Главная О проекте Архив новостей Статьи Об авторах Конференции Форум Ссылки
ПРИМЕНЕНИЕ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ В МАРКШЕЙДЕРСКОМ ДЕЛЕ
А.А. Панжин
Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург
Б.П. Голубко
Уральская государственная горно-геологическая академия, г. Екатеринбург
Аннотация: В данной статье приведен обзор имеющихся на данный момент времени спутниковых навигационных систем, изложены основные принципы их работы, технологии выполнения съемок с использованием спутниковой геодезической аппаратуры. Основное внимание в статье уделено вопросам практического использования систем спутниковой радионавигации в горной промышленности, и в частности, в маркшейдерском деле. При подготовке статьи использовались данные, предоставленные CGNC (U.S. Coast Guard Navigation Center), RSSI (Russian Space Science Internet) и фирмой Trimble Navigation.
Введение
За последние несколько лет системы спутниковой радионавигации прочно вошли в маркшейдерскую практику во всем мире и широко используются при создании опорного маркшейдерско-геодезического обоснования и для детальных съемок на горных предприятиях. Применение спутниковых геодезических систем позволяет не только повысить производительность полевых и камеральных работ, но и улучшить качество маркшейдерского обслуживания горного предприятия. С появлением в последние годы систем позиционирования в реальном времени стало возможным создать автоматизированные системы управления оборудованием, включающими в себя системы разбивки сеток скважин, планировки поверхности, управления грузопотоками горного предприятия и др.
До недавнего времени все проекты разбивки составлялись вручную и использовались маркшейдерами уже в поле. С появлением систем автоматизированного проектирования (САПР) стала возможной точная и квалифицированная разработка инженерных проектов с применением компьютеров. Однако на этапе переноса проектов на местность автоматизация заканчивалась. Кроме того, некоторые преимущества САПР терялись при использовании двумерных чертежей. Другими словами, операторы горного оборудования все еще полагались на свой опыт и на разбивочные колья, установленные маркшейдерами в соответствии с проектом.
Новые системы управления транспортом, разработанные за последние годы, объединяют последние достижения в области спутникового позиционирования и подходящие средства САПР. Они позволяют оператору оборудования в обычных условиях видеть созданный компьютером объект и непрерывно обновлять топографическую информацию о нем. Эти системы могут сохранять схемы выполненных работ и сразу передавать результаты проектировщику для проверки. Конечная цель системы - полностью исключить этап разбивки объекта традиционными методами, осуществить электронную передачу проектных данных в транспортное оборудование сразу из офиса и непрерывно обновлять данные о перемещении машин и материалов.
Использование дополнительных программных средств позволит решать задачи диспетчеризации движения транспортных и железнодорожных средств горного комбината - самосвалов, экскаваторов, бульдозеров, погрузчиков и др.; с отображением их в реальном времени на мониторе в едином диспетчерском центре. Основной частью автоматизированной системы управления является система позиционирования, поскольку при любых операциях должно быть известно положение всего оборудования в пространстве.
1. Спутниковая навигационная система GPS
Глобальная система позиционирования (The Global Positioning System - GPS) - это основанная на специальных спутниках система, созданная и управляемая Департаментом Обороны США (DOD). Система обеспечивает возможность определения пространственного положения любой точки на земной поверхности. GPS - приемники используются для решения задач навигации, определения пространственных координат, определения точного времени, астрономических наблюдений, гидрометеорологических измерений и др. Точность определения координат может составлять от десятков метров до миллиметров в зависимости от применяемого оборудования и методики.
Глобальная система позиционирования состоит из трех сегментов: космического, управляющего и пользовательского.
Космический сегмент состоит из 24 навигационных спутников NAVSTAR, которые вращаются вокруг Земли на высоте около 20 тыс. км с периодом вращения 12 часов. Параметры спутниковых орбит подобраны таким образом, что в любой точке земного шара обеспечивается возможность одновременного приема радиосигнала как минимум от четырех спутников. Каждый спутник имеет на борту четыре высокоточных атомных часов, и постоянно посылает радиосигналы, используя собственный уникальный идентификационный код.
Управляющий сегмент состоит из четырех наземных мониторинговых станций, расположенных в разных частях земного шара, и главной управляющей станции. Мониторинговые станции принимают радиосигналы от спутников и по ним отстраивают орбитальные модели для каждого спутника. По этим моделям рассчитываются точные параметры орбиты (эфемериды) и коэффициенты коррекции бортовых часов спутников. Полученные данные передаются на главную управляющую станцию, которая один раз в сутки передает эфемериды и коэффициенты коррекции часов на спутники.
