CC BY
17
НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ, Т. 13. № 5-2021
АВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА с1сн: 10.36724/2409-5419-2021-13-5-4-12
ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ СМЕЩЕНИЙ ФАЗОВОГО ЦЕНТРА СПУТНИКОВОЙ ГЕОДЕЗИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ
МОРОЗОВ
Дмитрий Андреевич1 КУЗНЕЦОВ
Дмитрий Александрович2 ЛЕВЕ
Дмитрий Евгеньевич3
ПЕРМИНОВ
Алексей Юрьевич4
Сведения об авторах:
1 преподаватель кафедры Прикладной геодезии, Московский Государственный Университет Геодезии и Картографии, Москва, Россия, [email protected]
2 преподаватель кафедры Прикладной геодезии, Московский Государственный Университет Геодезии и Картографии, Москва, Россия, [email protected]
3 преподаватель кафедры Прикладной геодезии, Московский Государственный Университет Геодезии и Картографии, Москва, Россия, [email protected]
4 преподаватель кафедры Прикладной геодезии, Московский Государственный Университет Геодезии и Картографии, Москва, Россия, [email protected]
АННОТАЦИЯ
Введение: Для оценки точности определения координат, получаемых различными методами позиционирования и технологиями обработки данных, используются специальные экспериментальные установки - системы пространственных смещений фазового центра антенны. В работе рассматривается проектирование автоматизированной системы пространственных смещений фазового центра спутниковой геодезической аппаратуры. Цель исследования: разработка автоматизированной системы пространственных смещений фазового центра спутниковой геодезической аппаратуры. Методы: в процессе работы проводились исследования, направленные формирование требований к автоматизированной системе пространственных смещений фазового центра, анализ конструкции и назначения существующих систем и разработку системы, отвечающей актуальным требованиям. Результаты: представлен анализ отечественного и зарубежного опыта разработки и применения подобных систем, представлена их классификация и выявлены наиболее удачные технические решения. На основании анализа задач, потенциально решаемых системой, разработаны требования к её техническим характеристикам. В соответствии с заданными техническими характеристиками подобрана элементная база и разработана конструкция системы, обеспечивающая антенны приёма сигналов глобальных навигационных спутниковых систем по окружности радиусом от 0 до 500 мм. При этом радиус может динамически изменяться с точностью 0,2 мм. Кроме того, система позволяет изменять положение антенны Глобальных Навигационных Спутниковых Систем по высоте в пределах от 0 до 230 мм с точностью 0,05 мм. Разработанная система не требует постоянного закрепления и может быть перемещена в требуемый район работ. Результаты выполнения работы следует использовать для сборки опытного образца автоматизированной системы пространственных смещений фазового центра спутниковой геодезической аппаратуры. Практическая значимость: Разработанная система может быть использована для проведения кинематических испытаний СГА и проведения широкого спектра исследований в рамках моделирования движений опорной спутниковой станции в условиях влияний техногенного и природного характера. Обсуждение: Дальнейшее развитие системы может включать в себя определение её метрологических характеристик с применением методов ближней фотограмметрии.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: автоматизированная система, ГНСС, системы смещения фазового центра ГНСС-антенн, спутниковая геодезическая аппаратура.
Для цитирования: Морозов Д.А., Кузнецов Д.А., Леве Д.Е., Перминов А.Ю. Проектирование автоматизированной системы пространственных смещений фазового центра спутниковой геодезической аппаратуры // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2021. Т. 13. № 5. С. 4-12. Coi: 10.36724/2409-5419-2021-13-5-4-12
Vol. 13. No. 5-2021, H&ES RESEARCH
AVIATION, SPASE-ROCKET HARDWARE
Введение
Системы для контролируемых смещений антенн приёма сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) и контроля положения фазового центра спутниковой геодезической аппаратуры (СГА) применяются для:
1) испытания точностных характеристик СГА при позиционировании кинематическими методами («кинематика», «кинематика в реальном времени», РРР-кинематика, метод подвижной базы) в условиях, приближённых к реальным;
2) моделирование реальных движений пункта под влиянием техногенных или природных факторов с целью исследования их влияния на результаты статического позиционирования;
3) исследования и испытания систем мониторинга деформаций, основанных на применение спутниковой геодезической аппаратуры;
4) исследования и испытания технологий определения пространственного положения объектов по результатам обработки измерений, выполненных спутниковой геодезической аппаратурой.
Существующие системы смещения фазового центра СГА имеют различную конструкцию, обеспечивающую круговое движение [1, 3], плановые смещения [1-5] и смещения по высоте [4].
Для проектирования автоматизированной системы пространственных смещений фазового центра СГА был выполнен анализ функциональных возможностей существующих систем. Были рассмотрены отечественные разработки на базе таких организаций, как МИИГАиК [1] и ВНИИФТРИ, и опыт иностранных университетов и организаций [2-5].
