CC BY
242
УДК 528:629.783
А.Г. Прихода, А.П. Лапко, Г.И. Мальцев, И.А. Бунцев
СНИИГГиМС, Новосибирск
ТЕХНОЛОГИЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ РАБОТ
Технология геодезического обеспечения геофизических работ зависит от требуемой точности, физико-географических условий и вида геофизических работ. Геодезическое обеспечение геофизических работ производят, как правило, в следующем технологическом порядке:
- Обоснование точности выполнения отдельных выбранных видов геодезических работ и их стадий, исходя из общих требований к точности определения координат и высот для данной съемки;
- Сгущение государственной геодезической (опорной) сети;
- Вынос на местность проектного положения геофизических профилей и пунктов;
- Определение координат и высот объектов геофизических наблюдений.
Традиционные технологии выполнения геодезических работ характеризуются сложностью их организации и выполнения, особенно в труднодоступных и сложных климатических районах; полной зависимостью от погодных условий, времени дня, года; большим объемом полевых наблюдений и камеральных вычислений, значительными затратами ручного труда квалифицированных специалистов и недостаточной оперативностью. Они не требуют применения дорогостоящих технических средств, но очень трудоемки и малопроизводительны, т.к. необходима оптическая видимость между смежными пунктами геофизических исследований. Следствием являются высокая стоимость и большая продолжительность всего цикла геодезических работ.
Применение новейших современных технических средств и технологий открывает широкие возможности решения задач геодезического обеспечения геолого-геофизических работ на качественно новом уровне: быстрое развитие сетей сгущения геодезической основы, оперативный вынос профилей с требуемой точностью на местность, автоматизация измерений и обработки данных, возможность выполнения работ в сложных физико-географических и климатических условиях - основные преимущества новых технологий на базе новейших технических средств, которые представляют собой комплекс космических и наземных технических средств, предназначенных для обеспечения в любой момент времени возможности определения трех пространственных координат, вектора скорости и точного времени.
Применение спутниковых приемников GPS позволяет существенно сократить трудоёмкость работ и повысить эффективность геодезического обеспечения геофизических исследований. Спутниковая технология должна включать в себя методы и технические средства, вид и набор которых будет определяться требованиями к точности определения координат и высот,
физико-географическим условиями местности и экономической целесообразности.
Значительные объемы целого ряда изыскательских, в том числе, геологоразведочных работ выполняются в труднодоступной залесенной и горно-таежной местности.
Большинство спутниковых приемников гражданских потребителей, используемых в России, не приспособлены для навигационно-геодезического обеспечения геофизических работ и нуждаются в доработке и адаптации. В этих приборах не учитываются специфические особенности полевой эксплуатации, особенно в экстремальных условиях, например в резко пересеченной и залесенной местности. Для них требуется доукомплектование вспомогательными устройствами сопряжения (интерфейсами) с геофизической и другой геодезической аппаратурой (датчиками), устройствами синхронизации и т.п. У приборов, которые предназначены для использования на транспортных средствах, отсутствуют выносные навигационные индикаторы уклонений от линии проектного маршрута и часто выносные антенно-фидерные устройства и антенные усилители. Информация об уклонении носителя аппаратуры от линии проектного маршрута выдается с опозданием относительно момента определения координат.
В топографо-картографических работах пользуются не общеземным, а ре-ференц-эллипсоидом Красовского, при помощи которого установлена квазигео-центрическая система координат 1942 года (СК-42) и 1995 года (СК-95). Поэтому все результаты измерений, выполненные как GPS, так и ГЛОНАСС приемниками, должны быть пересчитаны в координаты, отнесенные к референц-эллипсоиду Красовского. Не учет этих параметров приводит к появлению предельных погрешностей почти до двух сотен метров.