Пользовательский сегмент состоит из большого числа гражданских и военных GPS-приемников, которые преобразуют спутниковые радиосигналы в пространственные координаты и сигналы точного времени. Для расчета четырехмерной координаты местоположения приемника (X, Y, Z, Time) требуется принять радиосигнал как минимум от четырех спутников.
Каждый GPS-спутник постоянно передает радиосигналы на двух частотах: L1 и L2. Частота L1 (1575.42 MГц) несет навигационное сообщение и гражданский кодовый сигнал (C/A код). Частота L2 (1227.60 MГц) используется для измерения ионосферных поправок и несет шифрованный военный кодовый сигнал (P-код и Y-код).
Гражданский C/A код доступен для всех GPS-приемников и используется для решения задач навигации, геодезии, картографии и маркшейдерии.
Военные P-код и Y-коды шифруются с помощью особых алгоритмов шифрования, уравнения для их раскодирования засекречены и доступны только американским военным пользователям.
Спутниковое навигационное сообщение содержит описание GPS-спутниковых орбит, коэффициенты коррекции бортовых часов спутников и другие системные параметры. Эти декодированные данные также называют эфемеридами спутников. Эфемериды используются при планировании работ с применением GPS-оборудования и для определения координат.
Радиосигналы, принятые от спутников, служат для определения расстояния между фазовым центром спутникового радиопередатчика и фазовым центром GPS-приемника. Для определения этого расстояния вычисляется время прохождения радиосигнала от спутника до приемника. Зная время прохождения радиосигнала и скорость распространения радиоизлучения в вакууме, вычисляют расстояния от приемника до спутников. Координаты фазового центра GPS-приемника определяются пространственной линейной засечкой от спутников с известными координатами.
По состоянию на 6 января 2000 г. в околоземном пространстве находится 27 рабочих спутников системы GPS, равномерно распределенных по орбитам. (Полнофункциональная система подразумевает 24 рабочих спутника). Всего с 22 февраля 1978 г. было запущено на орбиту 43 навигационных спутника системы GPS серий Block I и Block II. Среди основных причин выхода спутников из строя называются следующие: смена стандарта частоты, потеря ориентации и аварии разгонного блока. Из имеющихся 27 рабочих спутников серии Block II около половины имеют срок жизни, близкий к критическому (Срок жизни спутника сериии Block II составляет около 10-15 лет).
25 января 1999 года вице-президент США Эл Гор объявил о выделении из бюджета 400 миллионов долларов на новую инициативу модернизации системы GPS, которая заключается в добавлении двух новых спутниковых сигналов гражданского назначения в спутники следующего поколения, что должно значительно улучшить возможности системы для гражданских и коммерческих пользователей, а также научных целей по всему миру.
"США может гордиться своим лидерством в разработке Системы Глобального Позиционирования. Это восхитительный пример того, как отдельная технология приносит пользу, как жителям нашей страны, так и гражданам других государств" - сказал вице-президент США. "Эта инициатива является краеугольным камнем в эволюции GPS в качестве всемирного информационного сервиса, и поможет нам сделать более эффективной эту технологию в следующем тысячелетии".
Данная инициатива является реакцией на недавние просьбы от гражданского и коммерческого сегментов пользователей GPS об улучшении возможностей системы для гражданского использования. В настоящее время по всему миру на основе GPS созданы национальные и региональные сети, которые помогают в навигации всего спектра транспортных средств, начиная от самолётов, кораблей и поездов и заканчивая горнодобывающими машинами.
По словам вице-президента США второй гражданский сигнал будет расположен на частоте 1227.60 МГц совместно с текущим военным сигналом и будет доступен для открытого использования в приложениях не нарушающих безопасность США и их союзников. Запуск спутников с такими возможностями запланирован на 2003 год.
Кроме того, недавно правительство США приняло решение о выделении частоты для третьего гражданского сигнала, отвечающего нуждам приложений с повышенными требованиями к безопасности людей, например в гражданской авиации. Третий гражданский сигнал будет расположен на частоте 1176.45 МГц, внутри участка диапазона зарезервированного для международного аэрорадионавигационного сервиса и предполагается устанавливаться на спутники, начиная с 2005 года. Эта инициатива будет стоить 400 миллионов долларов за период в шесть лет. Время, когда новый сервис станет доступен пользователям зависит от реальных дат запуска спутников, наличия достаточного их количества на орбитах для обеспечения надёжного приёма и продолжительности ввода в строй оборудования.
В комбинации с текущим гражданским сигналом на частоте 1575.42 МГц, новые сигналы значительно улучшат устойчивость и надёжность системы GPS для гражданских пользователей и обеспечат беспрецедентную точность определения координат в реальном времени в любой точке земного шара, что должно способствовать возникновению новых областей применения GPS и расширит быстрорастущий рынок GPS оборудования и смежных сервисов по всему миру.
