CC BY
66
СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИСТИННОЙ ВЫСОТЫ АЭРОГЕОФИЗИЧЕСКОЙ ВЕРТОЛЁТНОЙ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДОЧНОЙ ПЛАТФОРМЫ
Станислав Олегович Шевчук
ФГУП «Сибирский научно-исследовательский институт геологии, геофизики и Минерального сырья», 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 67, и.о. заведующего отделом геодезического обеспечения геолого-геофизических работ, тел. (383)22-45-86, e-mail: [email protected]
Вячеслав Николаевич Никитин
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры фотограмметрии и дистанционного зондирования СГГА, тел. (913)712-37-50, e-mail: [email protected]
Рассмотрены методы получения высоты электромагнитной разведочной платформы аэ-рогеофизического комплекса «Импульс-Аэро». Предложен способ и устройство решения поставленной задачи фотограмметрическим методом.
Ключевые слова: аэрогеофизика, истинная высота, альтиметрия, геодезическое обос-печение, устройство, способ, фотограмметрия.
THE HEIGHT DEFINITION METHODS OF GEOPHYSICAL AERIAL HELICOPTER PLATFORM
Stanislav O. Shevchuk
Siberian Research Institute of Geology, Geophysics and Mineral Raw Materials (SNIIGGiMS), 630108, Russia, Novosibirsk, 67 Krasniy Prospekt, acting as head of department of geodetic maintenance of geological and geophysical works tel.: (383)22-45-86, e-mail: [email protected]
Vyacheslav N. Nikitin
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotny St., Ph.D., Assoc. Prof. of department of photogrammetry and remote sensing SSGA, tel. (913)712-37-50, e-mail: vslav. [email protected]
In article methods of electromagnetic geophysical aerial platform height above ground finding reviewed. The method and device for this problem solution by using photogrammetric way putted forward.
Key words: aerial geophysics, altimetry, height above ground, geodetic maintenance, device, method, photogrammetry, altimeters.
Электромагнитная разведка становлением поля в комплексе с магнито - и спектрометрией с использованием вертолетных разведочных платформ является заметной тенденцией развития опережающих поисково-оценочных технологий. Эти системы характеризуются высокой разрешающей способностью, глубинностью исследований, и позволяют оперативно оценивать перспективность труднодоступных территорий [6].
В Сибирском Научно-исследовательском институте геологии, геофизики и минерального сырья совместно с рядом научно-производственных организаций
(«Сибгеотех», «Аэрогеофизическая разведка») разработана аэроэлектромагнит-ная система «Импульс-аэро» с подвесной платформой - источником электромагнитных излучений, расположенной под фюзеляжем вертолёта типа МИ-8, предназначенная для поиска геологических объектов в динамике. Помимо основной задачи - высокоточного прогноза рудных объектов различного генезиса, платформы серии «Импульс-Аэро» успешно применяются при выполнении гидрогеологических, инженерных, экологических изысканий [2,7].
Полный состав аэроразведочного комплекса «Импульс-аэро» включает в себя бортовое оборудование (располагаемое в вертолёте), подвесную платформу (приёмно-генераторную конструкцию), магнитометр, и непосредственно носитель (вертолет). При этом, платформа и магнитометр размещаются под фюзеляжем вертолёта на трос-кабеле длиной 50-60 м. Съёмку данным комплексом выполняют обтеканием рельефа на высоте около 50 м.
При выполнении аэроэлектроразведочных работ с использованием выносной вертолётной платформы, существует задача определения истинной высоты h (превышения над земной поверхностью) подвесной платформы. Для получения достаточно точного геофизического прогноза среды, точность определения данной величины должна находиться на субметровом уровне (СКП на уровне 0.5-1 м).
В настоящее время, для получения величины превышения платформы над земной поверхностью предложено два способа:
- с использованием лазерного высотомера;
- с использованием карты или цифровой модели рельефа (ЦМР) и результатов измерений аппаратурой ГНСС.
Каждый из перечисленных способов имеет свои достоинства и ограничения. В данной статье также предложен способ и устройство фотограмметрического определения истинной высоты с использованием пары не метрических фотокамер и инерциальной навигационной системы (ИНС).
Получение превышения платформы над земной поверхностью с использованием карты или ЦМР.