Общую схему перехода от общеземной системы координат к референцной можно представить в виде:
(L, B, H)wGS-84 ^ (X, Y, Z )wGS-84 ^ (X', Y', Z' )cK-42 (11)
^ ( L, В', Н' )cK-42 ^ ( х', y', Н' )СК-42
где x, y и x , y - плоские прямоугольные координаты в исходной и новой системах координат в проекции Гаусса-Крюгера (или универсальной проекции Меркатора),
X, Y, Z и X', Y', Z' - пространственные прямоугольные координаты в исходной и новой системах координат,
L, В, Н и L , В , Н - геодезические координаты в исходной и новой системах координат,
£(ax, а2,...) - математическая модель квазигеоида - аномалия высоты С, как функция параметров модели
(x, У, H0wGS-84 C(al,a2 5-r:
Основными факторами, ограничивающими оптимальное получение координатно-временной информации от спутников в закрытой местности, являются:
- Затенение опорной (базовой) и мобильной (роверной) станций;
- Искажение приема сигналов из-за экранирования антенн;
- Многократные отражения сигнала от растительности, каких-либо предметов и земной поверхности.
В залесенной местности при прохождении сигналов от спутников до наземного приёмника через толщу леса и кроны деревьев происходит ослабление (затухание) полезного сигнала, т.е. уменьшение соотношения сигнал/шум или полная потеря сигнала.
Одним из источников ошибок при спутниковых измерениях являются многопутность (многолучевость) распространения радиосигналов с НИСЗ. При точных (сантиметровых) определениях статическим и кинематическим методом многопутность распространения сигнала является главным источником ошибок измерений. На вход приёмника приходят не только прямые радиосигналы (прямая волна) от спутников, но и сигналы, отраженные от земной поверхности, объектов, окружающих антенну и, обогнувшие, вследствие дифракции, мелкие предметы. Также дифракция заметно проявляется, когда размеры препятствий соизмеримы с длиной волн. Эти сигналы проходят больший путь, чем прямые.
Сигнал, поступающий на вход приёмника, формируется в результате интерференции большого количества электромагнитных колебаний, имеющих различные амплитуды и фазы. При этом амплитуды отдельных колебаний могут складываться или вычитаться, увеличивая или уменьшая соответственно суммарную мощность принимаемого сигнала. При движении (перемещении) отдельных отражателей, например раскачивание деревьев под действием ветра, взаимное расположение и облучаемая площадь отражателей изменяется по случайному закону, что приводит к флуктуации уровня отраженного сигнала в антенне спутникового приёмника и уменьшение соотношения сигнал/шум. Отслеживание коэффициента сигнал/шум является наиболее удобным вариантом определения и количественной оценки эффекта многопутности сигнала.
Проявления многопутности сигнала зависят от проводимости поверхностей отражающих и переизлучающих объектов, которыми могут являться, например стволы, ветви и даже листья деревьев, от углов падения на них сигналов спутников, от диаграмм направленности приемной и передающей антенн.
В кодовых приемниках, когда радиоимпульс приходит в точку приема с некоторым временем запаздывания, длительность результирующего импульса отличается от исходной, т.е. возникают временные искажения. Например, при С/А - кодовых измерениях, когда длина волны модулирующего сигнала составляет 300 м, погрешность может достигать нескольких десятков метров. Максимальные погрешности возникают, когда время запаздывания соизмеримо с длительностью импульса. При измерении фазы несущей
частоты погрешность за влияние многопутности может достигать нескольких сантиметров.
Существуют различные технологические приемы, позволяющие ослабить влияние многопутности. Основным методом уменьшения влияния многопутности на результаты спутниковых измерений следует считать правильный выбор места установки приемной антенны.
Известно, что в поле видимости одной наземной точки в идеальном случае могут попасть не более 12 спутников из полностью развернутых космических систем GPS или ГЛОНАСС. Для трехкоординатных определений достаточно наличия видимости 4-х спутников. В реальных условиях не всегда можно одновременно использовать необходимое количество спутников, пригодных для производства измерений. С увеличением углов закрытия горизонта уменьшается количество наблюдаемых спутников и увеличивается значение геометрического фактора, который характеризует потери точности из-за геометрии расположения спутников. Чем больше величина геометрического фактора, тем хуже геометрия засечки. Исследования спутниковой аппаратуры показывают, что при углах закрытия горизонта >300 результаты определений с точностью, соответствующей паспортной на прибор получить затруднительно из-за отсутствия необходимого числа наблюдаемых спутников и хорошего значения геометрического фактора.
