CC BY
50
УДК 528.422
DOI: 10.33764/2618-981Х-2019-1-1-18-27
КОНТРОЛЬ КООРДИНАТ И ВЫСОТ ПУНКТОВ ГРАВИМЕТРИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ МЕТОДОМ PPP
Станислав Олегович Шевчук
Российский институт радионавигации и времени, 192012, Россия, г. Санкт-Петербург, пр. Обуховской Обороны, 120ЕЦ, кандидат технических наук, руководитель проектного направления, тел. (903)936-78-53, e-mail: [email protected]
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: [email protected]
Юрий Михайлович Зюзин
Сибирский научно-исследовательский институт геологии, геофизики и минерального сырья, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 67, зав. лабораторией полевой геофизики, тел. (383)222-48-55, e-mail: [email protected]
Андрей Хельдурович Мелеск
Сибирский научно-исследовательский институт геологии, геофизики и минерального сырья, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 67, ведущий инженер, тел. (383)22-45-86, e-mail: [email protected]
В статье рассмотрена методика контроля ГНСС-измерений, выполняемых при навига-ционно-геодезическом обеспечении наземных геофизических исследований. Предложенная методика предполагает использование метода Precise Point Positioning и свободного программного обеспечения.
Ключевые слова: геофизика, гравиразведка, геодезическое обеспечение, ГНСС, контроль, Precise Point Positioning, стой-иди.
GRAVIMETRIC SURVEY POINTS POSITIONING SUPERVISING USING PPP
Stanislav O. Shevchuk
Russian Institute of Radionavigation and Time, 120EC, Prospect Obukhovskoy Oborony St., Saint-Petersburg, 192012, Russia, Ph. D., Project Manager, phone: (903)936-78-53, e-mail: [email protected]
Nikolay S. Kosarev
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Ph. D, Associate Professor, Department of Space and Physical Geodesy, phone: (913)706-91-95, e-mail: [email protected]
Yuri M. Zyuzin
Siberian Research Institute of Geology, Geophysics and Mineral Resources, 67, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Head of Laboratory of Field Geophysics, phone: (383)222-48-55, e-mail: [email protected]
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: [email protected]
In article the technique of supervising of GNSS-measurements for navigational and geodedic support of ground geophysical works is considered. The technique contains Precise Point Positioning GNSS post-processing with free software and online-services.
Key words: geophysics, gravimetric survey, geodetic support, GNSS, supervising, Precise Point Positioning, Stop-and-Go.
В настоящее время геодезическое обеспечение геофизических работ, в частности гравиметрических, выполняется с использованием ГНСС-технологий. При этом при применении ГНСС-технологий для геодезического обеспечения геофизических работ необходимо учитывать специфику их выполнения, а именно:
- для определения плановых координат геофизических пунктов наблюдений обычно применяются кодовые ГНСС-приемники, которые обеспечивают невысокую точность определения местоположения [1-4];
- измерения высот требует не только применения аппаратуры геодезического класса (фазовые ГНСС-приемники), но и методов, обеспечивающих высокоточное позиционирование (относительный и дифференциальный методы, метод Precise Point Positioning);
- уметь выполнять переход от измеряемых геодезических высот к орто-метрическим или нормальным высотам. В табл. 1 приведены нормативные требования к точности определения координат и высот пунктов гравиметрических наблюдений.
Таблица 1
Требования к точности определения координат и высот пунктов гравиметрических наблюдений [1]
Масштаб съемки СКП определения положения пунктов геолого-геофизических наблюдений
в плане, м по высоте, м
1 : 500 000 120 (200) 3,0 (5,0)
1 : 200 000 100 (100) 2,5 (3,0)
1 : 100 000 80 (100) 1,2 (1,8)
1 : 50 000 40 (50) 0,35 (0,9)
1 : 25 000 20 (25) 0,25 (0,45)
1 : 10 000 4 (5) 0,1 (0,25)
1 5 000 2 (2) 0,05
Примечание: в скобках приведены требования для горных районов.
