CC BY
136
УДК 629.783:528.2
А.Г. Прихода, А.П. Лапко, С.О. Шевчук, Г.И. Мальцев ФГУП «СНИИГГиМС», Новосибирск
НАВИГАЦИОННО-ГЕОДЕЗИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГЕОЛОГОГЕОФИЗИЧЕСКИХ РАБОТ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЛОБАЛЬНЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ ГЛОНАСС И GPS
В статье рассмотрены исследования отечественной и зарубежной двухсистемной ГЛОНАСС/GPS аппаратуры в различных условиях приёма сигнала в статическом и кинематическом режимах.
A.G. Prihoda, A.P. Lapko, S.O. Shevchuck, G.I. Malcev
Siberian Research Institute of Geology, Geophysics and Mineral Raw Materials
(SNIIGGiMS)
67 Krasniy Prospekt, Novosibirsk, 630108, Russian Federation
NAVIGATION AND GEODETIC MAINTENANCE OF GEOLOGIC AND GEOPHYSICAL WORKS WITH THE USE OF GLOBAL SATELLITE SYSTEMS GLONASS AND GPS
The article deals with domestic and foreign two-system GLONASS/GPS receivers in various environments in static and kinematic modes are considered.
Федеральный закон о навигационной деятельности от 14 февраля 2009 г. № 22-ФЗ, предписывает с 1 января 2011 г. проведение геодезических и кадастровых работ техническими средствами и системами, функционирование которых обеспечивается российской навигационной системой ГЛОНАСС.
В настоящее время в орбитальной группировке ГЛОНАСС-М активно функционирует 21 навигационный искусственный спутник Земли (по состоянию на 28 февраля 2011 [1]). 26 февраля 2011г. был запущен новый модифицированный навигационный спутник ГЛОНАСС-К.
Разработкой и производством спутниковой навигационной аппаратуры потребителей с использованием передового зарубежного опыта и ориентацией на российскую действительность занимаются: ОАО РИРВ (СГА «Геодезия», «Изыскания», «ГККС»), ОАО Ижевский радиозавод (МНП-М5, МНП-М7), КБ НАВИС (Навиор-14, Бриз-КП) и другие.
Были проведены исследования со спутниковой геодезической аппаратурой «Геодезия», ГККС, NovAtel DL-V3, Leica Viva GS10, Sokkia GSR 1700 CSX. Все перечисленные приёмники являются двухсистемными, и принимают сигналы как американской системы GPS, так и отечественной ГЛОНАСС.
Целью испытаний ставился поиск наиболее оптимального комплекса геодезической аппаратуры для выполнения работ по геодезическому
обеспечению геолого-геофизических исследований и создания соответствующей технологии.
Исследования проводились на пунктах отраслевого геодезического полигона ФГУП «СНИИГГиМС», расположенных в различных условиях залесённости, что позволило смоделировать как благоприятные, так и наиболее близкие к реальным внешние условия выполнения работ, а также были проведены исследования в кинематическом режиме в новосибирском сельском районе.
Характеристики исследуемой аппаратуры приведены в табл. 1.
