[ «Б. Н. Жуков, А. П. Карпик ГЕОДЕЗИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ИНЖЕНЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ И ГРАЖДАНСКИХ КОМПЛЕКСОВ Рекомендовано УМО по образованию в области геодезии и фотограмметрии в качестве учебного пособия для ...»
Программа контроля [20] – документ, устанавливающий объект, план и вид контроля, последовательность, объем, место и сроки проведения, а также порядок и ответственность за обеспечение и проведение контроля. В настоящее время в нормативной литературе нет указаний, правил и методики составления программ геодезического контроля технических состояний конструкций зданий, сооружений и оборудования промышленных предприятий. Для выработки правил оформления таких программ рекомендуется воспользоваться общим подходом к оформлению документов технического контроля, изложенным в ГОСТ 3.1502-85 и ГОСТ 16468-79, а также методикой составления программ геодезических наблюдений за осадками, горизонтальными смещениями, кренами и деформациями конструкций, изложенными в МУ-34-70-084-84, Руководстве по наблюдениям за деформациями оснований и фундаментов зданий и сооружений [12], Руководстве по натурным наблюдениям за деформациями гидротехнических сооружений и их оснований геодезическими методами [14], СНиП 3.01.03- [16].
В соответствии с ГОСТ 3.1502-85, применительно к геодезическому контролю, в стандартах и других нормативно-технических документах на геодезический контроль, а также в стандартах предприятия должны быть определены: критерии отказов и предельных состояний; контролируемые параметры; применяемые методы контроля; план контроля и порядок его проведения; характеристики контроля; методы, схемы и средства измерений;
условия и порядок проведения и т. п. Некоторые важные разработки в этом направлении будут представлены в последующих разделах настоящей работы.
Документация, отражающая результаты геодезического контроля, может быть представлена в виде акта, заключения или технического отчета.
Документ, отражающий результаты контроля, в общем случае, должен содержать:
техническую характеристику объекта контроля, представленную в проектной, исполнительной и эксплуатационной документации;
информацию о проектных и фактических технологических схемах геодезического контроля параметров;
информацию о методическом, информационном, организационном, математическом и программном обеспечении контроля;
первичную и вторичную информацию, полученную в результате геодезических измерений и съемок;
информацию об уровне технического состояния конструкций и основания объектов по геометрическим признакам.
Исполнитель контроля.
Исполнители геодезического контроля технических состояний зданий, сооружений и их оснований – специалисты инженерно-геодезического профиля работ, имеющие соответствующие их квалификации знания и навыки ведения контрольных операций и процессов.
Исполнителей геодезического контроля можно характеризовать по важности выполняемых функций, по сложности и точности обеспечения процессов контроля, по специальным требованиям.
По важности выполняемых функций (уровню ответственности) контролеров предлагается разделить на 4 категории:
неответственная (рабочий персонал, выполняющий простые вспомогательные работы по геодезическому контролю под руководством исполнителя);
средней ответственности (исполнители, выполняющие измерения на объектах с низким и средним уровнем надежности);
ответственная (руководители и ответственные исполнители, выполняющие проектирование технологий геодезического контроля и осуществляющие процессы измерений на всех стадиях работ на объектах высокого уровня надежности);
особо ответственная (руководители органов надзора, ведущие надзор за качеством контроля; руководители и ответственные исполнители организаций, ведущие геодезические работы по геодезическому контролю и осуществляющие проектирование и выполнение всех производственных работ на объектах, требующих особо высокого качества и наивысшего уровня надежности).
По сложности и точности обеспечения процессов контролеров предлагается разделить на категории:
простая (простые измерительные операции, выполняемые простейшими приборами невысокой точности, на несложных в конструктивном отношении объектах);
средней сложности (выполнение отдельных видов широко распространенных геодезических работ средней точности на объектах средней сложности);
сложная (выполнение большинства видов геодезических работ высокой точности на сложных в конструктивном отношении объектах в условиях возмущающих воздействий на процессы измерений);
особо высокой сложности (выполнение любых сложных в техническом отношении видов геодезических работ высокой точности на очень сложных в конструктивном отношении объектах в условиях возмущающих воздействий на процессы измерений, требующих применения или разработки специальной геодезической аппаратуры и защиты от влияния возмущающих воздействий).
По специальным требованиям контролеров предлагается разделить на категории:
низкая (работники, не требующие специальной подготовки для самостоятельного выполнения геодезических работ в условиях действующего предприятия; имеющие необходимый минимальный уровень подготовки по правилам технической эксплуатации, техники безопасности, промышленной санитарии на данном предприятии; не имеющие противопоказаний по медицинским требованиям для выполнения геодезических работ на предприятиях легкого режима работы);
средняя (работники, требующие минимальной специальной подготовки для самостоятельного выполнения геодезических работ в условиях действующего предприятия; имеющие необходимый средний уровень подготовки по правилам технической эксплуатации, технике безопасности, промышленной санитарии на контролируемом предприятии, позволяющий им вести самостоятельные работы на объектах, не требующих специального допуска; не имеющие противопоказаний по медицинским требованиям для выполнения геодезических работ на предприятиях среднего режима работы);
высокая (работники, требующие высокой специальной подготовки для самостоятельного выполнения геодезических работ в условиях действующего предприятия; имеющие высокий уровень подготовки и документы по правилам технической эксплуатации, техники безопасности, промсанитарии на контролируемом предприятии, позволяющие им самостоятельно вести работы на всех контролируемых объектах, в том числе, на объектах, требующих специального допуска; имеющие допуск по медицинским показаниям для выполнения специальных работ в опасных для здоровья условиях и на предприятиях тяжелого режима работы);
особо высокая (работники, требующие высокой специальной подготовки для руководства и выполнения геодезических работ любой сложности в условиях действующего предприятия любого режима работы;
имеющие высокий уровень подготовки и документы по правилам технической эксплуатации, технике безопасности, промышленной санитарии и другим требованиям (ядерной, химической, бактериологической и другой безопасности) на контролируемом предприятии; имеющие допуск по медицинским показаниям для выполнения специальных работ в опасных для здоровья условиях).
Условия контроля и их характеристика.
Условия контроля представляют собой совокупность воздействующих факторов и режимов функционирования объекта при техническом контроле.
Условия контроля технических состояний зданий, сооружений, технологического оборудования и их оснований промышленных предприятий очень разнообразны и зависят от внешних и внутренних факторов.
Влияющие факторы можно разделить на четыре группы:
климатические (температура окружающей среды, относительная влажность воздуха, атмосферное давление);
электрические и магнитные (колебание силы электрического тока, напряжения в электрической сети, частоты переменного электрического тока, постоянные и переменные магнитные поля и др.);
внешние нагрузки (вибрации, ударные нагрузки, внешние касания деталей прибора);
ионизирующие излучения, газовый состав атмосферы и т. д.
С целью обеспечения единства измерений к условиям их проведения предъявляются жесткие требования. Для конкретных областей измерений устанавливают единые условия, называемые нормальными. Значение физической величины, соответствующее нормальным условиям, называют нормальным значением влияющей физической величины. Общепринятые нормальные значения влияющих физических величин составляют [28]:
температура для всех видов измерений – 200С (293 К);
давление окружающего воздуха – 101,3 кПа (760 мм рт. ст.);
относительная влажность воздуха – 58%;
плотность воздуха – 1,2 кг/м3;
ускорение свободного падения – 9,8 м/с2.
Однако при выполнении измерений трудно поддерживать определенные номинальные значения влияющих величин. Во-первых, значения величин могут колебаться около своих номинальных значений; во-вторых, влияющие величины создают поля. Например, при линейных измерениях параметров измерительного объекта большой протяженности или сложной конфигурации нельзя гарантировать единого значения такой влияющей величины, как температура. На разных участках измерительного объекта температура может быть разная. Учесть изменения результата измерения от воздействия температуры в подобной ситуации практически невозможно. Поэтому устанавливают пределы возможных изменений для каждой влияющей величины. Эти пределы (их называют пределами нормальной области значений влияющих величин) выбирают так, чтобы воздействие совокупности влияющих величин на результат измерения было по возможности минимальным. ГОСТ 8.050-81 рекомендует учитывать это действие через изменения показаний средств измерений. В соответствии с ГОСТ 8.050-81, требования к нормальным условиям устанавливаются в зависимости от допусков на измеряемую величину и требования к допускаемой погрешности измерений. Несмотря на то, что в стандарте эти требования изложены для линейных и угловых измерений, их по (Селиванов М.Н., Фридман А.Э., Кудряшова Ж.Ф. Качество измерений:
Метрологическая справочная книга. – Л.: Лениздат, 1987. – 295 с.) можно распространить и на другие виды измерений. Для этого достаточно, чтобы на измеряемую величину был допуск.
Согласно ГОСТ 8.050-81, предельная погрешность измерений составляет от 20 до 35% допуска; а изменение погрешности средств измерений из-за действия влияющих величин в нормальных условиях не должно превышать 35% погрешности измерений.
При точных измерениях для поддержания нормальных условий применяют специальные средства защиты от воздействия влияющих величин.
термостатирования – обеспечения определенной температуры в рабочем пространстве. Термостатировать можно части измерительной аппаратуры, средства измерений, помещения. Термостатирование может быть естественным (например, использование подвалов) и искусственным (применение электрических подогревателей, холодильников, кондиционеров).
Для устранения вибраций и сотрясений применяют амортизаторы – эластичные подвесы (струны, пружины и т. д.), резину и т. д.
Средством защиты от влияния магнитного поля Земли служат экраны из магнитно-мягких материалов.
При выполнении измерений в открытом пространстве, при высокой или низкой температуре соблюдать нормальные условия часто невозможно. В таких ситуациях устанавливают менее жесткие условия выполнения измерений, называемые рабочими условиями. При этом используются средства измерений, рассчитанные на рабочие условия. Многие вопросы учета влияния внешних условий при геодезических измерениях решаются путем измерения параметров среды и введением поправок в показания приборов.
Рис. 2.2. Общая схема понятий структурной схемы геодезического контроля технического состояния конструкций зданий и сооружений промышленных предприятий, градация и правила выбора элементов контроля
3. МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ НА
ОСНОВЕ СПУТНИКОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
Наряду с рассмотренными и уже ставшими классическими методами измерений геометрических параметров, характеризующих техническое состояние зданий, сооружений и технологического оборудования промышленных предприятий и гражданских комплексов, в последние годы стремительными темпами развивается спутниковый метод определения координат. Этот метод стал использоваться не только для целей создания точных и надежных геодезических сетей, но и для целей слежения за положением движущихся объектов и особенно, что очень важно для качества эксплуатации инженерных объектов, – мониторинга их состояния. Этот метод позволяет реализовать пообъектное определение координат и наилучшим образом отвечает требованиям мониторинга геоинформационного пространства (ГИП), поскольку, как правило, изменяются отдельные объекты. Кроме того, он позволяет координировать не только стационарно расположенные объекты, но и динамические объекты, что крайне важно с позиций геоинформационного обеспечения (ГИО). Учитывая эти особенности спутникового метода и относительную новизну его использования в ГИО, рассмотрим возможности этого метода более детально.3.1. Общая характеристика спутникового метода координирования радионавигационных систем GPS и ГЛОНАСС, прочно вошли в геодезическое производство [21, 22]. По сравнению с классическими геодезическими технологиями, они обладают рядом преимуществ [23]:
широкий диапазон точностей практически в глобальном масштабе от десятков метров до единиц миллиметров;
высокая производительность труда (в 5 – 10 раз выше, чем в классических технологиях);
экономическая эффективность, появляющаяся из-за того, что не нужно обеспечивать прямую видимость между наблюдаемыми пунктами и строить высокие знаки;
независимость от погодных условий;
высокая степень автоматизации;
возможность выполнять наблюдения в движении и др.