При выполнении геодезических измерений на пунктах геофизических наблюдений, в частности, гравиметрических, в соответствие с инструкцией по то-пографо-геодезическому и навигационному обеспечению геологоразведочных работ требует обязательного контроля выполненных измерений [1]. Как правило, такой контроль выполняется путем повторных измерений на тех же пунктах геофизических наблюдений, на которых были проведены измерения (не менее 3-5% от общего количества пунктов) [2]. Другим методом контроля является применение геодезической аппаратуры с точностными характеристиками, выше заявленных при данном виде работ, для выполнения повторных измерений. На основе повторных измерений рассчитывается средняя квадратическая погрешность (СКП) определения координат и высот пунктов геофизических наблюдений, которая затем сравнивается с нормативной. В случае если рассчитанная СКП меньше нормативной, то геодезических измерений на пунктах геофизических наблюдений выполнены качественно, в противном случае нет.
В данной публикации будет рассмотрена возможность контроля плановых координат и высот пунктов геофизических наблюдений (в частности, гравиметрических) с применением метода Precise Point Positioning (PPP). Для апробации предлагаемой методики контроля выступали ГНСС-измерения, выполненные сотрудниками АО «СНИИГиМС» во время проведения гравиметрических работ масштаба 1 : 200 000 на Ирменско-Кирзенской площади в 2014-2016 гг. В рамках указанных работ использовалась технология ГНСС-измерений, подразумевающей относительный метод позиционирования от пунктов сети постоянно-действующих базовых станций Новосибирской области (ПДБС НСО) и собственной базовой станции, размещаемой не далее 50 км от пунктов измерений [5, 6]. При этом, в силу невысоких требований к определению планового положения пунктов наблюдений, приемник крепился на автомобиле, как показано на рис. 1.
Рис. 1. Закрепление антенны ГНСС-приемника на автомобиле при проведении гравиметрической съемки
Измерения проводились методом Stop-and-Go приемниками Leica Viva GS-10 и Javad Triumph-1, высота антенны измерялась во время остановок. Время наблюдений на пунктах геофизических наблюдений не превышало 5-7 минут (что, кроме прочего, было обосновано режимом работы гравиметров). Обработка измерений выполнялась в коммерческом программном обеспечении (ПО) Magnet Office Tools. Учитывая чувствительность режима измерений к срывам фазовых наблюдений и сложные условия приема сигналов (как на самих пунктах, так и при перемещении между ними), при обработке было получено большое количество решений с плавающим разрешением многозначности.
Уже при проведении данных работ рассматривалась возможность применения метода Precise Point Positioning (PPP), позволяющего получать необходимые точности без привязки к ближайшим базовым станциям. Метод PPP подробно описан в работах [7-10].
Очевидно, применение PPP для выполнения геодезического обеспечения (как минимум, для контроля надежности позиционирования) вызывает интерес. Имеющиеся исследования точности метода PPP, приведенные в открытых источниках (например, в [8-12]) относятся к статическому и кинематическому режимам ГНСС-измерений, однако отсутствует какая-либо информация о точности данного метода в режиме Stop-And-Go. Одной из причин отсутствия информации является отсутствие поддержки данного режима в большинстве программ и Web-сервисов, поддерживающих постобработку методом PPP. Например, в ПО GrafNav получение координат точек «стопов» соответствует началу «события» остановки [13].
Несмотря на данный факт, еще при выполнении исследований [5], метод был применен для дополнительного контроля определения плановых координат и высот пунктов геофизических наблюдений. Обработка ГНСС-измерений методом PPP выполнялась в ПО NovAtel GrafNav с подключением модели геоида EGM-2008, что позволяло оценить надежность полученных решений (особенно, в случае плавающего разрешения многозначности относительным методом), и принять решение о необходимости повторных измерений и/или принятии полученного результата.
Разности между координатами и высотами, полученными разными относительным методом от ближайшей базовой станции (менее 20 км) и методом PPP приведены в табл. 2 и на рис. 2 [5]. В таблице приведены сводные данные с использованием более 200 пунктов.