При использовании карты или ЦМР, превышение системы над земной поверхностью можно выполнять путём вычитания из геодезической высоты H платформы, высоты точки земной поверхности на карте Н, на которую проецируется её плановое положение X,Y.
Таким образом, превышение может быть получено по формуле:
Н = И - И' (1)
Геодезические координаты центра платформы (X,Y,H) получаются с помощью спутникового приёмника, устанавливаемого в капсулу платформы -излучателя, К соответствует высоте рельефа, определяемой по карте или ЦМР для точки с плановыми координатами x,y, соответствующими проекции координат X,Y платформы на неё.
Данный метод, однако, имеет ряд существенных недостатков, в значительной степени понижающих как точность, так и надёжность получения искомого параметра:
• В первую очередь, точность определения превышения ограничена характеристиками карты или ЦМР. При этом, при использовании карт и ЦМР, получаемых на основе их оцифровки, точность отображения высоты будет зависеть от целого ряда факторов: масштаба карты, способа её создания, сечения рельефа, углов наклона местности, точностью положения опознанных контуров и точностью интерполирования между горизонталями. Величины точности отображения рельефа горизонталями карт и построенными на их основе ЦМР (без учёта точности оцифровки) приведены в таблице 1.
Таблица 1
Точность изображения рельефа горизонталями на топографических картах и планах
Характер местности и рельефа Точность изображения рельефа горизонталями на топографических картах и планах, м
Масштаб карты [плана)
1:5000 1:10 000 1:25 000 1:50 000 1:10000 0
Плоскоравнинная от 0.12 до 0.30 1.0 1.0 3.0 6.0
Плоскоравнинная, залесённая (частично) в Азиатской части Российской Федерации, севернее 56 параллели от 0.15 до 0.7 1.0 2.0 3.0 6.0
Плоскоравнинная, сплошь залесённая в Азиатской части Российской Федерации, севернее 56 параллели от 0.2 до 1.0 2.0 4.0 6.0 12.0
Всхолмлённая пересечённая (открытая), с преобладающими углами наклона до 6° от 0.7 до 1.5 1.0 2.0 4.0 9.0
Всхолмлённая пересечённая, сплошь залесённая, с преобладающими углами наклона до 6° от 1.0 до 2.0 2.0 4.0 8.0 18.0
Предгорная (фактически она не выше принятой величины сечения рельефа) от 2.0 до 5.0 5.0 5.0 10 20
Высокогорная (фактически она не выше удвоенной величины сечения рельефа) - 20 20 40 80
Примечание: величины, показанные в таблице получены на основе [4].
• Вторым важным недостатком указанного метода является то, что при выполнении измерений спутниковыми методами, получаемая высота является геодезической, в то время при создании карт используется нормальная система высот.
Соотношение между геодезической (эллипсоидальной) и нормальной (ор-тометрической) высотами определяется формулой:
н7 = н-с
(2)
где Н7 - нормальная высота;
Н - геодезическая высота (на принятом эллипсоиде);
С - высота квазигеоида (геоида) над эллипсоидом.
Использование спутникового метода относительных определений для передачи нормальных высот без учета разностей высот квазигеоида может привести к значительным погрешностям. Среднеквадратические погрешности без учета разности высот квазигеоида над эллипсоидом составляют 0.2 м на расстоянии до 20 км в равнинных районах и до 0.6 м в горных. На расстояниях в 50 км и более погрешности не учета разности высот могут составить более 2 м [5].
При этом также необходимо учитывать, что точность определения высоты непосредственно спутниковой аппаратурой, как правило, в полтора-два раза ниже точности плановых координат [1,5].
Вместо карт и ЦМР, могут применяться цифровые модели местности (ЦММ), получаемые различными методами аэрокосмической съёмки.
Заказ аэросъёмки (как фотографической, так и лидарной) является очень затратным и трудоёмким, по этому, в большинстве случаев, нецелесообразен.
Таким образом, можно сделать общий вывод, что получение превышений платформы данным способом (не учитывая возможности заказа дополнительной аэросъёмки в силу её дороговизны и трудоёмкости) возможно только с точностью нескольких метров. Это является главным недостатком данного способа, сильно ограничивающим его применение.
Получение превышения платформы над земной поверхностью с использованием лазерного высотомера
Для определения и контроля превышения к центра разведочной платформы относительно её проекции на физическую поверхность может использоваться лазерный высотомер с точностью измерения расстояния (до поверхности Земли) 1-2 см, размещаемый на гиростабилизирующей платформе.