Таблица 1. Характеристики исследуемой аппаратуры
Наименования характеристик СГА «Г еодезия» БОКК1А ОБЯ 1700 СБХ ГККС КоуАієі БЬ-У3 Ьеіеа Уіуа 0Б10
Общие
Тип приёмника Одночастотн ый одночастотн ый двухчастотны й двухчастот ный двухчастотны й
Страна-производитель Россия Канада, Япония Россия Канада Швейцария, Россия
Точность
Статика в плане, мм 5 + 1 мм/км 5 + 1 мм/км Нет данных 5 + 1 мм/км 3 +0,5 мм/км
по высоте, мм 10 + 2 мм/км 8 + 2 мм/км 6 +0,5 мм/км
Быстрая статика в плане, мм 5 + 1,5 мм/км 5 + 1 мм/км 10 +1,5 мм/км 5 + 1 мм/км 5 +0,5 мм/км
по высоте, мм 10 + 2 мм/км 10 + 2 мм/км 20 + 2 мм/км 10+0,5 мм/км
Кинема- тика в плане, мм 20 + 2 мм/км 10 + 1 мм/км 10 + 1,5 мм/км 5 + 1 мм/км 10 + 1 мм/км
по высоте, мм 20 + 2 мм/км 12 + 2 мм/км 20 + 2 мм/км 20 + 1 мм/км
Количество отслеживаемых спутников
Каналы Всего 16 28 36 72 120
ОРБ Произвольно (только Ь1) 14 Ь1 Произвольно (только Ь1,Ь2) 14 Ь1, 14 Ь2, 6 Ь5 16 Ь1, 16 Ь2, 16 Ь5
ГЛОНАСС 12 Ь1 12 Ь1, 12 Ь2 14 Ь1, 14 Ь2
БВАБ Нет данных 2 Нет данных 2 4
Условия эксплуатации и хранения
Температур а, °С рабочая -30..+50 -40..+65 -30..+55 -40..+75 -40..+70
хранения -40..+55 -40..+85 -40..+50 -50..+95 -55..+85
Влажность До 93% при 1 = 25°С 100% с конденсатом До 93% при 1 =25°С До 95% без конденсаци и До 100%
Пыле- и влагозащита Нет данных ІР67 Нет данных ІР67 ІР67
Прочие характеристики
Масса устройства (с батареей), кг 2,0 0,672 2,2 1,3 1,2
Встроенная память, Мб 3,5 64 64 64 1024
Энергопотребление, Вт Не более 5 Не более 5 Не более 30 3,5 3,2
Исследования проводились в дифференциальном режиме с постобработкой. Базовые станции (БС) при работе в дифференциальном режиме устанавливались на здании института (пункт «Потанинский»). Расстояние между базовой и мобильной станцией (МС) составляло от 12 до 25 км. Кроме того, исследовалась возможность совместного использования различных систем (ГККС + «Геодезия»; Leica GS10 + Novatel DL-V3; Sokkia + NovAtel DL-V3).
Условия приёма сигнала были разделены на три группы - открытая местность, полузакрытая, закрытая. При этом учитывалась высота объектов, закрывающих радиогоризонт, их плотность и расположение [2].Сеансы статических наблюдений имели продолжительность от 20 мин до одного часа, в зависимости от величины базисной линии (расстояния между базовой и мобильной станцией) и условий приёма спутниковых сигналов. На каждом пункте в общей сложности было проведено не менее 10 сеансов в разные дни и время суток. Оценка точности выполнялась сравнением известных координат пунктов и полученных в результате наблюдений.
Обработка измерений проводилась в программных комплексах NovAtel Waypoint GrafNav (для приёмников Leica, NovAtel и Sokkia) и в BL-L/G (для отечественных приёмников - ГККС и «Геодезия»). Изначально, обработка всех измерений планировалась в программе GrafNav, однако формат данных отечественной аппаратуры «Геодезия» и ГККС в ней не поддерживался.
Результаты статических исследований в открытой, полузакрытой и закрытой местности приведены в таблице 2.
Таблица 2. Оценка точности результатов статических наблюдений в различных
условиях радиовидимости спутниковых сигналов
Тип местности Базовая станция (БС) Мобильная станция (МС) СКП
mX, м mY, м mH, м
открытая «Г еодезия» «Г еодезия» 0,012 0,012 0,043
ГККС «Г еодезия» 0,010 0,011 0,083
Sokkia GSR 1700 CSX Sokkia GSR 1700 CSX 0,011 0,005 0,034
Leica GS10 Leica GS10 0,003 0,013 0,072
Leica GS10 NovAtel DL-V3 0,006 0,010 0,141
полузакрытая «Г еодезия» «Г еодезия» 5,622 4,691 3,590
Sokkia GSR 1700 CSX Sokkia GSR 1700 CSX 0,082 0,076 0,188
Leica GS10 Leica GS10 0,044 0,073 0,102
Leica GS10 NovAtel DL-V3 0,098 0,068 0,513
закрытая «Г еодезия» «Г еодезия» 9,752 6,851 6,788
Sokkia GSR 1700 CSX Sokkia GSR 1700 CSX 2,183 0,708 2,254
Leica GS10 Leica GS10 2,239 0,487 2,411
Leica GS10 NovAtel DL-V3 2,270 0,787 3,022
Из таблицы видно, что в полузакрытой и закрытой местности точность определения координат понижается до дециметров и метров соответственно из-за затухания и переотражения (многопутности) спутниковых сигналов, причём отечественная аппаратура в силу менее продвинутых технических и программных решений выдаёт точность почти на порядок ниже.
