CC BY
9
УДК 629.783:551.24
ПРОБЛЕМЫ ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО СКАНИРОВАНИЯ
Карина Ивановна Малютина
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия,
г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, магистрант, тел. (913)716-61-30, e-mail: malyutina.karina.ivanovna@yandex.ru
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
Кирилл Владимирович Киселев
ЗАО «Аэрогеофизическая разведка», 630007, Россия, г. Новосибирск, ул. Октябрьская магистраль, 4, оф. 1207, инженер-геофизик, тел. (913)203-92-41 e-mail: kiselev@aerosurveys.ru
В статье приведен обзор проблем навигационно-геодезического обеспечения электромагнитного геофизического сканирования масштабов крупнее 1: 50 000. Рассмотрены некоторые возможные пути решения указанных вопросов.
Ключевые слова: ГНСС, электромагнитное сканирование, навигация, геодезическое обеспечение, редуцирование, геофизика, многопутность.
PROBLEMS OF GEODETIC SUPPORT OF ELECTROMAGNETIC SCANNING
Karina I. Malyutina
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Post Graduate Student, phone: (913)716-61-30, e-mail: malyutina.karina.ivanovna@yandex.ru
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
Kirill V. Kiselev
CJSC «Aerogeophysical Surveys», 4, Oktyabrskaya Magistral St., of. 1207, Novosibirsk, 630007, Russia, Geophysicist, phone: (913)203-92-41, e-mail: kiselev@aerosurveys.ru
The article considers the problems of navigation and geodetic support of electro-magnetic geophysical scanning with the survey scales higher than 1:50 000. Some of the possible ways of solving the issues are proposed.
Key words: GNSS, electro-magnetic scanning, navigation, geodetic support, reductions, geophysics, multipath.
Введение. Электромагнитное сканирование (ЭМС) представляет собой разновидность геофизических исследований, которое широко применяется для решения задач, возникающих в инженерных, изыскательных и археологических работах. ЭМС осуществляется специальными измерительными комплексами, имеющими различные размеры, как правило, методом становления электромагнитного поля [1-2].
На рис. 1 приведены примеры измерительных комплексов ЭМС.
Рис. 1. Примеры генераторно-измерительных комплексов: а) буксируемая приемно-генераторня конструкция; б) переносная платформа
На рис. 1, а показан генераторно-измерительный комплекс (ГИК) 2*10 м, закрепленный на пневматическом надувном каркасе. ГИК применяется для выполнения электромагнитных съемок вплоть до масштаба 1:5000. На рис. 1, б
показан переносной 1,5*1,5 м ЭМС-комплекс для детального сканирования масштаба 1:2000 и крупнее.
Навигационно-геодезическое обеспечение является важным и необходимым компонентом при выполнении электромагнитного сканирования.
Исходя из специфики ЭМС, могут быть выделены следующие основные задачи навигационно-геодезического обеспечения генераторно-измерительных комплексов:
- топографо-картографическое обеспечение (подбор необходимых навигационных карт и топографической основы, выбор пунктов ГГС для точного позиционирования и т.п.);
- навигационное обеспечение ЭМС (контроль выдерживания профилей в реальном времени по определяемым координатам измерителя и проектным координатам точек профилей);
- геодезическое обеспечение (апостериорное получение точных координат пунктов измерений - фактического местоположения измерителя для обработки геофизических измерений).
В настоящее время, в силу совершенствования измерительной и вычислительной аппаратуры, к ЭМС ставятся все новые жесткие требования, которые в свою очередь приводят к необходимости повышения точности навигационно-геодезического обеспечения данных работ и к проблемам, требующим решений на современном уровне развития науки и техники.
Целью данной статьи является освящение ряда проблем, которые возникают при навигационно-геодезическом обеспечении электромагнитного сканирования.
Первая проблема. Неопределенность требований к точности измерения координат при геодезическом обеспечении ЭМС, которая заключается в следующем.
Критерии к допустимым погрешностям геофизической съемки могут быть заданы двумя путями - в соответствии с действующими инструкциями или по требованиям технического задания на съемку.
В соответствии с Инструкцией [3], погрешность электроразведочных работ, проводимых методом становления электромагнитного поля должны выполняться со среднеквадратичной погрешностью (СКП), показанной в таблице.
Требования к точности определения пунктов геофизических наблюдений при электроразведочных работах, проводимых методом становления электромагнитного поля
Масштаб отчетной карты СКП определения положения пунктов наблюдений, м
В плане По высоте
равнина горные районы
1: 200 000 160 200 1/50 от глубины опорного горизонта
1: 100 000 80 100
1: 50 000 40 50
Важно отметить, что глубина опорного горизонта зачастую неизвестна заранее, поэтому требования к высотным измерениям обычно задаются техническим заданием (ТЗ). Глубина опорного горизонта при выполнении ЭМС варьируется от единиц до десятков метров, как следствие СКП определения высот при такой глубине опорного горизонта находится в пределах первых дециметров, а при глубинах менее 10 м - в пределах первых сантиметров.