Таблица 2
Значения разностей плановых координат и высот, полученных относительным методом и методом РРР [6]
Максимальное Среднее СКП
Характеристика отклонение |д| max отклонение Дср m
в плане по высоте в плане по высоте в плане по высоте
Значение, м 1,09 1,40 0,31 -0,19 0,34 0,24
ДХ о ДУ --ДИ
0
1
Рис. 2. Разности координат и высот, полученных относительным методом и методом РРР (ОгаШау), в метрах [6]
В табл. 2 приведены разности планового положения в двух вариантах, так как используемые параметры пересчета к МСК-54/СК-95 (в которой были даны координаты пунктов ПДБС НСО) из ГОСТ [14] приводили к появлению систематической погрешности пересчета в плановых координатах. Использование локальных параметров пересчета практически полностью устранят данную систематическую составляющую погрешности на ограниченной площади измерений.
Методика, описанная выше, сопряжена с использованием дорогостоящего ПО ОгаШау, что в контексте ее использования для контроля измерений может быть неэффективно. Кроме того, использовавшаяся версия 8.2 на данный момент не поддерживает обновленные форматы поправок (апостериорных орбит и часов спутников), используемых для реализации метода после июня 2017 г.
Так как метод положительно зарекомендовал себя и, очевидно, имеет перспективы развития, для его реализации потребовалось найти альтернативный путь.
В качестве решения может было предложено применение технологической цепочки на основе использования свободного ПО, поддерживающего обработку методом РРР. Данная методика предложена в рамках данной публикации.
В силу поддержки в открытом ПО ЯТКЫЬ [15] модели геоида ЕОМ2008, а также с учетом сравнительных исследований, приведенных в [11, 12] было решено использовать данное программное обеспечение вместо ОгаШау.
Интерфейс ЯТКЫЬ, включая карту-схему обработки одного дня измерений показан на рис. 3.
Серьезным ограничением свободного ПО и Web-сервисов постобработки ГНСС-измерений методом РРР является отсутствие режима измерений Б1;ор-Лдё-Оо в подавляющем большинстве случаев, в том числе, и в ЯТКЫЬ [15, 16].
Данная проблема может быть решена осреднением и фильтрацией кинематической траектории. Для выделения остановок из обработанной кинематической траектории может использоваться бесплатная утилита Яо^еЕёйог (рис. 4).
Рис. 3. Интерфейс RTKLib (модули RTKPOST, RTKGET и RTKPLOT)
Карта Дм гпЬД
| Основные Разбить участск на маршруты Редак-ировать чарируты Трем Еоод1еМарз шг^е^'Иарз
Щ % ^ щ А ^ ^ *
444 ®
443 в 44Е-® 445 V ® 4 А1-© 441 @ 4зе- 442 а1грог1 «
437440: 433 ® 438 Щ сатр2 С*1
1П й
| N 53е 43' 37,49с4г] Е 73 = 08' 07,44!б1 84 (Широта'Допгота , Л. К Л А ш Ш ® |
Операции с маршрутами
Огсраици:
Выделить пункты остановок
| По вреиек-1 По количеству эпох по файлу ЯЛЧЕХ
Критерий по расстоянию, н:
1.0
Минимальное время остановки, с
Удалить остальные
5 ш маркеры
Применить к участру траектории
0т: 01.09.2015 НИ 01.09.2015
2:23:17 11:52:01 ^
Применить Отмена
Операции с маршрутами
И
Выделить пуштты остановок
По времени По коли'-еству «пои: по файл? ИЫЕЯ
С; ,и5ег5\12Э регкЬоо'^азрабо г Мои грограг Ч |
ШЧЕХ 2. 11//[01.09.20:5 223:14] - [01.И. 2) 15 12:52:01] Мд-ксг5;1:
□ зычесть высоту антенн=.| . Удалить остальные
Отбраковка грубый эпок
Применить к участру траектории
0,1 они.2015 ;
Д°: 01.05.2015
12:51:18
Рис. 4. Утилита RouteEditor с функцией выделения пунктов остановок
Остановки («стопы») могут определяться как по критериям времени и разброса координат, так и считываться из файла ЯШЕХ. Данный режим можно назвать «псевдо^1;ор-апё-Оо».
