CC BY
76
УДК 629.783:551.24
ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ ВЫСОТ НАВИГАЦИОННЫХ ГНСС-ПРИЕМНИКОВ
Станислав Олегович Шевчук
Сибирский государственный университет путей сообщения, 630049, Россия, г. Новосибирск, ул. Д. Ковальчук, 191, кандидат технических наук, доцент кафедры «Инженерная геодезия», тел. (903)936-78-53, e-mail: staspp@211.ru
Николай Сергеевич Косарев
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры космической и физической геодезии, тел. (913)706-91-95, e-mail: kosarevnsk@yandex.ru
Андрей Хельдурович Мелеск
АО «Сибирский научно-исследовательский институт геологии, геофизики и минерального сырья», 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 67, ведущий инженер, тел. (383)222-45-86, e-mail: melesk-a-x@rambler.ru
Руслан Игоревич Рындин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, студент, тел. (913) 716-61-30, e-mail: rusya.21.12@mail.ru
В статье рассмотрена проблема определения высот ГНСС-приемниками навигационного класса точности, описан эксперимент с различными моделями ГНСС-аппаратуры на эталонном геодезическом пункте, произведен анализ результатов и сделаны выводы.
Ключевые слова: ГНСС, высота, системы высот, ортометрическая высота, геодезическая высота.
INVESTIGATION HEIGHT SYSTEMS OF NAVIGATION GNSS RECEIVERS
Stanislav O. Shevchuk
Siberian Transport University, 191, Dusi Kovalchuk St., Novosibirsk, 630049, Russia, Ph. D., Associate Professor at the Department of Engineering Geodesy, phone: (903)936-78-53, e-mail: staspp@211.ru
Nikolay S. Kosarev
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Ph. D., Associate Professor at the Department of Space and Physical Geodesy, phone: (913)706-91-95, e-mail: kosarevnsk@yandex.ru
Andrey Kh. Melesk
Siberian Research Institute of Geology, Geophysics and Mineral Resources, 67, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Leading Engineer, phone: (383)222-45-86, e-mail: melesk-a-x@rambler.ru
Ruslan I. Ryndin
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Student, phone: (913)716-61-30, e-mail: rusya.21.12@mail.ru
The article considers the problem of determining the altitudes of GNSS receivers of navigation accuracy class. The experiment with various models of GNSS equipment at a reference geodetic point is described. The results are analyzed and conclusions are drawn.
Key words: GNSS, height, height systems, orthometrical height, geodetic height.
Знание высот точек физической поверхности Земли необходимо для решения целого комплекса фундаментальных и практических задач геодезии:
- изучения отступления физической поверхности Земли от поверхности референц-эллипсоида;
- редуцирования измерений на координатную поверхность (эллипсоид);
- изображения рельефа на различных топографических картах способом горизонталей или с помощью цифровой модели местности;
- изыскания, проектирования и эксплуатации сложных инженерно-технических сооружений;
- изучения вертикальных движений земной коры и т. д. [1].
При этом основная сложность при определении высот точек физической поверхности Земли возникает из-за того, что определение высот непосредственно связано со знанием гравитационного поля Земли [2-4]
где На - высота точки А;
Жо - значение потенциала в точке О;
Ж а - значение потенциала в точке А;
gА - конкретное ускорение силы тяжести в точке А.
В зависимости от того, какое ускорение силы тяжести будет стоять в знаменателе, в высшей геодезии выделяют четыре типа высот: нормальная, орто-метрическая, геодезическая и динамическая [1, 5]. Первые три типа высот активно используются в ГНСС-технологиях.
При выполнении геолого-геофизических работ точность определения плановых координат и высот зависит от масштаба создаваемой отсчётной карты, и зачастую эта точность составляет несколько метров [6-8]. При таких требованиях к точности выполнения работ разницы между ортометрической высотой, отсчитываемой от поверхности геоида, и нормальной, отсчитываемой от поверхности квазигеоида, не возникает. Тогда нормальная высота точки физической поверхности совпадает с ортометрической высотой и может быть вычислена с помощью формулы
(1)
H1 = НГ +£,
где H1 - нормальная высота точки физической поверхности;
г
H - геодезическая высота точки физической поверхности, отсчитываемая по нормали от точки до поверхности принятого эллипсоида;
£ - превышение эллипсоида над квазигеоидом (аномалия высоты), которое учитывается, как правило, с помощью модели глобального геоида EGM2008, имеющей ошибку определения аномалии высоты на уровне ±20 см [9-11].