По результатам анализа сделаны следующие выводы относительно функционала систем пространственных смещений фазового центра СГА:
1) Рассмотренные системы предназначены для контролируемого перемещения в пространстве одной или двух антенн ГНСС по одному или нескольким следующим основным типам смещений:
а) Движение по круговой траектории (вращение);
б) Линейные перемещения в плане;
в) Линейные перемещения по высоте;
г) Наклоны относительно вертикальной оси.
2) Движения производятся в соответствии с заданной программой и могут выполняться как с постоянной скоростью, так и с ускорением. В большинстве систем движения производятся автоматизировано.
3) Положение антенны (антенн) определяется в системе координат, связанной с конструкцией либо контролируется только расстояние до оси вращения, и в редких случаях ориентируется в пространстве при помощи угломерных геодезических инструментов.
4) Дополнительные средства измерений для контроля положения антенн или других элементов системы чаще всего не используются;
Смещения, поддерживаемые в каждой из рассмотренных систем, представлены в таблице 1.
Таблица 1
Сводная таблица функционала по типам движения
№ образца Вращение Смещение в плане/ число осей Смещение по высоте Наклон Одновременно используемые типы
1 + - - - -
2 - + /2 - - -
3 - + /2 - - -
4 + - - - -
5 - + /1 - - -
6 - + /1 + - -
7 - + /1 - - -
8 + + /1 - + +
9 - + /1 + - +
10 - + /1 - - -
11 - - - -
Данные, представленные в таблице, показывают, что почти все рассмотренные системы реализуют плановые смещения либо по одной, либо по двум осям. Половина из существующих систем позволяют реализовать вращение СГА по определённому радиусу. Смещения по высоте и наклоны СГА реализуются в очень ограниченном количестве систем. В основном, одновременно большинство стендов могут выполнять движения только одного типа.
Требования к проектируемой системе
Использование методов, применяющих технологии ГНСС для мониторинга деформаций, имеет ряд преимуществ, которые делают их эффективными с точки зрения времени и экономической эффективности по сравнению с другими подходами. Пространственное положение точки, находящейся на земной поверхности, изменяется под действием тектонического движения и различных геофизических
эффектов, а вектор положения пункта P(t) можно задать в
следующем виде:
? (t) = к+V 0х (t -1 о) + 1ДД0 (1)
г
где: р0 - вектор положения (координаты пункта) на начальную эпоху; у0 - скорость тектонического движения литосферных плит; (t - f 0) - промежуток времени ме^ду двумя эпохами; д Дг) - поправки за геофизические эффекты.
Автоматизированная система пространственных смещений фазового центра СГА может быть использована для определения величин деформаций положения пункта или объекта под влиянием техногенных и природных факторов. Для этого рассмотрим величины деформационных процессов, для которых может быть применена СГА, чтобы определить требования к автоматизированной системе пространственных смещений фазового центра СГА.
В настоящее время активно начинают развиваться и внедряться технологии, позволяющие использовать СГА для наблюдений за деформационными процессами [6-8].
НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ, Т. 13. № 5-2021
АВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА
Наиболее частыми видами деформаций являются оползни, оседания и просадки, мульды сдвижения, землетрясения. Оползни возникают из-за смещений масс горных пород по склону под воздействием собственного веса. Мульды сдвижения поверхности - под влиянием выработки подземным способом.
Деформации земной поверхности, происходящие при землетрясениях, различаются по интенсивности, по пространственным и временным масштабам. По времени действия такие деформации подразделяются на косейсмические -происходят непосредственно в момент землетрясения, и постсейсмические - длящиеся многие годы после сейсмического события. Косейсмические деформации наблюдаются как сейсмологическими, так и геодезическими методами. Постсейсмические деформации наблюдаются только геодезическими методами или моделируются. В настоящее время данную деформацию с высокой точностью можно отслеживать в том числе и с применением ГНСС аппаратуры [9-16].
На рисунке 1 продемонстрирован резкий сдвиг в определяемых координатах пункта методом ГНСС (синяя линия) в связи с землетрясением в Японии 2011 года [16].
Другим видом деформации земной поверхности является субдукция, которая представляет собой процесс продвижения литосферных плит друг под друга. Движение литосфер-ных плит является одним из самых серьёзных видов деформаций земной поверхности, так как может достигать значений от 5 мм до 9.5 см в год. Ряд стран специально развивают на своей территории региональные деформационные сети, такие как: Китайская Народная Республика (КНР) (260 и 2000 станций (СМОШС)) [17-19] и Турция [20].
На рисунках 2 и 3 подремонтированы изменения координат точек земной поверхности, выполненные с применением ГНСС наблюдений на Тибетском плато и на всей территории КНР.