Кроме дифференциального режима обработки, требующего наличия двух приёмников (базы с известными координатами и мобильного приёмника), был рассмотрен современный алгоритм обработки Point Precision Positioning, основанный на применении файлов точных эфемерид, часов и модели ионосферы, получаемых через Internet. Этот метод в полной мере реализован в программе WayPoint GrafNav и, по словам разработчиков, позволяет добиться сантиметрового режима для измерений в режиме статики и дециметрового -при кинематических измерениях [3, 4].
Данный метод обработки может применяться только для двухчастотной аппаратуры, что ограничивает возможность его применения.
Файлы эфемерид и часов появляются на серверах международной службы глобальных навигационных спутниковых систем (IGS - International GNSS Service) с задержкой. Доступ к ним бесплатный (кроме поправок, которые можно заказать для получения в реальном времени).
С задержкой до 15 минут можно получать для спутников системы GPS точные эфемеридные данные (СКП орбит 5 см, времени 3 нс), ещё более точные - с задержкой 3 часа (3 см, 0,15 нс) и с задержкой 17 часов (2,5 см, 0,075 нс); окончательные данные (2,5 см, 0,075 нс) с задержкой до 21 суток [5].
Для спутников ГЛОНАСС данные доступны с задержкой 14-21 день в виде эфемерид с СКП орбит 5 см.
В таблице 3 приведены задержки и типы данных поправок.
Таблица З. Типы и время получения PPP-поправок сервиса IGS[6]
Период Наименование продукции IGS Задержка появления
От До Орбиты Поправки к часам От Задержка
2 января 1994 28 октября 2000 Окончательны е (Final) Окончательные (Final) -
29 октября 2000 21 сутки до текущей даты Окончательны е (Final) Окончательные (Final) -
21 сутки до текущей даты Текущая дата Окончательны е (Final) Окончательные (Final) Конец текущих суток 14-21 сутки
Начало текущих суток Конец текущих суток Быстрые (Rapid) Быстрые (Rapid) Конец текущих суток 17 часов
Начало текущих суток Конец текущих суток Ультра (Ultra) Ультра (Ultra) Конец текущих суток З часа
Начало текущих суток Данный момент Ультра (Ultra) Ультра (Ultra) Начало текущих суток 15 минут
В программе WayPoint ОгаШау не доступны файлы Ультра-поправок, то есть обработку данных по алгоритму РРР можно выполнять только через 17 часов после окончания текущих суток (то есть через одни-двое суток с момента окончания измерений). Точность обработки данных по алгоритму РРР зависит
главным образом от времени наблюдений. В таблице показаны результаты часовых сеансов.
Оценка точности результатов обработки спутниковых измерений по файлам как быстрых, так и окончательных поправок приведена в таблице 4.
Как видно из таблицы, по РРР-поправкам в результате обработки автономных измерений, в открытой и полузакрытой местности можно достигнуть дециметровой точности. При этом различия в результатах обработки по быстрым и окончательным файлам часов и эфемерид оказались незначительны в сравнении с величинами самих погрешностей.
При испытаниях аппаратуры в режиме кинематики, частота записи эпох в мобильном приёмнике была установлена 20 Г ц.
Целью данных исследований являлась оценка точности определения местоположения по внутренней сходимости.
Для получения качественного и надёжного решения по данным поправкам необходимо, чтобы продолжительность сеанса измерений была не менее 30 минут в кинематическом режиме [4].
Таблица 4. Оценка точности измерений, обработанных по алгоритму PPP
Тип местности Приёмник Тип поправок ЖП
mX, м mY, м mH, м
открытая Leica GS10 Быстрые (Rapid) 0,003 0,381 0,399
Окончательные (Final) 0,004 0,367 0,39В
NovAtel DL-V3 Быстрые (Rapid) 0,025 0,239 0,377
Окончательные (Final) 0,02В 0,234 0,377
полузакрытая Leica GS10 Быстрые (Rapid) 0,009 0,369 1,225
Окончательные (Final) 0,00В 0,366 1,226
NovAtel DL-V3 Быстрые (Rapid) 0,024 0,345 0,906
Окончательные (Final) 0,023 0,344 0,906
закрытая Leica GS10 Быстрые (Rapid) 1,861 0,446 0,822
Окончательные (Final) 1,860 0,440 0,821
NovAtel DL-V3 Быстрые (Rapid) 2,672 1,012 3,639
Окончательные (Final) 2,672 1,011 3,633
Для сравнения, оценка точности выполнялась для трёх типов данных: обработанных по алгоритму РРР; дифференциальным методом (базовая станция Ье1са 0Б10 на п. «Потанинский»); абсолютным методом измерений (без постобработки). Для последних, точность в соответствием с паспортом аппаратуры КоуА1е1 должна составлять 1,5 м.
