CC BY
249
УДК 629.783:551.24
ПРИМЕНЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ ГЕОДЕЗИЧЕСКОЙ СЕТИ АБС НСО И МЕТОДА PPP ПРИ ГЕОДЕЗИЧЕСКОМ ОБЕСПЕЧЕНИИ ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКИХ РАБОТ
Станислав Олегович Шевчук
ФГУП «Сибирский научно-исследовательский институт геологии, геофизики и Минерального сырья», 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 67, и. о. заведующего отделом геодезического обеспечения геолого-геофизических работ, тел. (383)22-45-86, e-mail: staspp@211.ru
Юрий Михайлович Зюзин
ФГУП «Сибирский научно-исследовательский институт геологии, геофизики и Минерального сырья», 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 67, заведующий лабораторией полевой геофизики, тел. (383)222-48-55, e-mail: zyuzin54@mail.ru
В статье рассмотрен вопрос эффективности применения измерений сети активных базовых станций (АБС) Новосибирской области в сравнении с использованием собственной базовой станции при геодезическом обеспечении геологоразведочных работ. Также выполнено сравнение с методом Precise Point Positioning.
В качестве экспериментальных данных использованы измерения, проводимые в рамках гравиразведки масштаба 1 : 200 000.
Ключевые слова: ГНСС, спутниковая навигация, точное точечное позиционирование, геодезическое обеспечение, активная базовая станция, геологоразведка.
GEODETIC SUPPORT OF GEOLOGICAL PROSPECTING WORK USING OF GEODETIC NETWORK CORS NSO AND PPP METHOD
Stanislav O. Shevchuck
Siberian Research Institute of Geology, Geophysics and Mineral Raw Materials (SNIIGGiMS), 630091, Russia, Novosibirsk, 67 Krasniy Pr., acting as a head of the department of geodetic maintenance of geophysical works, tel. (383)222-45-86, e-mail: staspp@211.ru
Yuri M. Zyuzin
Siberian Research Institute of Geology, Geophysics and Mineral Raw Materials (SNIIGGiMS), 630091, Russia, Novosibirsk, 67 Krasniy Pr., acting as a head of the laboratory of field geophysics, tel. (383) 222-48-55, e-mail: zyuzin54@mail.ru
In the article the question of using the Novosibirsk oblast' CORS in comparison with using own base station during geodetic support of geological prospecting works is investigated. Also performed a comparison with the method of Precise Point Positioning.
As experimental data used measurements that carried out under gravity prospecting with scale 1 : 200 000.
Key words: GNSS, satellite navigation, Precise Point Positioning, geodetic support, CORS, reference station, geological prospecting.
Геодезическое обеспечение геолого-геофизических исследований включает в себя комплекс работ, выполнение которых непосредственно влияет на ка-
чество проводимых исследований в целом. В частности, это: создание геодезической основы, вынос на местность пунктов измерений с определением их местоположения в заданных системах координат (разбивочно-привязочные работы), создание топографической основы и прочие сопутствующие работы [5].
В настоящее время для геодезического обеспечения геологоразведочных работ широко применяются Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС), в частности GPS (США) и ГЛОНАСС (РФ).
При проведении работ, требующих точного определения координат и/или высот используется относительный метод спутникового позиционирования, подразумевающий совместную обработку измерений спутникового приёмника, размещенного на пункте с известными координатами (базовой станции - БС) с измерениями приемника, перемещаемого между определяемыми пунктами (мобильный приемник). Часто при выполнении таких работ используется режим «стой-иди» (Stop-and-Go), значительно снижающий временные затраты за счет сокращения времени измерений на определяемых пунктах.
В настоящее время идет активное развитие отечественной ГНСС ГЛОНАСС в соответствии с Федеральной целевой программы «Поддержание, развитие и использование системы ГЛОНАСС в 2012 - 2020 годах» (утв. постановлением Правительства РФ 3 марта 2012 г. №189). В программе сделан упор, в частности, на развитие наземной инфраструктуры, включающей в себя создание и развертывание региональных геодезических сетей активных базовых станций (АБС). В настоящее время такие сети развернуты во многих регионах Российской Федерации и позволяют выполнять спутниковые измерения относительным и дифференциальным методом, как в режиме постобработки, так и в реальном времени (RTK).
