Содержание к диссертации
Введение
1 Навигационно-геодезическое обеспечение аэроэлектромагнитных исследований 13
1.1 Задача навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических работ13
1.1.1 Геофизические методы исследования недр. Аэрогеофизика 13
1.1.2 Навигационно-геодезическое обеспечение аэрогеофизических работ 14
1.2 Методы спутниковых измерений, применяемые при навигационно-геодезическом обеспечении геофизических работ 17
1.2.1 Существующие и разрабатываемые глобальные спутниковые навигационные системы 17
1.2.2 Методы спутникового позиционирования 18
1.3 Топографо-геодезическое обеспечение аэрогеофизических работ 22
1.4 Навигационно-геодезическое обеспечение многометодного аэрогеофизического комплекса 24
1.4.1 Аэроэлектроразведочный комплекс «Импульс-Аэро» 24
1.4.2 Определяемые навигационные и геодезические параметры 27
1.4.3 Требования к точности определения навигационных и геодезических параметров 29
1.5 Способы определения навигационных и геодезических параметров аэроэлектромагнитных исследований 37
1.5.1 Определение параметров навигации носителя 37
1.5.2 Определение геодезических координат и высот вертолёта, платформы и магнитометра 40
1.5.3 Получение редуцированных координат магнитометра и платформы 43
1.5.4 Определение истинной высоты (превышения над земной поверхностью) выносной платформы 48
2 Разработка способа и устройства определения превышений разведочной платформы над земной поверхностью 55
2.1 Способ получения превышений подвижного объекта над земной поверхностью 55
2.1.1 Теоретическое обоснование способа получения превышений подвижного объекта над земной поверхностью 55
2.1.2 Устройство, реализующее способ получения превышений подвижного объекта над земной поверхностью 65
2.1.3 Априорный расчет точности способа и устройства. Факторы, понижающие точность системы. Расчёт поправок 68
2.1.4 Алгоритм выполнения работ с использованием способа и устройства для получения превышений подвижного объекта над земной поверхностью 81
2.1.5 Преимущества, технические ограничения и пути усовершенствования описанных способа и устройства 82
2.2 Разработка рабочего макета (прототипа) устройства, реализующего способ получения превышений подвижного объекта над земной поверхностью 84
2.2.1 Макет разрабатываемого устройства 84
2.2.2 Критерии выбора аппаратуры, входящей в состав создаваемого прототипа устройства 85
2.2.3 Выбор фотокамер, используемых в разрабатываемом устройстве 87
2.2.4 Выбор устройств для блоков ИНС и ГНСС 92
2.2.5 Разработка блока управления. Создание объединенного блока 93
2.2.6 Организация блока обработки 100
2.3 Методика навигационно-геодезического обеспечения аэроэлектромагнитных исследований, включающая в себя разработанные способ и устройство 100
3 Исследования и практические испытания разработанной методики навигационно-геодезического обеспечения аэроэлектромагнитных исследований 102
3.1 Испытания методов ГНСС-измерений, применяемых при навигационно-геодезическом обеспечении аэроэлектроманитных исследований 102
3.1.1 Постановка задачи испытаний методов ГНСС-измерений 102
3.1.2 Исследуемая ГНСС-аппаратура 103
3.1.3 Наземные исследования методов позиционирования в режиме статики 104
3.1.4 Наземные исследования методов позиционирования в кинематическом режиме 108
3.1.5 Лётные испытания аппаратуры и методов позиционирования 113
3.1.6 Выполнение навигационно-геодезического обеспечения геофизических исследований в Курагинском районе Красноярского края 119
3.2 Лабораторные исследования рабочего прототипа устройства, реализующего получение истинной высоты платформы фотограмметрическим способом 128
3.2.1 Исследование синхронности камер в макете устройства 128
3.2.2 Точность определения расстояний макетом устройства в статике 130
3.3 Испытания рабочего макета устройства, реализующего фотограмметрический способ получения истинной высоты платформы 134
3.3.1 Подготовка испытаний 134
3.3.2 Настройки фотокамер и устройства управления. Выполнение съёмки 136
3.3.3 Получение истинной высоты посредством рабочего макета разрабатываемого устройства 138
3.3.4 Выводы по выполненным испытаниям 152
Заключение 154
Список литературы 156
Приложение а (обязательное) характеристики отечественной и зарубежной навигационной и геодезической глонасс/gps аппаратуры 170
Приложение б (обязательное) исследуемые фотоснимки (уменьшенные).. 177
