CC BY
387
УДК 629.783:551.24
СРАВНЕНИЕ КОММЕРЧЕСКИХ ПРОГРАММ
ПОСТОБРАБОТКИ ГНСС-ИЗМЕРЕНИЙ В РЕЖИМЕ КИНЕМАТИКИ
ДЛЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АЭРОГЕОФИЗИЧЕСКИХ РАБОТ
Станислав Олегович Шевчук
АО «Сибирский научно-исследовательский институт геологии, геофизики и минерального сырья», 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 67, кандидат технических наук, заведующий лабораторией геодезического обеспечения геолого-геофизических работ, тел. (383)22-45-86, e-mail: [email protected]
Николай Сергеевич Косарев
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного 10, младший научный сотрудник, тел. (913)706-91-95, e-mail: [email protected]
Константин Михайлович Антонович
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного 10, доктор технических наук, доцент, профессор-консультант кафедры физической геодезии и дистанционного зондирования, тел. (383)361-01-59, e-mail: [email protected]
В статье приведен сравнительный анализ различного коммерческого программного обеспечения для постобработки ГНСС-измерений в режиме кинематики относительным методом на примере измерений, проведенных при выполнении аэроэлектромагнитных геофизических работ. При исследованиях использовались измерения, полученные двухчастотными приемниками ГЛОНАСС/GPS в различных условиях приема спутниковых сигналов с периодом записи измерений менее 1 секунды. Обработка измерений велась относительным методом в программах от различных производителей, применяемых в производстве: Topcon Tools, WayPoint GrafNav, Magnet Office Tools, Leica Geo Office, Justin и Trimble Business Center. Сравнение результатов измерений производилось в плане и по высоте для каждой обработанной эпохи. Полученные разности обработаны статистически, приведены графики распределения модулей отклонений. Сделаны выводы и рекомендации.
Ключевые слова: ГНСС, кинематика, постобработка, аэрогеофизика, grafnav, justin, magnet tools, topcon tools, trimble bc.
Определение координат по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) с заданной точностью в кинематическом режиме остается одной из наиболее сложных и важных задач, решаемых при выполнении широкого спектра инженерных и исследовательских работ [1-12]. В частности, данная задача решается при навигационно-геодезическом обеспечении геолого-геофизических работ, и, в первую очередь, аэрогеофизических исследований.
Существующее разнообразие высокоточной спутниковой аппаратуры, поддерживающей кинематический режим измерений, а также программного обеспечения (ПО) для постобработки таких измерений ставит перед специалистами вопрос выбора наиболее подходящей комбинации из аппаратуры и ПО
для решения конкретных геодезических задач. Данный выбор усложняется тем фактом, что алгоритмы обработки спутниковых измерений в коммерческом программном обеспечении обычно представляют собой скрытый от глаз конечного пользователя «черный ящик».
Рассмотрим проблему на примере геодезического обеспечения аэрогеофизических исследований с использованием электромагнитной системы «Им-пульс-Аэро». Данная система включает в себя вертолет с выносной приемо-генераторной конструкцией (платформой), закрепляемой на трос-кабеле под днищем летательного аппарата (рис. 1). Подробно аэроэлектромагнитная система «Импульс-Аэро» описана в [13, 14]. Полеты с системой выполняются с обтеканием рельефа на скорости 100-140 км/ч.
Носитель (МИ-8)
X Уи #0
Магнитометр (Хм, Ум, 2м)
Рис. 1. Состав аэроэлектромагнитного комплекса «Импульс-Аэро»
Геодезическое обеспечение работ с использованием аэроэлектромагнитной системы «Импульс-Аэро» включает в себя определение пространственных координат ее отдельных элементов (вертолета, магнитометра и платформы), а также их превышений над земной поверхностью [15-17]. Причем, для корректной обработки геофизических измерений, определение координат вертолета (Х1, У1, Н1) и платформы (Х2, У2, Н2) должно обеспечиваться с погрешностями (СКП) не грубее 1 м [17].
Сравниваемое ПО
В рамках исследований экспериментальные данные обрабатывались в шести программах различного времени выпуска от различных производителей.
Наименование, версии и основные характеристики исследуемого ПО приведены в табл. 1. Данные взяты из работ [18-22].
Таблица 1
Исследуемое ПО и его характеристики
Наименования характеристик Программное обеспечение
Topcon Tools 8.2 Waypoint GrafNav 8.2 Magnet Office Tools Leica GeoOffice Justin Trimble Bussines Center
Разработчик Topcon Position Systems, Inc NovAtel, Inc Topcon Position Systems, Inc Leica Geosystems, AG Javad GNSS Trimble
Версия 8.2.3 8.2 2.5 8.4 2.121 3.61
Год выхода версии 2006 2009 2013 2014 2015 2016
Наличие руководства + + + + + +
Обработка L1/L2 + + + + + +
Обработка кинематики + + + + + +
Поддержка ГЛОНАСС + + + + + +
Возможность обработки измерений непосредственно ГЛОНАСС (без GPS) + - + - + -
Ограничение длины базовой линии (для двухчас-тотных измерений), км Фикс. решение не указано 30 не указано не указано 30 не указано
Предельная величина не указано 1 500 не указано не указано 1 000 не указано
Ограничение по частоте измерений не указано не указано не указано не указано до 100 Гц не указано
Поддержка ЯШЕХ 2.11 и выше + + + + + +
Поддержка модели геоида ЕСМ08 + + + + + +
Возможность сетевого решения + + + + + +
Примечания Устаревшее ПО (однако, на момент написания статьи имелось в продаже) Имеется более свежая версия (v. 8.6) Является современной заменой ПО Topcon Tools
Важно отметить, что в статье рассмотрено только коммерческое ПО, альтернативой которому для постобработки измерений ГНСС являются научные программы, однако они преимущественно обременены недружелюбным пользовательским интерфейсом и требуют наличия глубоких знаний у исполнителя, а по цене зачастую значительно превосходят коммерческие аналоги.