В Новосибирской области при содействии Сибирской государственной геодезической академии (СГГА) была создана сеть АБС, состоящая в настоящее время из 31 пункта и поддерживаемая Государственным бюджетным учреждением «Центр навигационных и геоинформационных технологий НСО» [4]. Аспекты создания и уравнивания сети рассмотрены в ряде публикаций [6,11,14].
В связи с этим появилась возможность исследования практического применения измерений станций для оптимизации геодезического обеспечения геологоразведочных работ (в первую очередь, за счет работы только с мобильным приемником, с отказом от размещения, привязки и мониторинга измерений базовой станции в поле).
Кроме того, альтернативой указанным вариантам реализации относительного метода спутникового позиционирования является метод точного точечного позиционирования (Precise Point Position - PPP). Данный метод активно развивается и исследуется по всему миру. Подробно метод PPP рассмотрен в [2,8,15,17], в том числе его применение в геологической отрасли [12,13]. Основой метода является применение точных параметров орбит и спутниковых часов, вычисляемых по измерениям станций IGS.
Исследования выполнялись в рамках гравиметрических работ масштаба 1:200 000, проводимых на Ирменско-Кирзинской площади на территории НСО в 2014 году. В соответствии с [5], при проведении данного вида работ имеются строгие требования к определению нормальных высот пунктов гравиметрических наблюдений (СКП не грубее 2,5 м). Получение высот с заданной точностью средствами ГНСС (без применения классических методов нивелирования) возможно относительным методом с использованием модели геоида, например, EGM08 [7,9,10].
В рамках указанных работ применялась двухчастотная спутниковая геодезическая аппаратура Leica GS 10 и Javad Triumphl, принимающая сигналы ГНСС GPS и ГЛОНАСС. В полевых условиях разворачивалась собственная базовая станция. В период проведения работ выполнялось три стоянки базовой станции, а мобильными приемниками выполнялись измерения в режиме «Stop-and-Go» в объеме более 2000 пунктов. Измерения на пунктах длились в среднем 4 - 6 минут с часовой статической инициализацией. Для обработки использовался программный комплекс Magnet Office Tools (Topcon).
Длина базовых линий (расстояний от базовой станции до мобильного приемника) не превышала 50 км, обеспечивая инструктивную точность в соответствии с характеристиками применяемой аппаратуры. Перестановка станций выполнялась с учетом того, что с увеличением базовых линий точность относительного позиционирования понижается, а в руководстве к аппаратуре зачастую не рекомендуется работать на расстоянии более 50 км [18], в первую очередь из-за влияния ионо- и тропосферы и возможного снижения количества общих спутников на станциях [3]. Для повышения качества материала, повышения надежности решения и сокращения времени измерений на пунктах наблюдений, запись выполнялись с дискретностью 1 с.
При выполнении контроля (по картам крупных масштабов и пунктам государственной геодезической сети (ГГС) с известными высотами, встречавшихся на площади в крайне ограниченном количестве), выявлено, что СКП определения нормальных высот указанным методом не превысила 1 м.
Данные АБС в рамках рассмотренных работ были применены только для определения координат и нормальных высот собственной базовой станции (в силу практически полного отсутствия поблизости действующих пунктов ГГС).
Однако для определения координат и высот пунктов измерений они не применялись в силу следующих рисков:
- низкая дискретность измерений (30 с), применение которой в режиме «Stop-and-Go» ведет к меньшему количеству обрабатываемых эпох измерений, как следствие - к менее надежному решению [1, 3, 16];
- возможность проведения профилактических работ на ближайших АБС, зависимость от качества обслуживания станций;
- значительное удаление некоторых участков работ от ближайших АБС.
Кроме того, применение измерений сети АБС для данного вида работ
(в частности для режима «Stop-and-Go») на тот момент не было исследовано. То же утверждение справедливо и для PPP.