- Методы спутниковых измерений, применяемые при навигационно-геодезическом обеспечении геофизических работ
- Устройство, реализующее способ получения превышений подвижного объекта над земной поверхностью
- Испытания методов ГНСС-измерений, применяемых при навигационно-геодезическом обеспечении аэроэлектроманитных исследований
- Получение истинной высоты посредством рабочего макета разрабатываемого устройства
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время при геофизической
разведке широко применяются методы сбора геофизической информации с
использованием летательных аппаратов, позволяющие получать параметры
строения различных слоёв земной коры дистанционно, с меньшими
экономическими затратами. Методы аэрогеофизической разведки эффективно применяются при изучении земных недр, поиске как твёрдых, так и нефтегазовых полезных ископаемых, мониторинге разработки месторождений и решении широкого круга поисково-оценочных и инженерных задач. Значительное повышение экономической эффективности данных работ достигается применением многометодных систем, выполняющих комплексные измерения различных полей Земли (электрического, магнитного, электромагнитного поля, поля силы тяжести, радиационного, теплового), в том числе одновременно.
Одной из наиболее значимых задач аэрогеофизики (наряду с проблемами
обработки и интерпретации геофизической информации) является получение
пространственных данных аэрогеофизической съёмки – выполнение
навигационного и геодезического обеспечения, в частности – параметризация съёмки (определение необходимых навигационных и геодезических параметров).
Современные аэрогеофизические исследования всё чаще решают локальные поисковые задачи высокой детализации с крупными масштабами съёмки, в частности 1 : 10 000, что в значительной мере повышает требования к точности, целостности и частоте фиксации величин навигационно-геодезических параметров.
В настоящее время в связи с развитием технологий спутникового позиционирования, для решения задач координатного обеспечения и навигации широко используются методы, основанные на применении глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). Ранее для решения данных задач применялись методы аэрофотосъёмки и радиогеодезии.
Появление цифровых съёмочных систем и методов автоматической обработки фотограмметрических измерений создало возможность их применения для
эффективного решения некоторых задач навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизики, трудно реализуемых посредством ГНСС и других методов.
При навигационно-геодезическом обеспечении аэроэлектромагнитных
исследований одной из задач параметризации является точное определение истинных высот (превышений над земной поверхностью) выносных конструкций (платформ или гондол), для чего может применяться фотограмметрический метод.
Учитывая появившиеся в последнее время новые технологии и программные средства, может быть разработана комплексная методика по навигационно-геодезическому обеспечению, включающая в себя перечень работ по навигационно-геодезическому обеспечению аэрогеофизических исследований, рекомендованное программно-аппаратное обеспечение для них, а также позволяющая варьировать некоторые технологические звенья.
Разработанная методика, включающая фотограмметрический способ и устройство для определения истинной высоты выносных конструкций, может в значительной мере повысить качество выполняемых аэрогеофизических работ.
Степень разработанности тема.
При работе над вопросом, связанным с определением истинной высоты путем применения аэрофотосъёмки, рассматривались работы отечественных ученых (Журкин И. Г., Гук А. П., Антипов И. Т., Кашкин В. Г., Никитин В. Н. и др.) и зарубежных ученых (Гонсалес Р., Вудс Р., Прэтт У., Шовенгердт Р. А. и др.).
По вопросам навигационно-геодезического обеспечения геолого-геофизических работ (в частности, аэрогеофизики) посредством ГНСС-технологий опубликован ряд работ, в частности методические разработки, статьи и исследования таких ученых, как Прихода А. Г., Глаголев В. А., Тригубович Г. М., Каленицкий А. И., Канторович А. Э., Антонович К. М., Сурнин Ю. В., Щербаков В. В., Войтенко А. В. и др. Из зарубежных авторов, прямо или косвенно занимающихся данным вопросом, могут быть отмечены: Rizos Ch., Hofmann-Wellenhof B., Petrovski I. G., Bisnath S., Leick A. и др.
