CC BY
127
УДК: 528.344:629.783
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ СПУТНИКОВОЙ ГЕОДЕЗИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ ПО ИЗМЕРЕНИЯМ ГЛОНАСС
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]
Олег Валерьевич Твердовский
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, директор института дистанционного обучения, тел. (383)343-90-22, e-mail: [email protected]
Сергей Владимирович Середович
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, директор института геодезии и менеджмента, тел. (383)343-27-09, e-mail: [email protected]
Алексей Алексеевич Струков
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, ведущий инженер НИС
Александр Петрович Решетов
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, руководитель ОИТО УНП ЦИТО
Активное развитие системы ГЛОНАСС, аппаратуры и программного обеспечения позволяют ставить задачи по исследованию возможностей «автономного» использования системы ГЛОНАСС. В работе приведены некоторые результаты исследований по испытанию в режиме «автономного» ГЛОНАСС с приёмниками SIGMA, TRIUMPH-1 и программы JUSTIN фирмы "Javad".
Ключевые слова: орбитальная группировка ГЛОНАСС, спутниковая геодезическая сеть, режимы спутниковых измерений, геодезическое спутниковое оборудование, базовая станция, подвижный приемник, уравнивание, ковариационная матрица, эллипсоид рассеивания.
SATELLITE GEODETIC EQUIPMENT:
GLONASS MEASUREMENTS RESEARCH RESULTS
Alexander P. Karpik
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Prof., Rector, tel. (383)343-39-37, e-mail: [email protected]
Oleg V. Tverdovsky
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Director, Institute of Distant Education, tel. (383)343-90-22, e-mail: [email protected]
Sergey V. Seredovich
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Director, Institute of Geodesy and Management, tel. (383)343-27-09, e-mail: [email protected]
Alexey A. Strukov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Lead engineer, Research Centre
Alexander P. Reshetov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Head of department of engineering geodesy and mine survey
Active development of the GLONASS system, hardware and software allow to set targets for exploring the possibilities of "autonomous" use of the GLONASS system. The paper presents some results of studies on the test in the "autonomous" GLONASS receivers SIGMA, TRIUMPH-1 and programs JUSTIN firm "Javad".
Key words: Orbital constellation, GLONASS, NAVSTAR GPS, satellite geodetic network, modes of satellite observations, geodetic satellite equipment, the base station, the mobile receiver equalization satellite geodetic network, analysis of results, the RMS error covariance matrix.
Как известно, в настоящие время наиболее точный и распространенный метод определения координат объектов на земной поверхности основан на использовании сигналов радионавигационных спутниковых систем. Полноценно функционируют на сегодняшний день две орбитальные группировки навигационных космических аппаратов - российская ГЛОНАСС и американская GPS. Практически весь спектр геодезического спутникового оборудования, выпускаемого специализированными компаниями, позволяет принимать сигналы от спутников обеих орбитальных группировок глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). Применение двухсистемной спутниковой аппаратуры при выполнении геодезических работ позволяет оптимизировать и делать более производительным процесс спутниковых измерений. Например, ускорить процесс инициализации при съемке в режиме кинематики в реальном времени (RTK), уменьшить продолжительность сеансов спутниковых наблюдений при построении спутниковых геодезических сетей или создании съемочного обоснования и т. д.
Цель исследования заключалась в проверке качества, точности и надежности определения координат по данным спутниковых измерений ГЛОНАСС в различных режимах и сравнении их с аналогичными результатами совместных измерений по ГЛОНАСС/GPS.
Были определены следующие задачи исследования:
1) проверка настроек спутниковой аппаратуры и программного обеспечения на возможность измерений только по ГЛОНАСС;
2) проектирование спутниковой геодезической сети и планирование сеансов наблюдений;
3) проведение полевых измерений в режиме «Статика»;
4) обработка измерений и анализ результатов;
5) проведение полевых измерений в режиме «Кинематика в реальном времени» (RTK));
6) анализ результатов.