Однако применение данных АБС и метода PPP может позволить отказаться от размещения собственной базовой станции, сократив тем самым определенный объем трудозатрат.
В итоге, после завершения полевого сезона и обработки материала, были выполнены сравнительные исследования с целью определения точностных характеристик применения данных АБС в сравнении с использованием собственной базовой станции.
Суммарно в рамках исследований было обработано 300 пунктов измерений (6 полных дней работы одной бригады). Станции АБС НСО выбраны по степени различной удаленности от определяемого пункта, в том числе и значительно более 50 км (опираясь на исследования, приведенные в [3]). Параметры исследований приведены в табл. 1.
Таблица 1
Базовая станция Дискретность измерений, с Расстояния до пунктов измерений, км Априорная точность (СКП) в соответствии с РЭ, м
в плане т '1 по высоте т
пос. Тычкино 1 0.5 - 30 0.01 - 0.04 0.02 - 0.06
сеть АБС НСО BAGA 30 0.5 - 30 0.01 - 0.04 0.02 - 0.06
KUPI 30 - 50 0.04 - 0.06 0.06 - 0.09
ZDVI 50 - 90 0.06 - 0.10 0.09 - 0.15
KYSH 250 - 300 0.25 - 0.3 0.4 - 0.5
BOLO 400 - 450 0.4 - 0.45 0.6 - 0.7
Примечание - При длине базовой линии более 50 км (для KYSH, BOLO, ZDVI) априорная СКП может не соответствовать РЭ
Предрасчетная (априорная) СКП в плане (т '¡) и по высоте (т 'Д приведенная в таблице, вычислялась по формулам, приведенным в руководстве по эксплуатации (РЭ) аппаратуры ГНСС [18]:
т\ = 10мм + 1 • Б мм;
т\ = 15мм + 1,5 • Б мм,
где D - длина базовой линии.
Данная априорная погрешность не учитывает погрешности перехода к отечественным системам координат, геометрический фактор, многопутность и прочие погрешности спутниковых измерений и, в соответствии с РЭ, применима только для базовой линии длиной не более 50 км.
Координаты и высоты, полученные в результате обработки относительным методом по измерениям станции в пос. Тычкино, использованной отрядом в процессе выполнения работ, брались за истинные. Графики разностей в плане и по высоте для пунктов «^ор-я^^о» представлены на рис. 1.
Разности плановых координат для пунктов, обработанных по измерениям станций:
е н а л
с о н з а Р
BAGA (БЛ < 30 км)
KUPI и ZDVI (БЛ от 30 до 100 км)
KYSH и BOLO (БЛ от 250 до 450 км)
Пункты измерений
KUPI -ZDVI
KYSH -BOLO
Разности высот для пунктов, обработанных по измерениям станций:
BAGA (БЛ < 30 км) KUPI и ZDVI (БЛ от 30 до KYSH и BOLO
100 км) (БЛ от 250 до 450 км)
Пункты измерений
-ZDVI KUPI
KYSH -BOLO
Рис. 1. Разности координат и высот пунктов «Stop-and-Go», обработанным по измерениям собственной БС и станций АБС НСО
Измерения мобильного приемника были также обработаны методом PPP в программном комплексе NovAtel GrafNav. На рис. 2 приведены графики разностей измерений на пунктах «Stop-and-Go», полученных с использование базовых станций BAGA и BOLO (самой близкой и самой удаленной) в сравнении с соответствующими разностями для PPP.
Рис. 2. Разности координат и высот пунктов «Stop-and-Go», обработанным по измерениям собственной БС и станций АБС НСО и по методом PPP
Результаты анализа отклонений приведены в табл. 2 как для АБС НСО, так и для PPP.