Целью исследования являлось усовершенствование методики навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических работ с электромагнитным
разведочным комплексом с подвесной вертолётной платформой, включая решение задачи получения её высоты над земной поверхностью фотограмметрическим способом.
Применение разрабатываемой методики при проведении детальных
комплексных аэрогеофизических исследований повышает точность и достоверность определения параметров физических полей Земли и, как следствие, выделения (локализации) поисковых объектов.
Задачи исследования:
– конкретизация задач навигационно-геодезического и топографического
обеспечения аэрогеофизических работ и методов их решения, анализ определяемых
навигационно-геодезических параметров при выполнении многометодных
аэрогеофизических съёмок, исследование необходимой точности их определения;
– разработка фотограмметрического способа определения превышений выносной вертолётной платформы (приёмно-генераторной конструкции) над земной поверхностью (истинной высоты);
– разработка методики навигационно-геодезического обеспечения
аэрогеофизических работ с обоснованием выбора аппаратуры, методов измерений и программного обеспечения для навигационно-геодезического сопровождения аэрогеофизической съемки и обработки результатов спутниковых измерений;
– создание рабочего макета устройства, реализующего способ определения превышений выносной вертолётной платформы и его испытания.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования
диссертационной работы является навигационно-геодезическое обеспечение аэрогеофизических работ.
Предметом исследований является методика навигационно-геодезического
обеспечения аэрогеофизических исследований, включающая применение
технологий ГНСС и разработку фотограмметрического способа и устройства для определения превышения над земной поверхностью (истинной высоты) выносной электромагнитной платформы.
Научная новизна результатов исследований. Впервые предложен фотограмметрический способ для определения истинной высоты выносной конструкции (платформы) и устройство, реализующее его. Основной особенностью устройства является применение пары камер, синхронно экспонирующих земную поверхность под выносной платформой. Преимуществами данного способа (в частности, в сравнении с применением лазерных высотомеров) является учёт углов наклона выносной конструкции и возможность смещения определяемой точки (в случае наличия препятствий на местности) на снимках.
Усовершенствована методика навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических исследований с использованием подвесной электромагнитной платформы, обеспечивающая параметризацию электромагнитных измерений с необходимой точностью, надежностью и частотой (периодичностью).
Теоретическая и практическая значимость работы. Разработанная
методика, включающая определение высоты фотограмметрическим способом,
обеспечивает определение навигационно-геодезических параметров
аэрогеофизической съёмки с необходимой точностью и в значительной мере повышает качество и эффективность аэрогеофизических исследований.
Методология и методы исследований. Выполненные исследования базировались на анализе научной и технической литературы, нормативных документов и выполнении экспериментальных работ.
Для решения поставленных задач применялись:
– теория математической статистики;
– теория фотограмметрической обработки пары снимков;
– теория математической обработки геодезических измерений;
– методы математического моделирования.
Применялись методы фотограмметрии, геодезии, обработки данных
аэрофотосъёмки, геоинформатики, спутниковой навигации.
При выполнении исследовательских и практических работ применялось следующее программное обеспечение:
– программа для обработки спутниковых измерений NovAtel WayPoint GrafNav;
– среды разработки программ Borland Delphi, IDE Lazarus, Free Pascal;
– ГИС MapInfo, Garmin MapSource;
– вычислительная среда программирования Equilibrium;
– средства Microsoft Office.
Автором написан ряд алгоритмов и прикладных программ на их основе.
Разработанная методика была испытана на практике (на нефтепроводе Ванкорского месторождения в Ямало-Ненецком автономном округе и в Курагинском районе Красноярского края). Предложенное фотограмметрическое устройство, включающее в себя пару неметрических камер, инерциальную навигационную систему и микрокомпьютер, было представлено и испытано в лабораторных и лётных условиях в виде рабочего макета.