Е "
О -14
120 05
Е 75
.О, 60
"Ел 45
ПЗ зо
1996 1 998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014
2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014
А
1ЭЭ6 1998 2000 2002 2004 2006 2003 2010 2012 2014
Рис. 1. Изменнеие координат пукнта с кодом 0194 в Японии. График взят с официального сайта Международной Службы Вращения Земли (1ЕК8-1ТКТ) [16]
Рис. 2. Деформации Тибетского плато
Рис. 3. Деформации литосферных плит на территории КНР
Vol. 13. No. 5-2021, H&ES RESEARCH
AVIATION, SPASE-ROCKET HARDWARE
На основании приведенных данных, составлена сводная таблица, в которой указаны максимальные, средние и минимальные скорости различных деформационных процессов (таблица 2). Опираясь на отражённые в ней величины, можно сделать вывод, что максимальную скорость деформацией можно наблюдать с применением СГА. Для определения минимальной скорости нужны специальные и протестированные образцы аппаратуры, а также методики, позволяющие оценивать изменения пространственных координат на миллиметровом уровне.
Таблица 2
Скорости деформационных процессов
Для определения требований к точности выполнения системой смещений фазового центра СГА рассмотрим результаты двух экспериментальных исследований:
1) исследование точности относительного кинематического позиционирования по измерениям на нулевой базе.
2) исследование точности позиционирования в режиме «кинематика в реальном времени» при разных расстояниях между подвижным и опорным приёмниками.
Первое исследование выполнено для определения средней квадратической погрешности (СКП) относительного кинематического позиционирования по сигналам GPS и ГЛОНАСС по измерениям на нулевой базе. Под «нулевой базой» имеется в вид подключение двух образцов СГА к одной антенне ГНСС при помощи делителя сигналов. В исследовании использованы два приёмника NovAtel ИехРакб с одинаковыми характеристиками, одна ГНСС антенна NovAtel GNSS-750 и ноутбук с установленной программой Novatel Connect.
По результатам оценки точности для рассмотренного сеанса (общая длина сеанса 65000 секунд) получены следующие параметры:
1) Для измерений по сигналам GPS: = 1.6 мм, тг = 1.3 мм, mz = 10.2 мм;
2) Для измерений по сигналам ГЛОНАСС: = 9.6 мм, тг = 5.1 мм, mz = 11.6 мм;
Полученные значения СКП искажены имеющимися во временных рядах выбросами и не вполне корректно характеризуют точность полученных результатов позиционирова-
ния. В качестве дополнительной характеристики точности вычислено значение погрешности, которое не будет превышено в 95 процентах эпох (M).
1) Для измерений по сигналам GPS: Мх= 2 мм'
Мг = 2 мм, Мг = 5 мм'
2) Для измерений по сигналам ГЛОНАСС: м х = 3 мм'
Мг = 3 мм, Mz = 6 мм'
В качестве опорных станции использовались четыре ДГС (условно обозначенные как: Bl, В2, ВЗ, В4) расположенные на расстояниях 32.7 км, 44.2 км, 52.1 км, 81.1 км соответственно. Исходя из паспортных технических характеристик СГА Уральского оптикомеханического завода (УОМЗ) МР-8 средние квадратические ошибки позиционирования в плане не должны превышать тр в\ = 43.7 мм, трв2= мм,
тр вз = 62.1 мм, тр в4 = 81.1 мм. СКП по высоте не должны превышать тн в\ = ^3-7 мм, тн в2 = ^4.2 мм,
тн,вз = 72Л мм> тн,В4 = 911 мм-
Второе исследование проведено для определения СКП позиционирования в режиме «кинематика в реальном времени» при разных расстояниях между подвижным и опорным приёмниками. Для проведения исследования в качестве подвижных приёмников два образца СГА УОМЗ МР-8. Используемые СГА позволяют производить кодовые измерения по сигналам GPS, ГЛОНАСС, Galileo, BDS с дискретностью до 10 Гц. Подвижные приёмники устанавливались на коротком базисе (длина базиса составляет 0.2 метра). Для каждой установки базовой станции (В1, В2, ВЗ, В4) производился синхронный сеанс позиционирования режиме RTK на обоих подвижных приёмниках. Для передачи дифференциальных поправок ме5вду опорным и подвижными приёмниками использовался встроенный сотовый модем СГА УОМЗ МР-8. Для передачи данных применялся протокол NTRIP.
По результатам исследования получены временные ряды отклонений измеренной длины базиса от истины (рис. 4) и отклонений координат от среднего арифметического (рис. 5).
Полученные временные ряды использованы для оценки точности позиционирования и измерения длины базиса, результаты которой представлены в таблице 3.
