CC BY
320
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ТОЧНОГО ТОЧЕЧНОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ДЛЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКИХ РАБОТ
Станислав Олегович Шевчук
ФГУП «Сибирский научно-исследовательский институт геологии, геофизики и Минерального сырья», 630108 Новосибирск Красный проспект, 67, инженер отдела геодезического обеспечения геолого-геофизических работ, тел. (383)22-45-86, e-mail: [email protected]
В статье проведены исследования метода точного точечного позиционирования (PPP) в режиме быстрой статики и кинематики с целью оценки возможности его применения для геодезического обеспечения геолого-геофизических работ.
Ключевые слова: GPS, Precise Point Positioning, PPP, метод обработки, двухчастотные измерения, точность позиционирования, статика, кинематика.
RESEARCHING OF PRECISE POINT POSITIONING TECHNIQUE FOR GEODETIC SUPPORT OF GEOLOGIC AND GEOPHISYC PROSPECTING WORKS
Stanislav O. Shevchuck
Siberian Research Institute of Geology, Geophysics and Mineral Raw Materials (SNIIGGiMS), 67 Krasniy Prospekt, Novosibirsk, 630108, Russian Federation, tel.: (383)22-45-86, e-mail: [email protected]
The article researches Point Precise Positioning (PPP) technique in rapid static and kinematic modes to assess the possibility it for applications to geodetic support of geological and geophysical prospecting works.
Key words: GPS, Precise Point Positioning, PPP, processing technique, dual-frequency, accuracy of positioning, static, kinematic.
Среднеквадратическая погрешность при выполнении спутникового позиционирования абсолютным (точечным) методом обычно составляет 3-5 м, в отличие от позиционирования дифференциальным и относительным методами, позволяющих достигать точности первых сантиметров и даже миллиметров [1,2].
В настоящее время за счёт развития систем информационной поддержки ГНСС, точность позиционирования абсолютным методом может быть значительно повышена за счёт применения точных апостериорных параметров орбит (эфемерид) и поправок к спутниковым часам. Это является основой метода высокоточного точечного позиционирования PPP (Point Precise Positioning). Данный метод обеспечивает сантиметровую точность позиционирования при постобработке [3,4]. Главным преимуществом данного метода является отсутствие затрат на размещение базовых станций или заказа платных дифференциальных RTK-поправок.
Реализовать метод PPP можно в специальном ПО (WayPoint GrafNav, GIPSY, Bernese) только для измерений двухчастотных кодово-фазовых приёмников (хотя ведутся исследования и для одночастотных [5]).
Файлы эфемерид и часов можно получить с серверов международной службы глобальных навигационных спутниковых систем (IGS - International GNSS Service). IGS является международной научной организацией, получающей посредством обработки измерений сети ГНСС-станций различные иформационные данные, применяемые как в научных, так и практических целях [6]. В сеть активных станций IGS входит более 350 постоянно действующих приёмников с фиксированными координатами в системе ITRF. На территории Российской Федерации располагается более 12 станций IGS.
Файлы эфемерид и часов загружаются на сервера IGS через Интернет с определёнными задержками. Доступ к ним бесплатный (кроме поправок, которые можно заказать для получения в реальном времени).
С типами данных, предоставляемых IGS и задержками их получения можно ознакомиться на сайте организации [7].
В данной статье представлена обработка по быстрым (Rapid) и окончательным (Final) файлам орбит и поправок к часам. Точность (СКП) в обоих случаях составляет 2.5 см для орбит и 0,075 нс - для спутниковых часов. «Быстрые» файлы доступны уже на следующие сутки по Гринвичу, однако получены с учётом меньшего количества станций. Окончательные файлы орбит и часов спутников (включая орбиты спутников ГЛОНАСС с точностью 5 см) доступны через 12-18 суток [7].
В данной статье проведены исследования метода PPP с целью оценки возможности его применения для геодезического обеспечения геологогеофизических работ.
Исследования проводились с двухчастотной GPS/ГЛОНАСС аппаратурой NovAtel DL-V3 и Leica GS10, обработка данных осуществлялась в программе WayPoint GrafNav.