На защиту выносятся:
а) разработанные фотограмметрические способ и устройство обеспечивают
определение истинной высоты выносной аэрогеофизической платформы с
необходимой точностью;
б) предлагаемая комплексная методика навигационно-геодезического
обеспечения аэроэлектромагнитных исследований с использованием выносной
электромагнитной платформы решает задачу определения необходимых
навигационных и геодезических параметров.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
Диссертация соответствует паспорту научной специальности
25.00.34 «Аэрокосмические исследования Земли, фотограмметрия», разработанному экспертным советом ВАК Минобрнауки РФ, по следующим областям исследований:
– № 3: «Теория, технология и технические средства сгущения по
аэрокосмическим снимкам геодезических сетей, создания и обновления
топографических, землеустроительных, экологических, кадастровых и иных карт и планов»;
– № 5: «Теория и технология получения количественных характеристик динамики природных и техногенных процессов с целью их прогноза».
Степень достоверности и апробация. Основные положения и результаты научного исследования докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и конгрессах:
– VII Международный научный конгресс «ГЕО-Сибирь-2011», г. Новосибирск, СГГА, 19–29 апреля 2011 года;
– VIII Международный научный конгресс «Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012», г. Новосибирск, СГГА, 10–20 апреля 2012 года;
– IV Международная конференция «Геодезия. Маркшейдерия. Аэросъёмка. На рубеже веков», г. Москва, гостиница «НовОтель», 14–15 февраля 2013 года;
– IХ Международный научный конгресс «Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013», г. Новосибирск, СГГА, 24–26 апреля 2013 года;
– VII Международный форум по спутниковой навигации, г. Москва, Экспоцентр, 24–27 апреля 2013 года.
Основные результаты исследований применялись в ООО «Аэрогеофизическая разведка» при выполнении аэрогеофизических работ на Ванкорском месторождении (инженерные изыскания) и в Курагинском районе Красноярского края (Раздольная площадь). Методика внедрена в производство ООО ГП «Сибгеотех» и в учебный процесс ФГБОУ ВПО «СГГА».
На фотограмметрические способ и устройство для определения истинной высоты выносной аэрогеофизической платформы получен патент на изобретение от 27.02.2014 (Пат. 2508525 Российская Федерация МПК51 GO1C 11/04 GO1V 3/16).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 статей, из которых 3 входят в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий. Также получен один патент РФ на изобретение.
Структура диссертации. Общий объём работы составляет 180 страниц печатного текста. Диссертация состоит из введения, трёх разделов, заключения, списка литературы, включающего 125 наименований, 2-х приложений. Работа включает 29 таблиц и 56 рисунков.
Диссертация и автореферат диссертации оформлены в соответствии с СТО СГГА 002-2013.
Методы спутниковых измерений, применяемые при навигационно-геодезическом обеспечении геофизических работ
Настоящее время широкое применение для решения множества прикладных задач получили глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС), называемые также спутниковыми радионавигационными системами (СРНС).
Технологии ГНСС обеспечивают определение пространственного положения пользователя в любом месте земного шара с помощью спутниковых приёмников по сигналам спутников и функциональных дополнений космического (Satellite Base Augmentation Systems – SBAS) и наземного (Ground Base Augmentation Systems – GBAS) базирования. Компоненты технологий ГНСС показаны в таблице 1 [7].
На данный момент функционируют, по крайней мере, две системы ГНСС глобального охвата – американская GPS (ранее NAVSTAR) и отечественная ГЛОНАСС. При этом активно ведётся разработка новых ГНСС и в других странах – Galileo (Евросоюз) и Beidou-2 (ранее COMPASS, Китай). Кроме того, функционирует или находится на этапе ввода в эксплуатацию целый ряд систем позиционирования регионального назначения (Beidou-1 в Китае, QZSS в Японии, IRNSS в Индии и др.) [71].
Позиционирование спутниковыми приёмниками может осущестляться различными методами и с использованием различных способов обработки данных и получения результатов. Существует несколько методов выполнения спутникового позиционирования, в основе которых лежит способ получения координат [72, 94, 101, 106, 119, 124]:
– абсолютный (описанный выше метод, подразумевающий измерения непосредственно по данным спутниковых наблюдений одним приёмником),
– дифференциальный (измерения с учётом поправок от одной или нескольких опорных станций с известными координатами)
– относительный (вычисление координат посредством совместной обработки измерений опорной и определяемой станций).