При малых углах возвышения <100 паспортную точность также получить затруднительно из-за влияния на результаты измерений нижних слоев атмосферы и наличия препятствий, например деревьев, на пути распространения радиоволны по линии «спутник-приемник».
В месте наблюдений необходимо применять антенны особой конструкции для гашения отраженных сигналов; использовать узкополосные корреляционные приемники. Последний способ является наиболее перспективным. Хороший эффект ослабления влияния многопутности показали малогабаритные антенны фирмы Trimble Navigation(США).
В современных геодезических приемниках этой фирмы встраивается специальная программа подавления многопутности, которая увеличивает надежность автоматического захвата за полезный сигнал.
В Сибирском научно-исследовательском институте геологии, геофизики и минерального сырья (СНИИГГиМС) предложен и запатентован способ проведения измерений с использованием глобальных спутниковых систем и варианты устройства для его осуществления. Разработана технология, которая условно названа «динамика антенны», позволяющая работать с кодовыми приемниками в условиях влияния отраженных сигналов, например в сильно залесенной местности.
Для реализации предложенной технологии начата разработка трехкоординатного геодезического комплекса для геодезического обеспечения геологоразведочных работ в залесенной местности.
Основные требования с учетом особенностей геолого-геофизических работ к спутниковой аппаратуре можно сформулировать следующим образом:
- Небольшой вес и габариты комплекта аппаратуры;
- Возможность работы в реальном масштабе времени (относительным методом);
- Наличие датчиков для определения высот каким-либо иным физическим методом;
- Возможность работы в залесенной местности;
- Высокая скорость обновления данных;
- Наличие нескольких унифицированных портов ввода/вывода;
- Наличие выносных антенн и навигационных индикаторов;
- Простота, удобство и надежность в эксплуатации;
- Возможность работы при низких температурах;
- Экономичность по потребляемой энергии;
- Обеспечение совместимости ГЛОНАСС/НАВСТАР информации в одном приемнике.
Отличительные особенности разрабатываемого геофизического комплекса заключаются в одновременном использовании спутниковых систем для определения плановых координат и барометрического нивелирования (высокочувствительных кварцевых датчиков давления) для определения высот. Комплекс позволяет надежно определять плановые координаты в залесенной местности за счет ослабления влияния многолучевости радиосигналов по трассе «спутник-приемник» посредством использования специального портативного телескопического подъемно -поворотного устройства. Кроме того, в состав комплекса входят следующие устройства: интеллектуальная антенна-приемник-датчик спутниковых
сигналов, кварцевый микробарометр, регистратор-контроллер с индикатором и цифровой термометр для коррекции определений высоты. Для работы в режиме относительных трехкоординатных определений геодезический комплекс включает в себя две идентичные станции - базовую и мобильную. Полевые испытания рабочего макета комплекса в экстремальных условиях обеспечили среднюю квадратическую погрешность определения плановых координат, равную 1.0-3.0 м, а высот 1.0-2.0 м. Применение усовершенствованной технологии непрерывного перемещения спутниковой антенны позволяет повысить точность и надежность определений навигационными кодовыми спутниковыми приемниками.
Исходя из изложенного, может быть предложена следующая технология геодезического обеспечения геофизических работ, которая включает использование спутниковых приемников, реализующих кинематический режим измерений в реальном времени, электронных тахеометров и другой аппаратуры, например лазерных рулеток. Для одновременного определения координат и высот предлагается использовать технологии спутниковой навигации и метода барометрического нивелирования путем совмещения кодового спутникового приемника с цифровым микробарометром. При этом синхронные наблюдения должны осуществляться в реальном времени с возможной передачей дифференциальных поправок по радиоканалу или с
последующей камеральной обработкой. К данному типу приборов относятся: комплексированная система NavSEIS канадской фирмы Pulsearch Navigation Systems Inc., отечественная трехкоординатная система ИГ-3К, комплексированные спутниковые приборы GARMIN eTrex Vista и GPSMAP 76S.
© А.Г. Прихода, А.П. Лапко, Г.И. Мальцев, И.А. Бунцев, 2005
