CC BY
14
УДК 629.783:551.24
ВЛИЯНИЕ МНОГОПУТНОСТИ НА РЕЗУЛЬТАТЫ
ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО СКАНИРОВАНИЯ
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
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
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
Виталий Михайлович Жидов
Сибирский государственный университет путей сообщения, 630049, Россия, г. Новосибирск, ул. Д. Ковальчук, 191, кандидат технических наук, доцент кафедры «Инженерная геодезия», тел. (913)898-41-95, e-mail: zhidov@mail.ru
В статье приведен обзор проблемы многопутности при геодезическом обеспечении электромагнитного сканирования посредством фазовой ГНСС-аппаратуры, показаны результаты эксперимента, даны возможные варианты решения.
Ключевые слова: ГНСС, электромагнитное сканирование, геодезическое обеспечение, геофизика, многопутность.
INFLUENCE OF MULTIPATH EFFECTS ON GEODETIC SUPPORT OF ELECTROMAGNETIC SCANNING
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
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
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
Vitaly M. Zhidov
Siberian Transport University, 191, Dusi Kovalchuk St., Novosibirsk, 630049, Russia, Ph. D., Associate Professor at the Department of Engineering Geodesy, phone: (913)898-41-95, e-mail: zhidov@mail.ru
The article considers the problems of geodetic support of electro-magnetic geophysical scanning with phase GNSS receivers because of multipath effects. The results of the experiments are given. Some of the possible ways of solving the issues are proposed.
Key words: GNSS, electro-magnetic scanning, geodetic support, geophysics, multipath.
Электромагнитное сканирование (ЭМС) - это разновидность геофизических исследований, широко применяемая при инженерных, изыскательных и археологических работах.
ЭМС осуществляется специальными измерительными комплексами различных размеров методом становления электромагнитного поля [1-2].
Навигационно-геодезическое обеспечение электромагнитного сканирования (ЭМС) включает в себя ряд мероприятий по обеспечению картографическими материалами, подготовке на местности точек геологоразведочных наблюдений, определению планово-высотного положения измеряемых пунктов.
Если рассматривать задачи геодезического обеспечения ЭМС отдельно от задач навигации, то их решение сводится к определению координат измерительной антенны приемно-генераторной конструкции (ПГК) с заданной (в зависимости от масштаба съемки) точностью. Причем требования к точности определяются техническим заданием, и не могут быть грубее требований, определенных инструкцией [3].
В настоящее время геодезическое обеспечение ЭМС проводится с использованием аппаратуры глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), функционирующей в кинематическом режиме. При этом для съемок масштаба мельче 1:10 000 с опорным горизонтом глубже 500 м используются, как правило, навигационные ГНСС-приемники, имеющие погрешность (СКП) в среднем на уровне 5 м в плане и 10 м по высоте [4-7].
Для детальных ЭМС масштабов 1:10 000 и крупнее должна применяться кодово-фазовая аппаратура ГНСС геодезического класса точности, заявленная точность которых в относительном режиме заявлена на уровне единиц сантиметров [4-7].
В условиях отсутствия объектов, загораживающих прием спутниковых сигналов для ГНСС-приемника, а также объектов, вызывающих переотражения спутниковых сигналов, указанные точности при прочих равных условиях могут выдерживаться.
Однако ЭМС зачастую выполняется в залесенной местности и в условиях «городских каньонов», что влечет за собой значительное понижение точно-
сти [4-10], причем аппаратура геодезического класса точности более чувствительна к данным явлениям за счет необходимости постоянного слежения за фазами несущих спутников.
При испытаниях комплекса ЭМС, проводившихся в ноябре 2017 г., были получены данные, наглядно демонстрирующие данное утверждение.
Испытания проводились в черте г. Новосибирска на тестовом участке 500^700 м, разбитым на профили через 10 м. Особенность участка заключалась в том, что на началах и концах профилей располагались границы лесополос (высота деревьев 15-20 м). Сканирование производилось переносной платформой, предназначенной для детальной съемки методом ЭМС. Примерные габариты переносной платформы составляют 1,5*1,5 м, которая показана на рис. 1.
Рис. 1. Переносная приемно-генераторная конструкция
На переносной ПГК размещался двухчастотный GPS/ГЛОНАСС приемник NovAtel DL-V3 с авиационной ГНСС-антенной. На п. «Потанинский» (АО «СНИИГГиМС») устанавливалась базовая станция Leica Viva GS10. После размещения ГНСС-аппаратуры на переносной ПГК выполнено сканирование по заранее разбитым профилям на тестовом участке. По результатам сканирования были получены кинематические измерения, которые затем обрабатывались относительным методом и методом PPP в программах Topcon Tools и Waypoint GrafNav, соответственно. На рис. 2 показаны результаты обработки кинематических данных.
Из рис. 2 видно, что на началах и концах профилей, где располагается граница лесополос, ГНСС-измерения обрабатывались менее качественно, чем в местах с открытым радиогоризонтом.