В практике выполнения геолого-геофизических работ высоты точек физической поверхности определяются навигационными ГНСС-приёмниками, которые определяют пространственные координаты в общеземной координатной системе отсчета WGS-84 абсолютным методом. Точность абсолютного метода определения плановых координат составляет около 5 метров с доверительной вероятностью 95%, при этом ошибка определения высоты в 1,5-2 раза грубее, чем плана [12, 13].
Выбор такой аппаратуры для выполнения геолого-геофизических работ обосновывается их дешевизной и простотой в применении, а также формальным соблюдением требований, определяемых инструкцией [6] к точности геодезического обеспечения.
В навигационных ГНСС-приёмниках для характеристики высоты применяется единый термин «Высота», вследствие чего может возникать путаница в определении значений высот, выдаваемой такой аппаратурой.
Так, например, в навигаторах фирмы Garmin не конкретизируется не только тип высот, но и способ, которым они получаются (а в таких приёмниках могут использоваться барометрические альтиметры, акселерометры и другие средства, позволяющие вносить коррективы в данную величину). Не конкретизирует эту величину и программное обеспечение Garmin MapSource/BaseCamp, служащее для приёма и анализа результатов измерений с приёмников указанной фирмы.
При работе с навигационными трекерами и смарт-антеннами, выдающими измерения в виде стандартного протокола NMEA0183, выводятся высоты «над средним уровнем моря» («above mean sea level») [14], однако при этом не конкретизируется принятая система высот и какой средний уровень моря был взят для отсчёта.
В океанологии выделяют следующие характеристики уровней: средний суточный уровень, средний месячный уровень, средний годовой уровень, средний многолетний уровень (СМУ) [15, 16]. Средний многолетний уровень ассоциируют с поверхностью геоида в районе уровенного поста. Сведения о СМУ приводятся в «Таблице приливов», в этой таблице положение уровня СМУ даётся над нулём глубин. В разных странах существует свой нуль глубин [17], поэтому при работе с навигационными ГНСС-приёмниками возникает ряд сложностей, связанных с тем, что пользователь навигационной ГНСС-аппаратуры зачастую не имеет информации о том, какой тип высоты он получает и в какой системе высот он при этом работает. В результате, это приводит к тому, что можно получить грубые значения высот, намного превосходящие допуски по ошибкам определения высот точек физической поверхности, приводимые инструкцией [6] при выполнении конкретного вида геолого-геофизических работ.
Целью данной статьи является исследование систем высот в навигационной ГНСС-аппаратуре при её использовании в геолого-геофизических работах.
Исследования навигационной ГНСС-аппаратуры выполнялись на п. «Потанинский» в феврале 2018 года в режиме накоплений. Сеанс измерений составлял 1 час.
Для исследования были выбраны персональные навигаторы («наладонни-ки») фирмы Оагшт различного года выпуска, а также две смарт-антенны китайского производства, технические характеристики которых приведены в табл. 1 [18-20].
Таблица 1
Исследуемая навигационная ГНСС-аппаратура
Наименование характеристики Приёмники
GPSMap 76 CSx GPSMap 60 CSx GPSMap 64St Etrex 30 BT-800 BU 353 Glonass
Тип Персональный навигатор Смарт-антенна
Производитель Garmin Ltd. (США) Buestues (КНР) GlobalSat (Тайвань)
Год выпуска 2006 2006 2014 2011 нет данных 2015
ST Micro- MediaTek MTK MT-3333
Чипсет SiRF Star III SiRF Star III нет данных electronics STA 8088 UBlox M8030
Tesseo II
Год выпуска чипсета 2004 2004 нет данных 2010 2014 2015
Принимаемые ГНСС GPS GPS GPS, ГЛОНАСС GPS, ГЛОНАСС GPS, ГЛОНАСС GPS, ГЛОНАСС
Количество каналов 12 12 24 24 72 99
Барометр (альтиметр) есть нет
Магнитный компас двухосный трёхосный нет
В технических характеристиках всех исследуемых навигационных ГНСС-приёмников точность позиционирования в плане была заявлена в среднем не грубее 3-5 м, в то время как точность определения высоты не приводилась.