Эти преимущества существенно перекрывают недостатки спутниковых технологий, из которых главными являются сравнительно высокая стоимость оборудования, зависимость от препятствий вблизи антенны, необходимость достаточно сложных преобразований координат, среди которых на особом месте находится проблема получения нормальных высот, и др.
Первоначальное назначение спутниковых радионавигационных систем (СРНС) – координатно-временное обеспечение военных действий. Наличие общедоступного сигнала стандартного дальномерного кода дало мощный толчок для разработки гражданского применения СРНС. Эта область применения существенно расширилась после того, как была разработана теория и аппаратура для измерений фазы несущей волны. Уже первые геодезические измерения доказали возможность достижения точности миллиметрового уровня на расстояниях до нескольких километров. Работы многих ученых расширили диапазон расстояний и довели точность наблюдений до 10-9 в глобальном масштабе. В табл. 3.1, взятой из работы [24], указываются основные усовершенствования в спутниковых технологиях, позволившие существенно повысить точность наблюдений.
Таблица 3.1 Повышение точности определения координат в спутниковых 1992 Средняя квадратическая ошибка в плане MD (мм) = [(0.1 - 1.0 мм)2 + (2 b D)2]1/2, где D – расстояние между пунктами С развитием спутниковых технологий стала неуклонно расширяться область их применения. Если первые наблюдения выполнялись исключительно для построения небольших опорных геодезических сетей (сети сгущения и инженерные сети в середине 80-х гг.), то, постепенно доказывая превосходство новых технологий в точности, геодезисты перешли к построению государственных сетей (типа известной высокоточной сети HARN в США) и сверхточных геодинамических сетей. Из последних наиболее известна глобальная сеть Международной геодинамической службы, начавшая функционировать с 1994 г. [24]. Эта служба не только отслеживает динамику тектонических плит и совместно с Международной службой вращения Земли (МСВЗ) поддерживает общеземные системы ITRF, но также обеспечивает геодезистов данными измерений, полученными на станциях мировой сети, точными эфемеридами и другой информацией, крайне необходимой при выполнении работ самой высокой точности.
Одной из особенностей спутникового метода наблюдений является его способность определять местоположения как мгновенно, так и в течение очень длительного периода времени. Этот фактор делает спутниковый метод незаменимым в задачах мониторинга объектов с самой разнообразной динамикой. Метод пригоден как для мониторинга движений тектонических плит, имеющих скорости несколько сантиметров в год, так и для мониторинга космических объектов, имеющих скорости десятки километров в секунду.
Недостатки GPS и ГЛОНАСС, заключающиеся, прежде всего, в блокировании сигналов препятствиями, заставляют разработчиков объединять спутниковые примники с другими видами аппаратуры, такими, как инерциальные системы, псевдолиты и пр. Особенно это актуально в условиях крупных городов (городские «каньоны»).
Большой толчок в расширении круга применения GPS технологий вызвала отмена режима выборочной доступности 1 мая 2000 г. Это существенно повысило точность абсолютного позиционирования по C/A коду (со 100 м до м при вероятности 95%), улучшило эффективность статического и кинематического позиционирования дифференциальными и относительными методами. Следующим значительным шагом вперед в области GPS технологий должно стать появление сигнала на третьей частоте. Это приведет к дальнейшему повышению точности измерений и уменьшению продолжительности наблюдений, необходимых для достижения нужного уровня точности.
Заложенные принципы позиционирования и имеющееся аппаратурнопрограммное обеспечение привели к появлению нового направления в навигации – так называемой внутренней навигации (indoor navigation), в которой управление средствами передвижения осуществляется в закрытых помещениях, где сигналы спутников не проходят, но их заменяют сигналы от псевдолитов.
3.2. Возможности GPS и ГЛОНАСС в программах мониторинга 3.2.1. Методы спутниковых наблюдений В спутниковых технологиях используются измерения двух видов величин:
псевдодальности и фазы. Псевдодальность PAi – это расстояние между спутником i и приемником A, получаемое при умножении значения скорости света с на измеренную по показаниям часов спутника и приемника временную задержку в распространении сигнала. Эта задержка искажена ошибками в показаниях часов, влиянием среды распространения, задержками в аппаратуре спутника и приемника и другими факторами, которые для простоты рассмотрения опустим. Псевдодальности измеряются по сигналам точного кода на частотах диапазонов L1 и L2 и по сигналам стандартного кода на диапазоне L1.
Воспользуемся моделью псевдодальности в упрощенном виде [25] где t – номинальное время приема (системное время, время GPS или ГЛОНАСС); I A – ионосферная задержка; T Ai – тропосферная задержка; dti и dtA – поправки часов спутника и приемника; A (t ) – геометрическая дальность; e iA – погрешность измерения псевдодальности, имеющая порядок одного метра и более (шум измерений псевдодальности). В левой части уравнения (3.1) находятся измеренные или известные с некоторыми погрешностями величины.
Геометрическая дальность представляет собой истинное расстояние между спутником и приемником. Подлежащие определению координаты пункта скрыты в геометрической дальности A (t ), которую можно явно записать как где X i (t ), Y i (t ), Z i (t ) – компоненты вектора геоцентрического положения спутника в эпоху t; XА, YА, ZА – три неизвестных координаты пункта наблюдений, образующих вектор RA в земной геоцентрической системе.
Измеренная спутниковым приемником в момент первого наблюдения фаза A равна разности между фазой принятого от спутника сигнала несущей волны и сигнала, созданного в приемнике. Когда сигнал спутника принимается, может измеряться только дробная часть фазы, то есть целое число волн N A, i называемое начальной неоднозначностью фазы, неизвестно. При последующих наблюдениях приемником дополнительно фиксируется число целых циклов частоты, накопленных от начального наблюдения. Фазу A в циклах выражают в единицах расстояния умножением на длину волны. Упрощенную модель фазовых измерений можно представить в виде выражения [22] Здесь iA – погрешность измерения фазы или шум измерений. Он имеет порядок 1 – 2 мм, откуда видно, что фазовые измерения значительно точнее кодовых, iA e iA.
Практическая реализация уравнений (3.1) и (3.3) чаще всего связывается с линеаризацией уравнения (3.2). Для этого вектор RА представляется в виде суммы векторов R 0 ( X A, Y A, Z A )T известного приближенного положения пункта A и вектора поправок dR A ( dX A, dYA, dZ A )T, то есть Последующая подстановка уравнения (3.4) в (3.2) и последующее разложение в ряд Тейлора до членов первого порядка дает Подстановка линеаризованной геометрической дальности (3.5) в уравнения псевдодальности и фазы дает следующие математические модели основных видов измеряемых параметров:
(3.9) Уравнения (3.8) и (3.9) могут быть использованы для определения координат абсолютным, дифференциальным и относительным методом.
3.2.2. Абсолютный метод (точечное позиционирование) Позиционирование по кодовым псевдодальностям. Когда используется единственный приемник, имеет смысл производить только точечное позиционирование по кодовым псевдодальностям. Концепция точечного позиционирования характеризуется как космическая трилатерация. Для точечного позиционирования GPS обеспечивает два уровня услуг:
1. Стандартная служба позиционирования по C/A коду (Standard Positioning Service, SPS) с открытым доступом для гражданских пользователей.
2. Точная служба позиционирования (Precise Positioning Service, PPS) с доступом для авторизованных пользователей. Подобный подход реализован в системе ГЛОНАСС.
Для определения координат пункта по измеренным псевдодальностям в уравнение (3.8) необходимо подставить значения тропосферной и ионосферной задержек, а также значение поправки часов спутника. Данные об ионосферной задержке для одночастотных приемников даются в навигационном сообщении спутника. Там же имеется информация о часах спутника. Для определения тропосферной задержки можно использовать любую из множества моделей поправок: Хопфильда, Саастамойнена и др. Для обеспечения субметровой точности в величине T Ai не обязательно измерять метеорологические параметры (температуру, давление, влажность), достаточно воспользоваться данными некоторой стандартной атмосферы. В результате получается уравнение поправок вида Уравнение (3.8) содержит четыре неизвестных: поправки в координаты пункта и поправку часов приемника. Для их определения необходимо одновременно наблюдать не менее четырех спутников. При числе спутников ns > 4 полученная система уравнений решается по методу наименьших квадратов.
Для SPS доступен только C/A код. С выключенным режимом SA достижима точность 22.5 м при вероятности 95%. PPS дает доступ к обоим кодам и может быть получена точность метрового уровня, однако для российских пользователей эта служба недоступна.
Позиционирование по фазе несущих колебаний. В уравнении (3.9) неизвестными являются три координаты пункта, начальная неоднозначность фазы для каждого спутника и поправка часов приемника для каждой эпохи, то есть при съемке в одну эпоху будет иметь место явный дефицит ранга. Из этого делается вывод о том, что кинематические наблюдения в абсолютном режиме по фазе несущей невозможны, или требуют инициализации, которая позволяла бы разрешать фазовые неоднозначности. После их определения система уравнений наблюдений вида (3.9) приводится к виду (3.8) и может решаться так же, как по кодовым псевдодальностям при числе спутников ns 4.
Если съемка ведется в статическом режиме, и наблюдается ns спутников в течении nt эпох, то полное число наблюдений равно ntns. При тех же условиях число неизвестных равно 3 + ns + nt. Проблема дефицита ранга решается, если число спутников ns 4, а число эпох наблюдений nt 2. Следовательно, абсолютный фазовый метод в отличие от позиционирования по кодовым псевдодальностям не является моментальным.
Однако более важной является не проблема конфигурации наблюдений, а проблема точности эфемерид. Передаваемые по радио со спутника элементы орбиты позволяют вычислять положение спутника в пространстве с погрешностью не лучше трех метров. В таком случае целесообразность фазовых абсолютных наблюдений вообще становится сомнительной. Учеными Лаборатории реактивного движения при Калифорнийском технологическом институте (США) разработан метод определения положения пункта по фазе несущей с использованием точных эфемерид и поправок часов, определяемых Международной геодинамической службой [19]. Такие эфемериды характеризуются погрешностью около 10 см, точностью поправок часов спутников 0.1 нс, дискретностью эфемерид 30 минут. Метод был применен для мониторинга паров воды в атмосфере. В другом варианте метода использовались только точные эфемериды, а поправки часов спутников находились в процессе обработки, то есть метод можно использовать в условиях режима зашумления C/A [19]. Метод был опробован в статическом и кинематическом режиме. Недостатками методов позиционирования по точным эфемеридам является их большая задержка – порядка двух недель.