Рис. 2. Обработка ГНСС-измерений на тест-объекте в различных программных продуктах
Одновременно с высокоточными ГНСС-измерениями дополнительно велась запись кодовым навигационным ГЛОНАСС/GPS приемником. Его измерения оказались менее подверженными влиянию закрытого радиогоризонта и многопутности.
На рис. 3 приведены результаты сравнений траекторий, полученных кодовым навигатором и геодезической ГНСС-аппаратурой.
Рис. 3. Сравнение траекторий, полученных кодовым навигатором и геодезической ГНСС-аппаратурой с обработкой различными методами
Наличие грубых выбросов в решениях, полученных ГНСС-приемником геодезического класса, объясняется наличием срывов в наблюдениях фазы несущей вследствие низкого расположения антенны, многопутности и наличия объектов местности, заслоняющих радиогоризонт [8-10]. Вопросам минимизации влияний срывов слежения фазы и наличия переотражённых сигналов при ГНСС-измерениях посвящен ряд исследований и разработок [11-17].
Другой возможной причиной наличия грубых выбросов являются плохие результаты обработки, полученные в коммерческих программных продуктах [18-19].
Систематический сдвиг траекторий, полученных относительным методом, объясняется несоответствием параметров пересчета из WGS-84 в СК-95 по ГОСТ [20]. При использовании локальных параметров, данный систематический сдвиг полностью устраняется.
Выводы: Аппаратура геодезического класса точности при отсутствии программно-аппаратных средств минимизации влияния срывов слежения фазы и при наличии многопутности, не обеспечивает точности, заявленной в ее характеристиках.
Для получения заявленной точности ГНСС-аппаратурой геодезического класса необходимо:
- выбрать ГНСС-аппаратуру, оснащенную специальными антеннами, подавляющими многопутность [11];
- комплексировать ИНС/ГНСС с использованием специальных алгоритмов восстановления срывов наблюдения фазы [12, 13];
- использовать специальные математические алгоритмы при постобработке, основанные на различных фильтрах и анализе данных [14-17, 21];
- фильтровать данные, полученные ГНСС-аппаратурой геодезического класса, данными с кодового ГНСС-приемника.
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. Антонович К. М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии : монография. В 2 т. Т. 2. - М. : Картгеоцентр, 2006. - 360 с.: ил.
5. 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.
6. El-Rabbany, Ah. Introduction to GPS / Ah. El-Rabbany. - British Library Cataloguing in Publication Data. - 2002. - 176 p. - Англ.
7. 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.
8. Михайлов С. В. Влияние многолучевости распространения радиоволн от навигационного космического аппарата на точность определения координат GPS-приемником // Беспроводные технологии. - 2006. - № 2. - С. 60-71.
9. Weil L. R. Conquering multipath: GPS Accuracy Battle [Text] GPS World. - 1997. -№ 4. - P. 59-66. - Англ.
10. Groves P.D. Multipath vs NLOS signals [Text] Inside GNSS - 2013. - № 6. -P. 40-44. - Англ.
11. Антонович К. М., Косарев Н. С., Липатников Л. А. Контроль фазовых измерений ГНСС-приемника с атомными часами // Вестник СГУГиТ. - 2014. - Вып. 3. - С. 3-20.
12. Yang, H. Global Navigation Satellite System Multipath Mitigation Using a Wave-Absorbing Shield [Text] H.Yang, X. Yang, B. Sun, H. Su // Sensors. - 2016. - 16. 1332. - Англ.
13. Solovyev, A. Assessment of GPS Signal Quality in Urban Environments Using Deeply Integrated GPS/IMU [Text] A. Soloviev, D. Bruckner, F. v. Graas, L. Marti // Proceedings of the ION NTM 2007. San Diego. - P. 815-828. - Англ.
14. Ford, T. MEMS Inertial on an RTK GPS Receiver: Integration Options and Test Results [Text] T. Ford, J. Hamilton, M. Bobye, J. R. Morrison, B. Kolak // Proceedings of the ION NTM 2003. - P. 466-477. - Англ.
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. Yedukondalu, K. Estimation and mitigation of GPS multipath interference using adaptive filtering [Text] K. Yedukondalu, A. D. Sarma, V. Satya Srinivas // Progress In Electromagnetics Research M, 2011. - Vol. 21. - P. 133-148. - Англ.
18. Шевчук С. О., Косарев Н. С. Исследование коммерческих программ постобработки измерений ГНСС в режиме кинематики для геодезического обеспечения аэрогеофизических работ. Первые результаты // Интерэкспо ГЕО-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 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. 113-124.
20. ГОСТ 32453-2013 Глобальная навигационная спутниковая система. Системы координат. Методы преобразований координат определяемых точек. - М. : Стандартинформ, 2013. - 19 с.
21. Косарев Н. С. Восстановление фазы несущей: проблемы и пути решения // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 1 (17). - С. 53-60.
© С. О. Шевчук, Н. С. Косарев, К. И. Малютина, К. В. Киселев, В. М. Жидов, 2018
