CC BY
60
4
НОМЕР
ISSN 2304-9081
Электронный журнал
On-line версия журнала на сайте
http://www.elmag.uran.ru
БЮЛЛЕТЕНЬ
ОРЕНБУРГСКОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА УрО РАН
2016
УЧРЕДИТЕЛИ
УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ РАН ОРЕНБУРГСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР УрО РАН
Бюллетень Оренбургского научного центра УрО РАН (электронный журнал), 2016, № 4 © М.Ю. Нестеренко, А.В. Цвяк, 2016 УДК 502.7:504.058 М.Ю. Нестеренко, А.В. Цвяк
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ И ТОЧНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ GNSS-СИСТЕМ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ НА РАЗРАБАТЫВАЕМЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ УГЛЕВОДОРОДОВ
Оренбургский научный центр УрО РАН (Отдел геоэкологии), Оренбург, Россия
В статье рассмотрена проблема снижения точности определения координат с помощью GNSS-систем на разрабатываемых месторождениях углеводородов в условиях переотраженного сигнала. Анализа опытных данных позволил авторами дать рекомендацию о необходимости избегать ситуации многолучевости распространения радиоволн при измерении деформаций земной поверхности на разрабатываемых месторождениях углеводородов.
Ключевые слова: геодинамические процессы, GNSS-системы, точность.
M. Yu. Nesterenko, A. V. Tsviak
THE ASSESSMENT OF THE CAPABILITIES AND ACCURACY OF GNSS-SYSTEMS FOR MONITORING DEFORMATION OF THE EARTH'S SURFACE ON THE HYDROCARBON DEPOSITS UNDER DEVELOPMENT
Orenburg Scientific Сenter, UrB RAS (Department of Geoecology), Orenburg, Russia
In this article the problem of reducing the accuracy of the coordinates using the GNSS-systems developed by the hydrocarbon deposits under Backlight signal. Analysis of experimental data allowed the authors to make a recommendation on the need to avoid a situation of multipath propagation in the measurement of the Earth's surface deformations on emerging hydrocarbon deposits.
Keywords: geodynamic processes, GNSS-systems, accuracy.
Интенсивная добыча нефти и газа в крупных нефтегазоносных районах нарушает природную, включая геологическую, среду, значительно перестраивает гидрогазодинамические и геодинамические процессы в земной коре на глубины до десяти и более километров на площадях до нескольких тысяч квадратных километров. Создаются условия возникновения ряда экологических проблем, существенно влияющих на развитие природы и качество жизни населения в регионе. В Западном Оренбуржье, расположенном на юго-востоке Восточно-Европейской платформы, более пятидесяти лет интенсивно эксплуатируются более сотни месторождений газа и нефти. Высокая плотность месторождений углеводородов (УВ) и интенсивная их разработка обусловили техногенные изменения в геологической среде, особенно в ее водной составляющей, на площадях до 5000 км [1].
В результате в крупных нефтегазоносных районах развиваются опасные техно-природные процессы в верхней части земной коры, повышается ее геодинамическая и сейсмическая активность.
В связи с этим необходимо проведение пространственно-временного мониторинга геодинамических процессов и сейсмической активности разрабатываемых месторождений газа и нефти и прилегающих территорий. Данные работы должны быть увязаны с маркшейдерскими работами по определению координат и высотного положения реперов.
Существует ряд методов контроля состояния движений земной поверхности при разработке месторождений полезных ископаемых. Традиционно используются маркшейдерско-геодезические наблюдения по реперам профильных линий по методике нивелирования I-II классов для определения оседаний поверхности и измерения длин линий между реперами для определения горизонтальных сдвижений и деформаций. Однако в связи с большой площадью территории месторождений УВ применение данных методов дорогостоящее, занимает весьма продолжительное время и имеет свойство накопления ошибки при увеличении числа ходов.
Точность, надежность, достоверность и репрезентативность повторных наблюдений исключает возможность решения поставленных маркшейдерских задач обеспечения промышленной безопасности и влечет напрасное вложение значительных средств в строительство и производство наблюдений.
Для определения горизонтальных и вертикальных сдвижений точек земной поверхности целесообразно использовать спутниковые наблюдения с применением глобальных навигационных спутниковых систем (GPS, ГЛО-НАСС, GALILEO) [2].
Применение данного подхода накладывает определенные требования к точности измерений и условиям, в которых они выполняются. В соответствии с инструкцией по нивелированию допускается погрешность в измерениях II класса не более 2 мм, III класса - 5 мм и IV класса - 10 мм [3].