Первый этап исследований ПО (для части программ, исследованных в данной статье) кратко изложен в публикации [23].
В табл. 1 приводится информация по исследованным программам. Особое внимание было уделено возможности обработки GPS и ГЛОНАСС измерений раздельно друг от друга, либо совместно с другими ГНСС. Это обусловлено действием Федерального закона о навигационной деятельности [24], подразумевающего у исполнителя геодезических и/или навигационных работ обязательное наличие данной опции.
При обработке измерений в исследуемых программах устанавливались одинаковые настройки - использование систем GPS и ГЛОНАСС; маска угла высоты 10°; кинематический режим для мобильного приемника. Тропосферные модели задавались по умолчанию в каждом ПО. В остальных настройках по мере возможности выдерживалось однообразие.
Для единообразия результатов при обработке в различном ПО исходные данные были переведены в формат RINEX версии 2.11.
Результаты представлялись в виде каталогов координат в общеземной системе отсчета и высот над эллипсоидом WGS-84. При сравнении координаты переводились в проекцию Гаусса - Крюгера СК-42 в отдельной программе по общим параметрам [25].
Экспериментальные данные
Для примера в статье взяты данные полета, полученного в ходе работ с указанным электромагнитным комплексом в июле 2013 г. в Курагинском районе Красноярского края, проводимых ЗАО «Аэрогеофизическая разведка» при непосредственном участии одного из авторов статьи.
Для получения координат вертолета и платформы использовалась двухчас-тотная ГНСС-аппаратура NovAtel DL-V3 и Javad SigmaQ-G3T соответственно. В качестве базовой станции использовался двухчастотный спутниковый приемник Javad Triumph-1. Некоторые технические характеристики перечисленной аппаратуры приведены в табл. 2.
Во время выполнения съемки антенна приемника Javad SigmaQ-G3T закреплялась на капсуле платформы, что обеспечивало наилучшие условия для приема сигнала. В процессе полета платформа изменяла угловое положение, однако, благодаря конструкции тросового паука углы крена и тангажа не превышали 10-15°.
Таблица 2
Технические характеристики аппаратуры ГНСС, применявшейся в рамках рассматриваемых аэрогеофизических исследований
NovAtel DL-V3 Javad Javad
SigmaQ-G3T Triumph-1
Общие характеристики
Применение при выполнении исследований Мобильный приемник (вертолет) Мобильный приемник (платформа) Базовая станция
Тип приемника двухчастотный двухчастотный двухчастотный
Средняя квадратическая погрешность (СКП)
Статика в плане, мм 5 + 1 мм/км 3 + 0,5 мм/км 3 + 0,5 мм/км
по высоте, мм 10 + 1 мм/км 6 + 1 мм/км 6 + 1 мм/км
Кинема- в плане, мм 10 + 1 мм/км 10 + 1 мм/км 10 + 1 мм/км
тика по высоте, мм 15+ 1 мм/км 15 + 1 мм/км 15 + 1 мм/км
Количество отслеживаемых спутников
Всего 72 216 216
Каналы GPS 14 L1, 14 L2, 6 L5 All-in-view All-in-view
ГЛОНАСС 12 L1, 12 L2
(все видимые) (все видимые)
SBAS 2
Условия эксплуатации и хранения
Рабочая температура -40...+75 °С -35...+75 °С -20...+85 °С
Температура хранения -50...+95 °С -35...+75 °С -30...+95 °С
Пыле- и влагозащита IP67 IP67 IP67
Прочие характеристики
Масса устройства, кг 1,3 1,7 1,33
Встроенная память, Мб 64 (до 2048) 256 2048
Энергопотребление, Вт 3,5 4,5 6
Антенна приемника NovAtel DL-V3 размещалась на зеркале заднего вида вертолета (в силу отсутствия возможности вынесения ее на ось редуктора). Данное обстоятельство создавало сложности в позиционировании вертолета, как за счет влияния лопастей, так и за счет частичного закрытия радиогоризонта. Проблема частично изложена в статье [25].
Размещение антенн спутниковых приемников Javad Sigma Q-G3T и NovAtel DL-V3 и базовой станции Javad Triumph-1, а также общий вид аэроэлектромагнитного комплекса «Импульс-Аэро» показаны на рис. 2.
Рис. 2. Размещение антенн спутниковых приемниках на электромагнитном комплексе «Импульс-Аэро»: а) внешний вид платформы на земле; б) установка базовой станции Javad Triumph-1; в) размещение антенны приемника Javad Sigma Q-G3T на капсуле платформы; г) размещение антенны приемника NovAtel DL-V3 на зеркале заднего вида вертолета; д) общий вид аэроэлектромагнитного комплекса в полете
Запись данных на базовом и мобильных приемниках велась с частотой 5 Гц (через 0,2 с), максимальное расстояние от базы не превышало 30 км. Общая продолжительность измерений, включая статическую инициализацию мобильного приемника на земле, составила шесть часов. Размер траектории является типичным для данного вида работ.
Анализ результатов обработки кинематической траектории для измерений приемника, размещавшегося на платформе
Обработанные в различном ПО траектории кинематических измерений, полученных приемником Javad SigmaQ-G3T, находившемся на платформе, показаны на рис. 3.
Рис. 3. Обработанная в различном ПО траектория полета, измеренная приемником, размещавшимся на платформе:
a) Topcon Tools; б) WayPoint GrafNav; в) Magnet Tools; г) Leica GeoOffice; д) Justin; е) Trimble Business Center
В результате обработки кинематических ГНСС-измерений в указанных программных комплексах были получены каталоги координат точек траекторий, а также выполнена оценка точности вычисления координат. Также выводился вид решения (фиксированное или плавающее разрешение фазовых многозначностей).
Для оценки точности получения кинематической траектории в ПО Way-Point GrafNav приводились величины стандартных отклонений (StDev) в плане и по высоте для каждой эпохи; в остальных ПО каждая эпоха обработанной
траектории характеризовалась внутренней СКП в плане и по высоте (horizontal/vertical RMS).