Геодезическая сеть, на пунктах которой производились спутниковые измерения, включала пять пунктов сети активных базовых станций Новосибирской области (АБС НСО): Колывань (KOLV), Мошково (MHKV), Коченево (KOCH), Искитим (ISKT), Новосибирск-Западный (NSKW); четыре пункта пространственного эталонного полигона: Красноглинная (KRSN), Издревая (IZDR), пункты Издревинского базиса №01 (BL01) и №10 (BL10); один пункт спутниковой каркасной сети (КС) г. Новосибирска - Марусино (MARU) и пункт-тур на крыше лабораторного корпуса СГУГиТ - Новосибирск-Северный (NSKN). Все пункты имеют устройства принудительного центрирования. Общая схема расположения пунктов спутниковой сети и измеренных базовых линий показана на рис. 1, а её укрупненные фрагменты - на рис. 2.
Рис. 1. Общая схема спутниковой геодезической сети
а) б)
Рис. 2. Схема измерений: а) на пунктах б) на пунктах эталонного Издревинского базиса
Измерения на пунктах сети выполнялись приемниками Sigma и Triumph-1 фирмы JAVAD с подключенными опциями точной калибровки сигналов ГЛОНАСС. Продолжительность сеансов измерений на всех определяемых пунктах в режиме статики составляла, как правило, 60 минут. Камеральная обработка спутниковых измерений производилась в программе Justin фирмы JAVAD. Обработка выполнялась со следующими настройками:
- маска по высоте 10°;
- эфемериды навигационные (бортовые);
- тропосферная модель Goad and Goodman;
- сохранение невязок.
На первом этапе обработки, в процессе свободного уравнивания спутниковой геодезической сети была сделана оценка качества спутниковых измерений. Затем, с целью получения «эталонных» координат пункта базовой станции NSKN и определяемых пунктов сети, выполнено полностью ограниченное уравнивание с фиксацией координат пяти пунктов АБС НСО.
На втором этапе в обработке участвовали только измерения по спутникам ГЛОНАСС с исключением измерений на пунктах АБС НСО. Сформированная таким образом спутниковая геодезическая подсеть включила замкнутый треугольник из базовых линий между пунктами MARU, KRSN и NSKN, а также три радиальных базовых линии на пункты: IZDR, BL01 и BL10. Исходным пунктом в данной подсети являлся пункт NSKN с координатами, полученными на предыдущем этапе уравнивания. Результаты второго этапа сведены в табл. 1.
Таблица 1
Уравненные координаты пунктов метрологического полигона по измерениям ГЛОНАСС
Пункт Широта / X Долгота/Y Высота / Z СКП H/Z, м дв/дх, м ДL/ДY, м ДН^, м
NSKN 54°59'14,518098 82°51'53,130638 106,984 0,000 0,000 0,000 0,000
455584,960 3639402,404 5200664,316 0,000 0,000 0,000
KRSN 54°58'6,527628 82°41'51,681764 76,256 0,143 0,002 0,143 -0,041
466411,773 3639748,842 5199432,540 -0,150 -0,007 -0,032
B01 54°59'42,004968 83°13'53,838231 91,344 0,024 -0,023 0,008 0,076
432189,683 3641544,620 5201139,149 0,001 0,078 0,038
B10 54°59'46,620703 83°14'1,064491 92,744 0,040 -0,009 0,039 0,163
432048,425 3641444,456 5201222,174 -0,027 0,111 0,124
IZDR 54°59'46,118179 83°13'48,266591 89,6234 0,121 -0,011 0,120 0,036
432275,651 3641428,504 5201210,704 -0,119 0,051 0,018
MARU 55°03'5,471678 82°44'25,093949 66,200 0,004 0,002 -0,002 0,038
462746,763 3632576,212 5204725,364 0,005 0,018 0,034
Третий этап полностью идентичен второму. Но с тем отличием, что использованы измерения от обеих орбитальных группировок - ГЛОНАСС и GPS. Результаты представлены ниже в табл. 2. Оценка точности определения координат по внешней сходимости производилась из сравнения уравненных координат, полученных на втором и третьем этапах, с уравненными координатами, полученными на первом этапе. Результаты приведены в виде разностей с эталонными координатами в последних трех столбцах в табл. 1 и 2.