— ^^ iJk^fhJ
Г*т1' ~sf«Wn т- 'НПЗ uiomH4esifl«HoeoemsoNmi9r4
-0.0600
Время. чч:мы:сс
Рис. 4. Отклонения измеренной длины базиса от истины для четвёртой установки базовой станции
Тип деформации Максимальная скорость Средняя скорость Минимальная скорость
1 3 4
Косейсмические деформации 5,3 м за1 год 50 см за 1 год 4 см за1 год
Постсейсмические деформации 41 см / год 5 см/год 0,2 см / год
Движение земной коры 9,5 см/год 5 см/год 0,4 см/год
Мульды сдвижения и оседания земной поверхности 39,1 см/год 10 см / год 1,5 см/год
Движение на разломах 20 см/год 5 см/ год 1 мм / год
Карстовые деформации 56,8 см/год - 0, см/год
НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ, Т. 13. № 5-2021
АВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА
Рис. 5. Отклонения координат от среднего арифметического для четвёртой установки базовой станции
Таблица 3
Оценка точности позиционирования в режиме «кинематика в реальном времени»
Сеанс Ошибка по Ошибка по Ошибка по Ошибка в
оси X, мм оси У, мм оси 2, мм плановом смещении, мм
1 7 14 6
2 6 13
3 1 8 11 9
4 10 12
5 7 12 4
6 7 12
7 2 17 29 32
8 1 27 18
Исходя из проведённого анализа, сформулированы следующие требования к проектируемой системе:
1) Дискретность смещений в плане и по высоте должна находиться на субмиллиметровом уровне;
2) Точность смещений в плане и по высоте должна находиться на субмиллиметровом уровне;
3) Система должна обеспечивать как линейные смещения в плане и по высоте, так и вращательные движения;
4) Система должна обеспечивать смещения в широких пределах, не менее 50 см в плане и 20 см по высоте;
5) Система должна обеспечивать скорость линейных смещений не менее 5смв секунду;
6) Система должна обеспечивать поворот антенны СГА вокруг своей оси;
7) Система должна обеспечивать возможность одновременных смещений в плане и по высоте, а также вращательных движений;
8) Система должна обеспечивать возможность установки СГА, не оснащенных аккумуляторными батареями (обеспечивает возможность подключения внешнего питания к СГА, установленной на такой системе);
9) Система должна корректно функционировать при установке антенн ГНСС весом до трех килограмм;
10) Система должна обеспечивать автоматизированное выполнение заданной программы смещений.
Конструкция системы
Общая схема собранной автоматизированной системы пространственных смещений фазового центра СГА представлена на рисунке 6.
Ш Ш
Рис. 6. Общая схема системы
Рассмотрим каждый закрепительный узел системы в отдельности. Узел 1 - объединение линейного шагового актуа-тора с кареткой линейного модуля Ь-500-4247 (рис. 7).
£-^ 1111 / \
! 1
Рис. 7. Узел 1. Вид сбоку
Данное совмещение позволяет производить смещения в горизонтальной плоскости и параллельно с этим, изменять вертикальное положение закрепленной СГА. Ось актуатора проходит по центру каретки. Каретка имеет перфорированную структуру, что позволяет усилить надёжность крепления актуатора. Актуатор управляется контроллером шагового двигателя §М8В-1.5МоФи5. На рисунке 8 представлен вид данного узла сбоку и сверху.
Рис. 8. Узел 2. Вид сверху и вид сбоку
Уо!. 13. N0. 5-2021, Н&ЕБ RESEARCH
AVIATЮN, SPASE-ROCKET HARDWARE
Через центр алюминиевой плиты проходит ось вращения конструкции. Ось вращения совпадает с центром каретки при её максимальном смещении в сторону центральной части плиты (узел 2).
К нижней части подшипникового узла прикрепляются металлические плиты, которые образуют короб, контур которого отмечен красным цветом на рисунке 9 и 10. Внутри короба размещаются контактное кольцо со сквозным отверстием на вал Н2586-0610 и шаговый двигатель с редуктором ШДР57-3.0-20-1/25 (узел 3), изменение шага которого придаёт системе вращательное движение. Шаговый двигатель с редуктором управляется программируемым блоком управления шаговыми двигателями 8М8В-4.2ЬАМ. На рисунке 10 продемонстрирован вид снизу. Каждая деталь отмечена своим цветом.
От программируемого блока управления шаговыми двигателями §МХО-4.2ЬАМ подпитывается и управляется линейный модуль Ь-500-4247 с верхним креплением двигателя.
От первого программируемого контроллера шаговых двигателей SMSD-l.5Mod.bus подпитывается и управляется Шаговый двигатель ГЪ428ТН47-1684А. Этот двигатель используется для передвижения по нормали вешки с установленным СГА по высоте (узел 1, как отображено на рис. 7).
От второго Программируемого контроллера шаговых двигателей ЗМЕО-иММЬив подпитывается и управляется Шаговый двигатель с редуктором ШДР57-3.0-20-1/25. Этот двигатель необходим для обеспечения вращения всей конструкции относительно своей оси (узлы 2 и 3, как отображено на рис. 8-10).