Первый этап исследований включал в себя выполнение статических измерений на трёх эталонных реперных пунктах, расположенных в условиях открытой для прохождения спутниковых сигналов местности. Эти исследования были направлены на определение необходимого для получения сходящегося решения по PPP в режиме быстрой статики.
Было проведено по 6 сеансов продолжительностью 1, 10, 30 и 60 минут с интервалом записи данных 1 секунда. Обработка производилась по быстрым (Rapid) и окончательным (Final) файлам эфемерид и часов.
Для оценки надёжности решения создателями программного обеспечения GrafNav был введён коэффициент Q, далее приводимый в тексте статьи для удобства оценки результатов измерений:
- Фиксированное целое решение, Q=1 (точность 0 - 0,15 м);
- Зашумлённое целое или сходящееся плавающее решение, Q=2
(точность 0,05 - 0,4 м);
- Сходящееся плавающее решение, Q=3 (точность 0,2 - 1 м);
- Сходящееся плавающее решение, Q=4 (точность 0,5 - 2 м);
- Плавающее БОРБ-решение (по коду), Q=5 (точность 1 - 5 м);
- Плавающее БОРБ-решение (по коду), Q=6 (точность 2 - 10 м);
Погрешности результатов измерений, обработанных по быстрым и окончательным поправкам приведены в таблице 2.
Таблица 2. Значения СКП местоположения в плане (ті) и по высоте (тЬ) результатов измерений в абсолютном режиме с постобработкой по алгоритму
РРР с использованием быстрых и окончательных поправок
Продолжительность сеанса Q СКП
Быстрые поправки Окончательные поправки
ml, м mh, м ml, м mh, м
1 мин 6 2,015 2,457 2,215 3,204
10 мин 3,4 0,680 0,636 0,701 0,579
30 мин 2 0,415 0,679 0,404 0,662
60 мин 2 0, 071 0,377 0,066 0,377
В результате сделан вывод, что для получения решения с точностью в плане порядка нескольких сантиметров, сеансы наблюдений должны иметь продолжительность не менее часа, что подтверждает исследования, приведённые в [4]. По необходимой продолжительности наблюдений метод PPP проигрывает относительному и дифференциальному методам.
Из таблицы 2, также видно, что различия между результатами обработки по быстрым и окончательным поправкам при фазовом решении составляют единицы сантиметров.
На следующем этапе исследований были проведены измерения в условиях различной сложности приёма спутниковых сигналов на семи эталонных реперах, расположенных в открытой местности, около препятствий (граница леса) и в залесённой местности (смешанный лес с преобладанием деревьев хвойных пород). Данные исследования важны в первую очередь для оценки возможности применения метода PPP для геодезического обеспечения геологогеофизических исследований, зачастую проводимых в сложных физикогеографических условиях.
Продолжительность наблюдений составляла 45 минут, угол горизонта задавался при обработке и составлял 15°.
Для сравнения была произведена обработка относительным методом с базовой станцией Leica GS-10. Величина базовой линии составляла от 12,5 до 20 км. В качестве ровера в данном эксперименте выступал приёмник NovAtel DL-V3 и второй приёмник Leica GS-10. Результаты приведены в таблице 3.
Таблица 3. Значения СКП результатов измерений с постобработкой по алгоритму РРР и относительным методом в различных условиях приёма
сигнала
Местность Приёмник Относительный метод Метод РРР по окончательным поправкам
Q тшь м mh, м Q ттъ м mh, м
Открытая местность NovAtel DL-V3 2 0,04 0,08 2 0,27 0,69
Leica GS10 2 0,03 0,17 2 0,32 1,23
Г раница леса NovAtel DL-V3 2 0,10 0,64 2 0,36 0,93
Leica GS10 2 0,03 0,18 2 0,45 1,23
Хвойный лес NovAtel DL-V3 3-6 2,40 3,02 3-6 2,74 3,55
Leica GS10 2-4 2,29 2,41 2-4 1,94 0,84
Примечание: в таблице 3 не приводятся погрешности для данных, обработанных методом РРР по быстрым файлам поправок, т.к. их разности с результатами обработки по окончательным данным не превышали 2 см.
