CC BY
253
УДК 36.16.35; 89.29.65
О ВОЗМОЖНОСТИ КОНТРОЛЯ ПОЛОЖЕНИЯ ОПОРНЫХ ПУНКТОВ В СИСТЕМАХ ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА*
Александр Петрович Карпик
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор, ректор, тел. (383)343-39-37, e-mail: [email protected]
Леонид Алексеевич Липатников
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, младший научный сотрудник, тел. (923)227-89-57, e-mail: [email protected]
Рассмотрена возможность применения метода Precise Point Positioning для контроля положения опорных пунктов по результатам обработки спутниковых измерений, выполненных малобюджетной аппаратурой потребителя глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС).
Ключевые слова: глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС), массовая аппаратура потребителя, высокоточный абсолютный метод, геодезический мониторинг.
AN OPPORTUNITY FOR REFERENCE POINT DISPLACEMENT ESTIMATION IN GEODETIC MONITORING SYSTEMS
Alexander P. Karpik
Siberian State University of Geosystems and Technology, 630108, Russia, Novosibirsk,
10 Plakhotnogo St., Doctor of Engineering, professor, rector, tel. (383)343-39-37, e-mail: [email protected]
Leonid A. Lipatnikov
Siberian State University of Geosystems and Technology, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., junior researcher, tel. (923)227-89-57, e-mail: [email protected]
Application of Precise Point Positioning (PPP) technique for detecting displacements of reference points using GNSS measurements obtained by low-cost equipment is discussed in the paper.
Key words: Global Navigation Satellite Systems (GNSS), low-grade devices, Precise Point Positioning (PPP), geodetic monitoring.
Одним из актуальных направлений развития ГНСС в настоящее время является адаптация малобюджетной аппаратуры потребителя для высокоточного позиционирования. Чаще всего к малобюджетной аппаратуре относят устройства, оснащенные ГНСС-модулями стоимостью менее 100 евро или 100 долла-
*
Исследование выполнено за счет средств Министерства образования и науки Российской Федерации (задание 141/2014, проект № 1527).
ров США. В случае гарантированного обеспечения заданной точности измерений такие устройства имеют хорошие перспективы применения в решении различных практических задач, некоторые из них рассмотрены в работе [1]. Одной из таких задач является геодезический мониторинг инженерных сооружений и природных объектов. В настоящее время существуют прототипы различных систем высокоточного мониторинга, в которых применяется малобюджетная аппаратура ГНСС [2, 3].
Суть мониторинга заключается в выявлении значимых изменений состояния объекта. Одной из проблем при организации геодезического мониторинга является контроль положения опорных пунктов [4]. От того, насколько эффективно решена эта проблема, во многом зависит достоверность результатов мониторинга.
В настоящее время применение высокоточного абсолютного метода (Precise Point Positioning - PPP) дает возможность решить эту проблему при использовании двухчастотной геодезической аппаратуры ГНСС. Погрешности позиционирования по методу PPP в режиме реального времени с помощью одного комплекта двухчастотной спутниковой аппаратуры могут быть обеспечены на уровне 1 дм [5]. Если учесть, что опорные пункты закладываются на стабильных основаниях, и предположить, что их смещение происходит достаточно медленно, то при определении их координат можно усреднять на некотором интервале времени результаты, полученные в кинематическом режиме. Это позволит значительно повысить точность определения смещений опорных пунктов, но приведет к запаздыванию, которое необходимо учитывать. Согласно результатам эксперимента, представленным в работе [6], при обработке суточных сеансов ГНСС-измерений по методу PPP возможно отслеживать изменение их положения с погрешностями на субсантиметровом уровне.
Проблема заключается в том, что массовая малобюджетная аппаратура в настоящее время позволяет выполнять лишь одночастотные ГНСС-измерения. Одним из редких примеров двухчастотной аппаратуры, которую разработчики относят к малобюджетной, может служить приемник CACES [7], который изначально разрабатывался для исследования ионосферы. Учет влияния ионосферы является ключевой проблемой при использовании малобюджетной измерительной аппаратуры ГНСС для высокоточного определения координат абсолютным методом. Применение наиболее совершенных глобальных моделей ионосферы в одночастотном методе PPP в настоящее время обеспечивает компенсацию ионосферного эффекта с относительной погрешностью около 10 % , что эквивалентно погрешностям измерения псевдодальности от 0,5 до нескольких метров. Такой уровень точности модели измерений неприемлем при решении задач высокоточного геодезического мониторинга.
Описанную проблему предлагается решать за счет установки на одном или нескольких опорных пунктах двухчастотной аппаратуры ГНСС. Во-первых, в этом случае положение такого пункта (и всей сети относительно него) в общеземной системе координат может отслеживаться по методу PPP с высокой точностью. Во-вторых, данные двухчастотных измерений могут быть использова-
ны для компенсации ионосферного эффекта при определении абсолютного положения других станций одночастотным вариантом метода PPP по результатам измерений, выполненных другими станциями с помощью малобюджетной аппаратуры (способ представлен в работе [8]). Далее приведены результаты экспериментальной оценки точности позиционирования по методу PPP с помощью малобюджетной аппаратуры.