Линейны И модуль 1,-500-4247 с Ввртшнм креплением двигателя
ПрогрйЫ I:."- .1 блок управления
ШАГОВЫМИ ;к|:::. г
КМ 5 С «,2ЬАЫ
Контроллер шагового двигателя 5М50-1.5\]иЛн|5
Шаговый двигатель П.42$"П147-1Й34А
Рис. 9. Узел 3. Вид сбоку Рис. 10. Узел 3. Вид снизу
Узел 4 - Совмещение модуля линейного смещения и шагового двигателя РЪ428ТН. Комплексирование модуля шаговым двигателем позволяет перемещать каретку в горизонтальной плоскости с заданным шагом. К шаговому двигателю подключен контроллер 8М8В-1.5Мо^и5 для управления смещениями.
На рисунке 12 показана электронная схема системы. Все электронные элементы подключены к сети питания, а именно Программируемый блок управления шаговыми двигателями 8М8В-4.2ЬАМ и два блока Контроллеров шагового двигателя §М5В-1.5ММЬи8. Электропитание осуществляется через источник питания ЬР5-350-24 MW.
Программируемые контроллеры шаговых двигателей 8М8В-1.5Мо^и5 и 8М80-4.2ЬАМ предназначены для автоматизированного управления исполнительными механизмами с использованием шаговых двигателей на базе программно-технических комплексов.
1
Рис. 12. Схема электропитания и управления системой
Итоговые технические характеристики разработанной системы, которые представлены в таблице 4.
Таблица 4
Перечень полученных технических характеристик разработанной системы
Рис. 11. Узел 4. Вид сбоку
Наименование Значение
1
Линейные переме-
щения в плане;
Основные типы движений Линейные перемещения по высоте; Движение по круговой траектории;
Количество размещаемых антенн СГА 1
Линейные перемещения в плане
Число осей линейного смещения в плане 1 ось
Диапазон линейных смещений в плане 500 мм
Шаг линейных смещений в плане 0,2 мм
Номинальная скорость линейного перемещения 100 мм/с
Один полный оборот вала 40 мм
Линейные перемещения по высоте
Диапазон линейных смещений по вертикали 230 мм
Шаг линейных смещений по вертикали 0,05 мм
Движение по круговой траектории
Минимальный радиус 0 мм
Максимальный радиус 500 мм
Величина полного шага 1,8 град
Погрешность углового шага ± 0,09 град
НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ, Т. 13. № 5-2021
АВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА
Выводы
На основе выполненного анализа, а также сформированных требований к системе был разработан проект автоматизированной системы пространственных смещений фазового центра СГА. Разработанная система позволяет производить одновременные смещения в плане и по высоте (путём комбинации плановых и линейных сдвигов), а также выполнять вращение вокруг оси с радиусом от 0 до 500 мм. Указанная реализация не требует постоянного закрепления и может быть оперативно перемещена. Диапазон линейных смещений системы в плане составляет 500 мм. Диапазон линейных смещений по вертикали составляет 230 мм. Шаг линейных смещений не превышает 0.2 мм в плане и 0,05 мм по высоте. Приведённые выше технические характеристики позволяют использовать разработанную систему для кинематических испытаний СГА и исследований в области кинематического позиционирования по сигналам ГНСС.
Литература
1) Фялковский А.Л. Экспериментальная установка для исследования методов обработки данных, полученных с использованием ГНСС II Изв. вузов «Геодезия и аэрофотосъемка». 2018. Т. 62. No 1. С. 27-34. doi: 10.30533/0536-101Х-2018-62-1-27-34.
2) Manzini, N., Orcesi,A., Thom, С., Brossault,M.-A., Botton, S., Ortiz, M., & Dumoulin, J. Performance analysis of low-cost GNSS stations for structural health monitoring of civil engineering structures.. Structure and Infrastructure Engineering, (2020). 1-17. doi:10.1080/15732479.2020.1849
3) Li W., Fan P., CuiX., Zhao S.,Ma Т., Lu MA Low-Cost INS-Integratable GNSS Ultra-Short Baseline Attitude Determination System. Sensors. 2018. 2114. 10.3390/sl8072114.
4) Biagi L., Grec Florin-Catalin, Negretti MLow-Cost GNSS Receivers for Local Monitoring: Experimental Simulation, and Analysis of Displacements. Sensors (Basel, Switzerland). 2016. 16. 10.3390/sl6122140.
5) Hamza V., Stopar В., Sterle O. Testing the Performance of Multi-Frequency Low-Cost GNSS Receivers and Antennas. Sensors. 2021.2029. 10.3390/s21062029.