Характеристики различных вариантов абсолютного метода приводятся в табл. 3.2.
Таблица 3.2 Характеристики точности абсолютного метода позиционирования По С/A кодовым псевдодальностям при Моментально По С/A кодовым псевдодальностям без Моментально эфемеридами и точными поправками 3.2.3. Дифференциальный метод Снижение точности позиционирования точек при режиме SA привело к разработке дифференциального метода (Differential GPS, DGPS). Этот метод основан на использовании двух (или более) приемников, из которых один стационарный (опорный или базовый) приемник размещается на точке с известными координатами, а положение (большей частью движущегося) удаленного приемника (ровера) должно определяться. На обоих пунктах должно наблюдаться, по крайней мере, четыре общих спутника. Известное положение опорного приемника используется для вычисления поправок в выведенные через GPS координаты или в наблюденные псевдодальности и фазы.
Эти поправки затем передаются посредством телеметрии (например, по радиосвязи) к подвижному приемнику и позволяют вычислять положение мобильного приемника с намного большей точностью, чем в режиме позиционирования отдельной точки.
Альтернативой для режима навигации является метод надзора или инверсный дифференциальный метод (IDGPS), в котором удаленный приемник передает необработанные данные наблюдений базовой станции слежений, где вычисляется исправленное положение ровера. Режим надзора имеет то преимущество, что мобильному приемнику не нужно выполнять большой объем вычислений.
Как упоминалось ранее, используются два метода дифференциальной коррекции. В первом методе опорный приемник с известным положением вычисляет свое собственное положение, используя тот же самый набор спутников, что и мобильный приемник. Разность (этим объясняется название «differential» – разностный) между известным и вычисленным положениями дает поправки в положение. Этот метод концептуально прост, но требует, чтобы у обоих приемников использовался для вычислений один и тот же набор спутников. Второй метод основан на поправках в псевдодальности, которые выводятся из разностей между вычисленными расстояниями и наблюденными (кодовыми или фазовыми) псевдодальностями на опорном пункте. Кроме поправок в расстояния, на опорном пункте также выводятся поправки в скорости изменения расстояний. Наблюденные мобильным приемником псевдодальности можно исправить, применив поправки в псевдодальности для опорной станции. Этот метод более гибок, дает более высокую точность и является наиболее общим в использовании. Недостатком является то, что алгоритм обработки требует больший объем вычислений. Более высокая точность основывается на том, что источники ошибок GPS очень подобны на расстояниях почти до 500 км, и поэтому фактически устраняются при вычитании.
Различные алгоритмы дифференциального метода можно найти в «Красных книгах» Института навигации США, а также в работах [21, 22, 23, 24] и др. Требования пользователей к точности GPS самые различные и изменяются от нескольких сотен метров до сантиметрового уровня. Очень большая группа пользователей заинтересована в получении точности метрового уровня в реальном времени. Эту точность невозможно получить при позиционировании с SPS, но вполне можно достичь, используя DGPS. По C/A кодовым псевдодальностям можно достигать обычной точности на уровне 1 – 5 м. Чтобы получать сантиметровый уровень, можно использовать кодовые дальности, сглаженные фазой, или C/A кодовые приемники с узкими корреляторами. Еще более высокий уровень точности можно достичь по фазе несущей. Для расстояний вплоть до 20 км точности субдециметрового уровня можно получать в реальном времени. Чтобы достигать такой точности, неоднозначности должны быть разрешены в движении (on-the-fly), и поэтому, в общем случае, необходимы двухчастотные приемники.
Широкозонные DGPS. Расширением DGPS (в смысле Локальных Local Area DGPS) является метод широкозонных Wide Area DGPS (WADGPS), который использует сеть опорных GPS станций. Как подразумевает название, WADGPS охватывает большие территории, что может обеспечивать единственная опорная станция. Одно из главных преимуществ WADGPS состоит в том, что здесь можно добиваться более согласованной точности в районе, поддерживаемом сетью. В случае DGPS с одной опорной станцией точность понижается как функция расстояния со скоростью примерно 1 см на 1 км.
Другими преимуществами WADGPS является то, что можно охватить недоступные области, например, большие водные акватории, которые в случае неудачи с одной опорной станцией будут поддерживаться сетью на сравнительно высоком уровне целостности и надежности по сравнению с индивидуальной опорной станцией DGPS.
Кроме станций мониторинга, сеть WADGPS включает, по крайней мере, одну главную станцию управления. Эта станция собирает поправки в дальности от станций наблюдений (мониторинга) и обрабатывает эти данные, чтобы образовывать поправки, которые передаются сообществу пользователей, а также станциям наблюдений. Сети могут вызывать небольшую дополнительную задержку, по сравнению с обычными DGPS, из-за дополнительных связей, возникающих между станциями слежения и главной станцией [19].
Поправки WADGPS генерируются с использованием двух основных способов (подходов), а именно, подхода в пространстве измерений и подхода с пространственным состоянием. В методе пространства измерений поправки индивидуальных станций наблюдений взвешиваются, чтобы образовать один набор поправок. Эта простая концепция имеет тот недостаток, что точность зависит от расстояния пользователя до ближайшей станции наблюдений.
Подход с пространственным состоянием представляет более сложную методику, по которой отдельные ошибки (орбитальные, тропосферные, ионосферные) моделируются и оцениваются в сетевом решении. Основываясь на этих ошибках, вычисляют поправки в псевдодальности для каждой опорной станции.
Таким образом, точность согласуется по всей сети.
Поскольку опорные станции сети WADGPS могут быть очень удаленными от положения пользователя, была разработана концепция Виртуальной базовой станции (Virtual Reference Station, VRS) (Wanninger L. The performance of virtual reference stations in active geodetic GPS-networks under solar maximum conditions // Proc. of ION GPS-99, 12-th Int. Tech. Meet. of the Satellite Division of the Inst. of Navigation, Nashville, Tennessee, Sept. 14-17. – 1999. – P. 1419 – 1427. – Англ.).
Здесь пользователь получает поправки или даже параметры наблюдений для несуществующей (т. е. виртуальной) опорной станции в указанном пользователем положении. Эта концепция является необходимым условием для применений с RTK, которые требуют коротких расстояний до опорных станций, чтобы облегчить разрешение неоднозначностей.
Характеристики точности дифференциальных методов позиционирования по кодам и по фазе несущей приведены в табл. 3.3.
Таблица 3.3 Характеристики точности дифференциальных методов № п/п Вариант дифференциального метода Продолжительность приемником на расстоянии до 20 км 3.2.4. Относительный метод Целью относительного позиционирования является определение координат неизвестной точки по отношению к известной точке, которая во многих случаях является стационарной. Другими словами, относительное позиционирование нацелено на определение вектора между двумя точками, которые часто называют вектором базовой линии или просто базовой линией. Пусть А – опорная (известная) точка, В – неизвестная точка, а DAB – вектор базовой линии.
Вводя соответствующие геоцентрические векторы положения RA и RB, можно составить соотношение а компоненты вектора базовой линии есть
XB XA X AB
ZB Z A Z AB
Координаты опорной точки должны даваться в системе WGS-84, и для их определения часто используют решение по кодовым дальностям.Относительное позиционирование может выполняться по кодовым или фазовым дальностям. В дальнейшем мы будем рассматривать только решения по фазам. Относительное позиционирование требует одновременных наблюдений и на опорной, и на неизвестной точке. Это значит, что метки времени наблюдений должны быть одинаковыми для этих двух точек.
Предполагая, что такие одновременные наблюдения имеются на двух пунктах А и В на спутники i и j, можно образовать линейные комбинации, которые приводят к одинарным, двойным и тройным разностям. Вычитание можно выполнять тремя различными путями: по приемникам, по спутникам и по времени. Вместо «по» часто говорят «между». Чтобы избежать слишком обременительных выражений, в тексте будут использоваться краткие обозначения со следующими значениями: одинарные разности соответствуют разностям между приемниками, двойные разности соответствуют разностям между приемниками и между спутниками, а тройные разности соответствуют разностям между приемником, между спутником и по времени. Большинство программ для постобработки использует эти три способа, поэтому далее будут показаны их основные математические модели.
Из уравнения вида (3.9) образуются выражения следующих разностей:
Уравнения (3.14) и (3.15) являются уравнениями одинарных разностей фаз, полученных с пунктов А и В соответственно на спутники i и j, уравнение (3.16) – двойная разность фаз, уравнение (3.17) – тройная разность фаз. В этих уравнениях комбинации двойных нижних или верхних символов, относящихся к пунктам или спутникам, расшифровываются как соответствующие разности, например, TAB TB TA или I ij j разности наблюдений, относящиеся к разным эпохам:
I ij ( t 0,t ) I ij ( t ) I ij ( t 0 ). Из уравнений (3.14) – (3.16) выводятся основные
AB AB AB
свойства разностей фаз:в одинарных разностях фаз отсутствуют ошибки часов спутников;
в двойных разностях фаз отсутствуют ошибки часов спутников и приемников;
в тройных разностях фаз отсутствуют ошибки часов спутников и приемников, а также целочисленные начальные неоднозначности фаз.
В то же время видно, что чем выше порядок разностей фаз, тем больше в них становится шумовая компонента, то есть параметры наблюдений становятся более грубыми, и, кроме того, в двойных и тройных разностях фаз возникают коррелированные ошибки, вносимые опорным спутником (в формулах (3.16) и (3.17) это спутник i).
Для определения компонент базовой линии чаще всего используется уравнение двойной разности (3.16). Если пункт А опорный, то есть dRА = 0, то получаем следующее уравнение поправок:
Эти уравнения обычно используются для обработки наблюдений, выполненных одночастотными приемниками в режимах и статики, и кинематики. Как видно, для определения четырех неизвестных в уравнении (3.18) необходимо одновременно наблюдать не менее четырех спутников в течение не менее чем двух эпох. Уравнения тройных разностей фаз также могут быть использованы для определения компонент вектора базовой линии, но обычно они используются для восстановления потерь счета циклов непрерывной фазы.
Если приемник двухчастотный, то имеется возможность образовать комбинации фаз. Если 1и 2 – наблюдения фазы на частотах L1 и L2, то комбинированная фаза С получается как где n1 и n2 – некоторые вещественные числа. Полученной фазовой комбинации соответствует другая частота fC и длина волны C:
Наиболее употребительными являются:
разностная комбинация (n1 = 1, n2 = -1, = 86.2 см);
суммарная комбинация (n1 = 1, n2 = 1, = 10.7 см);
ионосферно-свободная комбинация (n1 = 1, n2 = - I, iono-free = 5.4 мм).