Также можно выделить метод точного точечного позиционирования (Precise Point Positioning – PPP), который можно отнести как к абсолютному методу, так и считать отдельным методом позиционирования.
Результаты наблюдений могут быть получены в реальном времени, непосредственно на пункте наблюдений, и с постобработкой, предполагающей получение конечного результата после завершения наблюдений и дополнительной обработки полученных данных. Выбор метода позиционирования и способа обработки зависит от поставленной задачи и точности, необходимой для её решения. Абсолютный метод определения координат осуществляется посредством одного приемника и представляет собой реализацию общего принципа спутникового позиционирования. Точность данного метода позиционирования с использованием гражданской кодовой спутниковой аппаратуры находится в пределах 5-10 м [59]. При измерениях фазовой аппаратурой точность также невысока (за счёт низкой точности бортовых эфемерид спутников) и находится на уровне 3 м [8].
Изменения абсолютным методом долгое время являлись наименее точными, однако в настоящее время за счёт развития систем информационной поддержки ГНСС, точность позиционирования абсолютным методом может быть значительно повышена за счёт применения точных апостериорных параметров орбит (эфемерид) и поправок к спутниковым часам. Это является основой метода точного точечного позиционирования PPP (Point Precise Positioning) [13, 48, 99, 106, 113]. Данный метод обеспечивает сантиметровую точность позиционирования при постобработке [13, 48, 92, 99].
Однако метод PPP нельзя назвать частным случаем абсолютного (точечного) метода позиционирования, он скорее находится на стыке методов, так как параметры орбит и поправки к спутниковым часам получают путём обработки результатов измерений сетей наземных станций.
Реализовать метод PPP можно в специальном программном обеспечении
(ПО) для кодово-фазовых измерений двухчастотными спутниковыми приемниками (способы PPP-обработки для измерений одночастотными приёмниками исследуются в [100]). Получение точных координат и высот методом PPP возможно в постобработке например, с использованием апостериорно рассчитанных файлов орбит и поправок к часам, предоставляемых Международной ГНСС-службой (IGS) [95, 109] или другими сервисами PPP.
В настоящее время возможен приём данных для PPP-обработки в режиме реального времени [114, 115].
В основу дифференциального метода спутникового позиционирования положена идея использования поправок псевдодальностей от контрольно-корректирующей станции (ККС) при обработке измерений мобильной станцией (МС), координаты которой необходимо определить.
Контрольно-корректирующей станцией может являться как специализированный стационарный приёмник (например, Sokkia GSR2700 RSX, ГККС от АОА «РИРВ»), так и обычный полевой приёмник, поддерживающий расчёт поправок в формате RTCM или CMR и оснащённый аппаратурой для их передачи. Координаты фазового центра антенны ККС должны быть известны с высокой точностью. ККС иногда также называют опорной или базовой станцией (БС).
Для получения поправок от ККС в реальном времени, пользователь МС должен иметь специальный радиомодем. При использовании платных сервисов передачи поправок, могут потребоваться средства обратной связи. Получение поправок также может осуществляться при постобработке.
Дифференциальный метод может осуществляться с использованием поправок как от одной ККС (локальный дифференциальный метод - LDGPS), так и по сетевому решению от сети базовых станций (региональный и широкозонный методы), называемых дифференциальными подсистемами [45, 58, 91].
В России в настоящее время активно разрабатываются и внедряются свои сети базовых станций в крупных городах и на территории субъектов федерации [74, 75]. Также производятся попытки создания сети базовых станций, охватывающих всю территорию России, например сеть активных базовых станций НПП «НАВГЕОКОМ» [32], на момент написания включавшая в себя базовые станции в 30 городах России [73].
Относительный метод позиционирования считается наиболее точным [8]. В основу метода положена совместная обработка результатов одновременных измерений двумя спутниковыми приёмниками – базовой станцией (БС) и мобильной станцией (МС). При обработке определяется вектор между ними, называемый базисной (базовой) линией (БЛ). Как и в дифференциальном методе, базовая станция должна иметь точные известные координаты. Данный метод чаще применяется для фазовых приёмников, позволяя добиться более высокой точности, чем точность, обеспечиваемая дифференциальными поправками. Спутниковое позиционирование относительным методом, как и в случае с другими методами, может выполняться статическим и кинематическим способами, однако имеет определённую специфику, на основе которой выделяются различные режимы относительных наблюдений, описанные в [8, 107, 112].