6) Бесимбаева О.Г., Уставич ГА., Олейникова Е.А. Мониторинг деформаций земной поверхности на подрабатываемых территориях II Интерэкспо Гео-Сибирь. 2019. №1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/monitoring-deformatsiy-zemnoy-poverhnosti-na-podrabatyvaemyh-territoriyah (дата обращения: 26.11.2020).
7) Тимофеев В.Ю., Ардюкое Д.Г., Тимофеев А.В., Бойко Е.В. Современные движения земной поверхности Горного Алтая по GPS-наблюдениям II Геодинамика и тектонофизика. 2019. №1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sovremennye-dvizheniya-zemnoy-poverhnosti-gornogo-altaya-po-gps-nablyudeniyam (дата обращения: 26.11.2020).
8) Carla Т., Tofani V., Lombardi L., Raspini F., Bianchini S., Bertolo D., Thuegaz P., Casagli N. Combination of GNSS, satellite InSAR, and GBInSAR remote sensing monitoring to improve the under-
standing of a large landslide in high alpine environment. Geomorpholo-gy. 2019. № 335. Pp. 62-75, ISSN 0169-555X
9) Amiri M., Mousavi Z., Atzori S., et al. Studying postseismic deformation of the 2010-2011 Rigan earthquake sequence in SW Iran using geodetic data, Tectonophysics. 2020. 10.1016/j.tecto.2020.228630
10) Martens H. , Simons M, Owen S., Rivera L. Observations of Ocean Tidal Load Response in South America from Sub-daily GPS Positions. Geophysical Journal International. (2016). 205. ggw087. 10.1093/gji/ggw087.
11) Шестаков H.B., Сысоев Д.В., Герасименко М.Д., Титков Н.Н., Верхотуров А.Л., Гагарский Н.А., Кишкина А.К., Годзе М., Такахаши X. Об определении малых «мгновенных» вертикальных смещений земной поверхности ГНСС-методами. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. т. 16. № 4. С. 33-44.
12) Jiang Z., Yuan L., Huang D., Yang Z., Hassan, A. Postseismic deformation associated with the 2015 Mw 7.8 Gorkha earthquake, Nepal: Investigating ongoing afterslip and constraining crustal rheology. Journal of Asian Earth Sciences.2018. № 156. Pp. 1-10. doi:10.1016/j.jseaes.2017.12.039
13) Castro-Perdomo N. , Viltres R. , Masson F. , Klinger Y. , Shaozhuo L., Maher D., Patrice U., Jean-Daniel В., Remi M., A. Abdulaziz , Z. Hani, Reilinger R. , Mai P., Sigurjon J. Interseismic deformation in the Gulf of Aqaba from GPS measurements. Geophysical Journal International. 2021.228. 10.1093/gji/ggab353.
14) Hamiel, Y., Masson, F., Piatibratova, O., Mizrahi, Y. GPS measurements of crustal deformation across the southern Arava Valley section of the Dead Sea Fault and implications to regional seismic hazard assessment. Tectonophysics, 2018. 724-725, 171-178. doi:10.1016/j.tecto.2018.01.01
15) He P., Wang Q., Ding K., Li J., Zou R. Coseismic and postseismic slip ruptures for 2015 M w 6.4 Pishan earthquake constrained by static GPS solutions. Geodesy and Geodynamics. 2016. № 7(5). Pp. 323-328. doi:10.1016/j.geog.2016.07.004
16) Ishitsuka, K., Matsuoka, Т., Nishimura, Т., Tsuji, Т., & ElGharbawi, T. (2017). Ground uplift related to permeability enhancement following the 2011 Tohoku earthquake in the Kanto Plain, Japan. Earth, Planets and Space, 69(1). doi:10.1186/s40623-017-0666-7
17) Gunawan E., Widiyantoro S., Zulfakriza Meilano I., Pratama C. Postseismic deformation following the 2 July 2013 M 6.1 Aceh, Indonesia, earthquake estimated using GPS data. Journal of Asian Earth Sciences. 2019. doi:10.1016/j.jseaes.2019.03.020
18) Yu J., Tan K., Zhang C., Zhao В., Wang D., Li Q. Present-day crustal movement of the Chinese mainland based on Global Navigation Satellite System data from 1998 to 2018. Advances in Space Research. 2019. Volume 63. Issue 2. Pp 840-856, ISSN 0273-1177
19) HaoM., Freymueller J. Т., Wang Q., Cui D., Qin S. Vertical crustal movement around the southeastern Tibetan Plateau constrained by GPS and GRACE data. Earth and Planetary Science Letters. 2016. Volume 437. Pp 1-8. ISSN 0012-821X
20) Gurbuz G., Aktug В., Jin S., Hakan Kutoglu S. A GNSS-Based Near Real Time Automatic Earth Crust and Atmosphere Monitoring Service for Turkey. Advances in Space Research. 2020. doi:10.1016/j.asr.2020.07.026
Vol. 13. No. 5-2021, H&ES RESEARCH
AVIATION, SPASE-ROCKET HARDWARE
DESIGN OF AN AUTOMATED SYSTEM OF SPATIAL DISPLACEMENTS OF THE PHASE CENTER OF SATELLITE GEODETIC EQUIPMENT
DMITRY A. MOROZOV
Moscow, Russia, [email protected]
DMITRY A. KUZNETSOV
Moscow, Russia, [email protected]
DMITRY E. LEVE
Moscow, Russia, [email protected]
KEYWORDS: automated system, GNSS, GNSS antenna phase center offset systems, satellite geodetic equipment.