Для сравнения, выполнялись относительные измерения одночастотной геодезической ГЛОНАСС/GPS аппаратурой Sokkia GSR1700 CSX от станции NSKW сети АБС НСО [21, 22], где установлен двухчастотный ГЛОНАСС/GPS приёмник Leica GRX 1200 Pro.
В настройках всех навигационных приёмников была установлена система координат WGS-84 и установлена запись измерений (трека) с периодичностью 1 секунда. Измерения смарт-антенн велись на планшетный ПК и фиксировались программой RouteNav [23-26].
Для всех приёмников обеспечивался «теплый» старт (то есть, известное приблизительное местоположение и свежий спутниковый альманах) [12,13].
Местоположение пунктов и условия приёма обеспечивали величину VDOP для измерений как GPS, так и совместно ГЛОНАСС и GPS менее 2,0 на протяжении всего сеанса измерений.
Размещение исследуемой аппаратуры на пункте показано на рис. 1.
Рис. 1. Размещение навигационных приёмников на п. «Потанинский» (слева), и геодезического приёмника SOKKIA GSR1700 CSX (справа)
Обработка измерений геодезической аппаратурой позволила определить эталонную высоту пункта в Балтийской системе высот (БСВ-77). С учётом превышения антенны над площадкой, на которой размещались приёмники, она составила 175,6 м. Высота над эллипсоидом WGS-84 для пункта составила 139,4 м.
На рисунке 2 приведены графики высот, полученных навигационной аппаратурой в течение часа измерений отдельно для «наладонников» и смарт-антенн. Эталонная высота показана пунктиром.
Из рисунка 2 видна закономерность понижения разброса (дисторсии) измерений у новых двухсистемных (ГЛОНАСС и GPS) моделей наладонников по сравнению с более ранними, принимающими только GPS. Кроме того, можно констатировать, что различным приёмникам необходимо разное время измерений для получения более стабильного решения по высоте.
Приёмник GlobalSat BU 353 Glonass не обновлял значений координат и высот, пока находился в неподвижном состоянии. В процессе эксперимента его положение несколько раз было изменено на 2-3 метра, после чего приёмник возвращался обратно (с 9:32 по 9:38). Такие манипуляции заставляли приёмник обновлять координаты и высоту, однако, как только приёмник становился неподвижным, изменения прекращались.
200
190
5
го ш
F
о ■ ■ i
о .л 170
Ш
160
150
-----;....._ —--------------:----- - ----------I—* • 1
> г.ivnv.w/.'LT-CTWrrvrftttfVrí^-. 175 6
08:40:00.000 08:50:00.000 09:00:00.000 09:10:00.000 09:20:00.000 09:30:00.000
Время UTC
-GPSMap 76CSx -GPSMAP 64 St
— GPSMAP 60 —ETrex 30 (калиброванный
175,6
09:20:00.000 09:30:00.000 09:40:00.000 09:50:00.000 10:00:00,000 10:10:00,000
Время UTC
•BT800
-GlobalSat BU 353 GLONASS |
Рис. 2. Результаты измерения высоты навигационными спутниковыми приёмниками на п. «Потанинский»
Это может объясняться наличием дополнительных датчиков в устройстве приёмника, служащих для более точного восстановления траектории движения, однако затрудняющих выполнение статических измерений.
По этой причине, результаты оценки точности для данного приёмника не могут считаться корректными, и в таблицах приводятся в скобках.
В табл. 2 приведены значения средних высот, полученные различными приёмниками с исключением первых 5 минут измерений, когда имели место грубые погрешности измерений.
Очевидно, что высоты выводятся над средним уровнем моря (mean sea level), в системе высот, близкой (в масштабах 5-6 м) к БСВ-77. Это означает, например, что при дальнейшем пересчёте координат и высот, например в СК-42 или СК-95, необходимо учитывать их тип (в различных программах пересчёта, таких как Photomod GeoCalc, как правило, по умолчанию подразумевается геодезическая высота).
Погрешности, полученные в результате эксперимента, приведены в табл. 3.