В случае выполнения измерений на границе леса и в открытой местности, результаты, полученные относительным методом, оказались точнее результатов обработки по РРР. В лесу точности оказались примерно одинаковыми (2-3 м) для обоих режимов.
В заключение были проведены кинематические испытания с аппаратурой того же состава. Испытания проводились в Мошковском районе Новосибирской области на трассе М-53, приёмники закреплялись на крыше автомобиля. Заезды проводились в прямом и обратном направлении. Величина базовой линии для обработки измерений относительным методом составляла от 30 до 35 км.
Было выполнено три сеанса измерений в режиме непрерывной кинематики. Перед стартом записи трека проводилась статическая инициализация 25-40 минут.
Оценка точности кинематических данных является нетривиальной задачей. В данном случае была выполнена оценка точности по измеренным на местности расстояниям ширины дорожного полотна и оценка расхождений между соответственными точками треков, обработанных относительным методом и методом РРР.
Другими словами, оценка точности кинематических измерений по измеренным расстояниям заключалась в измерении расстояний между точками прямого и обратного направлений трека и сравнение его с шириной дорожного полотна, измеренной на местности на характерных участках дороги. На протяжении маршрута испытаний было выделено 10 характерных участков, для которых было выполнено измерение ширины проезжей части (Ь) с помощью лазерной рулетки. Для вычисления истинных отклонений между точками записанного трека и соответственных расстояний на местности, высчитывалась ширина трека (принимавшаяся как истинная) с учётом положения антенн
приёмников на автомобиле (Ь1, Ь2), как показано рисунке 1. Результаты оценки точности для обработки обоими методами показаны в таблице 4.
Рис. 1. Вычисление истинных расстояний между прямым и обратным
направлениями треков
Таблица 4. Оценка точности кинематических измерений по измеренным расстоянияммежду прямыми и обратными направлениями
Метод Истинные СКП в плане, м
NovAtel DL-V3 Leica GS-10
Трек1 Трек2 ТрекЗ Трек1 Трек2 ТрекЗ
Относительный 0,80 0,77 0,83 0,80 0,67 0,92
PPP 0,72 0,72 0,64 0,52 0,48 0,75
Треки, полученные различными методами, имеют между собой сдвиги (в плане и по высоте). График разностей в положении точек трека по трём составляющим приведён на рисунке 2 (на примере трека 1 Leica GS-10).
Секунды от начала записи
Рис. 2. Отклонения соответственных точек треков, полученных в результате обработки методом PPP и относительным методом (соответствует нулевому значению) на примере трека 1 приёмника Leica GS-10
В данном случае будем считать трек, обработанный относительным методом - истинным, и получим статистику разностей Ai и СКП отклонений точек трека, обработанного методом PPP, таблица 5.
Таблица 5. Отклонения точек треков, обработанных методом PPP от соответственных точек треков, полученных в результате обработки
относительным методом
Величина NovAtel DL-V3 Leica GS10
Трек 1 Трек 2 Трек 3 Трек 1 Трек 2 Трек 3
Средние значения разностей ЛХСр -0,544 -0,918 -0,788 -0,006 0,057 0,066
р о >н Л -0,141 0,168 0,112 0,266 0,332 0,429
ЛНср -1,081 -1,648 -0,963 -0,947 -0,868 -0,826
Максимальные разности ЛХмакс -2,506 -1,732 -3,014 -0,098 0,179 0,180
ЛУ Л 1 макс -0,850 0,977 1,618 0,337 0,440 0,514
ЛНмакс -5,792 -4,834 -4,815 -1,128 -1,032 -0,966
СКП Шх 0,644 0,958 0,840 0,029 0,072 0,076
тУ 0,310 0,253 0,238 0,269 0,335 0,431
Шху 0,714 0,990 0,873 0,271 0,343 0,437
Шн 1,340 1,756 1,145 0,949 0,872 0,829
Данные, приведённые в таблице 5, а также на графике (см. рисунок 2) позволяют сделать выводы о систематическом характере погрешностей в измерениях, обработанных методом PPP, что, возможно, обусловлено разными отсчётными системами и погрешностями в исходных данных.
