of the vertical declinations ofthe road are estimated by directly adjusting the suitable curves to the declination diagram. The final parameters of all geometric elements are saved into ASCII files and are used as the basic informative material for the evaluation ofthe structure ofthe road relying on the criteria ofroad design. These results are indicative of the final accuracies achieved depending on the positioning method and also on the parameters used during the survey. At the same time the comparison between the results of the kinematic and differential positioning reveals the relation between the rates of the accuracies and the values of the parameters ofthe geometric elements. Finally, through a series of experiments carried out on the GPS measurements and the processing methods, valuable conclusions regarding the improvement of the survey are drawn.

Στην εργασία αυτή διερευνώνται οι δυνατότητες της συνδυασμένης χρήσης των μεθόδων κινηματικού και διαφορικού εντοπισμού, καθώς και ενός αδρανειακού συστήματος πλοήγησης στην ψηφιακή καταγραφή οδικών δικτύων, η οποία πραγματοποιείται με τον γεωδαιτικό εντοπισμό ενός αυτοκινήτου που κινείται με σταθερή ταχύτητα σε διπλή διαδρομή (aller-retour) κατά μήκος των οριογραμμών μιας υφιστάμενης οδού. Αντικείμενο της έρευνας είναι η ανάπτυξη μεθόδων για τον υψηλής ακρίβειας προσδιορισμό των γεωμετρικών στοιχείων του άξονα μιας καταγραφόμενης οδού, με σκοπό αρχικά την αξιολόγηση της ποιότητας χάραξής της και εν συνεχεία τον επανασχεδιασμό και βελτίωσή της, στα τμήματα όπου κρίνεται αναγκαίο. Οι μετρήσεις πεδίου περιλαμβάνουν την αποτύπωση με δορυφορικό εντοπισμό του βόρειου οδικού άξονα της Κρήτης, δύο νέων τμημάτων του ιδίου άξονα και του οδικού άξονα Κ.Δ.Δ.-Πεντέλης, καθώς και την αποτύπωση με ένα ολοκληρωμένο αδρανειακό και δορυφορικό σύστημα πλοήγησης του οδικού άξονα Σπάτα-Κερατέα. Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε για την αποτύπωση με δορυφορικό εντοπισμό των οδικών αξόνων, είναι ένα ζεύγος γεωδαιτικών δεκτών GPS δύο συχνοτήτων L1/L2 για την μέτρηση φάσεων και την εφαρμογή του σχετικού κινηματικού εντοπισμού, καθώς και ένα ζεύγος δεκτών ναυσιπλοΐας για την μέτρηση ψευδοαποστάσεων και την εφαρμογή του σχετικού διαφορικού εντοπισμού. Επιπλέον χρησιμοποιήθηκε ένα ψηφιακό κλισίμετρο για την μέτρηση των εγκάρσιων κλίσεων της οδού. Μέσω του γεωδαιτικού εντοπισμού των κεραιών των κινητών δεκτών, που είναι σε κάθε περίπτωση σταθερά τοποθετημένες στην οροφή του αυτοκινήτου, καταγράφεται η τροχιά του κατά μήκος των οριογραμμών της οδού. Από την επίλυση των μετρήσεων δορυφορικού και αδρανειακού εντοπισμού προκύπτουν οι διαδοχικές συντεταγμένες στον χώρο του οχήματος, ενώ με ειδικό λογισμικό στην συνέχεια προσδιορίζονται τα στίγματα που συνθέτουν τον άξονα της οδού στην προβολή. Όσον αφορά στον έλεγχο των συγκριτικών αποτελεσμάτων των ταυτόχρονων μετρήσεων κινηματικού και διαφορικού εντοπισμού, αυτός πραγματοποιείται με ειδικό λογισμικό σε γραφικό περιβάλλον και είναι ενδεικτικός για τις ακρίβειες αποτύπωσης που επιτυγχάνονται για κάθε μία από τις μεθόδους εντοπισμού ξεχωριστά. Επιπλέον, στο στάδιο αυτό της προεπεξεργασίας, συνδυάζονται τα δεδομένα των δύο μεθόδων για την κάλυψη των κενών που δημιουργούνται σε κάποιες περιπτώσεις στις μετρήσεις κινηματικού εντοπισμού με τις αντίστοιχες, λιγότερο ευαίσθητες σε απώλειες δορυφορικού σήματος, μετρήσεις διαφορικού εντοπισμού. Στην συνέχεια υπολογίζονται τα γεωμετρικά στοιχεία των οδικών αξόνων που αποτυπώθηκαν (Χιλιομετρική Θέση, γωνίες διεύθυνσης, γωνίες κατά μήκος κλίσεων, εγκάρσιες κλίσεις), βάσει των οποίων προσδιορίζονται οι παράμετροι των γεωμετρικών στοιχείων οριζοντιογραφίας και μηκοτομής που τους συνθέτουν. Αρχικά σχεδιάζονται τα διαγράμματα των γωνιών διευθύνσεων και των κατά μήκος κλίσεων, στα οποία πραγματοποιείται με ειδικό λογισμικό η προσαρμογή των χαρακτηριστικών καμπύλών που αντιστοιχούν στα οριζόντια και κατακόρυφα γεωμετρικά στοιχεία της οδού και στην συνέχεια τα στοιχεία προσαρμόζονται στα αντίστοιχα διαγράμματα της οριζοντιογραφίας και της μηκοτομής, όπου πραγματοποιείται ο τελικός έλεγχος της ποιότητας προσαρμογής τους. Ο προσδιορισμός των εγκάρσιων κλίσεων της οδού πραγματοποιείται με την απευθείας προσαρμογή των κατάλληλων καμπύλών στο διάγραμμα των επικλίσεων, ενώ οι τελικές παράμετροι των οριζόντιων, κατακόρυφων και εγκάρσιων γεωμετρικών στοιχείων αποθηκεύονται σε ASCII αρχεία και αποτελούν το βασικό πληροφοριακό υλικό για την αξιολόγηση της χάραξης της οδού βάσει των Κριτηρίων Οδοποιίας. Χρησιμοποιώντας τα προγράμματα προσδιορισμού των γεωμετρικών στοιχείων οδού στα δεδομένα των μετρήσεων δορυφορικού και αδρανειακού εντοπισμού προκύπτουν οι ακρίβειες προσδιορισμού των γεωμετρικών στοιχείων που επιτυγχάνονται ανάλογα με την μέθοδο εντοπισμού και τις παραμέτρους που χρησιμοποιούνται κατά την αποτύπωση. Παράλληλα η συγκριτική ανάλυση μεταξύ των σφαλμάτων κινηματικού και διαφορικού εντοπισμού, έχει ως αποτέλεσμα την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικών με την μεταβολή των ακριβειών προσαρμογής των γεωμετρικών στοιχείων στον άξονα, ανάλογα με τις αντίστοιχες τιμές των χαρακτηριστικών τους παραμέτρων. Τέλος, από μία σειρά πειραμάτων που πραγματοποιήθηκε στις μετρήσεις και στον τρόπο επεξεργασίας τους, εξάγονται πολύτιμα συμπεράσματα σχετικά με την βελτιστοποίηση της μεθόδου καταγραφής