Системы геопозиционирования в геофизике

4. Хайкович И. М.. Серых А. С. и др. Метрологическое обеспечение работ по изучению радиоактивного загрязнения местности в результате аварии на Чернобыльской АЭС (метрологическое обеспечение программы АТЛАС) // Методика и некоторые результаты авиационной гамма-съемки радиоактивного загрязнения европейской части России: Сб. ст. СПб: Гидрометеоиздат, 1994. С. 52-65.

5. Хайкович И. М.. Шеврыгин О. Н., Фоминых В. И. Метрологическое обеспечение спектрометр* гамма-излучения в системе радиационного мониторинга // Атомная энергия, т. 73. вып. 5, 1992. С. 387-392.

6. Хайкович И. М., Шишкин В. Л. Опробование радиоактивных руд по гамма-излучению. Теория и ме-тодика. М.: Энергоатомиздат, 1982.

7. Ярицына И. А.. Щебамев В. Т.. Фоминых В. И. и др. Государственный первичный эталон единицы потока нейтронов // Измерительная техника. 1972. № 8. С. 8-11.

СИСТЕМЫ ГЕОПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ В ГЕОФИЗИКЕ

РАСПУТИНА. И. Уральская государственная горно-геологическая академия

I. Введение

1. Общие принципы

Определения местоположения посредством глобальных спутниковых систем играют весьма важную роль во всех областях топографо-геодезического и навигационного обеспечения различного вида изысканий, в том числе геолого-геофизических исследований, так как позволяют оперативно получать необходимую геодезическую информацию.

В общем виде глобальная спутниковая навигационная система представляет собой комплекс космических и наземных технических средств, предназначенных для определения трех пространственных координат, вектора скорости и точного времени.

Основная особенность системы заключается в наличии в космосе подвижных опорных пунктов - быстро летящих (со скоростью 3,9 км/с) навигационных искусственных спутников Земли. являющихся носителями координат (геодезической и навигационной информации). При этом глобальная спутниковая система практически непрерывно в любой точке Земли обеспечивает решение навигационной и геодезической задач.

2. Принципы работы

Принцип определения местоположения объеета на Земле с использованием глобальных спутниковых систем (группировки отутников на нескольких орбитах) основан на измерении расстояний от навигационного искусственного спутника Земли до приемника спутниковых сигналов и вычислений по этим расстояниям координат.

Для достоверного определения координат необходимо в каждый момент времени знать максимально точное положение спутника.

Глобальные спутниковые системы включают в себя три главные подсистемы (рис. I):

• наземного контроля и управления (НКУ);

• созвездия космических аппаратов (КА);

• аппаратуры пользователей (АН).

Подсистема наземного контроля и управления состоит из станций слежения за спутниками, службы точного времени, главной станции с вычислительным центром и станций загрузки данных на борт спутников. Спутники проходят над станциями контроля и управления дважды в сутки. На станциях НКУ обрабатывают собранную об орбитах информацию и прогнозируют координаты спутников (эфемериды).

Для нормальной работы спутниковых приемников в любое время суток в любой точке земли подсистемы созвездия космических аппаратов GPS и ГЛОНАСС должны иметь по 24 рабочих спутника. Спутники GPS расположены по четыре в шести орбитальных плоскостях, а спутники

2. Орбитальная группировка глобальных Рис. I. Состав глобальнь х

спутниковых систем GPS (а) и ГЛОНАСС (Ь) спутниковых систем

ЕКНа С С - по восемь в трех плоскостях, развернутых соответственно через 60 и 120° по долготе узла (пересечение плоскости земного экватора с орбитой спутника) (рис. 2).

-Период обращения спутников в ГЛОНАСС равен 11 ч 15 мин 44 с, а в GPS -11 ч S7 мин 58 практически круговые. Скорость перемещения спутников вдоль орбиты около 3,9 км/с. над Землей спутников ГЛОНАСС IS840-19940 км, а спутников GPS - 20180 км. На каждом спутнике установлены солнечные батареи питания, двигатели коррею-ировки ор-ао несколько атомных эталонов частоты-времени, аппарату ра для приема и передачи радио-бортовые компьютеры. В ГЛОНАСС спутники оборудованы отражателями, а наземные I слежения - лазерными дальномерами. Приемные устройства, составляющие подсистему аппаратуры пользователей, очень много-по точности, конструкциям и принципам измерения и обработки сигналов. В настоящее аироко распространены приемники GPS. Их выпускают более 50 различных фирм. В геоло-отрасли получили распространение приемники известных фирм США (Ashtcch, Garmin, Trimble Navigation), Франции (Sercel), Швейцарии (Leica), Швеции (Geotronics) и др. По-в эксплуатацию и приемные устройства (в основном иностранных фирм), одновременно зующие информацию со спутников GPS и ГЛОНАСС.