Таблица 2
Уравненные координаты пунктов метрологического полигона по измерениям
ГЛОНАСС/GPS
Пункт Широта / X Долгота/Y Высота / Z СКП H/Z, м дв/дх, м ДL/ДY, м ДН^, м
NSKN 54°59'14,518098 82°51'53,130638 106,984 0,000 0,000 0,000 0,000
455584,960 3639402,404 5200664,316 0,000 0,000 0,000
KRSN 54°58'6,527889 82°41'51,689755 76,195 0,006 -0,003 0,006 0,020
466411,627 3639748,818 5199432,494 -0,004 0,000 0,017
B01 54°59'42,003601 83°13'53,838194 91,409 0,009 0,001 0,009 0,011
432189,692 3641544,692 5201139,178 -0,008 0,000 0,006
B10 54°59'46,620372 83°14'1,066979 92,9086 0,005 -0,004 -0,004 -0,002
432048,393 3641444,563 5201222,303 0,004 0,000 0,004
IZDR 54°59'46,118081 83°13'48,269965 89,6469 0,063 -0,009 0,062 0,013
432275,593 3641428,527 5201210,721 -0,061 0,000 0,028
MARU 55°03'5,471916 82°44'25,09358 66,233 0,004 -0,002 0,004 0,005
462746,771 3632576,224 5204725,396 -0,003 0,006 0,002
По этим таблицам видно, что разности полученные из обработки ГЛОНАСС/ОРБ, находятся, преимущественно, на уровне ±5-10 мм и лишь два выброса по АХ и АЬ на одном из 6 пунктов (КОЯ) составили порядка ±0,061 метра. По высоте средняя разность по модулю величин не превышает 10 мм.
Для измерений только по спутникам ГЛОНАСС средние разности по модулю составили по ДВ/ДХ - 17,8 мм, по ДL/ДY - 48,1 мм, а по ДН^ - 50 мм при наличии единичных выбросов до уровня ±15см. Это может указывать на определенную нестабильность результатов определений координат по измерениям ГЛОНАСС.
На четвертом этапе производилась измерения в режиме RTK на двух определяемых пунктах - KRSN и МДЕи. Измерения последовательно выполнялись вначале по спутникам ГЛОНАСС, а затем ГЛОНАСС/GPS, относительно базовой станции Схема измерений на пунктах метрологической сети приведена на рис. 3, а результаты обработки - в табл. 3.
Рис. 3. Схема измерений в режиме RTK на пунктах метрологической сети
Таблица 3
Результаты определения координат методом RTK относительно
базовой станций NSKN
ГО Решение СКП (мет р) PDOP Т(сек) ДВ, м ДЬ, м ДН, м
в плане по высоте
Г Л кгеп8 Фикс. 0,025 0,048 2,91 0+6 70,0 -0,004 -0,055 -0,061
Н кгеп9 Фикс. 0,025 0,049 2,92 0+6 27,0 0,001 -0,053 -0,055
о кгеп10 Фикс. 0,025 0,049 2,93 0+6 24,0 0,000 -0,050 -0,057
о кгеп11 Фикс. 0,025 0,049 2,94 0+6 18,0 0,002 -0,050 -0,069
Г Л кгеп1 Фикс. 0,014 0,021 1,30 10+7 8,0 -0,004 -0,026 -0,021
Н кгеп2 Фикс. 0,010 0,014 1,30 10+7 13,0 0,001 -0,046 -0,007
С кгепЗ Фикс. 0,010 0,014 1,30 10+7 14,0 -0,001 -0,046 -0,013
о о р (уз кгеп4 Фикс. 0,010 0,014 1,30 10+7 7,0 -0,002 -0,046 -0,012
кгеп5 Фикс. 0,010 0,014 1,30 10+7 10,0 -0,001 -0,046 -0,017
кгепб Фикс. 0,010 0,014 1,30 10+7 12,0 0,004 -0,046 -0,004
таги1 Фикс. 0,008 0,014 1,50 9+7 8,0 0,016 -0,018 0,007
таги2 Фикс. 0,008 0,014 1,50 9+7 14,0 0,014 -0,019 0,010
тагиЗ Фикс. 0,008 0,014 1,50 9+7 16,0 0,014 -0,020 0,016
таги4 Фикс. 0,008 0,014 1,51 9+7 41,0 0,011 -0,022 0,021
таги5 Фикс. 0,008 0,014 1,51 9+7 8,0 0,011 -0,023 0,014
В табл. 3 использованы следующие обозначения: ГО - идентификатор пункта сети; PDOP - фактор снижения точности; SV - количество видимых спутников (GPS+ГЛОНАСС); Т - время инициализации на пункте в режиме RTK; ДВ, ДL, ДН - разности между значениями координат в сеансах RTK и эталонными значениями, соответственно, по широте, долготе и геодезической высоте пункта.