Таблица 2
Характеристика BAGA KUPI ZDVI KYSH BOLO PPP
(Al)min -0.22 0.03 -0.22 0.04 0.01 0.16
(Al)max 0.44 0.72 0.43 0.72 0.85 1.09
(Ah)min -0.64 -0.55 -0.59 -1.34 -0.82 -1.40
(Ah)max 0.64 1.08 0.52 1.03 1.03 1.34
Среднеквадратические погрешности
mAi 0.11 0.29 0.15 0.34 0.39 0.34
m¿h 0.21 0.3 0.21 0.43 0.36 0.24
При оценке разностей были исключены систематические погрешности в плановых координатах (по среднему значению отклонений), достигавшие 1 м на пункте BOLO (предположительно, погрешности уравнивания сети или перехода между 13 и 14-й зонами проекции Гаусса-Крюгера).
Приведенные данные свидетельствуют о влиянии длины базовой линии, и в то же время возможности позиционирования мобильных приемников на значительном расстоянии от БС с соблюдением требуемых точностей для данного вида работ. Также подтвердилась конкурентоспособность и для метода PPP.
Несмотря на это, обнаружен большой разброс погрешностей на пунктах, обработанных по измерениям станций KUPI и KYSH (разности, превышающие 0.5 м в плане и 1 м по высоте). Имелись и единичные случаи грубых решений методом PPP.
Для каждого массива разностей были выделены и проанализированы точки с максимальными и минимальными отклонениями (и близкие к ним, в случае больших разбросов):
- причиной данных экстремумов не являлось количество спутников или время наблюдений на пункте (в том числе и для PPP) и геометрический фактор на мобильной станции, что позволяет сделать вывод о том, что методически измерения были выполнены верно;
- точки с высокими значениями отклонений не совпадают для данных, обработанных по разным станциям;
- в половине случаев, экстремумы отклонений в плане и по высоте, полученные по одним и тем же станциям, присутствовали для одних и тех же пунктов измерений (эти случаи можно объяснить типом решения фазовой неоднозначности);
- наличие систематических сдвигов по координатам x,y для всех станций, кроме BAGA свидетельствует о наличии погрешности в исходных данных.
Таким образом, основной причиной наиболее грубых погрешностей является количество общих спутников на базовой и мобильной станциях и качество работы базовых станций.
Для PPP, вероятно критичны были срывы, происходившие в процессе измерений спутниковым приемником непосредственно перед измерениями на пункте или после них (обработка в GrafNav ведется в обоих направлениях).
Также стоит отметить, что на станции ZDVI приемник не работал в течение нескольких часов (9.07.2014), вследствие чего, для данной станции обработка оказалась невозможной, а графики на рисунках для данной станции обрываются.
В результате исследований были сделаны следующие выводы:
- применение данных АБС НСО для измерений в режиме «Stop-and-Go» позволяет добиться необходимой точности определения высот, для гравиметрической съемки масштаба 1:200 000 и выполнения ряда других геологоразведочных работ, имеющих подобные требования;
- обработка базовых линий более 50 км фазовой двухчастотной двухси-стемной аппаратурой позволяет достичь требуемой точности определения высот, однако обладает меньшей надежностью;
- метод Precise Point Positioning может применяться для обработки измерений в режиме «Stop-and-Go» и, при условии соблюдения непрерывности наблюдений, демонстрирует большую стабильность, нежели относительный способ с меньшей дискретностью при больших БЛ. Обработка PPP может также применяться в качестве контроля.
Таким образом, при выполнении ряда геолого-геофизических работ в Новосибирской области, требования к определению высот и плановых координат при которых составляет 1-2 метра, развертывание собственной базовой станции не является необходимым мероприятием.
Важно отметить, что в приведенных исследованиях погрешность оценивалась по разностям с измерениями, принятыми за эталон. Определение абсолютных значений СКП при которых в качестве эталона будут использованы пункты отраслевого геодезического полигона ФГУП «СНИИГГиМС» будут приведены в последующих публикациях. Эти исследования будут включать как статические сеансы, так и исследования режима «Stop-and-Go» с различным временем нахождения на пунктах.