3. Системы координат

Глобальные спутниковые системы GPS и ГЛОНАСС ра-в гринвичской пространственной прямоугольной гео-:кой системе координат. Начало координат располо-в центре масс Земли. Ось Z направлена на условный

полюс, соответствующий среднему за 1900-1905 гг. GPS работает в координатной системе WGS-84 (World System, 1984), ориентированной прежде всего на по-тоес«ости Северной Америки.

В России для эксплуатации ГЛОНАСС без интеграции с 1ыми странами создана координатная система ПЗ-90 с 1ьзованием параметров Земли 1990 г. Естественно, эти две системы координат не совпадают: юе смещение начал координат составляет около 3 м. л углов между координатными осями - с коло 0,1" (рис. 3). Гари этих значениях координаты одной н той же точки о про странстве (на поверхности Земли) в указанных двух системах различаться на десятки метров.

Рис. 3. Ориентирование Осей прямоугольных пространственных координат GPS и ГЛОНАСС

4.1.ГЛОНАСС

Отечественная глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС была развернута полностью (24 рабочих спутника) в январе 1996 г. К ноябрю 1999 г. орбитальная группировка этой системы сократилась до 12 работающих по прямому назначению спутников. В дальнейшем планируется ежегодно проводить по два запуска ракетоносителя «Протон» с блоком из трех спутников с поддержанием орбитальной группировки на уровне не менее 18 спутников.

Максимальная суточная нестабильность частоты бортовых эталонов частоты ГЛОНАСС составляет 5-10"' \ С 2005 г. на борту модернизированной ГЛОНАСС-М будет устанавливаться новый цезиевый стандарт частоты с максимальной нестабильностью МО'13 в сутки.

4.2. GPS

Сейчас США объявили о выделении 400 млн доя. из бюджета президента на модернизацию системы GPS. В апреле 1999 г. орбитальная группировка GPS имела 26 спутников. Планируется введение двух новых «гражданских» сигналов на запускаемых в будущем спутниках.

При этом второй «гражданский» сигнал будет размещен рядом с существующим «военным» сигналом. Он будет предназначен для использования в геодезии и для других точных измерений. Запуск спутников, транслирующих «гражданский» сигнал, намечен на 2003 г. Третий «гражданский» сигнал будет расположен внутри международного диапазона сигналов воздушной и морской радионавигации. Он предназначен для использования службой с повышенными требованиями к безопасности жизнедеятельности (гражданская авиация и др.). Наличие этого сигнала предусматривается в спутниках, запуск которых будет производиться с 2005 г.

4.3. GNSS

Интегрированная GPS/ГЛОНАСС аппаратура потребителя обеспечивает на территории России в любой момент времени минимум 7 видимых спутников. В связи с неоспоримыми достоинствами объединенного использования обеих систем российские ведущие организации разрабатывают 12-24-канальные интегрированные GPS/ГЛОНАСС-прнемники. При переходе мирового сообщества на гражданскую всемирную глобальную навигационную спутниковую систему GNSS (Global Navigation Satellite System) в первую очередь необходимо будет решить вопросы обеспечения надежности, целостности и доступности (вероятность получения потребителем достоверной информации о своем местоположении в заданный момент времени и с требуемой точностью) новой системы. Результаты исследований показывают, что доступность и целостность объединенной системы GPS/ГЛОНАСС значительно улучшаются лаже при использовании не полностью развернутой орбитальной группировки ГЛОНАСС.

II. Применение спутниковых систем при геолого-гсофмзичсских исследованиях

1. Производство (методы) полевых измерений спутниковой аппаратурой

Определение координат точек геолого-геофизических наблюдений статическим методом Полевые наземные определения абсолютным способом выполняют по следующей общей схеме.

• Устанавливают антенну спутникового приемника на определяемой точке. При этом оператор не должен загораживать видимость на спутники, особенно при использовании носимых (ручных) приемников. В северном полушарии (на территории России) оператору лучше всего располагаться с северной стороны от антенны, так как в этом случае вероятность нахождения спутника к северу от оператора мала.

• Выполняют измерения. По информации, поступающей на экран спутникового приемника или компьютера, оператор определяет момент захвата приемником необходимого количества спутников и выполняет серию фиксаций координат в память спутникового приемника или автоматически регистрирует координаты в соответствующем внешнем устройстве.