Важно отметить, что математические алгоритмы, по которым оценивались точности определения координат точек обработанных траекторий в исследуемых программных продуктах, скрыты от пользователя. Таким образом, природа данных оценок (а значит, и доверие к ним) имеет неопределенный характер.
Результаты раздельного анализа данных каталогов приведены в табл. 3.
Таблица 3
Анализ каталогов полученных координат и оценок их точности
Программное обеспечение
Наименования характеристик Topcon Tools Way-point GrafNav Leica GO Magnet OT Justin Trimble BC
Время обработки полета, мин > 180 10 15 > 60 15 15
Общее количество обработанных эпох (на промежутке времени полета) 68 500 (100 %) 68 500 (100 %) 68 465 (99,5 %) 68 500 (100 %) 68 500 (100 %) -
Качество разреше- Фиксированные 54,9 94,4 11,7 65,5 100,0 -
ния много- Плавающие 45,1 5,6 34,46 - -
значности, Кодовые 0,01 - 87,8 0,04 - -
% Нет решения - - 0,5 - - -
Средняя погрешность (СКП или StDev) 0,05 0,02 0,45 0,04 0,02 -
в плане, м
Средняя погрешность (СКП или StDev) 0,05 0,04 0,93 0,06 0,02 -
по высоте, м
Примечание: анализировались эпохи непосредственно кинематической траектории полета (68 500 эпох, 3 ч 50 мин) из общей продолжительности измерений 6 ч.
Время обработки полета, указанное в таблице, включало в себя все процессы работы программы - от загрузки исходных файлов из формата RINEX до получения отчетных каталогов.
ПО Trimble Business Center не позволило получить решение по траектории: программа останавливала работу при попытках вывода отчета, притом, что предшествующие этапы обработки успешно выполнялись в течение 15 минут. Наиболее вероятная причина - неприспособленность алгоритмов программы
под столь большие объемы данных (суммарно более 100 000 эпох). Были предприняты попытки разбиения полета на несколько интервалов и разрежения измерений, но получить отчеты по решениям не удалось.
В ПО Topcon Tools имела место подобная проблема: обработка целого полета была невозможна. Измерения были разбиты на три двухчасовых отрезка, для которых удалось выполнить как обработку, так и вывод результатов, но даже уменьшенные таким образом объемы данных обрабатывались по нескольку часов.
Важно отметить, что разбиение кинематической траектории на три интервала заведомо понижает качество обработки второго и третьего интервалов из-за отсутствия данных статической инициализации, вследствие чего обработка ведется в режиме кинематики-на-лету (OTF Kinematic), дающем более грубые решения.
Обработка в Magnet OfficeTools также была сопряжена с постоянными сбоями программы и многократными перезапусками: очевидно, данное ПО, как и Topcon Tools, не рассчитано на столь большие объемы данных.
Программные решения Leica Geo Office оказались слабо адаптированы под кинематические измерения, полученные с интервалом записи меньше 1 с. Это проявилось как в количестве решений по фазе (11,7 %), так и в средней величине СКП, оцененной программой (0,45 м в плане и 0,93 м по высоте). Также имели место грубые погрешности (более 100-200 м относительно траекторий, обработанных остальными программами), что более наглядно представлено ниже, при сравнении точек кинематических траекторий, полученных разным ПО.
В то же время ПО GrafNav и Justin оказалось хорошо адаптированным под большие объемы данных - время обработки в них не превысило 10-15 минут, сбоев в их работе также не было зафиксировано. Обе программы показали высокий процент фиксированных решений (94,4 и 100 % соответственно).
Сравнение кинематических траекторий, полученных в результате обработки измерений в различном ПО
При сравнении точек траекторий, полученных различным ПО, из детального сравнения была исключена траектория, полученная ПО Leica Geo Office из-за сложности в адекватной оценке величин ее отклонений от траекторий, полученных другим ПО по ряду причин.
Во-первых, большинство решений Leica Geo Office были кодовыми; во-вторых, решения для эпох, полученных в интервале между целыми секундами, имели значительно более грубые (до нескольких метров) погрешности, полученные для каждой целой секунды (около 0,1 м); в-третьих, имели место значительные грубые «вылеты» до 100-200 м. Данные факторы представлены наглядно на рис. 4.
Рис. 4. Грубые погрешности, полученные обработкой траектории в ПО Leica Geo Office: погрешности эпох, записанных чаще 1 секунды в сравнении с другим ПО (слева); «вылеты» решений Leica Geo Office (справа)
Такое качество решений ПО Leica Geo Office может быть обусловлено использованием формата RINEX (в то время, как производитель рекомендует использовать фирменный формат Leica .mdb) и слабой адаптацией алгоритма под измерения, запись которых ведется с периодичностью менее одной секунды.
Кроме того, можно предположить, что одной из причин грубых решений может также являться и большой объем обрабатываемых данных, так как большинство «вылетов» приходится на вторую половину маршрута.
Точки траекторий, полученных остальным ПО, имели различия несравнимо меньших масштабов, а в плане зачастую совпадали до миллиметров или отличались на одну длину волны (~0,2 м), рис. 5. По высоте имелась очевидная систематическая составляющая.
На графиках (см. рис. 4, 5 и последующие) время указано в миллисекундах от начала GPS недели (GPS TOW - Time Of Week) измерений. Эпохи отмечены маркерами.
Рис. 5. Фрагменты плановых схем и высотных профилей траекторий,
обработанных различным ПО
В табл. 4 приведены величины (СКП) разностей координат соответственных точек кинематических траекторий, полученных обработкой в остальном ПО в плане (тху) и по высоте (тн). Соответственными в данном случае считались эпохи, относящиеся к одному моменту времени UTC.