ALEXEY Yu. PERMINOV
Moscow, Russia, [email protected]
ABSTRACT
Introduction: Usually special experimental installations are using for assessing the accuracy of determining the coordinates which obtained by various positioning methods and data processing technologies. Them also referred as systems of spatial displacements of the antenna phase center. In this paper decried the designing process of an automated system of spatial displacement of the satellite geodetic equipment phase center. Purpose of work: development of an automated system of spatial displacements of the phase center of satellite geodetic equipment. Methods: in this course of work, studies were carried out for aiming at potential requirements for an automated system of spatial displacements of the phase center. There're additional analysis of the design and purpose of existing systems as well as the development of a system. The results of this work was list of established requirements. Results: was presented the analysis of domestic and foreign experience in the development and use of such systems, their classification and the most successful technical solutions in that branch. The requirements have been developed for system technical characteristics based on the analysis of the tasks which potentially could be solved.
The element base and the design of the system was selected and developed in accordance with the specified technical characteristics. The rotation of the antenna of the Global Navigation Satellite Systems could be made in a circle with a radius of 0 to 500 mm. In this case, the radius can be dynamically changed with an accuracy of 0.2 mm. In addition, the system allows you to change the position of the antenna of the Global Navigation Satellite Systems in height within the range from 0 to 230 mm with an accuracy of 0.05 mm. The developed system does not require permanent fixing and can be moved to the required area of work. The results of the work should be used to assemble a prototype of an automated system of spatial displacements of the phase center of satellite geodetic equipment. Practical significance: The developed system can be used to conduct kinematic tests of satellite geodetic equipment and conduct a wide range of studies within the framework of modeling the movements of a reference satellite geodetic station under conditions of anthropogenic and natural influences. Discussion: Further development of the system may include the determination of its metrological characteristics using methods of near pho-togrammetry
REFERENCES
1. Fialkovskii A.L. (2018). Experimental equipment for investigation of data processing methods for GNSS. Proceedings of universities "Geodesy and aerial photography". 58 (1): 27-34. (In Rus). doi: 10.30533/0536-101X-2018-62-1-27-34.
2. Manzini, N., Orcesi, A., Thom, C., Brossault, M.-A., Botton, S., Ortiz, M., & Dumoulin, J. (2020). Performance analysis of low-cost GNSS stations for structural health monitoring of civil engineering structures. Structure and Infrastructure Engineering, 1-17. doi:10.1080/15732479.2020.1849
3. Li W., Fan P., Cui X., Zhao S., Ma T., Lu M. (2018).
A Low-Cost INS-Integratable GNSS Ultra-Short Baseline Attitude Determination System. Sensors. 2114. 10.3390/s18072114.
4. Biagi L., Grec Florin-Catalin, Negretti M. (2016). Low-Cost GNSS Receivers for Local Monitoring: Experimental Simulation, and Analysis of Displacements. Sensors (Basel, Switzerland). 16. 10.3390/s16122140.
5. Hamza V., Stopar B., Sterle O. (2021). Testing the Performance of Multi-Frequency Low-Cost GNSS Receivers and Antennas. Sensors. 2029. 10.3390/s21062029.
6. Besimbaeva O.G., Ustavich G.A., Oleinikova E.A. (2019). Monitoring of deformations of the earth's surface in undermined areas. Interexpo Geo-Siberia. No. 1. (In Rus)
НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ, Т. 13. № 5-2021
АВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА
7. Timofeev V.Y., Ardyukov D.G., Timofeev A.V., Boyko E.V (2019). Modern movements of the Earth's surface in Gorny Altai based on GPS observations. Geodynamics and Tectonophysics. No. 1. (In Rus)
8. Carlo T., Tofani V., Lombardi L., Raspini F., Bianchini S., Bertolo D., Thuegaz P., Casagli N. (2019). Combination of GNSS, satellite InSAR, and GBInSAR remote sensing monitoring to improve the understanding of a large landslide in high alpine environment. Geomorphology. No. 335. Pp. 62-75, ISSN 0169-555X
9. Amiri M., Mousavi Z., Atzori S., et al. (2020). Studying postseismic deformation of the 2010-2011 Rigan earthquake sequence in SW Iran using geodetic data, Tectonophysics. doi: 10.1016/j.tecto.2020.228630
10. Martens H., Simons M., Owen S., Rivera L. (2016). Observations of Ocean Tidal Load Response in South America from Sub-daily GPS Positions. Geophysical Journal International. 205. ggw087. 10.1093/gji/ggw087.