В соответствии с технической документацией производителей GNSS-приемников при измерениях достигается точность по вертикали 3,5 мм + 0,4 ppm, по горизонту - 3 мм + 0,1 ppm [4]. При этом условия, в которых выполняются измерения могут существенно изменить точность. Наиболее значимым является применение спутникового нивелирования для наблюдения за
Бюллетень Оренбургского научного центра УрО РАН (электронный журнал), 2016, № 4 вертикальными деформациями на месторождениях газа и нефти в условиях переотраженного сигнала.
С целью определения влияния многолучевости распространения радиоволн на точность определения координат с помощью GPS приемников нами были проведены две серии опытов.
В первой серии - точка наблюдения находилась в нише стены на южной стороне здания; во второй серии - точка наблюдения находилась в условиях открытого неба. Для коррекции данных полученных на точке наблюдения использовались две базовые станции. Одна станция находилась в условиях открытого неба, вторая так же, как и точка наблюдения, в нише стены на южной стороне здания, в зоне переотраженного сигнала. Приемники базовых станций и приемник на точке наблюдения крепились с помощью резьбового соединения к фундаментальным реперам. Устройство фундаментальных реперов соответствует «Правилам закрепления центров на пунктах спутниковой геодезической сети» (Утверждены Роскартографией как дополнение к ГКИНП-07-016-91 от 07.05.2001 г.).
В качестве базовых станций использовался собственный приемник Leica GS14 Viva GNSS и приемник Leica AR10 Viva GNSS, входящий в сеть референсных станций Смартнет. В качестве приемника, установленного на точке наблюдения, использовался Leica GS08+ Viva GNSS в комплекте с контролером Leica CS10.
Постобработка данных, полученных от приемников, проводилась с помощью программного комплекса LEICA Geo Office 8.3.
Влияние переотраженного сигнала на точность определения координат GPS приемником оценивали двумя показателями: величиной среднеквадратичного отклонения высотной отметки и показателем DOP.
DOP (Снижение точности) - термин, использующийся в системах спутниковой навигации для описания силы геометрического взаиморасположения спутников друг относительно друга с точки зрения приемника. Когда спутники в области видимости находятся слишком близко друг к другу говорят о «слабой» геометрии расположения (высоком значении DOP), и, наоборот, при достаточной удаленности геометрию считают «сильной» (низкое значение DOP) [5]. Чем ниже величина DOP, тем выше точность измерения координат.
На снижение точности влияет несколько факторов:
- орбиты спутников;
- наличие объектов-помех, закрывающие необходимые области неба;
- влияние атмосферы;
- отражение радиоволн.
Хотя «слабое» взаимное расположение спутников не является причиной погрешности в определении положения, которое может быть измерено в метрах, но большие значения DOP усиливают другие неточности. Соответственно, при высоких значениях DOP следует ожидать низкую точность определения координат, при низких значениях - высокую точность.
Анализирую графики распределения показателя DOP, представленные на рисунке 1, можно сделать вывод, что величину DOP можно назвать хорошей только в том случае, когда приемники на точке наблюдения и базовой станции находятся в условиях открытого неба и влияние многолучевости распространения радиоволн минимально.
GDOP DOP HDOP VDOP
Рис. 1. График распределения показателя DOP:
А - базовая станция и приемник в точке наблюдения находится в условиях открытого неба; Б - базовая станция находится в зоне переотраженного сигнала, приемник в точке наблюдения находится в условиях открытого неба; В - базовая станция находится в условиях открытого неба, приемник в точке наблюдения находится в зоне переотраженного сигнала; Г - базовая станция и приемник в точке наблюдения находится в зоне переотраженного сигнала.
При любых других вариантах использовать результаты измерений можно только для грубого определения местоположения. Следует так же отметить, что в том случае, когда приемник в точке наблюдения находился в зоне переотраженного сигнала, существовали промежутки времени, в которых прием сигнала с GPS спутников отсутствовал (рис. 1В и 1Г).
Показатель DOP дает косвенное представление о точности. Для прямой количественной оценки влияния многолучевости распространения радиоволн
на точность определения координат. Было проведено исследование зависимости среднеквадратичного отклонения (СКО) высотной отметки от продолжительности наблюдения в условиях переотраженного сигнала и открытого неба. Результаты исследования представлены на графиках рисунка 2.