Таблица 4
Результаты сравнения координат соответственных точек кинематических траекторий, полученных обработкой в различном ПО
ПО Topcon Tools GrafNav Magnet Tools Justin
mXY, м mH, м mXY, м mH, м mXY, м mH, м mXY, м mH, м
Topcon Tools 0,02 0,09 0,02 0,09 0,03 0,03
GrafNav 0,02 0,09 0,03 0,05 0,02 0,09
Magnet OT 0,02 0,09 0,03 0,05 0,03 0,11
Justin 0,03 0,03 0,02 0,09 0,03 0,11
Для всех полученных траекторий характерно наличие как систематического взаимного отклонения друг от друга в плане, так и случайных погрешностей решений. Суммарные отклонения координат точек траекторий друг от друга в 95 % случаев, не превышают 0,05 м в плане и по 0,1 м высоте, что показано на рис. 3, 4 для каждого программного продукта.
Величины данных отклонений находились в пределах 0,05 м в плане и 0,15 м по высоте для 97-99 % эпох, что наглядно представлено на гистограммах распределения отклонений, показанных на рис. 6, 7. Особенно явно на гистограммах прослеживается систематическая составляющая в разностях высот, отмеченная выше (см. рис. 5).
TopconTools
GrafNav
Magnet ОТ
Justin
1 г
<0.01 0.01- 0.025- s 0. OS < 0.01 0.01- 0.025- >0.05 <0.01 0.01- 0.025- >0.05 < 0.01 0.01- 0.025- >0.05 0.025 0.05 0.025 0.05 0.025 0.05 0.025 0.05
Интервалы разностей, м
■ Topcori ■ NovAtel ■ Magnet ОТ «Justin
Рис. 6. Статистическое распределение величин разностей в плановых координатах точек траектории, обработанной в различном ПО
TopconTools
GrafNav
Magnet ОТ
< 0.02 0.02- 0.05- 0.1- >0.15 <0.02 0.02- 0.05- 0.1- >0.15 <0.02 0.02- 0.05- 0.1- >0.15 0.05 0.1 0.15 0.05 0.1 0.15 0.05 0.1 0.1S
Интервалы разностей, м ■ Торсоп ■ NovAtel M Magnet ОТ Justin
Рис. 7. Гистограмма распределения величин разностей высот точек траектории (по модулю), обработанной в различном ПО
По данным анализа была получены сводные (суммарные) гистограммы разностей в координатах и высотах траекторий, обработанных различным ПО (рис. 8).
Таким образом, можно констатировать факт, что решения, полученные различными коммерческими программными продуктами для одного и того же сеанса кинематических измерений, могут отличаться между собой - на уровне первых сантиметров в плане и до одного дециметра по высоте (в 97-99 % случаев).
Гистограммы и графики, показанные на рис. 5-8, и СКП, представленные в табл. 4, позволяют сделать вывод, что для кинематических траекторий, полученных обработкой в различном ПО, разности в высотах и плановом положении точек могут в значительной мере отличаться между собой и не зависеть друг от друга.
Разности в плане
Разности по высоте
60
х го
го 50
m
ü
¡Ï 40
х
s
m 30 >s
OI
15 20
О
Ü 10
го ^
s? 0
m
I
50 40 30 20 10 0
lili
< 0,01 0,01 - 0,025 0,025-0,05 > 0,05
< 0,02 0,02 - 0,05 0,05-0,1 0,1-0,15 > 0,15
Интервалы разностей, м
Рис. 8. Сводные гистограммы статистического распределения величин разностей плановых координат и модулей разностей высот точек траектории,
обработанной в испытуемом ПО
Так, пара Topcon Tools - Magnet Office Tools имеют наименьшие отклонения в плане (СКП 0,02 м), но значительно различаются по высоте (0,09 м).
Наименьшие отклонения в полученных высотах наблюдались между результатами обработки программами Magnet Office Tools - GrafNav и Topcon Tools - Justin, однако, между собой высоты данных пар отличались до 0,1 м и более.
Разности в решениях могут объясняться некоторыми из следующих факторов:
- различные алгоритмы обработки и фильтрации данных, применяемых в исследуемом ПО;
- различный уровень адаптации под применение измерений сигналов ГЛОНАСС;
- отличия в алгоритмах выявления и восстановления потерь счета циклов;
- различные модели тропосферы (например, в Magnet OT и Topcon Tools по умолчанию используется Goad and Goodman, в GrafNav - Saastamoinen, а в Justin - собственная одноименная модель).
Анализ результатов обработки кинематической траектории для измерений приемника, размещавшегося на вертолете
Как уже отмечалось выше, антенна приемника NovAtel DL-V3 размещалась на зеркале заднего вида вертолета (см. рис. 2).
Такое расположение имеет ряд недостатков, значительно усложняющих обработку ГНСС-измерений: срывы наблюдения фазы (потеря спутниковых сигналов) из-за влияния лопастей, частичное закрытие радиогоризонта корпусом вертолета, наличие переотраженных сигналов. Несмотря на то, что подоб-
ное расположение антенны не является рекомендуемым в технологии измерений ГНСС, могут возникать ситуации, в которых они выполняются в подобных, крайне неблагоприятных условиях. Обработка таких измерений - серьезное испытание для алгоритмов, заложенных в различных программах, призванных компенсировать эти отрицательные эффекты.
В связи с этим, было решено выполнить сравнительные исследования для траектории, полученной приемником, устанавливаемым на вертолете.
Поскольку предыдущие исследования выявили три программных комплекса (WayPoint GrafNav, Justin, Magnet Office Tools), наиболее подходящих для постобработки измерений подобной частоты и продолжительности, в данном эксперименте было решено ограничиться ими.
Результаты обработки указанным ПО приведены в табл. 5.