2. Спутниковая навигационная система ГЛОНАСС
ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система ГЛОНАСС - это сумма уникальных технологий, плод многолетнего труда российских конструкторов и ученых. Она состоит из 24 спутников, которые, находясь в заданных точках на высоких орбитах, непрерывно излучают в сторону Земли специальные навигационные сигналы. Любой человек или транспортное средство, оснащенные специальным прибором для приема и обработки этих сигналов, могут с высокой точностью в любой точке Земли и околоземного пространства определить собственные координаты и скорость движения, а также осуществить привязку к точному времени.
ГЛОНАСС является государственной системой, которая разрабатывалась как система двойного использования, предназначенная для нужд Министерства обороны и гражданских потребителей. Обязанности по управлению и эксплуатации системы ГЛОНАСС возложены на Министерство обороны Российской Федерации (Управление космических средств РВСН).
Первый запуск спутника по программе ГЛОНАСС (Космос 1413) состоялся 12 октября 1982 года. Система ГЛОНАСС была официально принята в эксплуатацию 24 сентября 1993 года распоряжением Президента Российской Федерации №658рпс с неполной комплектацией орбитальной структуры при условии развертывания штатной орбитальной структуры (24 спутника) в 1995 году. Постановлением Правительства РФ №237 от 7 марта 1995 г. были организованы работы по полному развертыванию орбитальной структуры (24 спутника), обеспечению серийного производства навигационной аппаратуры и представлению ГЛОНАСС в качестве элемента международной глобальной навигационной системы для гражданских потребителей. Орбитальная структура штатного состава была развернута в декабре 1995 года.
Выведение спутников ГЛОНАСС на орбиту осуществляется носителем тяжелого класса "ПРОТОН" с разгонным блоком с космодрома Байконур. Носитель одновременно выводит три спутника ГЛОНАСС.
Управление орбитальным сегментом ГЛОНАСС осуществляют наземный комплекс управления. Он включает в себя Центр управления системой (г. Голицыно-2, Московская область) и сеть станций слежения и управления, рассредоточенных по территории России. Наземный комплекс управления осуществляет сбор, накопление и обработку траекторной и телеметрической информации обо всех спутниках системы, формирование и выдачу на каждый спутник команд управления и навигационной информации, а также контроль качества функционирования системы в целом.
Спутники системы ГЛОНАСС непрерывно излучают навигационные сигналы двух типов: навигационный сигнал стандартной точности (СТ) в диапазоне L1 (1.6 ГГц) и навигационный сигнал высокой точности (ВТ) в диапазонах L1 и L2 (1.2 ГГц). Информация, предоставляемая навигационным сигналом СТ, доступна всем потребителям на постоянной и глобальной основе и обеспечивает, при использовании приемников ГЛОНАСС возможность определения с вероятностью 99.7%:
- горизонтальных координат с точностью 50 - 70 м;
- вертикальных координат с точностью 70 м;
- составляющих вектора скорости с точностью 15 см/с;
- точного времени с точностью 0.7 мкс.
Эти точности можно значительно улучшить, если использовать дифференциальный метод навигации и/или дополнительные специальные методы измерений. Сигнал ВТ предназначен, в основном, для потребителей МО РФ, и его несанкционированное использование не рекомендуется. Вопрос о предоставлении сигнала ВТ гражданским потребителям находится в стадии рассмотрения.
Для определения пространственных координат и точного времени требуется принять и обработать навигационные сигналы не менее чем от 4-х спутников ГЛОНАСС. При приеме навигационных радиосигналов ГЛОНАСС приемник, используя известные радиотехнические методы, измеряет дальности до видимых спутников и измеряет скорости их движения. Одновременно с проведением измерений в приемнике выполняется автоматическая обработка содержащихся в каждом навигационном радиосигнале меток времени и цифровой информации.
Цифровая информация описывает положение данного спутника в пространстве и времени (эфемериды) относительно единой для системы шкалы времени и в геоцентрической связанной декартовой системе координат. Кроме того, цифровая информация описывает положение других спутников системы (альманах) в виде кеплеровских элементов их орбит и содержит некоторые другие параметры. Результаты измерений и принятая цифровая информация являются исходными данными для решения навигационной задачи по определению координат и параметров движения.
Навигационная задача решается автоматически в вычислительном устройстве приемника, при этом используется известный метод наименьших квадратов. В результате решения определяются три координаты местоположения потребителя, скорость его движения и осуществляется привязка шкалы времени потребителя к высокоточной шкале Координированного всемирного времени (UTC).