Таблица 2
Средние высоты п. «Потанинский» в метрах, полученные навигационными ГНСС-приёмниками
Период измерений Приёмники
ОРБМар 76 СБх ОРБМар 60 СБх ОРБМар 64Б1 Б1хех 30 ВТ-800 ви 353 ИопаББ
Весь сеанс (60 мин.) 170,8 170,9 175,9 177,7 176,8 (171,7)
Сеанс без учета первых 5 мин. 170,0 172,1 175,7 177,1 176,7 (171,5)
Таблица 3
Погрешности определения высоты п. «Потанинский» навигационными ГНСС-приёмниками
Приёмник Погрешности (относительно средней высоты), м Погрешности (относительно эталонной высоты), м
Средняя Предельная СКП Средняя Предельная СКП
Персональные навигаторы («наладонники»)
ОРБМар 76 СБх 0,8 -14,6 4,4 -5,6 -19,6 7,1
ОРБМар 60 СБх -0,1 -14,1 5,6 3,2 18,5 6,5
ОРБМар 64Б1 -0,2 -8,6 3,6 0,0 8,5 3,8
Б1хех 30 0,1 -4,1 2,3 -1,8 -5,5 2,9
Смарт-антенны
ВТ800 0,0 -4,7 1,5 -3,8 -9 1,9
ВИ 353 ИопаББ (0,2) (9,0) (3,9) (1,2) (5,5) (5,5)
СКП приводятся для сеанса без первых 5 минут наблюдений, когда для приёмников ОРБМар 60, ОРБМар 76 СБх и БТгех 30 наблюдались грубые выбросы в измерениях высоты.
В табл. 3 приведены погрешности относительно средней высоты (СКП оценивалась по формуле Бесселя) и относительно высоты, определённой геодезическим спутниковым приёмником и принятой за эталонную (СКП оценивалась по формуле Гаусса). Такие оценки позволяют сделать вывод как относительно погрешностей получения высот исследуемой аппаратурой, так и о соответствии используемой системы высот БСВ-77.
Результаты оценки СКП и погрешностей для приёмника 01оЬа1Ба1;, в силу его неприспособленности под работу в режиме статики, являются условными. Для более корректной оценки точности в дальнейшем будут проведены дополнительные кинематические испытания.
Кроме того, важно учитывать, что исследуемый пункт находился в условиях отрытого радиогоризонта. Дальнейшие исследования будут выполнены в ус-
ловиях залесённости и городских каньонов. Такие условия зачастую имеют место при навигационном обеспечении геолого-геофизических работ.
В целом, на данном этапе исследований могут быть сделаны следующие выводы:
- приёмники Garmin выдают высоты над средним уровнем моря (mean sea level);
- по результатам испытаний для конкретного участка работ, системы высот навигаторов и БСВ-77 могут быть приняты одинаковыми в масштабе точности исследуемой аппаратуры;
- СКП определения высоты для персональных навигаторов в условиях открытого радиогоризонта находится в пределах 7 м для моделей на чипе SiRF Star III, и в пределах 4 м для более современных моделей;
- при обеспечении «тёплого» старта, необходимо выполнять позиционирование не менее 5 минут для исключения грубых погрешностей по высоте;
- не все навигационные приёмники подходят для определения координат статичных пунктов (например, GlobalSat BU 434 Glonass не менял координаты при статических наблюдениях).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Телеганов Н. А., Елагин А. В. Высшая геодезия и основы координатно-временных систем [Текст] : учеб. пособие рекомендовано УМО. - Новосибирск : СГГА, 2004. - 238 с.
2. Еремеев В. A., Юркина М. И. Теория высот в гравитационном поле Земли. - М. : Недра, 1971. - 144 с.
3. Определение разности потенциалов силы тяжести и высот в геодезии посредством гравиметрических и спутниковых измерений / В. Ф. Канушин, А. П. Карпик, Д. Н. Голдобин и др. // Вестник СГУГиТ. - 2015. - Вып. 3 (31). - С. 45-52.
4. Chronometrie measurement of orthometric height differences by means of atomic clocks / S. M. Kopeikin, V. F. Kanushin, A. P. Karpik et al. // Gravitation and Cosmology. - 2016. -Vol. 22, No. 3. - P. 234-244.
