CC BY
29
УДК 527:[528.71+550.3+629.783]
ВЫПОЛНЕНИЕ НАВИГАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
НАЗЕМНЫХ И АЭРОГЕОФИЗИЧЕСКИХ РАБОТ C ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
СОВРЕМЕННОГО ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
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: [email protected]
Вячеслав Николаевич Никитин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры фотограмметрии дистанционного зондирования, тел. (913)712-37-50, e-mail: [email protected]
Сергей Владимирович Барсуков
ЗАО «Аэрогеофизическая разведка», 630007, Россия, г. Новосибирск, ул. Октябрьская магистраль, 4, оф. 1207, инженер-геофизик, тел. (913)717-21-70, e-mail: [email protected]
Статья описывает этапы подготовки и выполнения навигационного обеспечения аэро-и наземных геофизических работ на примере использования навигационного комплекса на основе авторской программы RouteNav.
Ключевые слова: ГНСС, GPS, навигация, аэрогеофизика, программа, выдерживание маршрутов
PROVIDING THE NAVIGATION SUPPORT OF GROUND AND AERIAL GEOPHYSICAL WORKS WITH MODERN DEVICES AND SOFTWARE
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: [email protected]
Vyacheslav N. Nikitin
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Ph. D., Associate Professor at the Department of Photogrammetry and Remote Sensing, phone: (913)712-37-50, e-mail: [email protected]
Sergey V. Barsukov
CJSC «Aerogeophysical Surveys», 4, Oktyabrskaya Magistral St., of. 1207, Novosibirsk, 630007, Russia, Geophysicist, phone: (913)717-21-70, e-mail: [email protected]
The article considers the steps of preparing and providing the navigational support of aerial and ground geophysical works. The navigational complex based on RouteNav software is used for example.
Key words: GNSS, GPS, navigation, aero geophysics, software, route maintenance.
Навигационное обеспечение геофизических работ
Навигационное обеспечение геолого-геофизических работ включает в себя комплекс мероприятий по определению местоположения, проводки носителя геофизической аппаратуры по проектным маршрутам и выдерживанию допустимых величин уклонений от проектных маршрутов и других навигационных параметров [1-3].
Принципиальными этапами навигационного обеспечения наземных и аэрогеофизических исследований являются:
- подготовительные работы (подбор навигационных карт, выбор и подготовка аппаратуры, нанесение проектных маршрутов на геодезическую основу, занесение проектных маршрутов в память навигационной аппаратуры);
- навигационное сопровождение съемки (включая выход на участок работ, выдерживание проектных маршрутов с контролем уклонений, возвращение на базу или пункты временного базирования);
- анализ качества навигационного сопровождения, создание отчетной документации.
Как правило, навигационное обеспечение включают в общий комплекс с геодезическим обеспечением, однако при геодезическом обеспечении решаются принципиально другие задачи, а результат зачастую может быть получен при камеральной обработке [2, 3].
Навигационное обеспечение выполняется с помощью специализированной навигационной аппаратуры (в первую очередь, приемников глобальных навигационных спутниковых систем - ГНСС), которая может являться как моноблочной, так и быть представленной в виде комплекса из различных программно-аппаратных компонентов.
Навигационные программно-аппаратные комплексы
Примером программно-аппаратного навигационного комплекса может являться комплекс на основе программы Яо^еКау [6].
Данная программа была разработана для целей навигационного сопровождения аэрогеофизических работ, в том числе со сложными электромагнитными комплексами [4, 5]. Функции Яо^еКау подробно описаны в публикациях [7-9].
Программа подходит для выполнения навигационного обеспечения как аэро-, так и наземных геофизических работ как по прямолинейным, так и криволинейным маршрутам (например, при полете по горизонталям или исследовании протяженных линейных объектов). Преимуществами данной программы является автоматический переход с маршрута на маршрут, визуальный контроль уклонений и высот, возможность анализа качества навигационного сопровождения.
Кроме Яо^еКау имеются программы, реализующие те же функции полностью или частично [10-12].
Навигационные комплексы, как правило, включают в себя навигационную аппаратуру, специальное программное обеспечение и аппаратуру вывода.
В состав навигационного комплекса на основе RouteNav входят:
- кодовый ГНСС-приемник с USB/COM-интерфейсом;
- портативный компьютер или планшет оператора на базе операционной системы Windows XP/Vista/7/8/10.
Дополнительно могут добавляться:
- дублирующий экран (может использоваться, например, для размещения в кабине пилотов);
- высотомеры (при необходимости строгого выдерживания высот полета);
- второй ГНСС-приемник (например, для отслеживания выносных/прицепных конструкций).
Функционал навигационных комплексов позволяет отказаться от бумажных навигационных карт (а в некоторых случаях, и услуг штурмана) и предполагает высокую автоматизацию навигации, что вносит изменение в общую методику навигационного обеспечения геофизических работ.
На примере комплекса, использующего RouteNav, могут быть детально рассмотрены этапы навигационного обеспечения геофизических работ.