Первые две комбинации часто используются в алгоритмах быстрой статики и кинематики реального времени. Название третьей комбинации становится ясным, если учесть, что член ионосферной рефракции в уравнении (3.9) с точностью до членов второго порядка обратно пропорционален квадрату частоты:
где TEC – полное содержание электронов в ионосфере (Total Electron Content), а z – зенитное расстояние спутника. Величина I в формуле (3.22) получается в линейной мере. Переходя к циклам частоты, получаем, что ионосферные задержки для фаз, выраженных в циклах, на разных частотах обратно пропорциональны первой степени частоты:
Для того, чтобы исключать ошибки часов спутника и приемника и при этом добиваться исключения влияния ионосферы, ионосферно свободная комбинация фаз образуется по двойным разностям фаз.
Возможность почти полностью исключать влияние ионосферы дает двухчастотной аппаратуре большое преимущество перед одночастотной аппаратурой. С помощью двухчастотных приемников можно измерять базовые линии в тысячи километров, в то время как для одночастотных приемников обычно пределом являются базовые линии в 10 – 15 километров.
Решение уравнений наблюдений для фазового метода GPS представляет собой нетривиальную задачу. Сюда относят и проблему восстановления потерь счета циклов. Пока нет надежных алгоритмов, которые делали бы это достаточно уверенно. Другая, не менее важная проблема, – это решение систем уравнений поправок вида (3.18). Получающиеся системы являются плохо обусловленными и с коррелированными ошибками наблюдений, что приводит к смещенным решениям. Надежность решения системы линейных уравнений пытаются улучшить, привлекая аппарат целочисленного метода наименьших квадратов, поскольку известно, что неоднозначности фаз в силу их природы должны быть целыми числами. В этом методе после вычисления вещественных значений неоднозначностей производится их округление до целых величин, после чего производится статистическое тестирование с целью найти такую комбинацию значений неоднозначностей, которая давала бы минимальную дисперсию. Разработано большое количество методов разрешения начальных целочисленных неоднозначностей фазы GPS, отличающихся функциональными и стохастическими моделями, приемами регуляризации и декомпозиции, стратегиями поиска наилучшего решения и т. п. Достаточно полное описание современных моделей приводится в книгах [24, 25].
Точность определения координат вектора базовой линии зависит от способа наблюдений (статика, быстрая статика, кинематика), характеристик аппаратуры (одно- или двухчастотная), применяемых алгоритмов, способов учета и моделирования внешних условий, длины базовых линий и продолжительности сеансов. Особо следует отметить такие факторы, как влияние многопутности и интерференции сигналов, а, следовательно, и опытности наблюдателя, который должен правильно выбирать место установки антенны. Обычно фирмы изготовители спутниковой аппаратуры приводят паспортные данные в виде априорных средних квадратических погрешностей в длине базовой линии (погрешность в плоскости горизонта или погрешность положения в плане) D и по высоте H :
Здесь D – длина базовой линии. Параметры a и b обычно в два-три раза больше, чем, соответственно, a, b.
В табл. 3.4 приводятся значения параметров a, b для некоторых современных приемников. Как правило, эти параметры даются для некоторых средних условий.
Таблица 3.4 Характеристики точности некоторых спутниковых 3.3. Мониторинг с применением GPS Виды динамики объектов и выбор метода наблюдений Под мониторингом понимается наблюдение за окружающей средой, представляющей собой динамическую, то есть постоянно изменяющуюся систему с целью ее контроля, изучения, прогноза и охраны (Большой энциклопедический словарь. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Большая российская энциклопедия. – СПб: Норинт, 2002. – 1456 с.). Мониторинг может выполняться за различными видами систем природного, техногенного, биологического, социального и другого вида характера. В настоящей работе будет рассматриваться только мониторинг систем, основанный на наблюдении геопространственного положения объектов ГИП, то есть геомониторинг.
По уровню охвата территории различают глобальный, региональный и локальный геомониторинг, по оперативности получения результата – от долей секунды до нескольких часов и даже суток и более. В первом случае подходит только кинематика в реальном времени. Во втором случае возможны как статические, так и кинематические наблюдения.
По требуемой точности наблюдений для геомониторинга может быть использован весь спектр методов кодовых и фазовых наблюдений. Очевидно, что для каждой задачи следует подбирать свой метод наблюдений. В свою очередь, он может значительно изменяться в зависимости от требуемой детализации явлений и их динамики и допустимой задержки.
3.3.1. Мониторинг земной поверхности Среди различных видов мониторинга земной поверхности можно выделить [26]:
мониторинг общеземных координатных систем ITRF, включающий мониторинг тектонических плит, параметров вращения Земли, параметров движения спутников GPS и ГЛОНАСС;
региональные геодинамические сети;
локальный геодинамический мониторинг земной поверхности;
мониторинг уровня воды, поверхности снега или льда, движения ледников.
Все эти виды мониторинга требуют наивысшей точности наблюдений и выполняются в режиме статики двухчастотной аппаратурой.
Глобальный мониторинг земной поверхности средствами GPS выполняет Международная геодинамическая служба (МГС), давая при этом значительный вклад в систему отсчета ITRF Международной службы вращения Земли (МСВЗ). Результатом этой работы являются точные геоцентрические декартовы координаты станций и их скорости, а также параметры вращения Земли. МГС была установлена в 1993 г. Международной ассоциацией геодезии (МАГ), чтобы объединить мировые постоянные сети слежения за спутниками GPS в единую сеть. В нее вошли две самые большие глобальные сети: Cooperative International GPS Network (CIGNET), управляемая Национальной океанической и атмосферной администрацией США (NOAA), и Fiducial Laboratories for an International Natural science Network (FLINN), руководимая Национальным управлением по аэронавтике (NASA), объединенные с несколькими сетями континентального масштаба в Северной Америке, Западной Европе и Австралии. Успешное доказательство концепции и пилотной фазы было инициализировано в июне 1992 г., а формально операции начались с января 1994 г.
В настоящее время действует около 50 основных станций, имеющих водородные стандарты частоты, и более 200 фидуциальных станций. Плотность сети неравномерная. Наибольшая плотность в Западной Европе, США. На территории России имеется две основных станции (Менделеево и Иркутск) и около десятка фидуциальных станций. МГС собирает результаты наблюдений со станций сети, распределяет, анализирует и архивирует данные GPS геодезического качества (двухчастотные фазы и псевдодальности). Данные обмениваются и хранятся в формате RINEX. Обработка измерений производится научными программными комплексами. Широко известны научные программные комплексы Bernese (Астрономический институт Бернского университета, Швейцария), GIPSY OASIS (Лаборатория реактивного движения Калифорнийского технологического института, США), GAMIT/GLOBK (Массачусетский технологический институт, США) и др. [24].
Основные продукты МГС включают высокоточные орбиты GPS, информацию о часах спутников, ITRF-координаты и скорости станций.
Информация о координатах и ПВЗ передается МСВЗ. Примерные точности продуктов МГС даются в табл. 3.5.
Таблица 3.5 Примерные точности продуктов деятельности МГС 1 Эфемериды спутников GPS и поправки часов спутников:
2 Эфемериды спутников 3 Параметры вращения Земли (xп., yп плане / по высоте) (в плане / по высоте) на каждые два часа Кроме станций сети, в МГС организационно входят: три глобальных центра данных, пять оперативных или региональных центров данных, восемь центров анализа, Координатор центров анализа, Центральное бюро и Международный руководящий совет.
Наличие глобальной сети станций, поддерживающих систему ITRF, позволяет оперативно определять координаты в любом месте земного шара.
Так, с 1991 г. по 1993 г. через каждые 10 суток проводились наблюдения на станции Амундсен-Скотт вблизи Южного полюса в Антарктиде.
Использовался двухчастотный приемник Ashtech M-XII. Опорная станция МГС МакМрдо с приемником ROGUE находилась на расстоянии 1354.6 км.
Обработка проводилась с программным обеспечением PAGE3, разработанным в NOAA (NOAA – Национальное управление по океанам и атмосфере, США).
Была выведена скорость движения ледяного щита в районе Южного полюса, равная 10 м/год с понижением на 0.22 м/год. Обработка данных с другой опорной станцией МГС – Сант-Яго (Чили), находящейся на расстоянии км, показала хорошую сходимость (Shevenewerk M.S., MacKay J.R., Hotem L.D., Shupe G. Determination of Ice Flow Velocities at the South Pole Using Measurements from the Global Positioning System (GPS).http://www. grdl. noaa.
gov/GRD/GPS/Projects/SOUTH POLE. south pole. Httml).
С 1996 г. в СГГА проводятся систематические наблюдения двухчастотными фазовыми приемниками (4000SST, 4000SSE, Legacy). Наблюдения ведутся суточными сеансами 1 – 2 раза в год кампаниями от одних суток до месяца.
Обработка измерений проводится коммерческими программами (GPSurvey, Trimble Geomatic Office), имеющими возможность учитывать лунно-солнечные приливы, с использованием точных эфемерид МГС. В координатах ближайших опорных станций (Иркутск, Менделеево, Китаб, Красноярск, Бишкек и др.) учитывалось движение тектонической плиты (рис. 3.1). Файлы наблюдений станций МГС и точные эфемериды получались из Глобального центра данных МГС через Интернет. Эти работы показывают, что из суточного сеанса можно получать координаты со средними квадратическими ошибками 2 – 3 см в плановых координатах и около 5 см в высоте [27].
После получения серий координат, относящихся к различным эпохам, были уточнены координаты и вычислены скорости движения тектонической плиты в районе Новосибирска (рис. 3.2 – 3.4). Средние квадратические ошибки определения координат составляют около 2 см в плановых координатах и около 3 см в высоте (по внутренней сходимости). Значения скоростей, полученные из наблюдений, согласуются со скоростями для модели движения тектонических плит NNR NUVEL-1A в пределах 0.5 см/год в плановых координатах и 1 см/год в высоте [28].
Рис. 3.1. Схема передачи координат на пункт «Новосибирск»-NSKN Рис. 3.2. Значения и тренд в координате N станции «Новосибирск»
m 0, Рис. 3.3. Значения и тренд в координате Е для станции «Новосибирск»
Рис. 3.4. Значения и тренд в координате U для станции «Новосибирск»
Измерения на средних расстояниях (100 – 1 000 км), характерных в региональных сетях мониторинга, обычно подпадают под одну из следующих характеристик.
Полевые кампании. Геодезическая сеть наблюдается за ограниченный период времени несколькими подвижными приемниками по установленному расписанию перемещений и наблюдений. Чтобы установить деформации, сеть должна наблюдаться периодически (например, раз в год). Эти съемки могут выполняться статическим, кинематическим и/или динамическим методом. В общем случае, число участвующих в мониторинге станций значительно превышает число приемников.
Непрерывно действующие массивы станций. Сеть станций GPS наблюдают непрерывно продолжительный период времени. В глобальном масштабе развиваемая сеть GPS станций слежения обеспечивает доступ к общеземной системе отсчета, параметрам ориентировки Земли и к точным спутниковым эфемеридам. В региональном масштабе непрерывный мониторинг станций GPS обеспечивает базовые измерения для полевых съемок и «абсолютные» связи с глобальной системой отсчета. Более того, они обеспечивают усиленное временное разрешение и возможность лучше характеризовать спектр ошибок GPS, чем полевые кампании. В качестве примеров непрерывно работающих сетей можно привести Permanent Geodetic GPS Array в Южной Калифорнии (PGGA, новое название – SCIGN – ЮжноКалифорнийский массив постоянно наблюдающих станций). Сеть включает непрерывно наблюдающих пунктов (рис. 3.5).