Таблица 5
Анализ отчетов, полученных различным ПО измерений, приемника КоуЛ1е1 БЬ-УЭ, устанавливаемого на вертолете
Наименования характеристик Программное обеспечение
Waypoint GrafNav Magnet OT Justin
Время обработки полета, мин 10 30 15
Общее количество обработанных эпох (на промежутке времени полета) 68 500 (100 %) 68 478 (99,97 %) 68 497 (99,99 %)
Качество разрешения многозначности, % Фиксированные 20,2 33,4 18,1
Плавающие 79,8 64,1 80,3
Кодовые < 0,01 2,5 1,6
Нет решения - 0,03 0,01
Средняя погрешность (СКП или Б1Беу) в плане, м 0,02 0,08 0,09
Средняя погрешность (СКП или Б1Веу) по высоте, м 0,03 0,08 0,11
Анализ проводился для того же временного отрезка, что и для приемника, устанавливаемого на платформе.
На рис. 9 приведены рабочие окна программ с обработанной траекторией. Наличие плавающих решений проявляется в отображении траекторий программами.
Рис. 9. Обработанная в различном ПО траектория полета, измеренная приемником, размещавшимся на вертолете:
a) WayPoint GrafNav; б) Magnet Tools; в) Justin
Результаты сравнения (СКП) координат и высот соответственных точек траекторий, полученных обработкой указанным ПО, приведены в табл. 6.
Таблица 6
Результаты сравнения координат соответственных точек кинематических траекторий, полученных обработкой в различном ПО
ПО GrafNav Magnet Tools Justin
mXY, м mH, м mXY, м mH, м mXY, м mH, м
GrafNav 0,66 0,91 0,62 0,83
Magnet OT 0,66 0,91 0,44 0,55
Justin 0,62 0,83 0,44 0,55
За счет различных алгоритмов учета влияния потерь счета циклов фазовых наблюдений можно наблюдать значительные (в несколько дециметров) различия в решениях, полученных посредством различных программ. На значительном участке траектории (не менее 30 % измерений) решения Magnet Office Tools и Justin в плане совпадали, в то время как координаты соответственных точек GrafNav имели систематический сдвиг на 1-2 м, что показано на рис. 10. В то же время, по высоте решения в ПО Justin на отдельных участках имели сдвиг относительно остального ПО (около 0,1 м).
Гистограммы статистического распределения разностей для измерений приемника, устанавливаемого на вертолете, обработанных в различном ПО, приведены на рис. 11 и 12. На рис. 13 приведены сводные гистограммы распределения разностей координат и модулей высот, обработанных в различном ПО.
["»GrafNav* Magnet о Justin "|
Рис. 10. Обработанная в различном ПО траектория полета, измеренная приемником, размещавшимся на вертолете
NovAtel
Justin
Magnet
< 0.1 0.1 - 0.5 0.5 - 1 >1
Интервалы разностей (отклонений)
< 0.1 0.1 - 0.5 0.5 -1 >1
Интервалы разностей (отклонений)
NovAtel ■ MagnetOT ■ Justin
< 0.1 0.1 - 0.5 0.5 -1 >1
Интервалы разностей (отклонений)
Рис. 11. Гистограммы распределения величин разностей в плановых координатах точек траектории, обработанной в различном ПО для приемника, размещавшегося на вертолете
80
70
и 60
NovAtel Justin Magnet
< 0.5 0.5 -1 1 - 2 >2 < 0.5 0.5 - 1 1 - 2 >2 < 0.5 0.5 - 1 1 - 2 >2
Интервалы разностей (отклонений) Интервалы разностей (отклонений) Интервалы разностей (отклонений)
■ NovAtel ■ MagnetOT Justin
Рис. 12. Гистограмма распределения модулей разностей высот точек траектории, обработанной в различном ПО для приемника, размещавшегося на вертолете
60
50
¡и 40
30
о 20
10
Разности в плане
I I
< 0,01 0,1 - 0,5 0,5 - 1 > 1
Интервалы разностей (отклонений)
60 50 40 30 20 10 0
Разности по высоте
I I
< 0,5 0,5 - 1 1 - 2 > 2
Интервалы разностей (отклонений)
Рис. 13. Статистического распределения величин разностей плановых координат и модулей разностей высот точек траектории, обработанной в испытуемом ПО для приемника, размещенного на вертолете
0
Таким образом, можно констатировать, что большинство разностей (80-85 %) между решениями для траектории приемника, находившегося в сложных условиях приема ГНСС-сигналов, было в пределах 1 м в плане и 2 м по высоте. В то же время достаточно высокий процент решений (15-20 %) имеют большие отклонения разностей решений. Такие величины уже могут оказать существенное влияние на качество обработки геофизических измерений.
Выводы и рекомендации
В целом по выполненным исследованиям сделаны следующие выводы:
- ПО Topcon Tools, WayPoint GrafNav, Justin, Magnet Office Tools и Leica Geo Office позволило получить решение для каждой точки кинематической траектории, записанной с частотой измерений 5 Гц;
- решение в ПО Trimble Business Center не было получено. Возможная причина - ограниченное применение формата RINEX в данной программе;
- программный продукт Topcon Tools слабо адаптирован под большие объемы кинематических данных, типичные для аэрогеофизической разведки, при которой измерения фиксируются с большой частотой в процессе многочасовых полетов. Обработка таких данных невозможна без их искусственного разбиения, и, как следствие, значительной потери точности;
- в Magnet Office Tools обработка кинематических траекторий может длиться несколько часов и сопровождаться сбоями программы («зависаниями», случаями несанкционированного завершения работы программы, невозможностью получения подробного отчета), однако возможна без дополнительных операций и с файлами измерений;
- ПО Leica Geo Office выдало в 87,9 % случаев кодовое решение. Часть решений имело грубые погрешности порядка сотен метров. Можно констатировать слабую адаптацию данной версии программы под нужды аэрогеофизики или наличие ограничений при работе не с фирменным форматом измерений, как в случае с Trimble Business Center;
- наибольшую скорость обработки продемонстрировал программный продукт WayPoint GrafNav (менее 10 минут), наилучшее качество решений - Justin и WayPoint GrafNav (100 и 94 % фиксированных решений соответственно), что позволяет говорить о высокой эффективности перечисленных программ для решения поставленной задачи;
- решения, полученные различными коммерческими программными продуктами для одного и того же сеанса кинематических измерений, могут иметь систематические различия на 0,01-0,03 м в плане и до 0,09-0,15 м по высоте;
- величины отклонений между решениями различными программами (кроме Leica Geo Office и Trimble Business Center) для приемника, установленного на платформе, не являются критическими в масштабе требований к точности определения координат и высот точек кинематической траектории для аэрогеофизической съемки с использованием электромагнитного комплекса «Импульс- Аэро».