По состоянию на 6 января 2000 г. в околоземном пространстве находится 10 рабочих спутников системы ГЛОНАСС, крайне неравномерно распределенных по орбитам. (Полнофункциональная система подразумевает 24 рабочих спутника). Из имеющихся 10 спутников, 7 спутников имеют возраст более 4 лет, а 2 спутника - более 5 лет. Только три спутника системы ГЛОНАСС, запущенные 30 декабря 1998 г. имеют возраст около 1 года. (Средний срок жизни спутника ГЛОНАСС составляет около 5 лет).
3. Глобальная навигационная система GNSS
Термин GNSS - Global Navigation Satellite System, появился совсем недавно, и применяется для общего наименования двух глобальных систем GPS и ГЛОНАСС.
В марте 1996 года Россия сообщила Совету ИКАО (Международная организация гражданской авиации) о готовности предоставить ГЛОНАСС для использования мировой гражданской авиацией. Пока ИКАО пытается согласовать позиции Федерального Авиационного Агентства США и Российской Федеральной Авиационной службы, российская и американская стороны предложили ИМО (Международная организация морского флота) рассмотреть вопрос о совместном использовании систем GPS/ГЛОНАСС.
Одним из существенных параметров данной системы является целостность информации. Если данные любого из спутников вызывают сомнение, они должны быть исключены из расчетов. При совместном использовании GPS/ГЛОНАСС появляется возможность обеспечить контроль целостности сигналов, поступающих от спутников, и переход на работу с теми сигналами, целостность которых подтверждена. Устойчивость системы значительно увеличивается, так как пользователи смогут выбирать рабочее созвездие из большего числа, доходящего до 16-20 видимых в радиодиапазоне спутников и пользоваться аппаратурой с числом каналов 12 и более.
Чтобы сравнивать системы или говорить о совместном их использовании, сначала надо определить круг задач, для которых это возможно. Безусловно, для массового гражданского применения GPS не имеет альтернативы. Но для профессиональных устройств, применяемых, например, в авиации или на флоте, стоимость абонентских приемников оказывается сравнимой. К этому добавляются некоторые политические соображения: европейцы не хотели бы ставить себя в зависимость от перемен в политике США или России.
Потенциал ГЛОНАСС оценен в первую очередь французскими и германскими фирмами Sextant Avionique (Франция) и NFS (дочернее предприятие концерна ДАСА - Германия). Их подключение к разработке и выпуску абонентского оборудования позволяет не только обеспечить требования по точности и целостности, предъявляемые гражданской авиацией, снизить себестоимость производства и уменьшить массогабаритные характеристики оборудования, но и создает резервирование на случай изменения политики США по использованию GPS. Кстати, интерес к использованию ГЛОНАСС проявляют и сами американцы: компании Ashtech и Litton уже сделали совмещенные устройства, которые продают в составе своих навигационных комплексов.
Интеграция же ГЛОНАСС с GPS в рамках единого международного информационного навигационного поля требует от России крупных вложений как в наземную инфраструктуру управления, так и в совершенствование самих космических аппаратов с целью повышения надежности функционирования системы и увеличения срока активного существования спутников. В России таких спутников пока нет, что не является секретом ни для кого. Об этом международные эксперты судят по динамике состояния орбитальной группировки и по колоссальному количеству запусков носителей "ПРОТОН", производимых с 12 октября 1982 года для развертывания, доведения до штатного состава и поддержания системы ГЛОНАСС. Вместе с тем необходимо отметить более высокие точностные характеристики ГЛОНАСС по сравнению с GPS, что признается солидными американскими экспертами и университетами.
Сейчас, когда рынок оккупирован GPS, для оправдания затрат на создание и поддержание системы делаются попытки внедрения военной спутниковой навигации в коммерческие области. Однако для решения этой конверсионной задачи необходимы огромные, по российским меркам, вложения. Спокойно посмотрев правде в глаза, нужно признать, что невоенный рынок наземной аппаратуры потребителя ГЛОНАСС пока находится в коматозном состоянии и его нельзя сравнивать ни по объему, ни по номенклатуре, ни по эксплуатационным характеристикам с GPS-рынком, имеющим более чем двадцатилетнюю историю. Анонсирование некоторыми западными и российскими компаниями выпуска совмещенных ГЛОНАСС/GPS-приемников также не выведет в ближайшие несколько лет ГЛОНАСС из этого состояния, так как цена этих приборов просто несопоставима со стоимостью GPS-комплексов. Да и нужны совмещенные приемники, в основном, только авиаторам для решения задачи высоконадежной посадки самолетов.