Применение АБС в дальнейшем позволит существенно снизить материальные и трудовые затраты. Данные исследования будут продолжены с целью дальнейшего подтверждения указанного вывода более полными и детальными данными.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Антонович К. М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии [Текст]: монография в 2 т. Т. 2 / К. М. Антонович. - М.: Картгеоцентр, 2005. - 334 с.
2. Виноградов, А.В. Оценка точности метода Precise Point Positioning и возможности его применения при кадастровых работах [Текст] / А.В. Виноградов, А.В. Войтенко, А.Ю. Жигулин // Геопрофи. - 2010. - №2. - с. 27 - 30.
3. Войтенко А. В. Разработка методики создания планового геодезического обоснования с примением спутниковой системы GPS при межевании земель [Текст]: автореф. дис. ... канд. тех. наук: 25.00.32 / Войтенко Андрей Владимирович. - Новосибирск, 2008. - 22 с.
4. Государственное бюджетное учреждение "Центр навигационных и геоинформационных технологий Новосибирской области" [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://rtk.nso.ru/
5. Инструкция по топографо-геодезическому и навигационному обеспечению геологоразведочных работ [Текст]. - Новосибирск: СНИИГГиМС, 1997. - 106 с.
6. Карпик А. П., Решетов А. П., Струков А. А. Определение координат пунктов сети базовой станций Новосибирской области // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 1, ч. 1. - С. 9-15.
7. Карпик А. П., Гиенко Е. Г., Косарев Н. С. Анализ источников погрешностей преобразования координат пунктов спутниковых геодезических сетей // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъёмка. - 2014. - № S4. - C. 55-62.
8. Липатников Л. А. О методике точного дифференциального позиционирования (Precise Point Positioning) и перспективах её совершенствования // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр., 10-20 апреля 2012 г., Новосибирск : сб. молодых ученых СГГА. - Новосибирск : СГГА, 2012. - С. 48-53.
9. Непоклонов, В. Б. Определение высот с использованием модели геоида [Текст] / Автоматизированные технологии изысканий и проектирования.- 2007.- № 3(26).- с . 56-60.
10. Пигин А. П. Глобальная модель геоида EGM2008. Предварительный анализ [Текст] / А. П. Пигин, С. В. Березина // Автоматизированные технологии изысканий и проектирования. - 2008. - № 3(31). - С. 63-66.
11. Определение параметров перехода от общеземной к государственной системе координат на территорию Новосибирской области / Я. Райнер, К. Симона, Е. К. Лагутина, Т. И. Горохова // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 2. - С. 195-203.
12. Шевчук С. О. Исследование метода точного точечного позиционирования для геодезического обеспечения геолого-геофизических работ // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 2. - С. 251-258.
13. Шевчук С. О., Косарев Н. С. Применение метода точного точечного позиционирования (PPP) для геодезического обеспечения аэроэлектроразведочных работ // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 2. - С. 239-244.
14. Шендрик Н. К. Исследование точности геодезической сети активных базовых станций Новосибирской области в государственной системе координат и высот [Текст] // Геодезия и картография.- 2014. - № 1. - С. 2-7.
15. Bisnath S. Precise Point Positioning - A Powerful Technique with a Promising Future [Text] / S.Bisnath, Y.Gao - Англ. - GPS World. - 2009. - No. 4. - P. 43-50. - Англ.
16. Eckl, M.C. Accuracy of GPS-derived relative positions as a function of interstantion distance and observing-session duration [Text] / M.C. Eckl, R.A. Snay, T. Soler, M.W. Cline, G.L. Malder // J. of Geodesy. - 2001. - Vol. 75, No. 12. - P. 633 - 640. - Англ.
17. Hofmann-Wellenhof, B. GNSS - Global Navigation Satellite Systems GPS, GLONASS, Galileo and more [Text] / B. Hofmann-Wellenhof, H. Lichtenegger, E. Wasle - Wien, New-York: Springer. - 2008. - 516 p. - Англ.
18. Javad Triumph-1 User Manual [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.javadgnss.ru/ doc/triumph-1/TRIUMPH-1_RUS_User_manual.pdf
© С. О. Шевчук, Ю. М. Зюзин, 2015
