Glava_8_9_10

- 88 -

Глава 9. Специальные методы применения СРНС в гидрографии

9.1.Методы использования спутниковой аппаратуры, реализующей режим кинематики реального времени (RTK) для определения поправок за уровень.

фазовых измерений методом «On-The-Fly» (“на лету”), которое обеспечивает точность на уровне сантиметров независимо от динамики движения пользователя. Другие усовершенствования, касающиеся приёмников и RTK технологии, включают подавление воздействия переотраженного сигнала, улучшение качества слежения за сигналами от спутников и возможность обновления данных с частотой 20 Гц при минимальной задержке. Совершенствование средств связи и GPSантенн, также увеличили эффективность системы. Однако, существующие RTK системы как правило, имеют ограничение по дальности. Большинство подвижных приемников могут работать только на удалении до 10 -15 км от базовой станции.

В состав RTK системы входит референцная (базовая) и роверная станции, включающие фазовые GPS-приемники, антенны, радиомодемы и радиоантенны. Ключевой особенностью RTK является способность разрешения неоднозначности - определение целого количества циклов, во время движения ровера. Для реализации данного принципа используется комбинация фазовых данных L1 и L2. Методика OTF включает в себя фильтр поиска и технологию вычисления неоднозначности по методу наименьших квадратов. Скорость, с которой реализуется этот метод, зависит от ряда факторов, таких как количество отслеживаемых спутников, пространственного геометрического фактора PDOP, величины шумовой составляющей сигнала спутников. При благоприятных условиях, разрешение неоднозначности выполняется в течение 10 секунд. На расстояниях до 15 км. плановые координаты могут быть определены с точностью 5-8 см., а геодезическая высота – 10 см. (95%). Это соответствует требованиям, предъявляемым к точности определения глубин при выполнении гидрографической съемки в соответствии со Стандартом S-44, редакция 5 (2008) Международной Гидрографической организации (МГО).

В целом, технология RTK для целей геодезии и гидрографии вышла на уровень производственных работ и широко используется по всему миру. В геодезии RTK имеет специфический уровень применения и может рассматриваться лишь как дополнение к традиционным методам GPS съёмки. Для гидрографии технология RTK является основным направлением ее дальнейшего развития в связи с тем, что обеспечивает новый прогрессивный подход к вопросу определения высотного положения нуля глубин – поверхности от которой отсчитываются глубины, наносимые на навигационные карты. Определив геодезическую высоту нуля глубин, гидрограф, выполняя промер с аппаратурой RTK, не только получает плановые координаты с сантиметровой точность, но и геодезическую высоту мгновенной поверхности моря в точке измерения глубины. Таким образом, становится возможным вычислить в реальном времени поправку за приведение измеренной глубины к выбранному нулю глубин.

Рассмотрим методики расчета поправок за уровень на основе использования RTKизмерений.

Спутниковая RTK -аппаратура, установленная на судне, обеспечивает высокоточное

- 90 -

Для наглядности рассмотрим числовой пример, изображенный на рис.9.2., данный при условии, что плоскость нуля глубин находится выше поверхности эллипсоида.

В соответствии с формулой (9.4) имеем: CS = RD – A + H + SEP = 9-6.5 + 3 + 1.5 = 8.

Выясним, как была получена величина SEP = 1.5

На рис.3. изображены репер и рейка уровенного поста, совмещенные с референцной станцией, обеспечивающей возможность работы в режиме RTK. Здесь Н1 – высота установки RTKантенны референцной станции над репером уровенного поста, Н2 – превышение мгновенного уровня моря над репером (определяется по результатам нивелирования), а Ak - геодезическая высота RTK - антенны референцной станции. На посту должны быть выполнены уровенные наблюдения, в результате которых должны быть определены: отсчет по рейке, соответствующий среднему уровню моря за период наблюдений (как правило, за 30 суток), а также отсчет, соответствующий принятому нулю глубин (в приливных морях – теоретический нуль глубин).

Располагая этими данными, возможно в момент определения величины Н2 взять отсчет мгновенного уровня по рейке и, тем самым, получить величину Tk - поправку за уровень, в соответствии с методом, используемым в классической гидрографии (отсчет по рейке, соответствующий нулю глубин минус отсчет мгновенного уровня).