Таким образом, из исследуемых программных продуктов наиболее подходящими для обработки кинематических ГНСС-измерений с частотой записи 0,2 с, выполняемых при аэрогеофизических исследованиях, являются: Justin, Magnet Office Tools и WayPoint GrafNav.
Качество обработки траекторий и разности между полученными данными программами координатами и высотами точек траекторий удовлетворяют требованиям к точности определения пространственных координат ЭМ-платформы.
При обработке измерений, полученных приемником, антенна которого устанавливалась на вертолете (в неблагоприятных условиях приема), испытуемые программы выдали преимущественно плавающие решения. Разности между ними (СКП) составили в среднем 0,5-0,7 м в плане и 0,6-0,9 м по высоте.
Такие величины разностей свидетельствуют о различиях в алгоритмах учета дестабилизирующих факторов в испытуемом ПО и позволяют сделать вывод о нежелательности размещения антенны приемника в таких условиях при навигационно-геодезическом обеспечении аэроэлектромагнитных исследований.
Альтернативными местами размещения антенны ГНСС-приемника на вертолете может являться хвостовая балка вертолета, ось редуктора или специальная выносная конструкция.
В заключение важно отметить, что коммерческое ПО постоянно совершенствуется, и более свежие версии исследуемых программ могут предлагать более совершенные алгоритмы обработки кинематических измерений, нежели те, что подверглись исследованиям. Также, одним из ограничений являлось использо-
вание формата RINEX, в то время как часть исследуемого ПО имеет фирменные форматы данных, которые рекомендуется использовать для получения более корректных решений.
Также данные исследования могли бы дать более надежные результаты, в случае кинематических измерений на эталонном полигоне, для которого были бы точно известны координаты точек траектории.
По мнению авторов, исследование данного вопроса, изложенное в статье, может быть полезным для широкого круга пользователей ГНСС, стоящих перед выбором наиболее подходящего ПО для постобработки кинематических измерений.
Благодарности
Авторы выражают благодарность за оказанное содействие и предоставленные лицензионные версии исследуемого программного обеспечения организациям: ЗАО «Аэрогеофизическая разведка», ООО ГП «Сибгеотех», ООО «НАВГЕОКОМ - Сибирь», ООО «ПРИН-Новосибирск», ООО «Беспилотные технологии», ФГБОУ ВО «Сибирский государственный университет геосистем и технологий» и АО «Сибирский научно-исследовательский институт геологии, геофизики и минерального сырья».
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Исследование точностных характеристик одночастотной ГНСС-аппаратуры с использованием данных наземной инфраструктуры ГЛОНАСС / А. П. Карпик, И. Г. Ганагина, Н. С. Косарев, Д. Н. Голдобин // Геодезия и картография. - 2015. - № 7. - С. 2-7.
2. Navigation and information system of precise transport positioning using the GLONASS Ground Infrastructure / A. P. Karpik, I. G. Ganagina, N. S. Kosarev, D. N. Goldobin // Gyroscopy and Navigation. - 2016. - Vol. 7, No 1. - P. 58-65.
3. Ганагина И. Г., Косарев Н. С., Темирбулатов Р. Ф. Выбор ГНСС аппаратуры для реализации точного позиционирования подвижных объектов // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск : СГГА, 2014. Т. 2. - С. 118-123.
4. Шевчук С. О., Косарев Н. С. Алгоритм определения пространственных углов аэроразведочной платформы по измерениям трехантенного ГНСС комплекса // Вестник СГГА. -2013. - Вып. 4 (24). - С. 37-47.
5. Абсолютное кинематическое позиционирование одночастотным фазовым ГНСС-приемником, интегрированным с инерциальными датчиками / К. М. Антонович, Н. С. Косарев, Д. Ю. Першин, А. С. Щербаков // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2013. -№ 4/С. - С. 3-8.
6. Шевчук С. О., Косарев Н. С. Применение метода точного точечного позиционирования (РРР) для геодезического обеспечения аэроэлектроразведочных // 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. 1. - С. 239-244.
7. Шевчук С. О. Факторы, влияющие на точность определения истинной высоты выносной вертолетной платформы аэрогеофизического комплекса фотограмметрическим способом // Вестник СГГА. - 2013. - Вып. 3 (23). - С. 34-46.
8. Одномерное сферическое преобразование Фурье и его реализация для расчета глобальной модели квазигеоида в нулевом приближении теории Молоденского / Д. Н. Голдо-бин, Е. М. Мазурова, В. Ф. Канушин, И. Г. Ганагина, Н. С. Косарев, А. М. Косарева // Вестник СГУГиТ. - 2015. - Вып. 3 (31). - С. 45-52.
9. Методологические принципы системы точной спутниковой навигации подвижных объектов с использованием наземной инфраструктуры ГЛОНАСС / А. П. Карпик, И. Г. Ганагина, Н. С. Косарев, Д. Н. Голдобин // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. -2014. - № 5. - С. 69-74.
10. Leick, A. GPS Satellite Surveying. - New York: A Willey-Interscience Publication, 2004. - 464 p. - Англ.
11. Misra P. N., Enge P. Global Positioning System. Signals, Measurements and Performance. - 2001. - 390 p. - Англ.
12. Rizos, Ch. Principles and Practice of GPS Surveying - Version 1.1, September 1999. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.gmat.unsw.edu.au/snap/gps/gps_survey. -Англ.
13. 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. - Англ.