Все остальные пользовательские задачи уже давно прекрасно решаются GPS, доминирующей на радионавигационном рынке. И для завоевания рынка необходимо либо абсолютно новое потребительское качество навигационных приемников при низкой розничной цене, либо разумная жизнеспособная программа продвижения ГЛОНАСС-технологии на рынок с учетом огромного пространства, уже завоеванного GPS. Необходимо также отметить, что хорошего программного обеспечения диспетчерских систем для ГЛОНАСС-приемников нет, как, впрочем, нет качественных электронных карт российских городов и областей. Возвращаясь к обсуждению совмещенных ГЛОНАСС/GPS-приемников, разумней говорить пока только о политическом значении того факта, что российская система используется мировым сообществом, в том числе и при решении задач навигации на транспорте.
В заключение необходимо напомнить о решении американского правительства снять ограничения после 2000 года на использование точного P(Y) кода. По экспертным оценкам, это еще более затруднит положение ГЛОНАСС на радионавигационном рынке.
4. Сущность измерений комплексами спутниковой геодезии
Основы спутниковой радионавигационной системы можно разбить на пять основных подпунктов:
1. спутниковая трилатерация - основа системы;
2. спутниковая дальнометрия - как измеряются расстояния до навигационных спутников;
3. точная временная привязка - зачем нужно согласовывать часы в приёмнике и на спутнике и для чего требуется измерение дальности до 4-го космического аппарата;
4. расположение спутников - определение точного положения спутников в пространстве;
5. коррекция ошибок - учёт ошибок, вносимых задержками в тропосфере и ионосфере.
Точные координаты для места на поверхности Земли могут быть вычислены по измерениям расстояний от группы спутников (если известно их положение в пространстве). В этом случае спутники являются пунктами с известными координатами. Предположим, что расстояние от одного спутника известно, и мы можем описать сферу заданного радиуса вокруг него. Если мы знаем также расстояние и до второго спутника, то определяемое местоположение будет расположено где-то в круге, задаваемом пересечением двух сфер. Третий спутник определяет две точки на окружности. Теперь остаётся только выбрать правильную точку. Одна из точек всегда может быть отброшена, так как она либо имеет высокую скорость перемещения в пространстве, либо находится далеко за пределами Земли. Таким образом, зная расстояние до трёх спутников, можно вычислить координаты определяемой точки.
Расстояние до радионавигационных спутников определяется по измерениям времени прохождения радиосигнала от космического аппарата до приёмника, умноженным на скорость света. Для того, чтобы определить время прохождения сигнала от спутника до приемника, нам необходимо знать когда он покинул спутник. Для этого на спутнике и в приёмнике одновременно генерируется одинаковый псевдослучайный код. Приёмник проверяет входящий сигнал со спутника и определяет, когда он генерировал такой же код. Полученная разница, умноженная на скорость света (~ 300000 км/с) даёт искомое расстояние. Использование кода позволяет приёмнику определить временную задержку в любое время. Кроме того, спутники могут излучать сигнал на одной и той же частоте, так как каждый спутник идентифицируется по своему псевдослучайному коду (PRN или Pseudo Random Number code).
Как видно из вышесказанного, точность определения координат приемника напрямую зависит от точности хода часов. Код должен генерироваться на спутнике и приёмнике в одно и то же время. На спутниках установлены атомные часы имеющие точность около одной наносекунды. Однако это слишком дорого, чтобы устанавливать такие часы в каждый GPS приёмник, поэтому для устранения ошибок хода часов приёмника используются измерения от четвёртого спутника. Эти измерения можно использовать для устранения ошибок, которые возникают, если часы на спутнике и в приёмнике не синхронизированы. Если часы на спутнике и в приёмнике имеют одинаковую точность хода, то точное местоположение может быть найдено по измерениям расстояния до трех спутников. Если нами получены измерения с трёх спутников и все часы точные, то круг описанный радиус-вектором от четвертого спутника, будет пересекаться в одной точке. Однако, если часы в приёмнике спешат,например, на 1 секунду, то полученный радиус-вектор не пересечётся с тремя другими. Когда GPS приёмник получает серию измерений, которые не пересекаются в одной точке, то компьютер в приёмнике начинает вычитать (или добавлять) время методом последовательных итерации до тех пор, пока не сведёт все измерения к одной точке. После этого вычисляется поправка и делается соответствующее уравнивание. Если нам требуется четвертое измерение, то необходим четвёртый спутник для устранения ошибок хода часов в приёмнике. Таким образом, при работе в поле вам необходимо иметь минимум четыре спутника, чтобы определить трёхмерные координаты объекта.