Рис. 3.5. Схема сети Южно-Калифорнийского массива постоянно наблюдающих Непрерывно работает национальная геодинамическая сеть Японии GPS Earth Observation Network GEONET. Сеть состоит почти из 1 000 пунктов со средними расстояниями до 30 км (рис. 3.6). Сеть меньших размеров непрерывно наблюдается на западе Канады (Западно-Канадский деформационный массив, WCDA) (Janssen V. GPS volcano monitoring // GPS Solutions, Vol. 6, 2002. – P. 128 – 130. – Англ.).
Рис. 3.6. Фрагмент Национальной геодинамической сети Японии на о.
Хоккайдо с указанием скоростей движения станций и магнитуды землетрясения Непрерывность в наблюдениях составляет одно большое преимущество в этом подходе, а осреднение массивов ежедневных решений обеспечивает улучшенное геодезическое исполнение. Непрерывные сети дают возможность проводить дополнительные наблюдения, в частности, мониторинг атмосферы, что невозможно в наблюдательных кампаниях.
Многорежимные (мультимодальные) съемки. Массивы станций с непрерывными наблюдениями начинались, чтобы резко изменить способ проведения полевых съемок. При стратегии мультимодальной оккупации (см.
Bevis M., Bock Y., Fang P., et al. Blending old and new approaches to regional GPS Geodesy // Eos, Transactions, American Geophysical Union, Vol. 78, No. 6, February 11, 1997. – P. 61, 64 – 66. – Англ.), полевые приемники позиционируют по отношению к хребту непрерывного массива, который обеспечивает базовые данные и согласованную систему отсчета. По сравнению с кампанией съемок, здесь необходимо развертывать сеть как из нескольких, так и из одного приемника, и здесь есть больше гибкости, касающейся сценариев наблюдений и логистики. Иногда такой метод построения сети называют технологией MOST (Multimodal occupation strategy). В последние годы стратегия MOST принята рабочими группами Калифорнии, в Центральных США, восточном Средиземноморье, Чили, Аргентине и других местах. Она становится хорошо установленным третьим классом геодезической полевой стратегии, которая дополняет другие подходы.
Приведем несколько примеров по наиболее известным региональным геодинамическим сетям.
Геодинамическая сеть Центральной Европы по проекту CERGOP включает 31 станцию из 11 стран, из них 7 станций входят в глобальную сеть МГС. Наблюдения ведутся кампаниями из 5 – 6 суточных сеансов с интервалом записи 30 с. В кампаниях 1994 и 1995 гг. преимущественно использовались приемники 4000 SSE, на станциях МГС – приемники Turbo Rogue 8000SNR.
Обработка выполняется программным обеспечением Bernese Астрономического института г. Берн (Швейцария) в два этапа. На первом этапе уравниваются наблюдения, выполненные на станциях МГС совместно со станциями остальной сети МГС. На втором этапе эти станции фиксируются, и производится привязка остальной сети с использованием уравненных на первом этапе точных орбит спутников GPS. При расстояниях между пунктами порядка 300 – 500 км средние квадратические ошибки определения из суточных сеансов широт и долгот станций имеют величину 1 – 2 мм, для геодезических высот в среднем около 5 мм (Marjanovic M., Franke P., Herzberger K. et al. Results of the CEGRN’94 and CEGRN’95 GPS campaigns // Proc. Of the 5th CEI CERGOP working conference, Reisseck, Carinthia, Austria 29-31 May 1996. – Warshaw:
Politechnika Warshawska, Inst. Geodezji Wyszej i Astronomii Geodezyjnej, No. (20), 1996. – P. 117 – 137. – Англ.).
Альпийская геодинамическая сеть. Сеть располагается на территории севера Италии, восточной Франции, Швейцарии и Австрии. В этом мониторинге также использовалась стратегия кампаний с привязкой к станциям МГС.
Первая кампания GPS была проведена в течение сентября 1993 г. Были проведены измерения на 50 пунктах 23 двухчастотными приемниками. Большое число пунктов потребовало сложной организации работ. 40 пунктов наблюдали в три этапа, по четыре 12-часовых сеанса и 6 пунктов измеряли в шесть 12часовых сессий. Непрерывные измерения были выполнены в трех оставшихся пунктах в течение 12 дней операции. Главный интерес для этих трех и шести предыдущих пунктов заключается в объединении пунктов, которые не были измерены одновременно. Это классическая схема, когда существует больше измеренных пунктов, чем доступных приемников. Всего было измерено базовых линий из 1250 возможных, по крайней мере, четыре раза.
Вторая GPS кампания была выполнена в течение июля 1998 г. и проводилась по тому же плану, что и кампания 1993 г. Были использованы только более совершенные приемники и антенны, а ежедневные сеансы продолжались по 24 часа вместо 12. Так же в это время сеть непрерывно действующих станций МГС была значительно увеличена. В 1993 г.
использовались данные от шести станций МГ, в 1998 г. уже использовалось станций МГС.
Большая часть анализа GPS данных проведена при помощи программного обеспечения GAMIT/GLOBK Массачусетского Технологического Института.
Средние квадратические ошибки независимых ежесуточных измерений в 1993 г.
составили 4 мм в широте, 7 мм в долготе и 13 мм в высоте и, соответственно, 4,4 и 8 мм – в 1998 г. Улучшение с 1993 по 1998 г. для широтной и долготной компонент существенно. Это объясняется улучшением качества аппаратуры, но, главным образом, увеличением числа спутников в созвездиях GPS (Vigny C., Chery J., Duquesnoy T. et al. GPS network monitors the Western Alps' deformation over a five-year period: 1993-1998 // J. of Geodesy, Vol. 76, No. 2, 2002. – P. 63 – 76.
– Англ.).
В России созданы региональные геодинамические сети на район Восточной России (Demianov G.V., Tatevian S.K. On the Use of the Fundamental Geodetic Network in Eastern Russia for Regional Geodynamics Studies // Proc. Of the 4th Workshop, Shanghai, P.R. China, 14-19 May, 2001 (APSG 2001). – Shanghai Scientific and Technical Publishers, 2002. – P. 71 – 75. – Англ.), на область Алтая и Саян (Сеть GPS измерений в западной части Алтае-Саянской области/ В.Ю.
Тимофеев, Д.Г. Ардюков, А.Д. Дучков и др. // Геология и геофизика. – 2003. – № 11. – С. 1850 – 1868).
Локальные геодинамические сети строятся в большом количестве, в км (рис. 3.7). Сеть наблюдалась тремя приемниками Legacy (фирма Javad, США). При составлении расписания сеансов наблюдений обращалось внимание на то, чтобы базовые линии были независимыми и по возможности не содержали коррелированных ошибок. Достигалось это тем, что при наблюдении некоторой линии двумя приемниками третий либо не участвовал в работе (находился в движении), либо работали сразу три приемника, но наблюдаемые линии образовывали угол, близкий к 90. При такой геометрии, согласно исследованиям, приведенным в статье(Schaffrin B. and Zielinski J.B. Designing a covariance matrix for GPS baseline measurements // Manuscripta Geodaetica, Vol.
14, 1989. P. 19 – 27. – Англ.), корреляционные зависимости между линиями ослабляются. Привязка локальных геодинамических сетей к общеземной системе отсчета не обязательна, и качество такой привязки сказывается на точности сети как дополнительный шум в измерениях. Более важна здесь точность взаимного положения пунктов. Поскольку точность положений по высоте обычно в 2 – 3 раза ниже, чем в плане, то в таких сетях GPS измерения дополняют нивелированием. На Губкинском месторождении было выполнено нивелирование по программе I класса.
В работе (Abidin H.Z., Darmawan D., Songsang R. et al. The use of GPS surveys for studying land subsidence // ION GPS 2000, Book of Abstracts, September 19 – 22, 2000. – Salt Palace Convention Center, Salt Lake City, Utah. – Англ.) описывается и обсуждается использование GPS и нивелировок для изучения явления оседания в Джакарте и Бандунге (Индонезия). В Джакарте с 1982 г. по 1987 г. наблюдались оседания в диапазоне от 20 до 200 см по данным нивелировок. GPS съемки были выполнены в 1977 и 1999 гг. и также выявили оседание до 18 см. Третья кампания GPS была сделана в мае 2000 г. для получения дальнейшей информации, которая, как считается, вызывается главным образом извлечением подземных вод. Результаты двух GPS съемок в 1960 и 2000 гг. в Бандунге показывают, что некоторые места оседают со скоростью 10 см/год.
В Англии было проведено исследование долгопериодических изменений в глобальном среднем уровне моря, искажаемого вертикальными движениями поверхности в районе приливномерных станций. Для отделения изменения в уровне моря от поднятий или опусканий земной поверхности, окружающей приливномерную станцию, необходим соответствующий мониторинг. В Англии с 1997 г. работает сеть постоянных, непрерывно действующих станций (CGPS), часть из которых совмещена с приливномерными станциями. Две из пяти CGPS станций, которые расположены непосредственно на приливномерных станциях, довольно близки к другим станциям, расположенным внутри страны на скальном основании. Использование таких парных станций CGPS, из которых одна подвержена колебаниям земной поверхности в районе приливномерной станции, а другая – нет, дает реальную картину колебания уровня моря.
продолжительности между 0.7 и 2.6 года, и все они указывают на присутствие сезонных изменений. Показано, что вертикальные скорости станций с точностью до 2 мм/год можно получить за 2.5 года. Начальные результаты для парных станций CGPS подтверждают, что эта концепция должна обеспечить лучшую информацию для разделения вертикальных движений земной поверхности и изменений среднего уровня моря (Teferle N. Coninuous GPS measurement at UK tide gauge sites, 1997 – 1999 // ION GPS 2000, Book of Abstracts, September 19 – 22, 2000. – Salt Palace Convention Center, Salt Lake City, Utah. – Англ.).
В ряде стран ведутся активные работы по мониторингу вулканов и сейсмически активных районов. Сети GPS созданы для наблюдений за вулканами Килауэа на Гавайях (16 пунктов), Аренал в Коста-Рике (2 пункта), Попокатепетль в Мексике (5 пунктов), Таал на Филиппинах (15 пунктов), Эребус в Антарктиде (3 пункта). В Йелоустоунском национальном парке пунктов наблюдают непрерывно и еще 160 пунктов – периодически (Janssen V.
GPS volcano monitoring // GPS Solutions, Vol. 6, 2002. – P. 128 – 130. – Англ.).
3.3.2. Мониторинг окружающей среды Мониторинг среды (атмосферы) с применением GPS может выполняться в двух вариантах:
спутниковый метод выступает только как средство геодезической привязки измерений параметров среды;
сигналы от спутников GPS используются как носители информации о среде, через которую они прошли, то есть как средство дистанционного зондирования.