Подготовительные работы
На этапе подготовительных работ выполняется создание проекта полета. Предварительно должен быть выполнении подбор подходящей аппаратуры и проверка функционирования навигационного комплекса.
Создание проекта в RouteNav полета может осуществляться в пошаговом режиме с помощью «Мастера создания проекта» (Project Wizard), рис. 1.
Рис. 1. Мастер создания проекта полета
Создание проекта полета состоит из следующих шагов:
- указание имени файла проекта, установка его на автозапуск (при необходимости);
- установка главных настроек проекта (режим работы программы - в реальном времени или воспроизведение; наличие дополнительных устройств; наличие растровых карт/космоснимков в качестве подложек и пр.);
- настройка параметров соединения с ГНСС-приемником (настройки COM/USB, параметры автоматического поиска порта устройства, периодичность опроса порта);
- загрузка файла проектных маршрутов (при необходимости может быть создан с помощью специальной утилиты по координатам границ участка съемки, рис. 2);
Рис. 2. Утилита автоматического разбиения съемочного участка на маршруты
- задание параметров прохождения маршрута (порядок автоматической смены маршрутов, шаг и метод смены, максимально допустимая величина уклонений, предельная скорость и пр.);
- настройка связи с дополнительными устройствами (высотомерами и пр.);
- установка допусков выдерживания высот (при наличии высотомеров);
- загрузка растровых подложек - навигационных карт или космоснимков (переводятся в специальный геопривязанный формат с помощью утилиты Raster или загружаются для использования оффлайн из GoogleEarth с помощью утилиты GetMap, рис. 3);
Рис. 3. Встроенные в RouteNav подпрограммы импорта растровых подложек: утилита геопривязки растровых карт Raster (слева) и утилита загрузки снимков сервиса Google Earth (справа)
- настройка параметров управления (автоматическое переключение масштаба и режима съемки, настройки мыши и джойстика);
- настройка оформления карты-схемы (размер и цвет условных знаков; информационные панели;
- ввод координат пункта базирования (при отсутствии координат базы, они будут присвоены от перового принятого измерения).
При создании проекта порядок шагов может быть изменен, а доступ к ним возможен посредством интерактивного меню в левой части окна. Проект полета может быть изменен в дальнейшем, в том числе, непосредственно перед полетом.
Для проверки проекта могут быть выполнены модельные испытания с помощью утилиты, имитирующей полет [13]. Сымитированный полет можно будет воспроизвести для тестирования настроек интерфейса и параметров автоматического масштабирования и смены режима.
Навигационное сопровождение съемки
Непосредственное выполнение съемочных работ может быть условно разбито на несколько процессов каждому из которых соответствует свой режим пилотирования:
- подлет к участку работ;
- заход на маршрут;
- выдерживание маршрута (с контролем уклонений);
- возвращение на пункт базирования.
Выполнение работ максимально автоматизировано. Интерфейс программы в виде карты-схемы с информационной панелью позволяет выполнять пилоти-
рование и контроль без участия отдельного штурмана. На рис. 4 показан интерфейс программы при выполнении различных операций.
Рис. 4. Визуализация различных режимов пилотирования для одного и того же полета: а) полет к участку работ; б) заход на маршрут; в) выдерживание маршрута
В зависимости от критериев, заданных в проекте полета, в процессе съемки автоматически изменяется масштаб и режим пилотирования (с возможностью ручного вмешательства), маршруты автоматически сменяются по прохождении, с заданным шагом и по заданному алгоритму, а также предлагается траектория захода на следующий маршрут. Пройденному маршруту дается статистическая оценка качества его выдерживания.
В режиме выдерживания маршрутов, показываются величины боковых уклонений. В зависимости от настроек, в случае уклонений, превышающих заданное предельное значение, программа потребует выполнить повторный залет на маршрут.
При превышении предельных величин навигационных параметров (скорости, боковых уклонений, высот полета), соответствующие индикаторы подсвечиваются с использованием пульсирующей цветовой анимации.
Имеется возможность контроля со стороны оператора-геофизика. В этом случае программа может быть запущена на ПК оператора геофизической съемки. При этом карта-схема и необходимая информация могут выводиться на экран в кабине пилотов, а оператор-геофизик в специальном режиме будет иметь масштабируемую миниатюру или информационную панель с краткой информацией о текущем этапе полета, маршруте, уклонении от него и пр.
Анализ качества навигационного сопровождения
Ошибки пилотирования и навигационного обеспечения могут иметь серьезные последствия при дальнейшей обработке отснятого геофизического материала и значительно повлиять на его качество.
Несмотря на наличие контроля выдерживания навигационных параметров в процессе съемки, иногда может потребоваться контроль и анализ качества выдерживания навигационных параметров для каждого маршрута.
Для этих целей существует встроенная в RouteNav утилита Fly Estimate, позволяющая получить отчет по каждому маршруту, рис. 5.
Оценивание качества пилотирования происходит по критериям, показанным в таблице. В случае оценивания по двум параметрам, из двух оценок берется худшая.