Как видно из табл. 3, СКП определения координат по комплексным измерениям ГЛОНАСС/GPS на двух пунктах составили менее ±0,014 м в плане и ±0,021 м по высоте при среднем времени инициализации порядка 13,6 с. Для измерений только по спутникам ГЛОНАСС эти показатели в 2 раза менее точные в плане и более чем в 2,5 раза - по высоте. Время инициализации решения по спутникам ГЛОНАСС составило в среднем 34,8 с, что также примерно в 2,6 раза продолжительнее, чем по совместным измерениям ГЛОНАСС/GPS. Также следует отметить, что на втором пункте «MARU» все определения получили плавающие решения и поэтому в таблице не приведены. Причина этого пока не была выяснена. Что касается сравнения координат (по широте, долготе и геодезической высоте), которые приведены в трех последних столбцах справа в виде разностей в линейном виде, то можно сделать следующий вывод: точность определения координат в плане практически одинакова как для измерений по ГЛОНАСС, так и по совместным измерениям ГЛОНАСС/GPS. По высоте этот показатель по измерениям ГЛОНАСС примерно в 4,7 раза уступает точности измерений ГЛОНАСС/GPS.
На заключительном этапе обработки спутниковых измерений была выполнена статистическая оценка точности результатов вычисления базовых линий в режиме статики с построением эллипсоида рассеивания [1, 2], который вычислялся по ковариационным матрицам. Эллипсоид рассеивания геометрически наглядно отображает распределение погрешностей. Его наибольшая вытяну-тость характеризует величину наибольшей погрешности, а направление осей эллипсоида характеризует направление погрешностей в географических координатах, полученных из обработки векторов базовых линий [5, 6].
Построение эллипсоида рассеивания выполняется с помощью сингулярного разложения ковариационной матрицы:
К = Е WT,
где К - ковариационная матрица, полученная на этапе обработки векторов базовых линий;
W - ортогональная матрица, столбцами которой являются сингулярные векторы;
X - диагональная матрица упорядоченных по величине сингулярных чисел (ст1, о2, о3).
Квадратный корень из сингулярных чисел дает полуоси эллипсоида рассеивания в геоцентрической системе координат. Обычно сингулярные числа в
матрице Е упорядочены по убыванию. В таком случае „Jo=ытах - наибольшая
полуось эллипсоида, а Jo=^m¡n - наименьшая полуось эллипсоида. Соответствующие сингулярным числам сингулярные векторы w1, w2, w3 задают ориентировку осей эллипсоида рассеивания относительно геоцентрической системы координат.
На рис. 4 приведен общий вид эллипсоида рассеивания [3, 4] и его ориентировка относительно осей географических координатах (долгота Xmax и широта Фтах) в геоцентрической системе координат.
Рис. 4. Общий вид эллипсоида рассеивания
На рис. 4 использованы следующие обозначения: А^, фтах - географические координаты большой полуоси эллипсоида; атах; w2, w3 - полуоси эллипсоида, соответствующие квадратному корню из сингулярных чисел аь а2, а3; X, У, Ъ - оси прямоугольной геоцентрической системы координат.
Направление большой полуоси, т. е. направление наибольшей вытянутости эллипсоида рассеивания в географических координатах (по долготе А и широте ф) определяется по формулам:
X = arctg
f л w21
wll
X е[0;2п); ф = arctg
w33
.4
2 2 wl1 + w22
п п
, ф е
_ 2 2 _
Положение наибольшей вытянутости определяется по первому сингулярному вектору w1, а наибольшей сплюснутости - по третьему сингулярному вектору w3 матрицы W [7, 8].
Результаты на пункте "МЛЯи" по ГЛОНАСС отсутствуют по причине плавающего решения для всех сессий измерений - причину выяснить не удалось.