По окончании необходимого (оптимального) промежутка времени измерений в сеансе опе-аыключает аппаратуру и готовит ее для переезда (перехода) на следующий определяемый

При проведении относительных (дифференциальных) спутниковых наблюдений на пунктах т сети функции наблюдателя сводятся к выполнению следующих операций: установка аппаратуры на пункте;

- измерение высоты установки антенны;

- введение в аппаратуру требуемых исходных данных (название пункта, элементы центров-дсрость сбора данных, время начала и окончания сеанса наблюдений, ограничение по углу

1ия спутника над горизонтом, однотипная форма задания названий пунктов, вводимых в приемника через клавиатуру, возможно, приближенные значения координат пункта на-

| и т. д.);

- выполнение измерений в течение предписанного (оптиматьного) интервала времени;

- заполнение полевого журнала;

- регистрация всех замечаний, которые непосредственно связаны со спутниковыми наблю-и могут оказаться полезными при обрабоше данных и анализе икинчашльных резулын-

Установка высокоточной геодезической аппаратуры на пунктах наблюдения должна осуще-в соответствии с требованиями, содержащимися в технических руководствах к конкрет-приемников. Центрирование антенны необходимо выполнять с точностью ID мм. Из-высоты установки антенны (или сенсора) проводятся с точностью 10 мм. Эта информация в память спутникового приемника а также фиксируется в полевом журнале наблюдений.

антенн двухчастотных геодезических приемников (или сенсоров) должна осуществ-всех пунктах профиля единообразно, т. е. все они должны быть ориентированы на север, ю не более 5°.

При определении координат в реальном времени (дифференщшльный способ) спутниковую дополняют радиомодемом для передач приема дифференциальных поправок по каналу Подготовка аппаратуры для работы в реальном времени включает дополнительные дейст-проверке работы радиомодема. Основная проверка - определение максимальной дальности поправок по всем направлениям от базовой станции. Такая проверка помогает в дальней-«эбежать неожиданных перерывов в работе из-за прекращения приема поправок. Кроме это-ооверяется возможность выполнения работы на транспортном средстве (наличие помех от •удования транспортного средства). Необходимо еще раз отметить, что существенное влияние на точность спутниковых опреде-координат в условиях залесенной местности оказывают:

- время накопления информации на точке (в закрытых районах; увеличивается в 1,5-2 раза в и с работой в открытой местности)'

- количество видимых спутников (N £ 6) при заданных углах возвышения (13° £ i й 30°);

- затухание сигнала при прохождении через листву деревьев, при этом высокоточные геоде-приемники весьма чувствительны к интерференции отраженных сигналов (многопутно-

2. Применения спутниковых

Исходные требования для производства геодезических работ

Работы выполнялись ОАО «Центральная геофизическая экспедиция» (Новосибирск) в соот-I со следующими требованиями геологического задания:

- масштаб топоосновы - 1:25 ООО;

-расстояние между линиями приема сейсмических сигналов - 800 м; -расстояние между линиями возбуждения-приема (продольными профилями) - 1600 м;

- расстояние между пунктами приема (ПН) - 50 м;

- расстояние между пунктами возбуждения (ПВ) - 100 м;

- средняя квадратичсская погрешность определения высот пунктов приема и возбуждения : более ±1,0 м.

Фрагмент схемы участка работ представлен на рис. 4, где утолщенными линиями обозна->ы продольные (совмещенные) профили, на которых располагались пункты возбуждения и

и ¿00м 1

ж ;» J

/ /

)

/ /

1.^^ J

X

Рис. 4. Фрагмент схемы участка работ проектных профилей

приема. Поперечные профили и выносные пункты прие» (продолжение за пределы крайнего профиля), обозначеннь тонкими линиями, предназначены только для расстанов» приемников сейсмических колебаний.

Подготовка профилей методом «уточнения» их пол жения

Полевые работы по подготовке профилей методом «уточнения» их положения производились спутниковой сис темой Step-1 в следующем порядке:

- выбор места установки антенны базовой станции определение ее координат,

- установка базовой станции;

- определение координат двух точек спутниковых геодезических определений на взаимном расстоянии не менее 700 м, задание направления от них начального профиля;

- развитие сети профилей относительного начального профиля. Камеральные работы включали:

- составление прогноза спупшковых измерений;

- перегрузку данных базовой и мобильной станций в обрабатывающий компьютер;

- обработку полевых измерений;

- преобразование, подготовку и вывод данных в виде, необходимом для представления заказчику.

По итогам работ с уточнением положения профилей составлена таблица поправок коррекции (уклонений) отдельных точек профилей от проектного положения в пунктах спутниковых определений. Вычислена средняя квадратическая ошибка ортогональности профилей.