Полностью развернутая спутниковая навигационная система имеет 24 рабочих спутника с орбитальным периодом в 12 часов на высоте примерно 20000 км от поверхности Земли. В шести различных орбитальных плоскостях расположено по 4 спутника. Указанная высота необходима для обеспечения стабильности орбитального движения спутников и уменьшения фактора влияния сопротивления атмосферы. Ведомство, отвечающее за функционирование навигационной системы, осуществляет непрерывное слежение за спутниками. На каждом спутнике расположено несколько высокоточных атомных часов и они непрерывно передают радиосигналы с собственным уникальным идентификационным кодом. Станции слежения непрерывно отслеживают спутники и передают данные в центр управления. В центре управления вычисляются уточнённые элементы спутниковых орбит и коэффициенты поправок спутниковых шкал времени, после чего эти данные передаются по каналам станций связи на спутники по крайней мере один раз в сутки.
Некоторые источники ошибок, возникающих при работе спутниковых навигационных систем, являются трудно устранимыми. Вычисления предполагают, что сигнал распространяется с непрерывной скоростью, которая равна скорости света. Однако в реальности всё гораздо сложнее. Скорость света является константой только в вакууме. Когда сигнал проходит через ионосферу (слой заряженных частиц на высоте 130-290 км) и тропосферу, его скорость распространения уменьшается, что приводит к ошибкам в измерения дальности. В современных приёмниках спутниковых радиосигналов используют всевозможные алгоритмы устранения этих задержек. Иногда возникают ошибки в ходе атомных часов и орбитах спутников, но они обычно незначительны и тщательно отслеживаются со станций слежения. Многолучёвая интерференция также вносит ошибки в определение местоположения с помощью спутниковых систем. Это происходит, когда сигнал отражается от объектов расположенных на земной поверхности, что создаёт заметную интерференцию с сигналами приходящими непосредственно со спутников. Специальная техника обработки сигнала и продуманная конструкция антенн позволяет свести к минимуму этот источник ошибок. Другой важный источник ошибок - это избирательный доступ GPS (Selective Availability или S/A), искусственное снижение точности спутникового сигнала вводимое МО США. Это приводит к тому, что точность полученных координат с помощью GPS снижается до 100 метров. S/A и многие другие источники ошибок можно исключить, применяя технику дифференциальной коррекции.
Дифференциальная коррекция - это метод, который значительно увеличивает точность данных, собираемых спутниковым приемником. В этом случае используется приёмник, расположенный в точке с известными координатами (базовая станция), а второй приёмник собирает данные в точках с неизвестными координатами (передвижной приёмник). Данные, полученные в точке с известными координатами, используются для определения ошибок содержащихся в спутниковом сигнале. Затем информация с базовой станции совместно обрабатывается с данными передвижного приёмника, вместе с учётом ошибок содержащихся в спутниковом сигнале, что позволяет устранить ошибки в координатах полученных на передвижном приёмнике. Координаты базовой станции необходимо знать как можно точнее, так как точность получаемая в результате дифференциальной коррекции напрямую зависит от точности координат базовой станции. Существует два метода выполнения дифференциальной коррекции, в реальном времени и в постобработке.
При работе методом дифференциального GPS в реальном времени, базовая станция вычисляет и передаёт (посредством радиосвязи) ошибки для каждого спутника в то время как он собирает данные. Эти коррекции принимаемые передвижным приёмником используются для уточнения определяемого местоположения. В результате мы можем видеть на экране приёмника дифференциально скорректированные координаты. Это может быть полезно, когда вам необходимо знать свое местонахождение непосредственно в поле. Эти скорректированные положения могут быть сохранены в файл на накопителе. Поправки передаваемые в реальном времени обычно используют формат в соответствии с рекомендациями RTCM SC-104.
При работе методом дифференциального GPS в постобработке, базовая станция записывает ошибки для каждого спутника прямо в компьютерный файл. Передвижной приёмник также записывает свои данные в компьютерный файл. После возвращения из поля, два файла обрабатываются совместно с помощью специального программного обеспечения и на выходе получается дифференциально скорректированный файл данных передвижного приёмника. Все GPS картографические системы включают в себя программу для выполнения дифференциальной коррекции в постобработке. Одной из замечательных особенностей картографических систем, выпускаемых фирмой Trimble, является возможность использования дифференциальной коррекции как в реальном времени, так и в постобработке. Если, во время работы в режиме реального времени, радиосвязь прервётся (например, когда передвижной приемник удаляется от базовой станции на слишком большое расстояние), то приёмник продолжит записывать нескорректированные данные которые могут быть в дальнейшем обработаны с помощью дифференциальной коррекции в постобработке.