Результаты анализа с помощью сингулярного разложения и построения эллипсоида рассеивания по измерениям ГЛОНАСС и ГЛОНАСС/ОРБ по результатам вычисления базовых линий спутниковой сети в режиме статики приведены в табл. 4, 5.
Таблица 4
Ориентировка осей эллипсоида рассеивания для ГЛОНАСС
Базовая линия О тах (мм) ф (О тах) ^ (о тах)
ШКК - В10 269 59,5 26,2
ШКК - В1 53 15,6 135,4
ШКК - КБЯ 75 10,9 197,3
ШКК - мляи 100 48,5 94,6
КЯБК - мляи 114 4,8 172,6
ШКК - КЯБК 67 11,1 171,9
Среднее 113 25 133
СКП ±80 ±23 ±63
Таблица 5
Ориентировка осей эллипсоида рассеивания для ГЛОНАСС/GPS
Базовая линия О тах (мм) ф (О тах) ^ (о тах)
ШКК - В10 28 46,1 71,1
ШКК - В1 30 46,1 71,9
ШКК - КБЯ 26 46,8 73,0
ШКК - мляи 13 46,2 67,7
КЯБК - мляи 12 48,4 80,3
ШКК - КЯБК 15 47,9 80,0
Среднее 21 47 74
СКП ±8 ±1 ±5
Из сравнения результатов, представленных в табл. 4 и 5, можно видеть, что по значениям больших полуосей эллипсоидов рассеивания наблюдается 5-6-кратное понижение точности для измерений ГЛОНАСС по сравнению с совместными измерениями ГЛОНАСС/ОРБ.
В заключение можно сделать следующие выводы. Точность определений координат пунктов в режиме «статика» по измерениям ГЛОНАСС несколько уступает результатам, полученным по совместным измерениям ГЛОНАСС/ОРБ. Полученные оценки координат определяемых пунктов характеризуется меньшей стабильностью и большей амплитудой отклонений от эталонных значений. В целом можно считать, что использование измерений только по системе ГЛОНАСС может достаточно надежно обеспечивать точность определения СКП координат пунктов в пределах первых сантиметров как в статическом режиме измерений, так и в ЯТК.
Авторы выражают свою признательность генеральному директору ЗАО «УГТ-Холдинг» А. М. Харитонову и директору ООО «Запсибгеодезия» Ю. А. Чермошенцеву за предоставление спутниковых приемников «1ЛУЛО» и техническое содействие в проведении исследования.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Сурнин Ю. В., Струков А. А. Анализ точности определения координат сверхдлинных векторов базовых линий по результатам ГНСС-измерений // Геодезия и картография. -2012. - № 7. - С. 17-23.
2. Пугачев В. С. Теория вероятностей и математическая статистика. - М.: Наука, 1979.
3. Струков А. А. Анализ точности определения векторов сверхдлинных базовых линий по результатам GPS-измерений // Вестник СГГА. - 2011. - Вып. 2 (15). - С. 2-15.
4. Сурнин Ю. В. О применении в геодезической практике России международной терминологии к понятиям «система координат» и «координатная основа» // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). -Новосибирск: СГГА, 2013. Т. 3. - С. 28-36.
5. Проблемы обеспечения точности координатно-временных определений на основе применения ГЛОНАСС технологий / А. С. Толстиков, В. А. Ащеулов, К. М. Антонович, Ю. В. Сурнин // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 2 (18). - С. 3-11.
6. Косарев Н. С. Статистический анализ точности определения положений спутников систем ГЛОНАСС и GPS // Вестник СГГА. - 2014. - Вып. 2 (26). - С. 9-18.
7. Джоел ван Кроненброк. Применение технологий ГНСС для деформационного мониторинга сооружений // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 1 (17). - С. 29-40.
8. Косарев Н. С. Восстановление фазы несущей: проблемы и пути решения // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 1 (17). - С. 53-59.
9. Дударев В. И. Уравнивание геодезических сетей по результатам относительных GPS-измерений // Вестник СГГА. - 2011. - Вып. 2 (15). - С. 7-15.
© А. П. Карпик, О. В. Твердовский, С. В. Середович, А. А. Струков, А. П. Решетов, 2015