Устройство, реализующее способ получения превышений подвижного объекта над земной поверхностью
Состав разрабатываемого устройства включает в себя:
– две цифровые неметрические фотокамеры (предварительно откалиброванные в лабораторных условиях); – блок ИНС (трёхосевой MEMS-гироскоп и трёхосевой акселерометр, компенсирующий его дрейф);
– блок управления – микрокомпьютер или портативный компьютер, ведущий запись информации с блока ИНС, посылающий камерам команду съёмки и выполняющим ее посредством исполнительных механизмов;
– блок обработки – персональный компьютер или цифровая фотограмметрическая станция (ЦФС) со специальным программным обеспечением для выполнения камеральной обработки данных съёмки.
Кроме того, для синхронизации системы по времени с измерениями приёмной антенны платформы рекомендуется использовать временные метки (PPS) приёмника ГНСС, применяемого для пространственно-временной привязки платформы и для коррекции измерений ИНС.
Сама аппаратура ГНСС может быть представлена в качестве дополнительного блока (блок ГНСС), однако также могут использоваться данные, получаемые от внешнего спутникового приемника, не входящего в состав устройства, например, от входящего в состав ЭМ-платформы.
Состав и схема функционирования разрабатываемого устройства Приём и запись съёмочных данных осуществляется в память блока управления и в память фотокамер. Данные с блока ИНС поступают на устройство блока управления через универсальный порт (например, COM или USB) и записываются в файл через специальную программу.
Также осуществляется синхронизация системного времени устройства блока управления со временем ГНСС-аппаратуры. Возможен приём времени от ГНСС-аппаратуры в формате PPS через USB или COM-порт. Блок управления также фиксирует и сохраняет метку времени фотографирования (в момент отправления сигнала к командным устройствам). Синхронизацию можно проводить единожды, с расчетом на то, что стабильность частоты часов устройства блока управления соответствует, например, кварцевым часам (10-6).
Снимки сохраняются в память цифровых фотокамер (желательно использовать в качестве накопителей карты памяти большого объёма).
Обработка съёмочных данных должна производиться в блоке обработки посредством специальной программы, функции которой должны обеспечивать:
– ввод и обработка данных ИНС;
– учет синхронизации времени экспонирования и данных ИНС;
– возможность учета параметров калибровки камер (элементов внутреннего ориентирования и коэффициентов дисторсии);
– автоматическое (или полуавтоматическое) выполнение взаимного ориентирования снимков;
– ввод или вычисление величин, необходимых для ввода поправок (подробнее см. 3.1.3);
– подбор ZA и вычисление h с использованием коррелятора;
– вывод каталогов с результатами вычислений;
– возможность создания накидного монтажа (фотопланов) из обработанных снимков.
Данную систему, учитывая конструктивные особенности платформ серии «Импульс-Аэро», предлагается размещать на платформе на жёстких креплениях, в соответствии с рисунком 15. Трос-кабель
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). Это является одним из условий, приведённых при теоретическом создании способа (см. 3.1.1). Блок управления и блок ИНС рекомендуется размещать внутри капсулы. Устройство может быть усовершенствовано за счет применения двух блоков ИНС, которые можно закреплять непосредственно на фотокамерах.
Для расчета по формуле (16) необходимо оценить величину СКП ZA фотограмметрическим методом. Для этого воспользуемся формулой вычисления аппликаты ZА в базисной системе координат (с допущением, что элементы внутреннего ориентирования снимков, полученных двумя фотокамерами равны между собой)
Испытания методов ГНСС-измерений, применяемых при навигационно-геодезическом обеспечении аэроэлектроманитных исследований
При выполнении аэроэлектромагнитных исследований с использованием комплекса «Импульс-Аэро», координаты носителя (вертолёта) и платформы должны определяться с точностью не ниже 1 м (см. таблицу 10).
Для решения поставленных задач предложено использование двухчастотной кодово-фазовой ГНСС аппаратуры, работающей в режиме кинематических измерений с постобработкой относительным методом или методом точного точечного позиционирования PPP.
