CC BY
64
УДК 629.783:551.24
ИССЛЕДОВАНИЕ КОММЕРЧЕСКИХ ПРОГРАММ ПОСТОБРАБОТКИ ИЗМЕРЕНИЙ ГНСС В РЕЖИМЕ КИНЕМАТИКИ ДЛЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АЭРОГЕОФИЗИЧЕСКИХ РАБОТ. ПЕРВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Станислав Олегович Шевчук
АО «Сибирский научно-исследовательский институт геологии, геофизики и минерального сырья», 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 67, кандидат технических наук, зав. лабораторией геодезического обеспечения геолого-геофизических работ, тел. (383)222-45-86, e-mail: staspp@211.ru
Николай Сергеевич Косарев
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, младший научный сотрудник, тел. (913)706-91-95, e-mail: kosarevnsk@yandex.ru
В статье приведен сравнительный анализ различного коммерческого программного обеспечения для постобработки ГНСС-измерений в режиме кинематики относительным методом на примере измерений, проведенных при выполнении аэроэлектромагнитных геофизических работ.
Ключевые слова: ГНСС, кинематика, постобработка, аэрогеофизика.
COMPARING RESULTS OF GNSS KINEMATIC POSTPROCESSING BY COMMERCIAL PROGRAM PRODUCTS FOR GEODETIC SUPPORT OF AERIAL GEOPHYSICAL WORKS. THE FIRST CONCLUSIONS
Stanislav O. Shevchuk
Siberian Research Institute of Geology, Geophysics and Mineral Raw Materials, 630091, Russia, Novosibirsk, 67 Krasniy Prospekt, Ph. D., head of the geodetic support of geophysical works laboratory, tel. (383)222-45-86, e-mail: staspp@211.ru
Nikolay S. Kosarev
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., junior research, tel. (913)706-9195, e-mail: kosarevnsk@yandex.ru
In the article the comparing of different program products for GNSS Post Processing in differential kinematic mode is given. The data for the test that's used in the article were taken from aerial geophysical works.
Key words: GNSS, kinematic, postprocessing, aerial geophysics.
Геодезическое обеспечение геолого-геофизических работ, в частности аэрогеофизических исследований, зачастую включает в себя задачу определения координат и высот точек движущихся систем с заданной точностью. В настоящее время глобальные геодезические спутниковые системы (ГНСС) являются наиболее эффективным инструментом для решения поставленной задачи.
В настоящее время, на рынке аппаратуры пользовательского сегмента ГНСС имеет место большое разнообразие как приемной аппаратуры, так и про-
граммного обеспечения (ПО) для обработки её измерений. Конкуренция на данном рынке привела к тому, что алгоритмы, заложенные в ПО различных производителей оказались закрыты от конечного пользователя.
С появлением в современном ПО поддержки универсальных форматов данных измерений ГНСС (типа RINEX), в нем стала возможна обработка измерений приемников, изготовленных различными конкурирующими фирмами, а пользователь получил возможность выбора ПО вне зависимости от аппаратуры ГНСС, имеющейся у него в наличии.
В данной статье кратко изложены первые результаты сравнения различного ПО на примере обработки кинематических измерений, выполнявшихся при геодезическом обеспечении аэрогеофизических работ с использованием аэроэлектромагнитного комплекса «Импульс-Аэро», подробно описанного в [1-3].
Задача геодезического обеспечения работ с использованием данной системы включает в себя определение пространственных координат и высот её отдельных элементов (вертолета, магнитометра и платформы), а также их превышений над земной поверхностью [4-9]. Для корректной обработки геофизических измерений, определение координат и высот вертолёта и платформы должно обеспечиваться с погрешностями (СКП) не грубее 1 м.
В качестве примера для сравнения использованы измерения приемника, устанавливавшегося на выносной платформе, положение антенны которого обеспечивало наилучший приём спутниковых сигналов, углы крена и тангажа не превышали 10-15°, а путевая скорость выдерживалась на уровне 100-140 км/ч.
Работы выполнялись в Курагинском районе Красноярского края летом 2013 г, съёмка выполнялась с обтеканием рельефа в предгорной пересеченной местности. Измерения выполнялись двухчастотной фазовой ГЛОНАСС/GPS аппаратурой Javad SigmaQ-G3T (мобильный приемник) и Javad Triumph-1 (базовая станция).