В результате работ с применением спутникового приемника Step-1 методом «уточнения» положения профилей сделаны следующие выводы:

- метод «уточнения» положения профилей позволяет работать в открытой и слабо-залесенной местности;

- точность статических определений в лесу в 2-3 раза грубее (0,5 м в плане и 0,25 м по высоте);

- время статических измерений в залесенной местности увеличивается на 30-40 % в сравнении с открытой местностью;

- точность в проложении профилей (ошибка ортогональности) составила 1,9 м.

5. Программное обеспечение для

и С PS-измерений

Проведение полного цикла измерений, выполненных с использованием спутниковой аппаратуры, требует в том числе компьютерной обработки полевых данных с применением специализированного программного обеспечения, поставляемого вместе с аппаратурой или отдельно. Как правило, эти программы работают с определенными типами приемников. Они могут отличаться не только структурой построения cavoix программ, но и форматами преобразования данных, полученных спутниковой аппаратурой.

Обычно программное обеспечение для обработки результатов измерений снабжено ключом! в виде переходника в параллельный порт компьютера, который не позволяет его несанкционированное использование. Несмотря на различное построение программ, имеются общие принципы их работы, к которым можно отнести:

- системы меню (они близки к стандартным программам под Windows);

- программы дифференциальной коррекции, уравнивания, преобразования систем координат, графического отображения информации, планирования работ.

Кроме того, возможно наличке программы преобразования данных в распространенные системы ГИС и т. д.

В целом меню основных программных пакетов включает:

• GPSurvey (обозрение); Trim шар (порядок); Pathfinder Office (исследовать).

GPSurvey представляет собой интегрированный набор программных пакетов обработки! данных, предназначенный для таких этапов геодезического проекта, как планирование, орг анизация, выполнение измерений и предварительная обработка данных.

Лалее перечислены модули про1раммыого обеспечения GPSurvey и выполняемые ими функ-

- создание, доступ и управление проектами;

- исследование периодов доступности спутников;

- составление сценариев (программ) полевых наблюдений;

- выгрузка данных из спутникового приемника, связь необработанных результатов наблю-рм* с конкретными проектами,

- обработка базисных линий, измеренных методом статической и быстрой статической Ьмшс выполнение уравниваний геодезической сети;

- просмотр сети, проверка данных, передача эталонных и уравненных координат, формиро-мше отчетов о базовых линиях.

Trimmap представляет собой интегрированный набор программных пакетов обработки дан-uol предназначенный для осуществления трехмерной графической обработки любых видов гео-ял» о: к их съемок. Включает следующие основные функциональные модули: Трехмерное моделирование местности для составления контурных планов; Система графического представления и рисовки профилей и их поперечных сечений; Система оцифровки графических материалов; Трехмерное инженерное проектирование кадастровых съемок. Pathfinder Office предназначен для выполнения следующих операций:

- автоматическая обработка данных спутниковых измерений в пакетном режиме;

- хронологический просмотр данных спутниковых измерений;

- вывод обработанных результатов в заданной пользователем системе координат;

- дифференциальная коррекция с использованием данных базовой станции;

- передача в основные ГИС и САПР системы;

- планирование доступности спутников на пунктах наблюдений;

- вывод результатов обработки на векторные или растровые карты-подложки.

Заключение

Таким образом, с применением глобальных спутниковых систем GPS и ГЛОНАСС перевод шшй-ационо-геодезического сопровождения геологоразведочных работ на спутниковые методы шорлинатных определений представляется перспективной задачей.

Интегрированная GPS/ГЛОНАСС-технология обладает следующими основными преимуще-

ННШИ.

- возможностью передачи координат практически на любые расстояния с оперативностью и »I '—остью, не доступными для традиционных геодезических методов;

- отсутствием требования к взаимной видимости между пунктами, что позволяет оперативнее а том числе на залесенной местности, располагать пункты геолого-геофизических наблюдений атласно проектному заданию по выносу и привязке профилей, маршрутов и т. п.

ПРИМЕНЕНИЕ ГИС-ЮТТСНО ДЛЯ ПРОГНОЗНОЙ ОЦЕНКИ УРАЛА В МАСШТАБЕ 1:1 ООО ООО НА ВОЛЬФРАМ-МОЛИБДЕНОВОЕ ОРУДЕНЕНИЕ

Б А БЕН КО В. В. ЕЛОХИНВ. А., ВИТОВ А. В.

Уральская государственная горно-геологическая академия

Мировые подтвержденные запасы молибдена по данным зарубежных источников, оцени-аиотся в 8896 тыс. тонн, значительная часть которых (более 80 %) приходится на долю США, Чили. Китая, Перу, Армении, Канады. Аргентины, Казахстана. Россия в этом ряду занимает далеко е последнее место. Ведущими продуцентами молибденовых концентратов на мировом рынке акляются США, Чили, Китай, Канада. Россия, Мексика. Перу.