14. Тригубович Г. М., Персова М. Г., Саленко С. Д. Аэрогеофизические вертолетные платформы серии «Импульс» для поисково-оценочных исследований // Приборы и системы разведочной геофизики - 2006. - № 2 (16) - С. 18-21.
15. Навигационно-геодезическое обеспечение геолого-геофизических работ с использованием глобальных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS / А. Г. Прихода, А. П. Лапко, Г. И. Мальцев, С. О. Шевчук // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск : СГГА, 2011. Т. 1, ч. 2. -С.174-180.
16. Шевчук С. О. Навигационное и геодезическое обеспечение аэроэлектромагнитных исследований с подвесной вертолетной платформой // Геология и минерально-сырьевые ресурсы Сибири. - 2012. - № 2. - С. 72-75.
17. Тригубович Г. М., Шевчук С. О., Белая А. А. и др. Навигационно-геодезическое обеспечение аэрогеофизических исследований // Геология и минерально-сырьевые ресурсы Сибири. - 2013. - № 2. - C. 61-69.
18. GrafNav/GrafNet User Guide. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.novatel.com/assets/Document/Downloads/NavNet780_Manual.pdf
19. Justin User Guide. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.javadgnss.ru/doc/justin/Justin_Software_Manual_RUS.pdf
20. Magnet Tools User Guide. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://eu.sokkia.com/sites default/files/sc_files/downloads/magnet_field_v300_help_manual _en.pdf
21. Topcon Tools User Guide. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.topptopo.dk/uploads/media/manualer/Software/Topcon%20Tools/7010_0612_REVL_ TopconTools7_3_RM.pdf
22. Trimble Business Center User Guide. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://trl.trimble.com/docushare/dsweb/Get/Document-342301/022543-256I-RUS_Trim Bus Center _TN_0614_LR.pdf
23. 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.,
18-22 апреля 2016 г., Новосибирск : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 2 т. Т. 2. - Новосибирск : СГУГиТ, 2016. -C. 69-76.
24. О навигационной деятельности : федеральный закон от 30.01.2009 г. № 22-ФЗ [Электронный ресурс] - Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс».
25. Косарев, Н. С., Шевчук С. О. Проблема срывов фазовых наблюдений в методе точного точечного позиционирования // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2014. Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск : СГГА, 2014. Т. 1. -С.128-134.
Получено 08.06.2016
© С. О. Шевчук, Н. С. Косарев, К. М. Антонович, 2016
COMPARISON OF THE COMMERCIAL SOFTWARE PERFORMANCE OF GNSS KINEMATIC MEASUREMENT POSTPROCESSING FOR AERIAL GEOPHYSICS GEODETIC SUPPORT
Stanislav O. Shevchuk
Siberian Research Institute of Geology, Geophysics and Mineral Raw Materials, 630091, Russia, Novosibirsk, 67 Krasniy Prospekt, Ph. D., Head of the Geodetic Support of Geophysical Works Laboratory, tel. (383) 222-45-86, e-mail: [email protected]
Nikolay S. Kosarev
Siberian State University of Geosystems and Technology, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Junior Research, tel. (913) 706-91-95, e-mail: [email protected]
Konstantin M. Antonovich
Siberian State University of Geosy stems and Technology, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Docent, Professor of the Department of Physical Geodesy and Remote Sensing, tel. (383)361-01-59, e-mail: [email protected]
In the article the comparison of the performance of different softwares for GNSS Post Processing in relative kinematic mode is given. The data for the test that's used in the article were taken from aerial geophysical works by dual-frequency GPS/GLONASS receivers with less than 1 second data recording period. The contemprorary GNSS postprocessing programms that were compared in article were: Topcon Tools, WayPoint GrafNav, Magnet Office Tools, Leica Geo Office, Justin и Trimble Business Center. Results of postprocessing by every sofware were compared with the others for each measured epoch. Statistical analysis of differences in plane coordinates and ellipsoidal heights is showed in article. Conclusions and recommendations are given.
Key words: GNSS, kinematic measurements, postprocessing, aerial geophysics, software, grafnav, justin, magnet tools, topcon tools, trimble bc.
REFERENCES
1. Karpik, A. P., Ganagina, I. G., Kosarev, N. S., & Goldobin, D. N. (2015). Accuracy characteristics research of single frequency GNSS-receiver with using GLONASS ground infrastructure. Geodeziya i kartografiya [Geodesy and Cartography], 7, 2-7 [in Russian].
2. Karpik, A. P., Ganagina, I. G., Kosarev, N. S., & Goldobin, D. N. (2016). Navigation and information system of precise transport positioning using the GLONASS Ground Infrastructure. Gyroscopy and Navigation, 7(1), 58-65.
3. Ganagina, I. G., Kosarev, N. S., & Temirbulatov, R. F. (2014). Selection of GNSS equipment for precise positioning of moving objects. In Sbornik materialov Interekspo GEO-Sibir'-2014: Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii: T. 1. Geodeziya, geoinformatika, kartografiya, marksheyderiya [Proceedings of Interexpo GEO-Siberia-2014: International Scientific Conference: Vol. 1. Geodesy, geoinformation, cartography, mine surveying] (pp. 118-123). Novosibirsk: SGUGIT [in Russian].
4. Shevchuk, S. O., & Kosarev, N. S. (2013). Algorithm for determining spatial angles of aerial survey platform by three-antenna GNSS-complex measurements. Vestnik SGUGiT [Vestnik SSUGT], 4(24), 37-47 [in Russian].
5. Antonovich, K. M., Kosarev, N. S., Pershin, D. Yu., & Sherbakov, A. S. (2013). Absolute kinematic positioning by the single frequency phase GNSS receiver integrated with the inertial sensors. Izvestie vuzov. Geodeziya i aerofotos"emka [Izvestie vuzov. Geodesy and aerophotography], S/4, 3-8 [in Russian].
