Calibration of automated verticality monitoring system of radiocommunication masts and towers using geodetic measurements

Abstract

Метою дослідження є розробка методики калібрування автоматизованої системи моніторингу вертикальності щогл та веж радіозв'язку з використанням геодезичних вимірювань з метою отримання поправок в інклінометричних вимірах щодо вертикальної осі конструкції. Існують два різні методи, які використовуються для визначення вертикальності вежі: використання спостережень глобальних навігаційних супутникових систем (GNSS); тривимірні наземні геодезичні вимірювання з використанням тахеометрів або традиційних методів геодезичних вимірювань. Ця стаття зосереджена на використанні мікроелектромеханічних систем (MEMS) з двоклінічним інклінометром для вимірювання малих кутів на радіокомунікаційній вежі для отримання змін відносно вертикальної осі конструкції. Однак початковий нахил вежі можна обчислити, моделюючи змінні, отримані з даних інклінометрів у поєднанні з геодезичними вимірюваннями. Метод досягнення цієї мети забезпечується теоретичними та експериментальними дослідженнями для виконання збору помилок калібрування з використанням даних інклінометрів та вимірювань за допомогою тахеометрів. Основним результатом дослідження є можливість врахування вихідного положення датчика MEMS, визначеного як кут між інклінометром та конструкцією щогл та веж. Різниці між обчисленими та виміряними нахилами інклінометра та кутами нахилу одночасно дають коригування, яке слід застосувати до даних датчика. Крім того, для високоточної калібрування датчиків інклінометрів був оцінений вплив точності тахеометра на визначення параметрів відхилень. Наукова новизна: На основі співвідношення загальної станції та топоцентричної системи координат були отримані формули для розрахунку параметрів орієнтації платформи датчика. Практичне значення: запропонована методологія дозволяє калібрувати датчики MEMS, встановлені на щоглах і вежах радіозв’язку, використовуючи вимірювання тахеометром з однієї опорної точки.

The purpose of the study is the development of calibration methodology of automated verticality monitoring system of radio communication masts and towers using geodetic measurements in order to obtain corrections in inclinometer measurements relative to the construction’s vertical axis. There are two different methods used for tower verticality determination: using Global Navigation Satellite Systems (GNSS) observations; three-dimensional terrestrial geodetic measurements using total station or traditional geodetic measurements methods. This paper is focused on using microelectromechanical systems (MEMS) dual axis inclinometer for small-angle measurements on the radio-communication tower to obtain changes relative to the structure of vertical axis. However, the initial inclination of the tower can be calculated by modelling the variables obtained from the inclinometer data in combination with geodetic measurements. The method of achieving this goal is provided by theoretical and experimental studies to perform assembly calibration errors using inclinometer data and total station measurements. The main result of the study is the possibility of taking into account the initial position of the MEMS sensor defined as the angle between inclinometer and masts and towers construction. Differences between the calculated and the measured by inclinometer pitch and roll angles at the same time give the correction to be applied to sensor data. Also, for high precision calibration of inclinometer sensors the influence of total station accuracy on determination of yawpitch-roll parameters has been estimated. Scientific novelty: Based on relationship between total station and platform topocentric coordinate systems the formulas for sensor platform orientation parameters calculation have been derived. Practical significance: the proposed methodology allows calibrating MEMS sensors installed on the radio communication masts and towers using total station measurements from single ground control point.