Обработка выполнялась в четырех программах различного времени выпуска от различных производителей. Характеристики приведены в табл. 1 [10-14]. При обработке в соответствии с требованиями закона [15] обязательно использовались сигналы ГЛОНАСС.
Для наиболее объективных условий сравнения ПО, по возможности устанавливались идентичными: маска угла горизонта 10°, режим кинематики для мобильного приёмника. Исходные данные подгружались из формата RINEX 2.11; тропосферные модели задавались по умолчанию.
Результаты обработки с оценкой внутренней точности по величинам, выдаваемым исследуемыми программами (и не вызывающим доверия в силу закрытости алгоритмов их вычисления) и статистика типов решений фазовой многозначности обрабатываемых моментов измерений (эпох) приведены в табл. 2.
Координаты и высоты для соответственных эпох (моментов измерений, совпадающих по времени UTC) сравнивались между собой. СКП взаимных отклонений решений, полученных различным ПО приведены в табл. 3.
Таблица 1
Исследуемое ПО и его характеристики
Наименования характеристик Программное обеспечение
Topcon Tools 8.2 Waypoint GrafNav 8.3 Magnet Office Tools Justin
Разработчик Topcon Position Systems, Inc NovAtel, 1пс Topcon Position Systems, Inc Javad GNSS
Версия 8.2.3 8.3 2.5 2.121
Год выхода версии 2006 2010 2013 2015
Обработка L1/L2 + + + +
Обработка кинематики + + + +
Поддержка ГЛОНАСС + + + +
Ограничение величины базовой линии (для двух-частотных измерений), км Фикс. решение не указано 30 30 30
Предельная величина не указано не указано 1500 1000
Ограничение по частоте измерений не указано не указано не указано до 100 Гц
Возможность сетевого решения + + + +
Таблица 2
Анализ каталогов полученных координат и оценок их точности
Наименования характеристик Программное обеспечение
Topcon Tools GrafNav Magnet OT Justin
Время обработки полета, мин > 180 10 > 60 15
Общее количество обработанных эпох (на промежутке времени полета) 68 500 (100 %) 68 500 (100 %) 68 500 (100 %) 68 500 (100 %)
Качество разрешения многозначности, % Фиксированные 54,9 99,91 65,5 100,0
Плавающие 45,1 0,09 34,46 -
Кодовые 0,01 - 0,04 -
Средняя погрешность (СКП или StDev) в плане, м 0,05 0,02 0,04 0,02
Средняя погрешность (СКП или StDev) по высоте, м 0,05 0,04 0,06 0,02
Таблица 3
Результаты сравнения координат соответственных точек кинематических траекторий, полученных обработкой в различном ПО
ПО Topcon Tools GrafNav Magnet Tools Justin
mxY, м mH, м mXY, м mH, м mXY, м mH, м mXY, м mH, м
Topcon Tools 0,02 0,09 0,02 0,09 0,03 0,03
GrafNav 0,02 0,09 0,03 0,05 0,02 0,09
Magnet OT 0,02 0,09 0,03 0,05 0,03 0,11
Justin 0,03 0,03 0,02 0,09 0,03 0,11
В рамках кинематических траекторий взаимные отклонения (и в плане, и по высоте) почти всегда имели систематический характер, рис. 1.
Высоты точек траекторий, обработанных ралппчным ПО
Фрагмент траекторий, обработанных различным ПО
Рис. 1. Фрагменты плановых схем и высотных профилей траекторий, обработанных различным ПО (пунсонами отмечены эпохи)
Величины данных отклонений находились в пределах 0,05 м в плане и 0,15 м по высоте для 97-99 % эпох, что наглядно представлено на гистограммах распределения отклонений, показанных на рис. 2 и 3. Особенно явно на гистограммах прослеживается систематическая составляющая в разностях высот. На рис. 4 приведены фрагменты графиков разностей плановых координат и высот, наглядно демонстрирующие случайную составляющую в данных разностях.