6. Shevchuk, S. O., & Kosarev, N. S. (2012) Precise point positioning technique adaptation for geodetic support of aerial electro-prospecting works. In Sbornik materialov Interekspo GEO-Sibir'-2012: Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii: Tom 1. Geodeziya, geoinformatika, kartografiya, marksheyderiya [Proceedings of Interexpo GE0-Siberia-2012: International Scientific Conference: Vol. 1. Geodesy, geoinformation, cartography, mine surveying.] (pp. 239-244). Novosibirsk: SGUGIT [in Russian].
7. Shevchuk, S. O. (2013). Factors affecting true altitude determination accuracy by photo-grammetric techniques for helicopter external platform of aerial geophysical station. Vestnik SGUGiT [Vestnik SSUGT], 3(23), 34-46 [in Russian].
8. Goldobin, D. N., Mazurova, E. M., Kanushin, V. F., Ganagina, I. G., Kosarev, N. S., & Kosareva, A. M. (2015). One dimensional spherical Fourier transformation and its implementation for the calculation of the global model quasigeoid with accuracy of the zero approach of Molodenskys theory. Vestnik SGUGiT [Vestnik SSUGT], 3(31), 45-52 [in Russian].
9. Karpik, A. P., Ganagina, I. G., Goldobin, D. N., & Kosarev, N. S. (2014). Methodological basics of the system of accurate satellite navigation system for moving objects with the use of ground GLONASS infrastructure. Izvestie vuzov. Geodeziya i aerofotos"emka [Izvestie vuzov. Geodesy and aerophotography], 5, 69-74 [in Russian].
10. Leick, A. (2004). GPS Satellite Surveying. New York: A Willey-Interscience Publication.
11. Misra, P. N., & Enge, P. (2001) Global Positioning System. Signals, Measurements and Performance. New York: A Willey-Interscience Publication.
12. Rizos, Ch. (1999, September). Principles and Practice of GPS Surveying - Version 1.1. Retrieved from http://www.gmat.unsw.edu.au/snap/gps/gps_survey.
13. Kamenetsky, F. M., Stettler E. H., & Trigubovich G. M. (2010). Transient Geo-Electromagnetics. Proceedings of the Dept. of the Earth and Environmental Sciences, Section Geophysics. Munich: Ludwig-Maximilian-University of Munich.
14. Trigubovich, G. M., Persova, M. G., & Salenko, S. D. (2006.) Airborne geophysical helicopter «Impulse» series platform for search and evaluation studies. Pribory i sistemy razvedochnoy geofiziki [Devices and systems of Exploration Geophysics], 2(16), 18-21 [in Russian].
15. Prihoda, A. G., Lapko, A. P., Malcev, G. I., & Shevchuk, S. O. (2011). Navigation and geodetic maintenance of geologic and geophysical works with the use of global satellite systems GLONASS and GPS. In Sbornik materialov Interekspo GE0-Sibir'-2011: T. 1. [Proceedings of Interexpo GE0-Siberia-2011: International Scientific Conference: Vol. 1.] (pp. 174-180). Novosibirsk: SGUGIT [in Russian].
16. Shevchuk, S. O. (2012). Navigational and geodetic support of airborne electromagnetic studies with the suspended-type helicopter platform. Geologiya i Mineral'no-syr'evye resursy Sibiri [Geology and mineral resources of Siberia], 2, 72-75 [in Russian].
17. Trigubovich, G. M., Shevchuk, S. O., Belaya, A. A., Chernyshev, A. V., Barsukov, S. V., & Kosarev, N. S. (2013). Geodetic and navigation maintenance of aerogeophysical survey Geologiya i Mineral'no-syr'evye resursy Sibiri [Geology and mineral resources of Siberia], 2, 6169 [in Russian].
18. GrafNav/GrafNet User Guide. (n. d.). Retrieved from http://www.novatel.com/assets/ Document/Downloads/NavNet780_Manual.pdf
19. Justin User Guide. (n. d.). Retrieved from http://www.javadgnss.ru/doc/justin/ Justin_Software_Manual_RUS.pdf
20. Magnet Tools User Guide. (n. d.). Retrieved from https://eu.sokkia.com/sites de-fault/files/sc_files/downloads/magnet_field_v300_help_manual _en.pdf
21. Topcon Tools User Guide. (n. d.). Retrieved from http://www.topptopo.dk/uploads/ media/manualer/Software/Topcon%20Tools/7010_0612_REVL_ TopconTools7_3_RM.pdf
22. Trimble Business Center User Guide. (n. d.). Retrieved from http://trl.trimble.com/ docushare/dsweb/Get/Document-342301/022543-256I-RUS_Trim Bus Center _TN_0614_LR.pdf
23. Shevchuk, S. O., & Kosarev, N. S. (2016). Comparing results of GNSS kinematic postprocessing by commercial program products for geodetic support of aerial geophysical works. The first conclusions. In Sbornik materialov Interekspo GEO-Sibir'-2016: Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii: T. 1. Geodeziya, geoinformatika, kartografiya, marksheyderiya [Proceedings of Interexpo GEO-Siberia-2016: International Scientific Conference: Vol. 1. Geodesy, geoinformation, cartography, mine surveying.] (pp. 69-76). Novosibirsk: SGUGIT [in Russian].
24. O navigatsionnoy deyatel'nosti [On Navigation Activity]. Federal Law No 22, January 30, 2009. Retrieved from ConsultantPlus online database [in Russian].
25. Kosarev, N. S, & Shevchuk, S. O. (2014) The problem of carrier-phase cycle slips in precise point positioning. In Sbornik materialov Interekspo GEO-Sibir'-2014: Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii: T. 1. Geodeziya, geoinformatika, kartografiya, marksheyderiya [Proceedings of Interexpo GEO-Siberia-2014: International Scientific Conference: Vol. 1. Geodesy, geoinformation, cartography, mine surveying.] (pp. 128-134). Novosibirsk: SGUGIT [in Russian].
Received 08.06.2016
© S. O. Shevchuk, N. S. Kosarev, K. M. Antonovich, 2016