В инструкции [3] приведены требования к масштабам съемки не крупнее 1:50 000. Для более крупных масштабов таблица 1 может быть дополнена с соблюдением очевидной закономерности 0,8 мм и 1 мм масштаба отчетной карты для равнинной и горной местности соответственно, однако следует учитывать, что эти закономерности не регламентированы существующими инструкциями.
Кроме того, требования к точности определения координат и высот могут быть рассчитаны по эмпирическим и модельным исследованиям влияния погрешностей на результат измерений. Пример такого моделирования показан в публикациях [4, 5].
Вторая проблема. Обеспечение точности геодезического обеспечения в условиях проведения ЭМС.
В настоящее время геодезическое обеспечение ЭМС проводится с использованием ГНСС-аппаратуры различного класса. Так как процесс электромагнитного сканирования производится в движении, то ГНСС-аппаратура должна функционировать в кинематическом режиме. Для съемок масштаба мельче 1:10 000 с опорным горизонтом глубже 500 м используются, как правило, навигационные ГНСС-приемники, имеющие СКП определения координат около 5 м в плане и 10 м по высоте при доверительной вероятности 95% [6-9]. Для детальных съемок в масштабе 1:10 000 и крупнее должна применяться кодово-фазовая ГНСС-аппаратура геодезического класса, заявленная точность которых в относительном режиме составляет первые единицы сантиметров в кинематическом режиме [6-9]. В условиях отсутствия объектов, загораживающих прием спутниковых сигналов для ГНСС-приемника, а также объектов, вызывающих переотражения спутниковых сигналов, указанные точности выдерживаются.
Однако ЭМС зачастую выполняется в залесенной местности и в условиях «городских каньонов», что в свою очередь влечет за собой значительное понижение точности определения координат [6-12]. Причем в аппаратуре геодезического класса зачастую происходят срывы за слежение фаз несущих сигналов. Эти срывы приводят к появлению неконтролируемых погрешностей, вплоть до полного отсутствия решений [10-12]. Вопросам минимизации влияния срывов слежения за фазами несущих сигналов и наличия переотраженных сигналов при ГНСС-измерениях посвящен ряд исследований и разработок [14-17].
Кроме инструментальных погрешностей и погрешностей среды распространения сигналов существенное влияние на результаты определения координат оказывает используемое при обработке ГНСС-измерений программное обеспечение [18, 19].
Третья проблема. Понижение точности за счет неучета или частичного учета элементов редукции. Данная проблема связана с необходимостью введе-
ния поправок в координаты и высоту антенны ГНСС-приемника для перехода к координатам и высотам измеряемой точки.
Так как разместить ГНСС-антенну непосредственно в центре приемной антенны ПГК не представляется возможным, то она закрепляется на некотором расстоянии, величина которого будет приводить к ошибкам в плане и по высоте при неучете элементов редукции. Причем ГНСС-антенна должна быть максимально приподнята над остальной конструкцией для обеспечения лучшей видимости спутников и меньшего влияния переотраженных сигналов.
На рис. 2 показан пример размещения ГНСС-антенны на приемно-генераторной конструкции.
Пневмо-надувной каркас
На рис. 2 показаны плановые элементы редукции и, V, измеряемые поперек и вдоль продольной оси конструкции. Третий элемент редукции Ж измеряется по высоте как разность высоты антенны спутникового приемника и высоты приемной антенны электромагнитной системы при ее горизонтальном положении.
Связь координат и высот точки центра измерительной антенны и координат и высот точек антенны ГНСС-приемника определяется формулой
Хц=Ха + ЬХ-; ¥Ц = ¥а + А¥; НЦ = На + АН,
где Хц, Уц, Нц - координаты и высоты точки центра измерительной антенны, ХА, У а, На - координаты и высоты точек антенны ГНСС-приемника, АХ, АУ, АН - поправки за линейные элементы редукции (смещения). Поправки за линейные элементы редукции и, V, Ж с учетом углов крена п, тангажа © и курса е, от точки А фазового центра антенны к точке редуцирования рассчитываются как
AX- U'
AY -Аецв V
-AZ- -W.
где Ащ& - матрица направляющих косинусов, образованная углами крена п, тангажа © и курса е.
Углы крена, тангажа и курса могут быть получены с помощью инерциаль-ных навигационных систем (ИНС) или трехатенной аппаратуры (например, Javad Sigma) [20].
Полный неучет элементов редукции даст абсолютную погрешность в пределах от -Axy до + Axy в плане и от -Дн до + Дн по высоте. Если считать, что углы крена и тангажа не превысят 45°, то эти погрешности могут быть оценены по формулам
Аху~ ^и2 + У2; Ан« —Ш.
Четвертая проблема. Отсутствие регламентирующей документации по навигационному обеспечению ЭМС и супервайзерской оценке результатов ЭМС.
Главной задачей навигационного обеспечения ЭМС является выдерживание движения вдоль заданного профиля, что может выполняться различными методами.
В некоторых случаях выполняется предварительное вешение и прорубка просек, что значительно облегчает навигацию при ЭМС, однако, существуют ситуации, когда линия профиля не задана однозначно на местности. Тогда могут использоваться навигационные ГНСС-приемники или, в редких случаях, буссоли.