TopccmTools
■ MagnelOT
I GrafNav Justin
I Topcon Tools Justin
GrafNav
MagnetOT
Magnet ОТ
GrafNav
I TopconTools Justin
I Topcon Tools I Magnc-tOT
Justin
GraFNav
<0.01 0.01- 0.025- >0.05 <0.01 0.01- 0.025- >0.05 <0.01 0.01- 0.025- >0.05 <0.01 0.01- 0.025- >0.05 0.025 0.05 0.025 0.05 0.025 0.05 0.025 0.05
Интервалы разностей, м
Рис. 2. Статистическое распределение величин разностей в плановых координатах точек траектории, обработанной в различном ПО
Таким образом, можно констатировать факт, что решения, полученные различными коммерческими программными продуктами для одного и того же
сеанса кинематических измерений могут отличаться между собой - на уровне сантиметров в плане и около дециметра по высоте.
TopconTools GrafNav Magnet ОТ Justin
■ GrafNav ■ MagnetOT "Topcon Tools ■ MagnetOT ■TopconTools BGrafNav BTopconTools BGrafNav Justin I Justin I Justin ■ MagnetOT
1 . I ■
1 1 1 1
1 1 ■ 1 1 I ■
1 1 1 1 1
- 1 1 1 I , ■
Г ■ 1 ■
- и 1 1 1 il ■ in
■ ■1 ■ ■■■ _ л
<0.02 0.02-0.05- 0.1- >0.15 <0.02 0.02- 0.05- 0.1- >0.15 <0.02 0.02- 0.05- 0.1- >0.15 <0.02 0.02- 0.05- 0.1- >0.15 0.05 0.1 0.15 0.05 0.1 0.15 0.05 0.1 0.15 0.05 0.1 0.15
Интервалы разностей, м
Рис. 3. Статистическое распределение величин разностей высот точек траектории, обработанной в различном ПО
Вешгшны разностей в плановых координатах точек траектории, обработанной различным ПО (фрагмент)
Точки траектории
Разности высот точек траектории, обработанной различным ПО (фрагмент)
Точки траектории
Topcon-GratNav -■- Topcon-Magnet -ж- Topcon-Justin О Magnet-Justin -*-Magnet-GrafNav ^^Justin-Grafnav |
Рис. 4. Фрагменты графиков разностей плановых координат и высот точек траектории, обработанной в различном ПО
Гистограммы и графики, показанные на рисунках 1-4 и СКП, представленные в таблице 3 позволяют сделать вывод, что для кинематических траекторий,
полученных обработкой в различном ПО, разности в высотах и плановом положении точек могут в значительной мере отличаться между собой и не зависеть друг от друга.
Так, пара Topcon Tools - Magnet Office Tools имеют наименьшие отклонения в плане (СКП 0,02 м), но значительно различаются по высоте (0,09 м).
Наименьшие отклонения в полученных высотах наблюдались между результатами обработки программами Magnet Office Tools - GrafNav и Topcon Tools - Justin, однако, между собой высоты данных пар отличались до 0,1 м и более.
Разности в решениях могут объясняться некоторыми из следующих факторов:
- различные алгоритмы обработки и фильтрации данных, применяемых в исследуемом ПО;
- различный уровень адаптации под применение измерений сигналов ГЛОНАСС;
- отличия в алгоритмах выявления и восстановления потерь счета циклов;
- различные модели тропосферы (например, в Magnet OT и Topcon Tools по умолчанию используется Goad and Goodman, в GrafNav - Saastamoinen, а в Justin - собственная одноименная модель).
В целом по выполненным исследованиям сделаны следующие выводы:
- ПО Topcon Tools слабо адаптировано под большие объемы кинематических данных, типичные для аэрогеофизической разведки, при которой измерения фиксируются с большой частотой в процессе многочасовых полетов. Обработка таких данных невозможна без их искусственного разбиения, и, как следствие, значительной потерей точности;
- в Magnet OT обработка кинематических траекторий может длиться несколько часов и сопровождаться сбоями программы («зависаниями», случаями несанкционированного завершения работы программы, невозможностью получения подробного отчета), однако возможна без дополнительных рискованных операций и с достаточной надежностью;
- всё исследуемое ПО позволило получить решение для каждой точки кинематической траектории, записанной с частотой измерений 5 Гц;
- наибольшую скорость обработки продемонстрировал программный продукт WayPoint GrafNav (менее 10 минут), наилучшее качество решений - Justin и WayPoint GrafNav (100% и 99% фиксированных решений соответственно), что позволяет говорить о высокой эффективности перечисленных программ для решения поставленной задачи;
- решения, полученные различными коммерческими программными продуктами для одного и того же сеанса кинематических измерений могут иметь систематические различия на уровне единиц сантиметров в плане и до полуто-ра-двух дециметров по высоте, причем разности по высоте и в плане могут между собой существенно различаться;
- величины отклонений между решениями различными программами не являются критическими в масштабе требований к точности определения коор-
динат и высот точек кинематической траектории для аэрогеофизической съемки с использованием электромагнитного комплекса «Импульс-Аэро».