В случае отсутствия гиростабилизирующей платформы возможны большие ошибки за счёт нестабильности угла наклона платформы.
При величине угла наклона (крена или тангажа) платформы 10° и высоте платформы над поверхностью Земли 50 м, отклонение измеренной высоты от истинной для равнинной местности составляет около 0.8 м, а сдвиг проекции центра приёмной антенны платформы достигает 8.8 м.
Для всхолмленной или пересечённой местности такие погрешности могут быть значительно выше.
Даже при наличии гиростабилизирующей платформы или ИНС для определения углов наклона платформы, данный метод сопряжён с рядом сложностей: измерения лазерного высотомера чувствительны к наличию залесенности и весьма проблематичны при наличии водоемов.
Однако, данный способ наиболее точен, высоко автоматизирован и мог бы быть более надежным при наличии гиростабилизирующей платформы, хоть и
сопряжён с рядом сложностей, таких как интерпретация измерений высотомера. Также стоит учитывать стоимость лазерного высотомера и его обслуживания.
Разработка способа получения превышения платформы над земной поверхностью с использованием фотографической системы из двух камер, гироскопа и акселерометра
Существует возможность получения искомой величины с использованием фотографической системы [3].
Принцип получения превышений платформы над земной поверхностью посредством данного способа заключается в использовании свойств стереопар снимков, размещённых на жёсткой основе с углами наклона и базисом.
В основе реализации способа лежит размещение на платформе пары жёстко закреплённых фотокамер, синхронно экспонирующих земную поверхность. Система должна обеспечиваться инерциальной навигационной системой (гироскопом и акселерометром) для точного определения углов наклона платформы. Снимки, получаемые в процессе полёта, при условии их синхронного получения и жёсткости крепления камер, обрабатываются в камеральных условиях специальной программной, автоматически находящей соответственные точки на снимках посредством коррелятора. В итоге по паре перекрывающихся снимков и известным углам наклона может быть восстановлена истинная высота.
Данный способ мог бы попутно обеспечить обеспечение маршрута фотоснимками, которые могут применяться при интерпретации. Также, величины углов, получаемые посредством ИНС, могут существенно повысить надёжность интерпретации данных электромагнитной съёмки за счёт учёта изменения площади проекции платформы на поверхность съёмки.
Состав съёмочной системы включает в себя:
- Две цифровые не метрические фотокамеры (предварительно откалиброванные в лабораторных условиях);
- Блок ИНС (трёхосный гироскоп и трёхосный акселерометр, компенсирующий дрейф гироскопа);
- Блок управления - микрокомпьютер или портативный компьютер, ведущий запись информации с блока ИНС, посылающий камерам команду съёмки и выполняющим ее исполнение посредством исполнительных механизмов;
- Блок обработки - программное обеспечение для выполнения камеральной обработки данных съёмки.
Кроме того, для синхронизации системы по времени с измерениями приёмной антенны платформы рекомендуется использовать временные метки (PPS) спутникового приёмника, применяемого для пространственно-временной привязки платформы.
Состав и функционирование системы показаны на рисунке 1.
Рис. 1. Строение и функционирование предложенной системы
Данную систему предлагается размещать на платформе на жёстких креплениях, в соответствии с рисунком 2. Рекомендуется размещать камеры по краям платформы, на уровне приёмного центра антенны, горизонтально на жёстких креплениях. Подобная схема размещения камер наиболее удобна для определения превышения платформы над земной поверхностью, так как точку, для которой определяется превышение над земной поверхностью, можно принять лежащей в центре базиса камер (посередине линии, соединяющей центры фотографирования). Блок управления и блок ИНС рекомендуется размещать внутри капсулы.
Способ основан на геометрической обратимости точек перекрывающейся пары фотоснимков, полученных при фотосъёмке из разных точек пространства S1 и S2 с помощью фотокамер с фокусными расстояниями, ^ и ^, расположенных в точках S1 и S2 на известном расстоянии друг от друга, базисе B, рисунок 3.