Исследования выполнялись кодово-фазовой двухчастотной ГНСС аппаратурой в режиме статических и кинематических измерений. Вся исследуемая аппаратура являлась двухсистемной и работала с сигналами ГЛОНАСС, обеспечивая тем самым выполнение Федерального закона о навигационной деятельности.
Целью испытаний являлась оценка точности и надежности, обеспечиваемых предложенной аппаратурой и методами позиционирования при навигационно-геодезическом обеспечении аэроэлектромагнитных исследований. При этом учитывалось, что аппаратура может применяться как при проведении лётных, так и предварительных наземных измерений.
В рамках данных испытаний проводились как наземные, так и летные исследования аппаратуры.
Отдел геодезического обеспечения геолого-геофизических работ ФГУП «СНИИГГиМС» располагал несколькими моделями кодово-фазовой двухчастотной спутниковой аппаратуры ГНСС зарубежного и отечественного производства, среди которых ГККС, «Изыскание» (ОАО «РИРВ», Россия), DL-V3 (NovAtel, Канада) и Viva GS10 (Leica Geosystems, Швейцария). Внешний вид исследуемых приёмников показан на рисунке 27, характеристики приведены в таблице 13.
Постобработка измерений выполнялась в программном обеспечении NovAtel WayPoint GrafNav. Данный программный комплекс позволяет осуществлять обработку измерений как отностительным методом, так и методом точного точечного позиционирования (PPP).
Первым этапом испытаний аппаратуры являлись наземные измерения, выполнявшиеся на пунктах отраслевого геодезического полигона ФГУП «СНИИГГиМС». Как и в случае с одночастотными приёмниками, исследования проводились как в открытой местности, так и в сложных условиях приёмов спутниковых сигналов.
При обработке измерений методом PPP использовалось два вида данных, предоставляемых бесплатно Международной ГНСС службой (International GNSS Service – IGS) в виде файлов поправок к спутниковым часам и точных эфемерид – «Быстрые» (Rapid) и «Окончательные» (Final). Основным различием между указанными видами данных является количество станций, принятых в обработку для их вычисления и задержка в их размещении службой для свободного доступа в Интернете [95,108]. «Быстрые» файлы точных орбит и поправок к спутниковым часам суточной продолжительности доступны на серверах IGS через 17–41 час после проведения измерений, «окончательные» – через две-три недели [108].
Для обработки относительным методом в качестве базовой станции использовался второй приёмник Leica GS10, антенна которого устанавливалась на пункт принудительного центрирования с известными координатами.
Было проведено по 10 сеансов продолжительностью 1, 10, 30 и 60 минут на пункт принудительного центрирования с известными координатами с интервалом записи данных 1 с.
Для оценки надёжности решения создателями программного обеспечения GrafNav был введён класс решения многозначности Q [105], значения которого приведены в таблице 14.
В результате был сделан вывод, что для получения решения с точностью в плане порядка нескольких сантиметров методом PPP, сеансы наблюдений должны иметь продолжительность не менее часа, что подтверждает исследования, описанные в [92, 99].
Из таблицы 15 также видно, что различия между результатами обработки по быстрым и окончательным поправкам при фазовом решении составляют единицы сантиметров.
Далее были проведены испытания аппаратуры с постобработкой методом PPP и относительным методом в условиях различной сложности приёма спутниковых сигналов на семи эталонных реперах, расположенных в открытой местности, около препятствий (граница леса) и в залесённой местности (смешанный лес с преобладанием деревьев хвойных пород). Продолжительность наблюдений составляла 45 минут, угол горизонта задавался при обработке и составлял 15.
Для сравнения была произведена обработка относительным методом с базовой станцией Leica GS-10. Величина базовой линии составляла от 12,5 до 20 км. В качестве ровера в данном эксперименте выступал приёмник NovAtel DL-V3 и второй приёмник Leica GS-10. Результаты приведены в таблице 16.
В случае выполнения измерений на границе леса и в открытой местности, результаты, полученные относительным методом, оказались точнее результатов обработки по PPP. В лесу СКП оказались примерно одинаковыми (2-3 м) для обоих режимов.