Для наглядности всем величинам присвоены численные значения, как показано на рис.9.3. Величина SEPk - в соответствии с рис.9.3. может быть представлена в виде:

плоскость ноля глубин на 1.5 м выше поверхности эллипсоида.

Данный метод использования RTK –режима для определения в реальном масштабе времени поправки уровня имеет следующие недостатки:

- расстояние от референцной станции до судна RTK – ровером, как правило, ограничено величиной 10-15 км. вследствие высоких требований к каналу связи и необходимости разрешения многозначности фазовых измерений;

- использование величины SEPk взамен SEP для расчета величины Т - поправки уровня методом RTK по формуле (9.2) предполагает, что поверхности нуля глубин и эллипсоида

- 92 -

При практической реализации в электронной гидрографической информационной системе (ЭГИС) возможны три режима работы при определении поправок уровня с использованием RTKтехнологии.

а. Работа в локальном районе, когда можно принять условие: SEPk = SEP;

при этом в программу вводится величина высоты RTK антенны, равная Н + SEPk б. Работа в обширном районе с фиксацией поверхности нуля глубин относительно

эллипсоида либо относительно геоида.

В случае фиксации поверхности нуля глубин относительно эллипсоида поступают

оснащенные RTKаппаратурой, создавая тем самым дополнительные уровенные посты, либо использовать метод фиксации плоскости нуля глубин относительно поверхности геоида.

- 93 -

Такой метод предусматривает наличие детальной модели геоида на акваторию съемки , а также наличие постоянно действующих уровенных постов, с помощью которых возможно определить местный средний многолетний уровень моря и надежно связать его с поверхностью геоида.

Дальнейшее использование RTKметодов определения поправок для приведения глубин к заданному уровню связано с совершенствованием RTKаппаратуры, с созданием eRTKсетей для передачи фазовых поправок, а также с использованием новой глобальной дифференциальной системы C-Nav, обеспечивающей дециметровый уровень точности определения геодезической высоты. Это особенно актуально для проведения гидрографической съемки в труднодоступных районах, в Арктике и Антарктике.

Выводы по использованию фазовой спутниковой аппаратуры для определения поправок уровня:

1.RTKметоды определения поправок уровня моря становятся повседневной практикой в зарубежных гидрографических организациях. При этом обеспечивается точность определения поправок уровня более высокая, чем обеспечивается классическими методами .

2.При использовании RTKметодов определения поправок уровня моря необходимо наличие уровенного поста для начальной привязки уровня, но отсутствует необходимость непрерывного выполнения уровенных наблюдений, как это требуется при классических способах .

3.RTKметоды определения поправок уровня автоматически учитывает такие явления, как «проседание» съемочного судна на ходу. При этом отпадает необходимость использования малонадежных моделей, обеспечивающих расчет динамического заглубления антенны эхолота, и повышается точность определения исправленной глубины.

4.Способ «калибровки» RTKметода определения поправок уровня моря по единствен ному уровенному посту обеспечивает необходимую точность определения поправки уровня для особой и первой категориям съемки по S-44 (2008) только на расстояниях 1-3 км. от поста.

5.Для обширной акватории можно использовать два способа «калибровки» RTKметода определения поправок уровня моря: определение плоскости нуля глубин относительно поверхности эллипсоида, либо относительно поверхности геоида. Последний способ предусматривает наличие детальной модели геоида для акватории съемки.

6.Вне зависимости от используемого способа «калибровки» RTK-метода пользователь должен регулярно контролировать величину поправки уровня, рассчитываемую с помощью программного обеспечения используемой ЭГИС и величину поправки уровня, получаемую классическим способом на береговом или морском уровенном посту.

7.Использование RTKметода определения поправок уровня моря предусматривает наличие на судне датчика вертикальных перемещений, который позволяет выполнять начальную привязку и устранить высокочастотную составляющую погрешности исправленной глубины, вызванную вертикальным перемещение антенны эхолота под воздействием волнения.

8.Дальнейшие направления RTKметодов определения поправок уровня связаны с развитием eRTKсетей на побережьях морей и внутренних водоемах, а также совершенствованием высокоточного глобального дифференциального сервиса C-Nav (технология RTG).