В качестве образца малобюджетной аппаратуры потребителя в исследовании использовался разработанный ООО «НТП «СТаТТ» прототип телематического терминала мониторинга автотранспорта, оснащённый навигационным модулем NV08C-CSM и компактной антенной NV2410. Данная аппаратура позволяет выполнять ГЛОНАСС/GPS-измерения на частоте L1.
В исследовании использовались данные ГЛОНАСС/GPS-измерений, выполненных в течение суток 01.05.2014 с интервалом 30 с. Оценивание координат выполнялось в кинематическом режиме относительным методом и методом PPP. Применялись рекуррентные алгоритмы оценивания координат на основе фильтра Калмана, аналогичные алгоритмам позиционирования в режиме реального времени. Использовалась усовершенствованная авторами версия пакета программ RTKLIB [9], включающая дополнительный блок выявления разрывов одночастотных фазовых ГНСС-измерений.
В ходе эксперимента определялись координаты пункта NSKN, относящегося к эталонному пространственному полигону Сибирского государственного университета геосистем и технологий. При оценивании координат относительным методом в качестве базовой станции использовалась постоянно действующая станция NSKW, расположенная на том же здании, что и NSKN. Длина базовой линии составила 12,7 м.
При оценивании координат методом PPP в качестве исходных данных использовались высокоточные окончательные эфемериды и заданные с 30-секундным интервалом поправки бортовых шкал времени ГЛОНАСС и GPS, предоставленные российской Системой высокоточного определения эфемерид и временных поправок [10].
Оценивание координат выполнялось на каждую эпоху измерений в кинематическом режиме двумя методами с использованием различных поправок за влияние ионосферы, рассчитываемых по методу [8] на основе данных, передаваемых от базовых станций в методе RTK; данных навигационного сообщения GPS; окончательных параметров глобальной модели состояния ионосферы IGS (IONEX).
Точность позиционирования оценивалась по отклонению оценок координат от их эталонных значений. При оценке точности позиционирования по методу PPP не учитывались результаты, полученные по данным первого часа и последних 30 минут сеанса измерений. При оценке точности относительного позиционирования исключались грубые результаты (при отклонениях более 30 см от эталонного положения) - всего было отбраковано около 2 % результатов.
В табл. приведены значения среднеквадратических отклонений (СКО) оценок местоположения от эталона в направлениях на восток (Е), на север в вертикальном направлении (и), а также модуль вектора СКО (3D).
Таблица
Среднеквадратические отклонения оценок координат от эталона
Метод позиционирования Ионосферная поправка СКО, м
E N U 3D
Относительный - 0,033 0,025 0,024 0,048
Абсолютный (PPP) RTK 0,046 0,042 0,057 0,084
Абсолютный (PPP) IONEX 0,437 0,366 1,077 1,219
Абсолютный (PPP) GPS 1,201 1,387 2,989 3,507
Результаты эксперимента свидетельствуют о том, что определение координат с помощью малобюджетной аппаратуры может быть обеспечено с погрешностями на уровне нескольких сантиметров как относительным методом, так и методом PPP при условии достаточно точного учета влияния ионосферной задержки. В режиме, близком к реальному времени, можно обеспечить более высокий уровень точности за счет усреднения результатов позиционирования в течение некоторого интервала. В дальнейшем планируется разработать критерии оценки качества высокоточного позиционирования в режиме реального времени и надёжный алгоритм отбраковки грубых измерений времени, а также повысить точность позиционирования за счёт уточнения функциональной и стохастической моделей погрешностей ГНСС-измерений, выполненных с помощью малобюджетной аппаратуры.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Карпик А. П., Липатников Л. А. Проблемы и перспективы точного позиционирования с использованием массовой аппаратуры потребителя ГНСС // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. Х 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. 1. - С. 113-117.
2. Schwieger V., Li Z. Automated geodetic monitoring by low-cost GNSS // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Пленарное заседание : сб. материалов (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. - С. 51-60.
3. Методологические принципы системы точной спутниковой навигации подвижных объектов с использованием наземной инфраструктуры ГЛОНАСС / А. П. Карпик и др. // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2014. - № 5. - С. 69-74.
4. Cranenbroeck J. van. State of the art in structural geodetic monitoring solutions for hydro power // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Пленарное заседание : сб. материалов (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. - С. 33-50.
5. Harima K. et al. Performance of Real-Time Precise Point Positioning Using MADOCA-LEX Augmentation Messages // FIG Congress. 2014. - P. 16-21.
6. Липатников Л. А. Применение методики точного абсолютного позиционирования для высокоточного определения положения геодезических пунктов в общеземной системе координат // Геодезия и картография. - 2012. - № 7. - С. 13-16.
7. O'Hanlon B. et al. CASES: A smart, compact GPS software receiver for space weather monitoring // Proceedings of the ION GNSS Meeting. - 2011. - P. 2745-2753.
8. Карпик А. П., Липатников А. Л. Обеспечение совместного использования методов высокоточного позиционирования по сигналам ГЛОНАСС И GPS // Гироскопия и навигация. - 2014. - № 4(87).
9. RTKLIB: An Open Source Program Package for GNSS Positioning [Electronic resource]. - Режим доступа: http://www.rtklib.com.
10. Система высокоточного определения эфемерид и временных поправок (СВОЭВП) [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.glonass-svoevp.ru/
© А. П. Карпик, Л. А. Липатников, 2015