Примером первого метода использования GPS для мониторинга является система контроля загрязненности воздуха в г. Брауншвейг (ФРГ). С этой целью два городских автобуса оборудовали анализаторами воздуха и DGPS приемниками с радиомодемами. Анализаторы проверяют концентрацию двуокиси азота, паров бензина, сажи и озона. Автобусы совершают рейсы по маршрутам с наиболее загрязненным воздухом и сообщают информацию в городское управление по окружающей среде, где вырабатываются рекомендации для центра управления транспортными потоками. Система дифференциального позиционирования дополнена инерциальной системой и одометром, чтобы предотвращать потерю информации при блокировании сигналов GPS или при недостаточном количестве спутников. Точность определения положения без коррекции 80 м, после исправления дифференциальными поправками – 5 м. Латенция системы – 40 мкс ) (Bahr D., Schttler F., Schlums C. Save your breath: GPS drives Mobile Air Quality Monitoring // GPS World, Vol. 13, No. 5, 2002. – P. 18 – 20, 22, 24, 25. – Англ.).
Как средство зондирования, GPS успешно применяется для мониторинга состояния ионосферы и для определения осаждаемого количества паров воды.
Последний вид мониторинга предопределил появление GPS метеорологии.
3.3.3. Мониторинг объектов Как навигационные системы GPS и ГЛОНАСС создавались для целей навигации, то есть мониторинга передвижения мобильных объектов. Поэтому они быстро нашли применение и в военном деле, и во многих других областях.
Мониторинг объектов, очевидно, можно разделить на две категории:
мониторинг состояний (например, деформаций) и мониторинг положений.
Мониторинг можно характеризовать по оперативности получения результата: от долей секунды до нескольких часов, суток и более. В первом случае подходит только кинематика в реальном времени. Во втором случае возможны как статические, так и кинематические наблюдения.
3.3.3.1. Мониторинг состояния объектов Одна из первых работ по мониторингу деформаций проводилась в 1986 – 87 гг. в провинции Альберта (Канада). Здесь были проведены работы по мониторингу деформаций газопровода. Для наблюдений использовался одночастотный пятиканальный фазовый GPS приемник 4000SX (фирма Trimble Navigation, США). Следует отметить трудности первых наблюдений:
навигационная система еще полностью не развернута, недостаток спутников позволяет делать лишь короткие сеансы (в пределах одного часа). Из-за неуверенности в объективности данных GPS наблюдений работы были дополнены измерениями направлений, расстояний и превышений классическими методами геодезии с использованием теодолитов, электронных продемонстрировало точность в базовых линиях 5 мм ± 15 10. Точность обычных наблюдений – от 3 до 6 мм, а на тех же линиях для GPS – от 5 до мм. Авторы сделали вывод о том, что с использованием GPS достижима точность 1 – 2 см, и этого вполне достаточно для мониторинга газопровода (McLellan J.F., Porter T.R., Price P.S.J. Pipeline deformation monitoring using GPS survey techniques // J. of Surveying Engineering, Vol. 115, No. 1, 1989. – P. 56 – 66.
– Англ.).
Мониторинг деформаций инженерных сооружений (мостов, башен, труб и т. д.) с применением спутниковых технологий становится обычным явлением. В США появились компании, специализирующиеся на работах по мониторингу сооружений (например, Orion Monitoring Systems в г. Солт-ЛейкСити, штат Юта, Condor Earth Technologies в г. Сонора, штат Калифорния), которые применяют те или иные технологии в зависимости от выбора заказчика. Хотя точность спутникового метода (единицы миллиметров) на небольших расстояниях (до 1 – 2 км) часто уступает классическим методам, главное преимущество GPS мониторинга состоит в его непрерывном характере, что возможно и в реальном масштабе времени, и с пост-обработкой. Это особенно важно, когда альтернативой является ручная съемка, выполняемая с интервалом в год, полгода или ежемесячно. Тот факт, что GPS является очень точным средством, дает непрерывные измерения и не требует частой калибровки, обеспечивает большую степень доверия к фактически полученным деформациям, чем любая другая аппаратура.
Когда проводится долгосрочный и непрерывный GPS мониторинг деформаций сооружений, суточные или сезонные эффекты легко выявляются как фоновый шум в числовых диаграммах, таблицах и графиках, показываемых системой. Истинное движение различается как отступление от этого фонового шума. Однако в некоторых случаях интересующий сигнал может быть замаскирован большими шумовыми значениями. Сезонные эффекты, часто в форме термоэлластической деформации, могут быть удалены методами спектрального анализа.
В зависимости от типа сооружения и беспокойства его владельцев, компании используют множество приемников на исследуемом сооружении, а также множество базовых станций. Множество приемников на намеченном сооружении дают большую уверенность в том, что они точно контролируют его движение. Установка двух или более базовых станций вне сооружения, а затем наблюдение множества базовых линий до намеченного сооружения, как и между базовыми станциями, гарантирует, что движение намеченного сооружения будет выявлено.
Весьма важным считается темп записи данных. Для зданий темп наблюдений должен быть очень высоким (до 20 Герц), но для плотин он может быть намного ниже (5 минут). Высокие частоты лучше подходят для захвата начала динамических деформаций у сооружений типа высоких зданий и мостов с длинным пролетами при их длительном мониторинге, в то время как низкие частоты лучшие подходят для медленно или импульсивно деформирующихся сооружений, типа дамб с земляным заполнением и оползневых явлений (Luccio M. The concrete and the clay: monitoring large structure deformation // GPS World, Vol. 13, No. 8. – 2002. – P. 16. – Англ.).
Мост Цинь Ма в Гонконге (рис. 3.8) известен как самый длинный в мире подвесной мост (длина 1 377 м). Мост несет автомобильную и железную дороги. При разных видах нагрузки мост может испытывать деформации от нескольких сантиметров до нескольких метров. Хотя эти деформации не создают угрозу транспорту, они влияют на целостность конструкции моста.
Рядом с Цинь Ма находятся еще два подвесных моста: Тинь Кау (1 177 м) и Кап Шуи Мун (820 м).
Департамент автодорог Особого административного района Гонконга разработал Систему мониторинга ветровой и структурной жизнеспособности (Wind and Structural Health Monitoring System – WASHMS) для этих трех мостов.
Смещения конструкций мостов служат эффективным индикатором условий их эксплуатационных качеств. Для выявления критических структурных компонентов используются модели конечных элементов (Finite Element Models – FEM), в которых в качестве основы используются GPS измерения. На мостах установлено 803 сенсора семи различных типов: анемометры, датчики температуры, динамические сенсоры взвешивания в движении, акселерометры, датчики смещения, станции уровенного контроля и струнные шкалы.
Инструментальная система наблюдений в реальном времени за конструкциями с помощью GPS состоит из пяти подсистем: самих GPS приемников, систем сбора локальных и глобальных данных, системы компьютеров и оптиковолоконной сети.
Рис. 3.8. Подвесной мост Цинь Ма с GPS антенной Разработка системы мониторинга была начата в 1992 г. В то время авторы проекта отвергли вместе с техникой измерения смещений по инфракрасному излучению и лазером (они требовали постоянно хорошей видимости) и технику GPS, поскольку тогда она не обеспечивала нужный уровень точности. После отмены режима SA с 1 мая 2000 г. точность кинематики в реальном времени повысилась до 10 мм в плане и до 20 мм по высоте. Этот прогресс вместе с таким важным качеством GPS, как независимость от погоды, привел к решению о включении спутниковых измерений в систему мониторинга. Система контроля с помощью кинематики в реальном времени отслеживает движения главных несущих кабелей полотен и опор мостов, что позволяет выводить значения нагрузок, действующих на различные компоненты сооружения, а также работать совместно с другими системами мониторинга. Нормальные значения деформаций для наибольшего из мостов составляют 65 см по высоте и 25 см в поперечном направлении.
Сеть GPS приемников включает две базовые станции и 27 (14 + 7 + 6) приемников, жестко установленных на различных точках конструкций трех мостов. Приемники двухчастотные, 24-канальные, темп сбора (частота фиксаций) данных – 10 Герц (10 раз в секунду), время латенции положения подвижной антенны – 0.03 с. Обработка всей информации системы занимает 2 с (Kai-yuen Wong, King-leung Man and Wai-yee Chan. Monitoring Hong Kong’s bridges // GPS World, Vol. 12, No. 7, 2001. – P. 10 – 17. – Англ.).
3.3.3.2. Мониторинг положений объектов Использование GPS для мониторинга объектов обычно связывают с контролем транспортных средств в режиме реального времени. Метод применяется в диспетчерских службах автопарков, инкассаторных службах и т. п. Пока действовал режим выборочной доступности GPS (Selective Availability, SA), для достижения необходимой точности определения местоположения применялся инверсный локальный или широкозонный дифференциальный метод (LDGPS, WADGPS) [25]. В инверсном режиме результаты измерений мобильного приемника, установленного на транспортном средстве, посылаются через радиомодем на базовую станцию, где производятся вычисление положения и контроль. После отмены режима SA те преимущества в точности, которые давал дифференциальный метод, оказались излишними, поскольку теперь точность определения положения абсолютным методом стала около 15 м при вероятности 95%, а этого вполне достаточно для указания положения транспортного средства.
GPS мониторинг в биологии. Итальянские биологи, изучавшие популяцию морских львов на Фолклендских островах, использовали GPS для контроля перемещений животных. В условиях сложной погоды (сильный ветер, дождь и снег), когда применение фото- или телевизионной съемки невозможно, они отслеживали перемещения животных, обитающих на длинных пляжах, и изучали структуру стад, используя 10-канальные дифференциальные С/Акодовые приемники (Galimberti F., Sanvito S. A very spatial relationship // GPS World, V. 10, No 7, July 1999. – P. 22 – 26, 28, 30. – Англ.).
В военном деле GPS технологии также послужили основой для разработки новых видов вооружений и систем управления оружием. С увеличивающейся миниатюризацией и усовершенствованием GPS приемников, все меньшие и меньшие боеприпасы становятся кандидатами на управление в полете, стирая грани между снарядами, большими и малыми ракетами. Замена лазерных систем наведения на GPS дает экономию средств, независимость от погоды, хотя и не имеет полной защиты от радиопомех (Luccio M. Guiding weapons, finding soldiers // GPS World, Vol. 13, No. 8, 2002. – P. 30 – 32. – Англ.).
Система контроля положений механизмов в горнодобывающей промышленности с использованием DGPS Сегодня многие открытые разрезы и карьеры используют в повседневных операциях технологии, основанные на определении GPS положений, для съемок, оконтуривания рудных тел, диспетчерской службы и отслеживания машин, точного позиционирования бурового оборудования, помощи в реальном времени бульдозеристам для контроля уклона. Для выемки породы используются мощные механизмы и машины. Грузовики-самосвалы Caterpillar грузоподъемностью до 360 тонн (рис. 3.9) имеют плохой обзор из кабины.