9.2. Пространственное ориентирование по СРНС

Для каких морских гражданских приложений требуется ориентирование с помощью СРНС ? ▪ Гидрография с использованием систем площадной съемки дна (МЛЭ, БГБО, ЭТ);

▪Динамическое позиционирование судов специального назначения;

▪Стабилизация морских платформ.

- 94 -

Классификация систем ориентирования с помощью СРНС

Различают следующие варианты систем ориентирования :

-с помощью спутниковой навигационной аппаратуры (СНА) СРНС с двумя, тремя и четырьмя антеннами;

-комплексирование СНА СРНС с средствами инерциальной навигации

Гидрографические приложения - многолучевая батиметрия:

-определение углов крена, дифферента, рыскания и вертикального перемещения приемоизлучающих антенн многолучевого эхолота (МЛЭ)

9.2.1.Пространственное ориентирование по СНА с двумя, тремя и четырьмя антеннами.

1) СНА MC 860 фирмы «Trimble Navigation»(США.) Первая двух антенная система на базе СРНС GPS, появилась в середине 90-х г.г. Двухчастотная фазовая СНА с точность определения курса: 0.05° (см.рис.9.7)

2)СНА SPS 550H фирмы «Trimble Navigation»(США)

Функциональное дополнение для СНА SPS 550. Совместное использование двух приемников обеспечивает определение курса с точностью 0,03 °(см.рис.9.8)

Рис.9.8. СНА SPS 550H

Рис.9.7. СНА MC 860

3) Аппаратура пространственной ориентации и позиционирования фирмы THALES (Ashtech

-СНА Aquarius™ DG16 (3011) -см.рис.9.9 – точность курса: 0.5°

-СНА Aquarius 2 (см.рис.9.10) – точность курса: от 0.01 и 0.1° (двухчастотный и одночастотный);

-СНА ADU3 (см.рис.9.11) – четырехантенная система Точность определения курса и

крена/дифферента в зависимости от базового расстояния между антеннами

4) Аппаратура пространственной ориентации и позиционирования фирмы «Hemisphere»

СНА VECTOR и VECTOR Pro.

Одночастотная кодово-фазовая СНА; Содержит датчики магнитного компаса и угла наклона; Точность курса(95%): 0.1° при расстоянии между антеннами =›2 м. (см. рис.9.13.)

- 95 -

Необходимость использования датчика перемещений судна (ДПС)

Применение СНА СРНС с двумя, тремя и четырьмя антеннами для пространственного ориентирование при выполнении площадной съемки дна связано с необходимостью одновременного использования ДПС.

Комплексирование ДПС и СНА с 2, 3 и 4-мя антеннами повышает надежность получения курса, а также углов: крена и дифферента

Датчики перемещений судна (ДПС) в англоязычной литературе именуется Motion Reference Unit (MRU). В едином блоке могут размещаться гироскопические датчики углов: крена, дифферента, рыскания (изменения курса), а также датчик вертикального перемещения ТИПЫ датчиков перемещений судна.

Внастоящее время выпускаются ДПС двух типов:

-ДПС на основе механических гироскопов:

-оптико-волоконные ДПС.

9.2.2.Оптико-волоконные ДПС в англоязычной литературе получили наименование MRU-6

В едином блоке размещаются датчики углов: крена, дифферента, рыскания (изменения курса), а также вертикального перемещения.

В гироскопических ДПС (MRU-5) содержатся датчики углов: крена, дифферента, и вертикального перемещения. В этом случае курс должен определяться с помощью дополнительного гирокомпаса

Оптико-волоконные ДПС MRU-6 фирмы

ДПС OCTANS обеспечивает одновременное измерение крена, дифферента, вертикального перемещения и курса (R,P,H, К)

•Точность крена, дифферента : +/-0,01° (P,R)

•точность курса: +/-0,1 - 0,2° (Heading)

•Точность вертикального перемещения: +/- 5cm (Heave)

•разрешение по угловым измерениям: 0,01°

•время подготовки к работе < 3 мин.

Датчик перемещений TSS фирмы «SG Brown» имеют сопоставимые точностные характеристики, но требуют дополнительного использования гирокомпаса и (или) спутникового датчика курса.