5. Технология выполнения GPS съемок
Основным режимом сбора данных для всех GPS съемок является наблюдение базовых линий (векторов). В простейшем случае один из приемников помещается на точку с известными координатами, а другой помещается на точку, пространственное положение которой необходимо определить. В течение определенного периода времени, зависящего от конкретного вида съемки, производится наблюдение базовой линии, после чего приемник перемещается на следующую точку.
Одним из наибольших отличий GPS съемок по сравнению с традиционными видами геодезических съемок заключается в том, что приращения координат между станциями вычисляются на математическом эллипсоиде WGS-84 (World Geodetic System), а не в принятой плановой системе координат. При этом вычисляется относительное положение определяемых станций относительно базовых, которые затем трансформируются на используемую модель эллипсоида в принятой картографической проекции, например на эллипсоид Красовского в прямоугольной проекции Гаусса. Существует несколько способов трансформации координат с эллипсоида WGS-84 в пользовательские системы координат. Среди них наиболее распространенными являются способ "3 параметра" (Молоденского), способ "7 параметров", способ пространственного вращения сети и полиномиальная регрессия.
Все вычисления в GPS производятся в геоцентрической системе координат с использованием параметров математического эллипсоида WGS-84, центр которого совпадает с центром тяжести Земли.
В отличие от применяемых в традиционной геодезии линий по земной поверхности (задачи землеустройства) и проекции линии на поверхность эллипсоида (геодезическая линия), вектор, также называемый базовой линией (BaseLine), есть результат обработки GPS данных, представляющий собой линию между базовой и определяемой станциями относительно центра Земли в математическом эллипсоиде WGS-84. Несколько векторов в совокупности представляют собой геодезическую GPS сеть, натянутую на поверхность математического эллипсоида. При помощи соответствующих программ обработки данных, сеть строго уравнивается, причем в некоторых программах обработки предусмотрена возможность совместного уравнивания GPS измерений и геодезических измерений, выполненных с использованием традиционных технологий, координаты определяемых пунктов трансформируются на эллипсоид Красовского в принятой картографической проекции.
Существуют несколько технологий, используемых для наблюдения векторов в геодезической GPS сети. Эти методы сбора данных со спутников различны по точности определения координат пунктов, времени наблюдений и производительности. Однако существует несколько условий, соблюдение которых необходимо для успешного выполнения любого вида GPS съемки:
1. Для выполнения геодезических GPS наблюдений векторов необходимо обеспечить одновременную работу как минимум двух GPS приемников, с последующим объединением накопленных ими данных.
2. Одновременный прием спутникового радиосигнала как минимум от четырех спутников, что бывает иногда затруднительно обеспечить в застроенных и залесенных районах.
3. Отсутствие в районе выполнение GPS измерений мощных работающих теле- и радиотрансляционных устройств, особенно с перископической схемой усиления радиосигнала, которые могут заглушать или искажать принимаемый со спутников радиосигнал.
Основные технологии GPS съемок приведены ниже, в таблице, в порядке возрастания точности определения координат.
Основные технологии GPS съемок
|
1. Навигационный режим как правило имеют все GPS приемники. При использовании этого режима на дисплее приемника или его контроллера непрерывно отображаются данные о пространственном положении приемника, скорости его перемещения и азимуте движения. Как правило, имеется также возможность ввести координаты точки назначения, в этом случае приемник будет показывать расстояние до этой точки, направление на нее и время прибытия на эту точку, если приемник будет продолжать двигаться с постоянной скоростью. Оператор приемника может также пометить точку стояния как особенную, и приемник запишет ее координаты во внутреннюю память. Хотя этот способ съемки имеет самую низкую точность, он широко используется для поиска по известным координатам таких малоприметных объектов как центры пунктов геодезической сети с уничтоженными наружными знаками, колодцев подземных коммуникаций и других объектов.
2. Кинематическая "real-time" съемка используется в тех случаях, когда необходимо получать координаты прямо в поле. Они могут быть использованы для выноса проектных решений на местность, топографических съемок с вычерчиванием плана в поле и других работ. Необходимым условием для выполнения данного вида съемки является возможность получения ионосферных поправок либо с помощью радиомодема по выделенному радиоканалу, либо от специальных радиомаяков, к сожалению пока практически отсутствующих на территории России. Отличительной особенностью любого вида кинематической съемки является то, что перед ее началом необходимо выполнить специальную операцию инициализации приемника продолжительностью 5-20 минут. Другой особенностью кинематической съемки является требование постоянного слежения как минимум четырех спутников, а в случае нарушения этого условия требуется повторно выполнить операцию инициализации.