Получение истинной высоты посредством рабочего макета разрабатываемого устройства
Перед выполнением фотограмметрической обработки, полученные данные были проанализированы. Первичный просмотр отснятого материала позволил сделать следующие выводы:
– данные записывались непрерывно, съёмка выполнялась без пропусков;
– большой объём данных (более 250 Гбайт) является одним из недостатков данного способа и создаёт заметные сложности в обработке;
– написание дополнительного ПО, объединяющего файлы (разработанная программа для блока управления записывает файлы измерений продолжительностью 1 мин во избежание потери данных в случае сбоя) могло бы сделать работу с данными более удобным;
- по данным, полученным с блока ГНСС имелась возможность синхронизировать время с точностью до 10"3 с (соответствует точности записи меток времени блоком управления).
Отметки времени, которые записывались в файлы измерений блоков ИНС, отчёты блока ГНСС и отчёты о подаче сигналов съёмки на исполнительные механизмы отсчитывались от запуска программы блока управления. Устройство управления (Raspberry Pi) отсчитывало системное время по внутреннему кварцевому генератору (нестабильность часов не грубее 10 6 с). Между системным временем блока управления tcuc и временем UTC, выдаваемым в NMEA-протоколе блока ГНСС TDAY(UTQ можно выделить следующую зависимость где At - разности между началами отсчёта шкал времени системы программы Raspberry и времени UTC от начала текущих суток.
Из файлов записи отчётов блока ГНСС (метки PPS и NMEA) разность At на 19.07.2013 была определена равной 2620,85 с, и на протяжении вылета равномерно изменилась на 0,3 с до 2621,15 (за счет нестабильности часов RPi).
Время получения снимков tCH(UTC) в UTC от начала текущих суток может быть получена по формуле где tKCM(i) - время от подачи команды до срабатывания /-ой камеры (получены в лабораторных условиях, для упрощения приняты равными 0,5 с); їком(сис) - системное время получения снимка z-ой камеры.
Получение углов из измерений MEMS-системой выполнялось в программе, написанной В. Н. Никитиным в рамках данных исследований. Программа позволяла выделять углы курса, крена и тангажа по измерениям блока ИНС на определённый момент времени (в частности, на момент экспонирования каждого снимка tсн).
Связь моментов времени получения снимков с измерениями ГНСС-приёмников комплекса «Импульс-Аэро» также может быть выражена формулами (48) и (49).
Фотограмметрическая обработка осуществлялась в несколько этапов:
– ввод снимков в PhotoMod 5 Lite;
– ввод элементов внутреннего ориентирования снимков и импорт параметров дисторсии (из калибровки камер);
– определение элементов взаимного ориентирования (измерение точек в шести стандартных зонах);
– вычисление в Eqilibrium элементов внешнего ориентирования снимков через элементы их взаимного ориентирования и пространственные углы платформы;
– вычисление координат точки A на левом снимке (x1, y1);
– подбор в PhotoMod соответственной точки на правом снимке (x2, y2), при необходимости – смещение точки A;
– расчёт аппликаты ZA и истинной высоты h по координатам точки A на левом и правом снимках.
В рамках испытаний для обработки были выбраны восемь фотоснимков, полученных в один вылет, каждый из которых имел характерные свойства, иллюстрирующие наиболее благоприятные и наиболее сложные условия съёмки. Обработка выполнялась в существующих программных продуктах (Photomod Lite и Equilibrium), однако в дальнейшем, необходимо написать программу, автоматизирующую большинство процессов и предназначенную специально для реализации блока обработки разрабатываемого устройства.
Обрабатываемые снимки приведены в приложении Б. Характеристики снимков приведены в таблице 26 (включая время их получения и углы наклона платформы).
Важно отметить, что снимки были выбраны для участков различной залесенности, для анализа работы алгоритмов, предложенных при разработке способа и устройства применительно к территориям различной сложности. Более подробно описание категорий сложности (и критериев их определения) территорий изложено в [41, 59, 60].
Процесс выполнения взаимного ориентирования снимков в Photomod 5 Lite показан на рисунке 47. Результаты взаимного ориентирования снимков и оценка точности (СКП остаточного поперечного параллакса) приведены в таблице 27.