Радиус «слепой» зоны вокруг самосвала равен 12 м, некоторые близкие области вообще недоступны обзору. Это приводит к авариям, несчастным случаям, материальным и людским потерям, порой со смертельным исходом.
Рис. 3.9 Самосвал грузоподъемностью 360 т и диаграмма обзора из кабины Для предупреждения этих аварий ученые из Исследовательской лаборатории Национального института профессиональной безопасности и здоровья (NIIOSH, США) в кооперации с крупными производителями GPS аппаратуры разработали систему предупреждения близкой опасности для медного рудника Фелпс Додж Майн в Моренси, шт.
Аризона (США) (Phelps Dodge Mine).
Система состоит из GPS приемников, работающих в дифференциальном режиме и устанавливаемых на всем оборудовании с ограниченным обзором, на всех малых средствах передвижения, работающих в карьере, и на всех пеших работниках. Положения всех движущихся объектов должны определяться и обновляться в реальном времени, и эта информация должна передаваться на все ближайшие механизмы и оборудование, чтобы их операторы получали представление обо всех других ближайших средствах и работниках. В дополнение к этому в базе данных хранится информация обо всех потенциальных препятствиях, таких, как здания, столбы, точки разгрузки и т. п.
Для обеспечения визуального и звукового предупреждения требуется интерфейс тревоги, когда другой работник, машина или препятствие появляются в опасной зоне движущегося объекта.
Преимущества, которые дает использование GPS:
сделанный под заказчика интерфейс и конкретные опасные зоны;
снижение до нуля возможности появления ложной тревоги;
возможность использования существующей инфраструктуры GPS на многих рудниках;
возможность точного определения положений объектов системы и их отслеживание.
Прототип системы был продемонстрирован в апреле 2002 г. В нем использовались готовые компоненты:
миникомпьютеры с прочными корпусами, применяемые в диспетчерских и контрольных системах для сбора, обработки и передачи данных, обеспечения видеообзора, а также для запуска программы PWS (Proximity Warning System – Система предупреждения близкой опасности);
в качестве базовой станции использовался либо радиомаяк береговой охраны, либо специальный двухчастотный GPS приемник;
одночастотные дифференциальные GPS приемники с внешними антеннами;
для связи между миникомпьютерами и приемниками использовались радиосетевая карта PC MCIA и радиосвязь на частоте 900 МГц, применяемая в системах для сельского хозяйства и рудников.
На экранах компьютеров (рис. 3.10), устанавливаемых на каждом движущемся средстве, отображаются все другие механизмы, пешие работники, опасные места и препятствия, и, кроме того, когда в опасной близости появляется объект, представляющий угрозу, или которому угрожает машина, программа PWS меняет цвет опасного объекта на экране и подает звуковой сигнал. Размеры зоны опасности были подобраны в зависимости от размеров слепой зоны у мобильного средства.
Эффективность мониторинговой системы зависит не только от точности определения координат (достаточная точность определена в 2 м), но и от времени ожидания сигнала (установлено, что задержка не должна превышать 0.05 с). Испытания показали, что для полной безопасности одной системы, работающей по сигналам GPS, недостаточно. Из-за возможного уменьшения числа спутников и ухудшения их геометрии необходимо иметь дополнительные средства сигнализации или позиционирования (Ruff T.M., Holden T.P. Mine eyes:
Proximity alert for monster trucks // GPS World, July 2002, V. 13, No 7. – P. 16 – 22.
– Англ.).
Система мониторинга портовых кранов с точностью сантиметрового уровня определения координат и поэтому с меньшей латенцией, потребовавшей разработки специального программного обеспечения для определения в реальном времени векторов базовых линий, была разработана в Южной Корее при помощи ученых из Университета Нового Брунсвика (г. Фредериктон, Канада).
В международном терминальном порте Куанянь (Корея) разгрузка контейнеров с морских судов производится передвигающимися по рельсам причальными кранами, а перемещение контейнеров по терминалу и их складирование производится гигантскими кранами на резиновых шинах (рис.
3.11, 3.12, 3.13).
Движением этих кранов управляет система контроля, состоящая из системы предупреждения раскачивания, которая помогает операторам тщательно позиционировать захваты кранов, системы определения положения, используемой для идентификации и перекрестного контроля положений загружаемых и разгружаемых контейнеров, и системы автоматического управления, которая удерживает колеса кранов, движущихся вдоль направляющей линии, отмеченной краской или электрическим направляющим проводом, и предохраняет их от столкновений с контейнерами или другими кранами на тесной площадке. С этой целью система управления должна постоянно распознавать линию маркировки и вычислять соответствующие отклонения передних и задних колес крана. Наиболее эффективный и надежный способ для выполнения этого – использование GPS кинематики в реальном времени.
Рис. 3.11. Портовый терминал Рис. 3.12. Колеса крана и направляющая полоса В системе автоматического управления кранами центральной частью является программируемый логический контроллер, состоящий из группы электронных приборов и оборудования. В процессе работы контроллер непрерывно отслеживает состояние крана через сигналы от приборов ввода.
Основываясь на логике, заложенной в программе, контроллер определяет, какие действия должны выполнить выходные приборы. В системе автоматического управления краном вычисляемые отклонения передних и задних колес поступают на контроллер, чтобы он мог выравнивать скорость передних и задних колес для удержания крана в нужном положении на координатной линии. Операторы поворачивают колеса крана только для того, чтобы изменять направление движения на 90 и только тогда, когда кран находится в стационарном состоянии на специальной поворотной площадке с малым трением.
Ранее для идентификации маркирующей линии использовалось несколько методов, таких, как цепь индуктивности, импульсные приемо-передатчики, приборы с двухзарядными камерами. Эти методы в различной степени зависят от окружающей среды, но их основной недостаток состоял в том, что они требовали непрерывного ухода за маркирующими линиями, обеспечивающими непрерывность работы системы автоматического управления. В методе, основанном на GPS, автоматическая система контроля управления не зависит от окружающих факторов и использует технологию, основанную на электронной карте с виртуальными линиями и GPS приемником для точного определения положения кранов на карте. Система контроля сравнивает положение крана, полученное GPS приемником, с виртуальными линиями и соответственно управляет краном. Эта система управления состоит из трех главных компонент:
GPS аппаратуры (двухчастотные приемники NCT2000D фирмы NavCom с антеннами), процессоров для обработки в режиме реального времени (компьютеры с индустриальной панелью и программным обеспечением для RTK) и локальной площадной радиосети (LAN) на частоте 2.4 Ггц, состоящей из базового блока, точек доступа и станционных адаптеров. Она включает один блок GPS аппаратуры для базовой станции и по два комплекта GPS аппаратуры на каждом кране.
Полностью действующая и безопасная система автоматического управления кранами RTGC потребовала разработки специального программного обеспечения для RTK с высокими уровнями точности, целостности, непрерывности, доступности и вычислительной эффективности.
Такая вычислительная программа была разработана группой исследователей из Университета Нового Брунсвика (Канада). Программа обеспечивает определение положения в реальном времени с темпом обновления решения Гц при точности в плане лучше, чем 2 см с вероятностью 100%. Совокупная задержка системы при учете всех факторов составляет не более 60 мс.
Описанная система контроля механизмов в реальном времени была продемонстрирована в мае 2002 г., показав при этом замечательные результаты.
Своими уникальными возможностями она, прежде всего, обязана программному обеспечению (Kim Donghyun, Langley R.B., Seungnam Kim.
Shipyard Giants: High precision crane guidance / GPS World, V. 13, N 9. – 2002. – P.
28, 30, 32 – 34. – Англ.).
Применение GPS для телевидения продемонстрировала частная компания Sportvision (г. Нью-Йорк, США), которая разрабатывает технологии телевизионных съемок для Интернета, спортивного телевидения и новых платформ средств информации. Среди ее самых современных новшеств – система RaceFX, которая включает GPS и другие технологии, чтобы отслеживать и показывать в реальном масштабе времени автомобильные гонки.
Для этого в системе RaceFX используются компактные, быстродействующие GPS приемники, обеспечивающие определение положений гоночных машин.
Вместе с другими входными данными система производит графические эффекты, соответствующие текущему виду камеры гоночной машины, непосредственно связывая положение транспортного средства в реальном масштабе времени с изображениями в телепередаче. Выполнение этого требует точной информации о положении выбранного автомобиля.
Такое направление работы системы RaceFX определило набор сложных требований к ее разработчикам. Точные положения транспортного средства необходимо было получать и передавать в условиях высоко динамических действий гоночных состояний, в которых сигналы спутников GPS часто блокируются или искажаются многопутностью. Полученные положения тогда должны интерполироваться и связываться с изображениями на экране транспортных средств и связанной с ними графикой в реальном масштабе времени.
Компания применила дифференциальный метод GPS по псевдодальностям и фазе, в котором обеспечивается точность в 50 см (1 sigma). Телеметрическая система передавала дифференциальные поправки от базовых станций GPS до гоночных машин с частотой 0.5 Гц, а информацию от машин к видеоподсистеме – с частотой 5 Гц (Milnes K., Ford T. Real-Time GPS FX. On-Screen Positioning of Racecars // GPS World, Vol. 12, No. 9, 2001. – P. 12 – 16. – Англ.).
Из приведенных примеров видно, что эффективное применение спутниковой технологии нередко требует разработки специального программного обеспечения. Особенно это становится очевидным при использовании GPS для управления механизмами.
В работе (Bevly D.M., Parkinson B. Carrier-phase differential GPS for control of a tractor towed implement // ION GPS 2000, Book of Abstracts, September 19 – 22, 2000. – Salt Palace Convention Center, Salt Lake City, Utah. – Англ.) сообщается о разработке Станфордского университета США по использованию GPS измерений для управления трактором, буксирующим сельскохозяйственное орудие. Трактор перемещается по кривым траекториям, склонам, или контурам, где положения орудия и трактора могут отличаться. Дополнительно некоторые тяжелые орудия будут «тянуть» на одну сторону, создавая смещение в положении. Было принято решение управлять действительным положением орудия, а не положением трактора в этих различных обстоятельствах.
Разработана простая аналитическая модель для объединения управления комбинацией трактора и орудия, подтвержденная экспериментальными данными с использованием дифференциального метода GPS позиционирования по фазе несущей на тракторе, а также на орудии. Затем был разработан контроллер и применен на экспериментальной системе, чтобы управлять положением орудия на заданном пути вдоль поля. Экспериментальные данные показывают возможности по управлению положением орудия в пределах 10 см от проектного пути. Позднее надежность этой разработки была значительно повышена путем дополнения инерциальной системы.
Подобная разработка этого же университета для управления автоматизированными катками для подготовки снега на горнолыжных курортах Западной Европы описывается в работе (Opshaug G.R., Enge P. Robotic snow cat // ION GPS 2000, Book of Abstracts, September 19 – 22, 2000. – Salt Palace Convention Center, Salt Lake City, Utah. – Англ.). Уход за снегом всегда выполняется вечером или ночью, когда трассы свободны от лыжников.