11. Shestakov N. V., Sysoev D. V., Gerasimenko M. D., Titkov N. N., Verkhoturov A. L., Gagarsky N. A., Kishkina A. K., Godze M., Takahashi H. (2019). On the determination of small "instantaneous" vertical displacements of the earth's surface by GNSS methods. Modern problems of remote sensing of the Earth from space. Vol. 16.No. 4. P. 33-44 (In Rus)
12. Jiang Z., Yuan L., Huang D., Yang Z., Hassan, A. (2018). Postseismic deformation associated with the 2015 Mw 7.8 Gorkha earthquake, Nepal: Investigating ongoing afterslip and constraining crustal rheology. Journal of Asian Earth Sciences. No. 156. Pp. 1-10. doi:10.1016/j.jseaes.2017.12.039
13. Castro-Perdomo N., Viltres R., Masson F., Klinger Y., Shaozhuo L., Maher D., Patrice U., Jean-Daniel B., Remi M., A. Abdulaziz, Z. Hani, Reilinger R., Mai P., Sigurjen J. (2021). Interseismic deformation in the Gulf of Aqaba from GPS measurements. Geophysical Journal International. 228. 10.1093/gji/ggab353.
14. Hamiel, Y., Masson, F., Piatibratova, O., Mizrahi, Y..
(2018). GPS measurements of crustal deformation across the southern Arava Valley section of the Dead Sea Fault and implications to regional seismic hazard assessment. Tectonophysics, 724-725, 171-178. doi:10.1016/j.tecto.2018.01.01
15. He P., Wang Q., Ding K., Li J., Zou R. (2016). Coseismic and postseismic slip ruptures for 2015 M w 6.4 Pishan earthquake constrained by static GPS solutions. Geodesy and Geodynamics. No. 7(5). Pp. 323-328. doi:10.1016/j.geog.2016.07.004
16. Ishitsuka, K., Matsuoka, T., Nishimura, T., Tsuji, T., & ElGharbawi, T. (2017). Ground uplift related to permeability enhancement following the 2011 Tohoku earthquake in the Kanto Plain, Japan. Earth, Planets and Space, 69(1). doi:10.1186/s40623-017-0666-7
17. Gunawan E., Widiyantoro S., Zulfakriza Meilano I., Pratama C. (2019). Postseismic deformation following the 2 July 2013 M 6.1 Aceh, Indonesia, earthquake estimated using GPS data. Journal of Asian Earth Sciences. doi:10.1016/j.jseaes.2019.03.020
18. Yu J., Tan K., Zhang C., Zhao B., Wang D., Li Q.
(2019). Present-day crustal movement of the Chinese mainland based on Global Navigation Satellite System data from 1998 to 2018. Advances in Space Research. Vol. 63. Issue 2. Pp 840-856, ISSN 0273-1177
19. Hao M., Freymueller J. T., Wang Q., Cui D., Qin S. (2016). Vertical crustal movement around the southeastern Tibetan Plateau constrained by GPS and GRACE data. Earth and Planetary Science Letters. Vol. 437. Pp 1-8. ISSN 0012-821X
20. Gurbuz G., Aktug B., Jin S., Hakan Kutoglu S. (2020). A GNSS-Based Near Real Time Automatic Earth Crust and Atmosphere Monitoring Service for Turkey. Advances in Space Research. 2020. doi:10.1016/j.asr.2020.07.026
INFORMATION ABOUT AUTHORS:
Dmitry A. Morozov - Lecturer, Department of Applied Geodesy, Moscow State University of Geodesy and Cartography, Moscow, Russia, [email protected]
Dmitry A. Kuznetsov - Lecturer, Department of Applied Geodesy, Moscow State University of Geodesy and Cartography, Moscow, Russia, [email protected]
Dmitry E. Leve - Lecturer of the Department of Applied Geodesy, Moscow State University of Geodesy and Cartography, Moscow, Russia, [email protected]
Alexey Yu. Perminov - Lecturer, Department of Applied Geodesy, Moscow State University of Geodesy and Cartography, Moscow, Russia, [email protected]
For citation: Morozov D.A., Kuznetsov D.A., Leve D.E., Perminov A. Yu. Design of an automated system of spatial displacements of the phase center of satellite geodetic equipment // H&ES Reserch. 2021. Vol. 13. No. No 5. P. 4-12. doi: 10.36724/2409-5419-2021-13-5-4-12 (In Rus)