0,40000
0,33538
0,30000
0,28405
0,10000
0,02280 О-
0,01672
-О-
0,00728
-О-
1 2 Продолжительность наблюдений, ч
-База в зоне переотраженного сигнала
- База в условиях открытого неба
Рис. 2. Распределение среднеквадратического отклонения от продолжительности наблюдения (точке наблюдения в зоне открытого сигнала).
Для высокоточных измерений координат приемлем только вариант, при котором и базовая станция и приемник, расположенный на точке наблюдения, находятся в условиях открытого неба. При этом, чем больше продолжительность наблюдения, тем выше точность определения координат.
Для получения сантиметровой точности высотной отметки время наблюдения должно составлять не менее 1,5 ч.
Бюллетень Оренбургского научного центра УрО РАН (электронный журнал), 2016, № 4 Заключение
Переотраженный сигнал крайне негативно сказывается на точности измерений. Спрогнозировать погрешность измерения координат в условиях переотраженного сигнала не представляется возможным. Компенсировать влияние многолучевости распространения спутникового сигнала увеличением продолжительности невозможно. Корреляция между продолжительностью наблюдения и СКО в условиях переотраженного сигнала отсутствует. В связи с этим, можно дать следующие рекомендации: для наблюдения за вертикальными деформациями на месторождениях нефти и газа необходимо избегать ситуации многолучевости распространения радиоволн; измерения должны проводиться в условиях открытого неба.
ЛИТЕРАТУРА
1. Нестеренко М.Ю. Геоэкология недр нефтегазоносных районов Южного Предуралья. Екатеринбург: УрО РАН, 2012. 135 с.
2. Цвяк А.В. Методологические основы мониторинга техногенно-природных геодинамических процессов с использованием глобальных навигационных спутниковых систем (на примере Южного Предуралья). Международный научно-исследовательский журнал. 2016. 10: 160-163.
3. Инструкция по нивелированию I, И, III и IV классов ГКИНП (ГНТА)-03-010-03, МОСКВА, ЦНИИГАИК. 2004.
4. Документация к приемнику Leica Viva GNSS GS14 [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.leica-geosystems.com/en/Leica-Viva-GS14_102200.htm).
5. Langley Richard B. Dilution of Precision. GPS World. 1999. May: 52-59.
Поступила 28.12.2016
(Контактная информация:
Нестеренко Максим Юрьевич - д.г.-м.н., заведующий лабораторией антропогенеза в водных системах и геодинамике отдела геоэкологии ОНЦ УрО РАН; адрес: Россия, 460014, г. Оренбург, а/я 59; E-mail: n mu@mail.ru;
Цвяк Алексей Владимирович - к.т.н, с.н.с. лаборатории антропогенеза в водных системах и геодинамике отдела геоэкологии ОНЦ УрО РАН; адрес: Россия, 460014, г. Оренбург, а/я 59; E-mail: tsviak@rambler.ru)
LITERATURA
1. Nesterenko M.Ju. Geojekologija nedr neftegazonosnyh rajonov Juzhnogo Predural'ja. Ekaterinburg: UrO RAN, 2012. 135 s.
2. Tsviak A.V. Metodologicheskie osnovy monitoringa tehnogenno-prirodnyh geodinami-cheskih processov s ispol'zovaniem global'nyh navigacionnyh sputnikovyh sistem (na primere juzhnogo predural'ja). Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal. 2016. 10: 160-163.
3. Instrukcija po nivelirovaniju I, I, III i IV klassov GKINP (GNTA)-03-010-03, MOSKVA, CNIIGAIK. 2004.
4. Dokumentacija k priemniku Leica Viva GNSS GS14 [Jelektronnyj resurs] Rezhim dostupa: http://www.leica-geosystems.com/en/Leica-Viva-GS14_102200.htm, rezhim dostupa svobodnyj.
5. Langley Richard B. Dilution of Precision. GPS World. May 1999: 52-59.
Бюллетень Оренбургского научного центра УрО РАН (электронный журнал), 2016, № 4 Образец ссылки на статью:
Нестеренко М.Ю., Цвяк А.В.Оценка возможности и точности применения gnss-систем для мониторинга деформаций земной поверхности на разрабатываемых месторождениях углеводородов. Бюллетень Оренбургского научного центра УрО РАН. 2016. 4: 7с. [Электронный ресурс]. (URL: http:// elmag.uran.m:9673/magazine/Numbers/2016-4/Artides/MYN-2016-4.pdf).