В результате проведённых исследований были сделаны следующие выводы:
- В штатных условиях, для получения надёжного и точного статического решения методом PPP необходимая продолжительность измерений составляет не менее 30 мин для дециметровой точности в плане и по высоте;
- При наблюдениях продолжительностью 60 мин возможно получение точности уровня нескольких сантиметров в плане и первых дециметров по высоте;
- Разности между решениями методом PPP по быстрым (Rapid) и окончательных (Final) файлам орбит и поправок к часам составляют единицы сантиметров, что позволяет сделать вывод о том, что во многих случаев достаточно получить быстрые файлы поправок, доступные уже через сутки после проведения измерений;
- При наличии единичных препятствий и частичном закрытии радиогоризонта (граница леса) точность метода PPP в режиме статики снижается незначительно и составляет единицы дециметров, однако такие результаты, возможно, получены в большей степени благодаря техническим и программным решениям самой аппаратуры;
- В залесённой местности, метод PPP (как и относительный) позволяет получить только кодовое решение точностью порядка нескольких метров;
- В кинематическом режиме точность в плане (полученная по расстояниям, измеренным на местности) находилась в пределах 0.5-0.9 м, однако имелись систематические погрешности (0.3-0.9 м в плане и 0.9-1.7 по высоте), если сравнивать с результатами измерений, обработанных относительным методом (возможно, из-за погрешностей пересчёта исходных данных).
Таким образом, основным достоинством метода PPP является возможность получения координат с точностью первых дециметров (и даже единиц сантиметров) в плане и по высоте без необходимости в наличии базовой станции с известными координатами, что значительно снижает затраты при организации полевых работ. Это особенно важно при проведении геологогеофизических исследований, зачастую проводимых на труднодоступных территориях со слабо развитой инфраструктурой опорной геодезической сети.
Основными недостатками метода являются: необходимость доступа в Интернет; наличие задержек в получении информации; необходимой для обработки; слабая адаптация под систему ГЛОНАСС; зависимость решения от качества данных, предоставляемых Международной GNSS-службой (IGS).
В целом, данный метод может использоваться для решения задач навигационно-геодезического обеспечения геолого-геофизических работ в случае, когда требуется достичь субметровой точности позиционирования в статике или кинематике.
Автор выражает благодарность сотрудникам отдела геодезического обеспечения геолого-геофизических работ ФГУП «СНИИГГиМС» за помощь в организации и проведении исследований.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Антонович, К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии [Текст]. В 2 т. Т. 2. Монография / К.М. Антонович; ГОУ ВПО «СГГА»; М.: ФГУП «Картгеоцентр», 2006. - 360 с.: ил.
2. Серапинас Б.Б. Глобальные системы позичионирования [Текст] / Б.Б. Серапинас М.: ИКФ «Каталог», 2002. - 106 с.
3. Виноградов, А.В. Оценка точности метода Precise Point Positioning и возможности его применения при кадастровых работах [Текст] / А.В. Виноградов, А.В. Войтенко, А.Ю. Жигулин // Геопрофи. - 2010. - №2. - с. 27 - 30.
4. Bisnath S. Precise Point Positioning - A Powerful Technique with a Promising Future [Text] / S.Bisnath, Y.Gao - Англ. - GPS World. - 2009. - №4. - p.43-50.
5. Real-time single-frequency precise point positioning: accuracy assessment[Electronic resource] / Springer - Англ. - Режим доступа:
http://www.springerlink.com/content/b2622458v5043642/fulltext.html
6. About IGS [Electronic resource] / IGS Tracking Network - Англ. - Режим доступа: http://www.igs.org/overview/viewindex.html.
7. IGS Data & Products [Electronic resource] / IGS Tracking Network - Англ. - Режим доступа: http://igscb.jpl.nasa.gov/components/prods.html.
© С.О. Шевчук, 2012