5. Мазуров Б. Т. Высшая геодезия : учебник. - Новосибирск : СГУГиТ, 2016. - 202 с.
6. Инструкция по топографо-геодезическому и навигационному обеспечению геологоразведочных работ. - Новосибирск : СНИИГГиМС, 1997. - 106 с.
7. Глаголев В. А. Спутниковое навигационно-геодезическое обеспечение геолого-геофизических исследований. - СПб. : ВИРГ-Рудгеофизика, 2000. - 116 с.
8. GPS-технология геодезического обеспечения геологоразведочных работ : метод. рекомендации / А. Г. Прихода, А. П. Лапко, Г. И. Мальцев, И. А. Бунцев. - Новосибирск : СНИИГГиМС, 2008. - 274 с.
9. Pavlis N. K., Holmes S. A., Kenyon S. C., Factor J. K. An Earth Gravitational Model to Degree 2160: EGM2008 / EGU General Assembly 2008. - Vienna, Austria, April 13-18, 2008.
10. Непоклонов В. Б. Об использовании новых моделей гравитационного поля Земли в автоматизированных технологиях изысканий и проектирования // Автоматизированные технологии изысканий и проектирования. - 2009. - № 3 (34). - С. 28-35.
11. 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.
12. Антонович К. М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии : монография. В 2 т. Т. 2. - М. : Картгеоцентр, 2006. - 360 с.
13. GPS-технология геодезического обеспечения геологоразведочных работ : метод. рекомендации / А. Г. Прихода, А. П. Лапко, Г. И. Мальцев, И. А. Бунцев / Науч. ред. А. Г. Прихода. - Новосибирск : СНИИГГиМС, 2008. - 274 с.
14. NMEA Data / GNSS Information [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.gpsinformation.org/dale/nmea.htm - Англ.
15. Безруков Ю. Ф. Океанология. Ч. II. Динамические явления и процессы в океане. -Симферополь : Таврический национальный университет им. В. И. Вернадского, 2006. - 123 с.
16. Смирнов Г. Н. Океанология : учеб. для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Высш. шк., 1987. - 407 с.
17. Комаровский Ю.А. Использование различных референц-эллипсоидов в судовождении : учеб. пособие. Изд. второе, перераб. и дополн. - Владивосток : Мор. гос. ун-т, 2005. -341 с.
18. Hiking and Handhelds / Garmin [Electronic resource]. - Режим доступа: https://buy.garmin.com/en-US/US/c12521-p1.html - Англ.
19. List of Garmin products / Wikipedia - Free encyclopedia [Электронный ресурс]. -Режим доступа : https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_Garmin_products - Англ.
20. BU 353G User Manual Russian/ GlobalSat Inc [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_Garmin_products.
21. Государственное бюджетное учреждение «Центр навигационных и геоинформационных технологий Новосибирской области» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://rtk.nso.ru/.
22. Карпик А. П., Решетов А. П., Струков А. А. Определение координат пунктов сети базовой станций Новосибирской области // ГЕ0-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.
23. Trigubovich G. M. Complex Technology of Navigation and Geodetic Support of Airborne Electromagnetic Surveys / G. M. Trigubovich, S. O. Shevchuk, N. S. Kosarev, and V. N. Nikitin // Gyroscopy and Navigation, 2017, Vol. 8, No. 3, pp. 226-234. - Англ.
24. Шевчук С. О., Барсуков С. В. Навигационное сопровождение аэрогеофизических исследований с использованием программы RouteNav // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2017. XIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 17-21 апреля 2017 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2017. Т. 2. - С. 130-137.
25. Шевчук С. О. Программа для навигационного обеспечения аэрогеофизических работ RouteNav // Вестник СГУГиТ. - 2017. - № 4 (22). - С. 113-125.
26. Шевчук С. О., Косарев Н. С. Ганагина И. Г. Применение программы-симулятора в преподавании геодезических и фотограмметрических дисциплин // АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ОБРАЗОВАНИЯ. Инновационные подходы в образовании. Междунар. науч.-метод. конф. : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 23-27 января 2017 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2017. Т. 1. - С. 56-63.
© С. О. Шевчук, Н. С. Косарев, А. Х. Мелеск, Р. И. Рындин, 2018