Критерии оценки выдерживания маршрутов
Оценка Высоты над земной поверхностью Уклонения от маршрута
A (ОК) Вне допусков менее 10% СКП менее 0,5 заданного допуска
B (удовл.) Вне допусков 50%, грубый брак менее 10% СКП менее 0,75 заданного допуска
C (грубо) грубый брак менее 25% СКП менее 1 заданного допуска
D (брак) грубый брак более 25% СКП больше заданного допуска
Рис. 5. Утилита контроля качества пилотирования Fly Estimate
Под грубым браком подразумевается процент точек траектории, для которых высота ниже допустимого минимума или выше максимума, умноженного на коэффициент 1,1 (110%). Такой критерий добавлен на основании анализа эмпирических данных, по которым был сделан вывод, что при съемках на сверхмалых высотах большинство измерений берется у верхней границы допустимой высоты.
В настоящее время в разработке находится более продвинутая супервай-зерская утилита, имеющая более гибкие настройки критериев оценки.
Выводы
Из выше сказанного можно сделать вывод, что при использовании современных программно-аппаратных навигационных комплексов наибольшая ответственность ложится на исполнителя, в первую очередь на этапе подготовки проекта полета. Процесс навигационного сопровождения максимально автоматизирован, а ошибки пилотирования могут быть выявлены как оперативно в полете, так и при постполетном анализе.
Использование современной аппаратуры и программ в значительной мере повышает удобство и эффективность навигационного обеспечения, позволяет уменьшить вероятность ошибок оператора и количество членов экипажа в кабине пилотов (за счет отсутствия необходимости наличия оператора-штурмана). Перечисленное очевидно должно повысить качество получаемого съемочного материала и снизить процент отбраковываемых данных.
Вместе с этим, существует ряд инноваций, совершенствующих методику геодезического обеспечения наземной и аэрогеофизики (например, рассмотренные в [7, 14-18]). Применение навигационных комплексов совместно с ними суммарно позволит достичь качественно нового уровня навигационно-геодезического обеспечения геолого-геофизических работ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Инструкция по топографо-геодезическому и навигационному обеспечению геологоразведочных работ. - Новосибирск: СНИИГГиМС, 1997. - 106 с.
2. 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.
3. Глаголев В. А. Спутниковое навигационно-геодезическое обеспечение геофизических измерений в движении.- СПб.: ВИРГ-Рудгеофизика, 2003. - 104 с.
4. Тригубович Г. М. Инновационные поисково-оценочные технологии электроразведки становлением поля воздушного и наземного базирования // Разведка и охрана недр. -2007. - № 8. - С. 80-87.
5. Kamenetsky F. M., Stettler E. H., Trigubovich G. M. Transient Geo-Electromagnetics / Англ. - Ludwig-Maximilian-University of Munich. Dept. of the Earth and Environmental Sciences. Section Geophysics. - Munich, 2010. - 296 p., 2010. - 296 c.
6. 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.
7. 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.
8. 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.
9. Шевчук С. О. Программа для навигационного обеспечения аэрогеофизических работ RouteNav / Вестник СГУГиТ. - 2017. - № 4. (22). - С. 113-125.
10. CCNS-5 / IGI - Integrated Geospatial Innovations [Electronic Resource] Режим доступа : http://www.igi-systems.com/ccns-5.html - Англ.
11. Жодзишский П. Ю., Пухов В. А. Повышение эффективности выполнения аэрогеофизических исследований // Геопрофи. - 2010. - № 2. - С. 23-25.
12. Технологии / ООО «Геолого-геофизическая компания» [Электронный ресурс] Режим доступа : http://www.geogk.ru/rus/technologies.shtml.
13. Шевчук С. О., Косарев Н. С., Ганагина И. Г. Применение программы-симулятора в преподавании геодезических и фотограмметрических дисциплин // АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ОБРАЗОВАНИЯ. Инновационные подходы в образовании. Междунар. науч.-метод. конф. : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 23-27 января 2017 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2017. Т. 1. - С. 56-62.
14. Кузин, В. И., Шевчук С. О., Никитин В. Н. Фотограмметрический способ и устройство для определения истинной высоты выносной вертолётной платформы аэрогеофизического комплекса «Импульс-Аэро» // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъёмка. - 2013. -№ 4/С. - С. 86-92.
15. Шевчук С. О., Косарев Н. С. Применение метода точного точечного позиционирования (PPP) для геодезического обеспечения аэроэлектроразведочных работ // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск : СГГА, 2012. Т. 2. - С. 239-244.
16. Вовк И. Г. Геометрическое моделирование движения систем в задачах прикладной геоинформатики // Вестник СГУГиТ. - 2015. - № 2. - С. 72-77.
17. Антонович К. М., Косарев Н. С., Липатников Л. А. Контроль фазовых измерений ГНСС-приемника с атомными часами // Вестник СГУГиТ. - 2014. - № 3. - С. 3-20.
18. Вахрушева А. А. Технологии позиционирования в режиме реального времени // Вестник СГУГиТ. - 2017. - № 1. - С. 170-177.
© С. О. Шевчук, В. Н. Никитин, С. В. Барсуков, 2018