При осреднении может использоваться фильтрация методом 3о в одну или несколько итераций (рис. 5).
Рис. 5. Эпохи, участвующие в осреднении без фильтрации и с применением фильтра 3о в 3 итерации
В дальнейшем полученные координаты пунктов могут быть переведены в произвольную СК в любом бесплатном геокалькуляторе, например, в ОеоСа1с. На момент публикации данная утилита поддерживала пересчет из WGS-84 в СК-42, СК-95, ПЗ-90, проекции Гаусса-Крюгера и поперечная Мер-катора, местные системы координат субъектов РФ и возможность добавления пользовательских СК.
Утилиты Яо^еЕёйог и ОеоСа1с входят в пакет программ Яо^еКау [17-19], полная версия которого является коммерческой и распространяется разработчиком ЗАО «Аэрогеофизическая разведка» [19]. Отдельно от основной программы, Яо^еЕёйог и ОеоСа1с распространяются бесплатно.
Таким образом, обработка выполнялась в три этапа:
1) постобработка ГНСС-измерений в ЯТКЫЬ:
- конвертация измерений в ЯШЕХ 2.x;
- загрузка с помощью модуля ЯТКОЕТ файлов орбит и поправок к спутниковым часам с серверов международной ГНСС-службы (IGS);
- в случае отсутствия - загрузка модели геоида Е0М08 с сайта национального геодезического агентства США (КОЛ) и базы данных калибровки ГНСС-антенн с сайта национального управления океанических и атмосферных исследований (КоЛЛ);
- настройка RTKLib и запуск обработки;
2) осреднение «стопов» в RouteEditor:
- импорт результатов обработки (файл *.pos);
- выделение «стопов» по меткам событий из измерений в формате RINEX;
3) пересчет координат в заданную СК с помощью геокалькулятора (при необходимости, с предварительной локализацией).
Полный цикл обработки одного дня измерений не превышает 25 минут, что примерно соответствует продолжительности обработки одного дня измерений относительным методом (около 20 минут).
В табл. 3 приведено сравнение координат и высот, полученных GrafNav и посредством связки RTKLib + RouteEditor. Сравнение выполнено для 50 пунктов, измеренных за 3 дня наблюдений. В эксперименте использовалась версия RTKLib 2.4.2.
Таблица 3
Сравнение координат и высот, полученных относительным методом и РРР в ПО GrafNav и по предложенной методике
Характеристика Максимальное отклонение |д| шах, м Среднее отклонение, Дср м СКП ш, м
в плане по высоте в плане по высоте в плане по высоте
Сравнение с относительным методом 1,50 2,57 0,04 0,18 0,50 1,05
Сравнение с РРР (GrafNav) 1,23 1,60 0,09 -0,13 0,66 0,81
На рис. 6 показаны отклонения координат и высот пунктов геофизических измерений, полученных предложенным методом в сравнении с относительным методом и PPP GrafNav.
Исходя из полученных результатов, предложенный метод в настоящее время может использоваться для дополнительного контроля определения местоположения пунктов гравиметрических исследований для масштабов съемки не крупнее 1 : 200 000. Для более крупных масштабов требуется доработка метода и выполнение дополнительных исследований.
Учитывая большую адаптацию GrafNav к обработке кинематических измерений, данный результат связан, по большей части, с RTKLib. Кроме того, метод псевдо-Stop-and-Go также требует отдельных исследований.
Важно отметить, что самостоятельное применение указанной технологии затруднено отсутствием сертификатов СИ у свободного ПО.
2
1
0 -1
-2
2
1
0 -1 -2
ДХ о ДУ -ДИ
Рис. 6. Сравнение координат и высот точек, полученных предложенной
методикой с результатами обработки относительным методом (вверху)
и методом PPP в GrafNav (внизу)
Применение указанной методики контроля не ограничивается гравиметрией и может применяться, например, для контроля пунктов сейсморазведочных профилей. Контроль геодезического обеспечения геолого-геофизических работ позволяет повышать надежность измерений и избегать непредвиденных затрат, связанных с повторными измерениями, при несвоевременном обнаружении «проблемных» пунктов.