Автоматизированные (робототехнические) катки для снега имеют большое будущее, поскольку сокращают текущие эксплуатационные расходы на оплату работы операторов. Кроме того, автоматизированное транспортное средство можно более охотно использовать в лавиноопасной области. С точки зрения изготовителя, автономный снеговой каток не имеет никакой потребности в кабине оператора. Удаление кабины экономит вес и делает каток более низким и устойчивым. Были проведены испытания GPS автопилота для катка снега Bombardier MP Plus. Полные ошибки системы лежат в диапазоне 10 см.
3.3.3.3. Мониторинг объектов при объединении с другими средствами позиционирования При всей своей привлекательности GPS технологии имеют ряд недостатков, которые ограничивают их применение в задачах мониторинга.
Прежде всего, это падение точности из-за уменьшения числа спутников или изза их неблагоприятной геометрии. Уменьшение количества доступных спутников чаще всего происходит из-за блокирования сигналов различными препятствиями. В некоторых случаях может происходить потеря захвата из-за ионосферных возмущений. Если число наблюдаемых спутников становится равным трем или меньше, то определение координат становится невозможным.
Это выражается в увеличении различных геометрических факторов DOP. Для мониторинга объектов с низкой динамикой, когда наблюдения ведутся статическим методом сеансами в несколько часов или суток, кратковременное ухудшение геометрии не будет приводить к резкому ухудшению качества наблюдений [25]. Однако при коротких сеансах или при наблюдении кинематическим методом возможно получение резких искажений в характере движения наблюдаемых объектов.
Другой недостаток GPS измерений заключается в том, что на малых расстояниях (менее 1 км) точность спутниковых измерений оказывается недостаточной. По этой причине многие авторы указывают, что GPS не является миллиметровым средством измерения расстояний.
Улучшение геометрии может быть достигнуто за счет увеличения числа спутников, что можно сделать, объединив в одном приемнике возможности наблюдений спутников GPS и ГЛОНАСС. Двухсистемные навигационные приемники выпускаются рядом российских изготовителей. Геодезические двухсистемные приемники выпускает фирма Javad (США).
Объединение спутниковой аппаратуры с инерциальной аппаратурой (гироскопами) дает возможность поддерживать позиционирование в тех ситуациях, когда сигналы спутников становятся недоступными, или падает качество геометрии. Инерциальная навигационная аппаратура непрерывно измеряет три взаимно ортогональных компоненты ускорения, производит численное интегрирование этих ускорений, чтобы получать мгновенные скорости, а затем интегрирует полученные скорости, чтобы получить текущее положение судна. Инерциальные системы обладают рядом преимуществ. Они имеют малый размер, могут выдавать результаты измерений в высоком темпе, переносят тяжелые условия эксплуатации. Недостатком их является быстрое возрастание ошибок со временем.
Объединение GPS приемника и гироскопа дает ряд преимуществ. Прежде всего, это большая надежность, улучшение точности определения местоположения, возможность для работы в более трудных условиях.
Инерциальная система помогает спутниковой системе обеспечивать точные начальные оценки положения и скорости, уменьшая время, необходимое для захвата сигналов, идущих от спутников. Если сигналы нескольких спутников пропадают по какой-либо причине, то инерциальная система позволяет быстро и эффективно выполнять захват сигналов. Непрерывные измерения скорости, даваемые инерциальной системой, помогают GPS приемнику быстро оценить величину доплеровского сдвига сигнала, чтобы можно было быстро сузить ширину полосы пропускания сигнала для его цепей слежения. Это улучшает динамику операций объединенной системы и повышает невосприимчивость к помехам.
Другой способ усиления возможностей GPS наблюдений – это их объединение с псевдолитами (псевдо-спутниками), являющимися передатчиками, установленными на Земле в точках с известными координатами.
Они передают сигналы, похожие на те, что транслируют спутники GPS.
Псевдолиты могут значительно повышать точность позиционирования, особенно по высоте. Для приема сигналов псевдолитов должен использоваться специальный GPS приемник с соответствующими модулями электроники и программного обеспечения. Псевдолиты допускают позиционирование по коду (аналогия с абсолютным методом GPS), по коду и фазе дифференциальным методом и по фазе несущей волны относительным методом. В последнем случае возможно достижение точности сантиметрового уровня (Cobb S., O’Connor M. Pseudolites: enhancing GPS with ground-based transmitters // GPS World, Vol. 9, No. 3, 1998. – P. 55 – 60. – Англ.).
Объединение спутниковой и инерциальной аппаратуры для целей мониторинга является распространенным явлением, о чем свидетельствуют частые публикации на страницах журналов «Navigation», «GPS World», «GPS Solutions».
Фирма Honeywell Sensor and Guidance Products сообщает о разработке объединенной навигационной системы, включающей кинематический GPS приемник, работающий в реальном масштабе времени и обеспечивающий точность 2 см, и шестиосную инерциальную измерительную систему.
Назначение этой системы – автономная навигация наземного транспортного средства, руководство и управление (Schipper B., Soehren W., Mueller C.E. High performance, low cost commercial INS/GPS design // ION GPS 2000, Book of Abstracts, September 19 – 22, 2000. – Salt Palace Convention Center, Salt Lake City, Utah. – Англ.).
Калифорнийский университет (г. Риверсайд, США) представляет результаты использования и экспериментов с одночастотной в реальном масштабе времени, дифференциальной GPS (DGPS), дополненной дешевой инерционной навигационной системой (INS). Используются несколько оригинальных алгоритмов, типа фильтра Калмана с пятнадцатью состояниями, фаза, сглаженная кодом и доплеровские поправки, чтобы осуществить DGPS/INS. В инерциальной системе используются недорогие монолитные гироскопы, работающие с частотой 150 Гц и объединенные с одночастотными дифференциальными фазами GPS, сглаженные кодом, и доплеровские измерения через дополнительный фильтр в 1 Гц. В реальном масштабе времени оценки состояния (положение, скорость и ориентировка) с частотой 150 Гц достигают дециметровой точности в положении и сантиметровой точности в скорости. Из-за ее дешевизны, работы в реальном масштабе времени и высокой частоты съема данных такие навигационные системы имеют много прикладных возможностей (например, авиация, автоматическая горная промышленность, сельское хозяйство, землечерпательные работы, управление автомобилем или другим транспортным средством и т. д.) (Yang Y. Low-cost single frequency DGPS aided INS for vehicle control // Proc. of ION GPS-99, 12-th Int. Tech. Meet. of the Satellite Division of the Inst. of Navigation, Nashville, Tennessee, Sept. 14-17. – 1999. – P. 1419 – 1427. – Англ.).
неоднозначности фазы несущей созданы для работы в карьерах IntegriNautics Corporation (США). Известно, что обычное позиционирование по GPS в карьерах значительно ухудшается, поскольку они становятся глубокими, а крутые стены блокируют сигналы спутников. В результате происходит потеря захвата сигналов, которая значительно подвергает опасности действия в горной промышленности. Создана система из 4-частотных псевдолитов, позволяющая разрешать неоднозначности фазы за одну эпоху наблюдений (Zimmerman K.R., Melton W.C., Lawrence D.G., Cohen C.E. Multi-frequency pseudolites for instantaneous carrier ambiguity resolution // Proc. of ION GPS-99, 12-th Int. Tech.
Meet. of the Satellite Division of the Inst. of Navigation, Nashville, Tennessee, Sept.
14-17. – 1999. – P. 1419 – 1427. – Англ.).
Следующий пример относится к мониторингу отдельного пешехода. В геодезической лаборатории Швейцарского федерального института технологии разработан модуль навигации пешехода (Pedestrian Navigation Module, PNM), который может работать в закрытом помещении или на тротуарах, затененных высокими зданиями. PNM состоит из быстродействующего коммерческого GPS приемника, цифрового магнитного компаса со встроенными алгоритмами навигации и барометра-высотомера. Последняя версия модуля также содержит гироскоп для навигации внутри помещений и для улучшенной надежности в магнитно возмущенных областях. Масса прибора 150 г. Назначение – навигация для слепых, для чего имеется интерфейс с модулем Брайля. Возможна также выдача сообщений голосом. Другая область применения – координирование спасательных групп или индивидуумов при спасательных работах, когда необходимо знать положения каждого члена команды. Прибор обеспечивает точность порядка 10 м (Ladetto Q., Merminod B. In step with INS: navigation for the blind, tracking emergency crews // GPS World, Vol. 13, No. 10, 2002. – P. 30 – 38. – Англ.).
Значительно более высокая точность при объединении GPS аппаратуры и инерциальной системы была достигнута в Дорожном центре Сибирского государственного университета путей сообщения (СГУПС, г. Новосибирск).
Здесь для мониторинга железнодорожного пути создан аппаратно-программный комплекс (АПК), в котором спутниковая аппаратура дополнена прецизионной инерциальной системой. Недостатком инерциальной аппаратуры является нелинейное смещение нуль-пункта. Так, для курса креноуказателя (ККУ) смещение доходит до 6 за час. На малых расстояниях смещения нульпункта практически не влияют. Однако на больших расстояниях уход становится недопустимым, и инерциальной системе требуется калибровка, которую с успехом выполняет спутниковая система из пары двухчастотных GPS приемников, работающих в режиме кинематики. Один из приемников устанавливается на платформе, несущей гироскоп ККУ, другой приемник располагается на опорной точке, удаление которой может достигать 10 – 15 км.
Работа GPS приемников и гироскопической системы синхронизируется. Съем координат с ККУ производится через каждые 2 см пути. Геометрические параметры пути определяются с точностью 1 – 2 мм, а координаты оси железнодорожного пути определяются с точностью 5 – 10 мм, что превышает точность обычного кинематического позиционирования двухчастотной аппаратурой. Высокая точность определения координат достигается за счет совместной обработки координат, полученных спутниковым приемником и гироскопической системой, которые имеют различную частотную составляющую изменения погрешности.
Созданные приборы на базе этого способа могут применяться для съемки станций, горок, паспортизации, при калибровке вагонов-путеизмерителей, при проведении проектно-изыскательских работ под капитальный ремонт, на капитальном ремонте, при создании реперной сети, при диагностике пучинообразования. АПК внедряется по всей сети железных дорог России.
Опыт работы с АПК показал, что необходимо иметь несколько модификаций, предназначенных для проектировщиков, мастеров пути, ремонтников пути (Щербаков, В.В. Координатный способ диагностики железнодорожного пути // Современные проблемы геодезии и оптики: Сб. материалов LIII междунар.
научно-техн. конф., посвящ. 70-летию СГГА, 11-21 марта 2003 г. Ч. III / В.В.
Щербаков, К.М. Антонович, В.Д. Овчаров. – Новосибирск: СГГА, 2003. – С.
180 – 182.).
В последнее время большой интерес проявляется в отношении применения псевдолитов для навигации роботов и других механизмов в помещениях, куда сигналы GPS не доходят (так называемая «внутренняя навигация» – indoor navigation) (Agnew W.G. Future drivers: autonomy, intelligence in robot competition // GPS World, V. 13, No. 11, November, 2002. – P. 28, 30, 32, 34, 36. – Англ.).
«