Таблица 5. СКП определения приёмником NovAtel DL-V3 местоположения по внутренней сходимости в режиме непрерывной кинематики с инициализацией
Метод обработки Ст, м
Трек 1 Трек 2 Трек З
Без постобработки 0,422 0,577 0,470
Метод PPP 0,368 0,531 0,407
Диференциальный метод 0,405 0,231 0,337
Данная точность, однако, характеризует внутреннюю сходимость решений, при этом, разница в координатах точек треков, полученных в результате обработки разными методами составляет до 2 метров и характеризуется систематическим сдвигом на Север, что показано на рисунке 1. При этом, т.к. БС работала с частотой записи 1 Гц, количество обработанных по дифференциальному методу эпох в 5 раз меньше.
По результатам проведённых исследований, можно сделать следующие выводы и рекомендации:
В открытой местности проверенные типы аппаратуры потребителя ГЛОНАСС/ОРБ удовлетворяет заявленным точностным характеристикам.
В полузакрытой местности точности понижаются за счёт дополнительной погрешности многопутности. Отечественная спутниковая геодезическая аппаратура «Геодезия» при этом позволяет получить только кодовое (3-5 м) решение, в то время как остальные образцы испытуемой аппаратуры за счёт применяемых в них программных и аппаратных решений, имеют фазовое решение дециметрового уровня точности.
Рис. 1. Точки трека, обработанного различными методами
В закрытой местности зарубежная аппаратура выдаёт плавающие решения с точностью первых метров. Точность решений отечественной аппаратуры понижается до 7-9 метров.
Программный комплекс WayPoint GrafNav позволяет получить дециметровый уровень точности при обработке автономных измерений, причём разница между типам поправок (быстрых и окончательных) незначительна. Данный метод требует выхода в сеть Internet и может значительно удешевить исследования за счёт отсутствия необходимости наличия БС с известными координатами.
В кинематическом режиме, точность также находилась на дециметровом уровне, как при обработке дифференциальным, так и методом PPP, между которыми наблюдается систематическая погрешность. Дальнейшие кинематические испытания помогут выявить причину и получить истинные погрешности.
Важно отметить отставание отечественной аппаратуры в техническом плане, а также по уровню исполнения ПО.
В целом, можно сказать, что в данный момент существует аппаратура потребителя ГЛОНAСС/GPS зарубежного производства, подходящая по своим техническим и точностным характеристикам для геодезического обеспечения геолого-геофизических работ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Федеральное космическое агентство Информационно-аналитический центр [Интернет-ресурс] / Режим доступа: www.glonass-ianc.rsa.ru
2. GPS-технология геодезического обеспечения геологоразведочных работ
[Текст]: - Метод. рекомендации / ред. AX. Прихода.- Новосибирск:
СНИИГГиМС, 2008.- 274 с.: прил. 5.
3. Новости NovAtel [Интернет-ресурс] / GPScom - спутниковые и инерциальные системы позиционирования - Режим доступа:
http://www.gpscom.ru/content/img/images/2007/4/img/s_new_rus_mar07.pdf.
4. Airborne Precise Point Positioning (PPP) in GrafNav 7.80 with Comparisons
to Canadian Spatial Reference System (CSRS) Solutions [Интернет-ресурс] / IGS Tracking Network - Anrn. - Режим доступа:
http: //www.novatel .com/assets/Documents/Waypoint/Reports/PPPReport.pdf.
5. Б.Б. Серапинас. Глобальные системы навигации и позиционирования. Геопрофи. 2010. №2. - С. 60-63.
6. IGS Data & Products [Интернет-ресурс] / IGS Tracking Network - Aнгл. -Режим доступа: http://igscb.jpl.nasa.gov/components/prods.html.
© А.Г. Прихода, А.П. Лапко, С.О. Шевчук, Г.И. Мальцев, 2011