Использование свободного ПО делает предложенный метод экономически эффективным. Дальнейшие доработки и исследования предложенного метода позволят повысить его точность, и, как следствие, расширить границы применения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Инструкция по топографо-геодезическому и навигационному обеспечению геологоразведочных работ. - Новосибирск : СНИИГГиМС, 1997. - 106 с.
2. 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.
3. Антонович К. М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии : монография. В 2 т. Т. 1. - М. : Картгеоцентр, 2005. - 334 с.
4. Hofmann-Wellenhof, B. GNSS - Global Navigation Satellite Systems GPS, GLONASS, Galileo and more / B. Hofmann-Wellenhof, H. Lichtenegger, E. Wasle - Wien, New-York : Springer. - 2008. - 516 p. - Англ.
5. Шевчук С. О., Зюзин Ю. М. Применение измерений геодезической сети АБС НСО и метода PPP при геодезическом обеспечении геолого-геофизических работ // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2015. Т. 2. - С. 85-92.
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. Bisnath, S. Precise Point Positioning - A Powerful Technique with a Promising Future / S. Bisnath, Y. Gao - Англ. - GPS World. - 2009. - No. 4. - P. 43-50. - Англ.
8. Антонович К. М., Липатников Л. А. Совершенствование методики точного дифференциального позиционирования по результатам ГНСС-измерений (РРР) // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2013. - № 4/С. - С. 44-47.
9. Chesagne, O. One centimeter accuracy with PPP // Inside GNSS. - 2012. - No 2. -P. 49-54.
10. Yu, X. Kinematic Precise Point Positioning Using Multi-Constellation Global Navigation Satellite System (GNSS) Observations / X. Yu, J. Gao // ISPRS Int. J. Geo-Inf. - 2017. - № 6, 6.
11. Шевчук С. О., Косарев Н. С., Антонович К. М. Сравнение коммерческих программ постобработки измерений ГНСС в режиме кинематики для геодезического обеспечения аэрогеофизических работ // Вестник СГУГиТ. - 2016. - Вып. 3 (35). - С. 79-102.
12. Шевчук С. О., Малютина К. И., Липатников Л. А. Перспективы использования свободного ПО для постобработки ГНСС-измерений // Вестник СГУГиТ. - 2018. - Т. 23, № 1. -С. 65-82.
13. GrafNav/GrafNet User Guide [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.novatel.com/assets/Document/Downloads/NavNet780_Manual.pdf.
14. ГОСТ 32453-2013. Глобальная навигационная спутниковая система. Системы координат. Методы преобразований координат определяемых точек. - М. : Стандартинформ, 2013. - 19 с.
15. RTKLIB: An Open Source Program Package for GNSS Positioning [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.rtklib.com/.
16. Ocalan T., Erdogan B., Tunalioglu N. Analysis of web-based online services for GPS relative and precise point positioning techniques // Boletim de ciencias geodesicas. - 2013. - 19 (2). -P.191-207.
17. Шевчук С. О., Барсуков С. В. Навигационное сопровождение аэрогеофизических исследований с использованием программы RouteNav // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2017. XIII Междунар. науч. конгр., 17-21 апреля 2017 г., Новосибирск : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 2 т. Т. 2. - Новосибирск : СГУГиТ, 2017. - C. 130-137.
18. Шевчук С. О., Никитин В. Н., Барсуков С. В. Выполнение навигационного обеспечения наземных и аэрогеофизических работ c использованием современного программно-аппаратного обеспечения // Интерэкспо ГЕО-Сибирь. XIV Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов (Новосибирск, 23-27 апреля 2018 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2018. - С. 266-275.
19. Шевчук С. О. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2017614500 / Российская Федерация / Программа для навигационного обеспечения аэрогеофизических работ RouteNav / С. О. Шевчук, С. В. Барсуков; заявитель и правообладатель Закрытое акционерное общество «Аэрогеофизическая разведка» (RU); дата поступления 09 янв. 2017 г.; дата регистрации 18 апр. 2017 г.
© С. О. Шевчук, Н. С. Косарев, Ю. М. Зюзин, А. Х. Мелеск, 2019 27