Рис. 2. Размещение аппаратуры съёмочного фотографического комплекса на
платформе
Рис. 3. Получение значения превышения системы над земной поверхностью посредством системы из двух синхронизированных фотокамер
Высота И полёта (превышения движущийся геофизической платформы) над исследуемой поверхностью (точкой А - проекцией центра платформы на исследуемую поверхность), согласно данному способу, определяется для точки Б0, находящейся между камерами в центре базиса В, в соответствии с выражением:
где В2 - проекция базиса В на ось Ъ; ЪА - аппликата точки А.
Обработка снимков осуществляется по известным из фотограмметрии зависимостям в блоке обработки и включает:
- ввод в блок обработки данных из блока управления и фотоснимков с фотокамер.
ъ
X
(3)
- вычисление составляющих Вх, ВУ, Въ базиса В по углам крена (апл), тангажа (юпл) и курса (кпл) платформы во вспомогательной системе координат Б^УЪ, задаваемой инерциальной навигационной системой;
- вычисление координат ХА, УА центра Б0 подвижной платформы в указанной системе координат Б^УЪ;
- по известным фокусным расстояниям ^ и 12, фотокамер и координатам главных точек о1 и о2 снимков 8, 9 (х^, у01, хо2, уо2) для каждой из фотокамер и плоским координатам соответственных точек снимков (х15 у15 х2, у2) в шести характерных зонах (измеряемых автоматизировано) осуществляют расчёт элементов взаимного ориентирования (углы а1', к1', а2', ю2', к2') снимков в базисной фотограмметрической системе координат 81Х,УЪ';
- с учётом данных инерциальной системы (апл, юпл, кпл) осуществляют переход к вспомогательной системе Б1ХУЪ (вычисление элементов внешнего ориентирования снимков, участвующих в дальнейших вычислениях);
- после чего на левом и правом снимках по координатам ХА, УА и приближенному значению высоты (Ъ) полёта в системе координат Б1ХУЪ, вычисляют координаты измеряемой точки на обоих снимках (х15 у1)А и (х2, у2)А. С помощью коррелятора выполняется итерационный подбор аппликаты ЪА;
- по полученным величинам ЪА и Въ вычисляется искомая величина И -превышение подвижной платформы над исследуемой поверхностью в процессе проведённой аэрогеофизической съёмки.
При наличии препятствий, например в залесенной местности, точка А может быть смещена, что, в отличие от определения высоты лазерным высотомером, позволяет получить необходимую величину более надежно.
Метод и устройство в настоящее время находятся в разработке.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Антонович, К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии [Текст] В 2 т. Т.-1. Монография/ К.М. Антонович; - М.: Картгеоцентр, 2005. - 334 с.
2. Барсуков, С.В. Особенности построения высокоточной аэрогеофизической системы серии «импульс-аэро» [Текст] / С.В. Барсуков, А.А. Белая, Ю.Ю. Дмитриев, А.С. Сверкунов, Е.Н. Махнач, Г.М. Тригубович // Недропользование. Горное дело. Новые направления и перспективы поиска и разведки месторождений полезных ископаемых Сибири: VIII между-нар. научный конгресс «ИНТЕРЭКСПО ГЕО-Сибирь-2012», 10-20 апр., 2012 г. - Новосибирск, 2012 в 2 т. - Т.1 , - С. 224-229
3. Заявление о выдаче патента Российской Федерации на изобретение № 2012139733/28(064245) Устройство и способ определения превышений (высоты) подвижного объекта (геофизической платформы) над земной поверхностью при аэрогеофизических исследованиях / С.О. Шевчук, В.Н. Никитин, С.В. Барсуков / приоритет от 17.09.2012
4. Основные положения по содержанию карт масштабов 1:25 000, 1:50 000, 1:100 000, 1:200 000, 1:500 000, 1:1000000. ГКИНП 30. М.: Редакционно-издательский отдел ВТС, 1977.
5. Прихода, А.Г. 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., прил. 5.
6. Тригубович, Г.М. Аэрогеофизические вертолетные платформы серии «Импульс» для поисково-оценочных исследований [Текст] / Г.М. Тригубович, М.Г. Персова, С.Д. Са-ленко // Приборы и системы разведочной геофизики - 2006. - № 2(16) - С. 18-21.
7. Тригубович, Г.М. Инновационные поисково-оценочные технологии электроразведки становлением поля воздушного и наземного базирования [Текст] // Разведка и охрана недр. - 2007. - № 8. - C. 80-87.
© С.О. Шевчук, В.Н. Никитин, 2013