Обработанный кинематический сеанс выполнялся в благоприятных условиях приема спутниковых сигналов, что при проведении аэрогеофизических работ выдерживается не всегда, что предполагает продолжение исследований на примере обработки траектории, полученной в иных условиях, не исключающих увеличение углов горизонта (и, как следствие, величины геометрического фактора), менее стабильное угловое положение и наличие срывов фазовых наблюдений.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Kamenetsky, F.M. Transient Geo-Electromagnetics [Text] / F.M. Kamenetsky, E.H. Stettler, G.M. Trigubovich - Англ. - Ludwig-Maximilian-University of Munich. Dept. of the Earth and Environmental Sciences. Section Geophysics. - Munich, 2010. - 296 p.
2. Тригубович, Г.М. Аэрогеофизические вертолетные платформы серии «Импульс» для поисково-оценочных исследований [Текст] / Г.М. Тригубович, М.Г. Персова, С.Д. Са-ленко // Приборы и системы разведочной геофизики - 2006. - № 2(16) - С. 18-21.
3. Барсуков, С.В. Особенности построения высокоточной аэрогеофизической системы серии «Импульс-Аэро» [Текст] / С. В. Барсуков, А. А. Белая, Ю. Ю. Дмитриев, А. С. Сверку-нов, Е. Н. Махнач, Г. М. Тригубович // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Новые направлении и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск : СГГА, 2012. Т. . - С. 199-204.
4. Навигационно-геодезическое обеспечение геолого-геофизических работ с использованием глобальных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS / А. Г. Прихода, А. П. Лапко, С. О. Шевчук, Г. И. Мальцев // ГЕ0-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск : СГГА, 2011. Т. 1, ч. 2. -С.174-180.
5. Шевчук, С.О. Навигационное и геодезическое обеспечение аэроэлектромагнитных исследований с подвесной вертолётной платформой [Текст] // Геология и Минерально-сырьевые ресурсы Сибири - 2012. - № 2, - с. 72-75.
6. Тригубович, Г.М. Навигационно-геодезическое обеспечение аэрогеофизических исследований [Текст] / Г.М. Тригубович, С.О. Шевчук, А.А. Белая и др. // Геология и Минерально-сырьевые ресурсы Сибири - 2013. - № 2, - C. 61-69.
7. Шевчук С. О., Никитин В. Н. Способы определения истинной высоты аэрогеофизической вертолётной электроразведочной платформы // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск : СГГА, 2013. Т. 1. - С. 74-82.
8. Шевчук С. О., Косарев Н. С. Алгоритм определения пространственных углов аэроразведочной платформы по измерениям трехантенного ГНСС-комплекса // Вестник СГГА. -2013. - Вып. 4 (24). - С. 37-47.
9. Косарев Н. С., Шевчук С. О. Проблема срывов фазовых наблюдений в методе точного точечного позиционирования // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. X Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск : СГГА, 2014. Т. 2. -С.128-134.
10. GrafNav/GrafNet User Guide [Electronic Resource] / NovAtel OEM GPS & GNSS Navigation systems. - Режим доступа: http://www.novatel.com/assets/Document/Downloads/ Nav-Net780_Manual.pdf. - Англ.
11. Justin. Руководство по использованию ПО [Электронный ресурс] / Javad GNSS -Режим доступа: http://www.javadgnss.ru/doc/justin/Justin_Software_Manual_RUS.pdf.
12. Magnet Tools. Справочное руководство. Серийный номер 1002090-01.
13. Topcon Tools. Краткое руководство пользователя.
14. Техническое описание Trimble Business Center [Электронный ресурс] / Trimble -Режим доступа: http://trl.trimble.com/docushare/dsweb/Get/Document-342301/022543-256I-RUS_TrimBusCenter_TN_0614_LR.pdf.
15. Российская Федерация. Законы. О навигационной деятельности [Текст]: федер. закон N 22-ФЗ [принят Гос. Думой 30 янв. 2009 г.]. - М., 2009. - 4 с.
© С. О. Шевчук, Н. С. Косарев, 2016