Для повышения удобства навигации посредством кодовой ГНСС-аппаратуры могут использоваться специализированные навигационные комплексы. В частности, может быть адаптирован под наземные работы навигаци-
онный комплекс RouteNav, позволяющий оценивать отклонения от проектных маршрутов, автоматически изменять выбранный маршрут и проводить оценку качества выдерживания маршрутов [21-23].
Выводы: Таким образом, можно констатировать, что технология навига-ционно-геодезического обеспечения ЭМС требует усовершенствования как минимум по четырем обширным направлениям:
- определение и регламентация требований к точности геодезических измерений для съемки масштабов крупнее 1:50 000;
- выбор аппаратуры и метода получения координат и высот пунктов измерений, адаптированной под измерения в условиях многопутности;
- усовершенствование методов учета редукций;
- разработка автоматизированного навигационного комплекса.
Все указанные направления требуют дополнительных исследований и выбора решений, которые позволят выполнять качественное определение навигационных и геодезических параметров ЭМС крупных масштабов, и, как следствие, получать более качественный материал.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Kamenetsky F. M. Transient Geo-Electromagnetics / 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., 2010. - 296 c.
2. Тригубович Г. М. Инновационные поисково-оценочные технологии электроразведки становлением поля воздушного и наземного базирования // Разведка и охрана недр. - 2007. -№ 8. - С. 80-87.
3. Инструкция по топографо-геодезическому и навигационному обеспечению геологоразведочных работ. - Новосибирск : СНИИГГиМС, 1997. - 106 с.
4. Навигационно-геодезическое обеспечение аэрогеофизических исследований / Г. М. Тригубович, С. О. Шевчук, А. А. Белая [и др.] // Геология и минерально-сырьевые ресурсы Сибири. - 2013. - № 2. - C. 61-69.
5. Шевчук С. О. Навигационное и геодезическое обеспечение аэроэлектромагнитных исследований с подвесной вертолётной платформой // Геология и минерально-сырьевые ресурсы Сибири. - 2012. - № 2. - С. 72-75.
6. Антонович К. М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии : монография. В 2 т. Т. 2. - М. : Картгеоцентр, 2006. - 360 с.: ил.
7. 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.
8. El-Rabbany, Ah. Introduction to GPS / Ah. El-Rabbany. - British Library Cataloguing in Publication Data. - 2002. - 176 p. - Англ.
9. GPS-технология геодезического обеспечения геологоразведочных работ: Методические рекомендации / А. Г. Прихода, А. П. Лапко, Г. И. Мальцев, И. А. Бунцев / Науч. ред. А. Г. Прихода. - Новосибирск : СНИИГГиМС, 2008. - 274 с.
10. Михайлов С. В. Влияние многолучевости распространения радиоволн от навигационного космического аппарата на точность определения координат GPS-приемником // Беспроводные технологии. - 2006. - № 2. - С. 60-71.
11. Weil L R. Conquering multipath: GPS Accuracy Battle [Text] GPS World. - 1997. -№ 4. - P. 59-66. - Англ.
12. Groves P. D. Multipath vs NLOS signals [Text] Inside GNSS. - 2013. - № 6. -P. 40-44. - Англ.
13. ГОСТ 32453-2013 Глобальная навигационная спутниковая система. Системы координат. Методы преобразований координат определяемых точек. - М. : Стандартинформ, 2013. - 19 с.
14. Антонович К. М., Косарев Н. С., Липатников Л. А. Контроль фазовых измерений ГНСС-приемника с атомными часами // Вестник СГУГиТ. - 2014. - № 3. - С. 3-20.
15. Xia L. Approach for multipath reduction using wavelet algorithm [Text] Proceedings of International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation. -P. 2134-2143. - Англ.
16. Liu H. Variable length LMS adaptive filter for carrier phase multipath Mitigation / H. Liu, X. Li, L. Ge, C. Rizos, and F. Wang // GPS Solutions. - 2011. - Vol. 15. - P. 29-38. -Англ.
17. Косарев Н. С. Восстановление фазы несущей: проблемы и пути решения // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 1 (17). - С. 53-60.
18. Шевчук С. О., Косарев Н. С. Исследование коммерческих программ постобработки измерений ГНСС в режиме кинематики для геодезического обеспечения аэрогеофизических работ. Первые результаты // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2016. XII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 18-22 апреля 2016 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2016. Т. 2. - C. 69-76.
19. Малютина К. И., Шевчук С. О. Сравнение бесплатной программы RTKLib с коммерческим программным обеспечением для постобработки ГНСС-измерений // Интерэкспо ГЕ0-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. 113-124.
20. Шевчук С. О., Косарев Н. С. Алгоритм определения пространственных углов аэрогеофизической платформы // Вестник СГГА. - 2013. - Вып. 24. - С. 37-47.
21. 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.
22. Шевчук С. О. Программа для навигационного обеспечения аэрогеофизических работ RouteNav // Вестник СГУГиТ. - 2017. - № 4 (22). - С. 113-125.
23. 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.
© К. И. Малютина, С. О. Шевчук, Н. С. Косарев, К. В. Киселев, 2018