3. Кинематика "continuous" применяется для непрерывного точного определения пространственных координат движущегося приемника. Этот метод очень часто используется для топографического картирования на открытой местности с хорошими условиями для передвижения и наблюдения спутников. При использовании этого вида съемки приемник может быть установлен на специальную вешку фиксированной высоты или крышу автомобиля. В этом случае расчет вектора производится в каждую эпоху приема радиосигнала от спутника с интервалом 1-60 секунд. Это позволяет получить непрерывную цепочку координат точек передвижения приемника. Этот вид съемки обеспечивает высочайшую производительность при съемке больших площадных объектов, автодорог и других объектов с выдачей результата съемки в электронном виде во всех популярных обменных форматах данных.
4. Кинематика "stop-and-go" является эквивалентом традиционной тахеометрической съемки. В этом виде съемки оператор в приемником либо стоит на определяемой точке в течение 20-30 секунд (stop) либо перемещается между определяемыми точками (go). Во время остановки происходит запись принимаемого от спутника радиосигнала во внутреннюю память приемника, а также записывается высота антенны и идентификационный номер точки стояния, по которому можно определить вид отснятого объекта. Во время перемещения между точками запись данных в память не производится, но приемник продолжает непрерывно отслеживать спутники.
5. Статическая и быстростатическая съемки являются традиционными и самыми распространенными видами GPS съемок. Эти методы требуют чтобы как минимум два GPS приемника, расположенные на двух концах базовой линии, одновременно принимали спутниковый радиосигнал в течение 20-60 минут, в зависимости от длины базовой линии, числа спутников, их взаимного расположения в пространстве и других факторов. Большое количество данных, накапливаемых за время съемки, позволяет решить некоторые технические проблемы, которые не могут быть решены при более коротком периоде наблюдений. Эти виды съемок обеспечивают очень высокую точность определения координат.
6. Применение GPS при выполнении маркшейдерских работ
В настоящее время Институтом горного дела УрО РАН накоплен большой опыт высокоэффективного применения спутниковой геодезической аппаратуры для решения большого числа вопросов, связанных с маркшейдерско-геодезическим обслуживанием горных предприятий.
Создание и реконструкция маркшейдерско-геодезических сетей
Основной проблемой, решаемой при помощи спутниковой геодезической аппаратуры на горных предприятиях, является создание и реконструкция опорных и съемочных маркшейдерско-геодезических сетей. Необходимость подобного рода работ может быть вызвана, как минимум, двумя причинами. Первая причина - ввод в эксплуатацию новых промышленных объектов, таких, как карьеры, отвалы пустых пород, россыпи, шламоотстойники и другие. Вторая причина - необходимость реконструкции существующей опорной сети, когда часть ее пунктов в результате хозяйственной деятельности горнодобывающего предприятия утрачена, а координаты сохранившихся пунктов в результате техногенного воздействия горных разработок на верхнюю часть земной коры претерпели значительные изменения.
В обоих случаях очень важным является вопрос выбора пунктов государственной геодезической сети, от которых будет осуществляться привязка опорной маркшейдерской сети. Как показывают исследования Института горного дела, в качестве основы для опорной сети следует выбирать пункты государственной геодезической сети более высокого класса, расположенные на удалении от района горных разработок на 5-15 км. Пункты сети, расположенные недалеко от горных разработок, находятся в зоне влияния как минимум трех мощных техногенных факторов. Первый фактор - образование в результате массовых откачек подземных вод обширной депрессионной воронки, в зоне действия которой происходят значительные деформации толщи горных пород в виде оседаний земной поверхности. Второй фактор - деформации массива горных пород, прилегающего к горным разработкам. Эти деформации в основном оказывают влияние на пункты опорной сети, расположенные на бортах карьеров и отвалов. Третий фактор - в результате мощного техногенного воздействия горных разработок нарушается изостатическое равновесие верхней части земной коры на обширных территориях, которое сопровождается деформациями.
В результате такой совместной увязки сетей с применением алгоритмов уравнивания выявляются пункты, координаты которых претерпели значительные изменения и должны быть переопределены, а также пункты, координаты которых изменения не претерпели и которые можно считать условно неподвижными. После дополнительных наблюдений совместная сеть строго уравнивается и от условно неподвижных пунктов сети переопределяются координаты пунктов сети, расположенных в относительной близости от района работ. Дальнейшее определение координат новых пунктов опорной маркшейдерской сети и переопределение старых производится уже от вблизи расположенных пунктов государственной геодезической сети и пунктов маркшейдерской опорной сети, координаты которых были переопределены в предыдущем уравнивании. Такая технология работ позволяет существенно снизить затраты времени на определение координат пунктов маркшейдерской опорной сети.
Наиболее удачным примером применения спутниковой геодезической аппаратуры для решения подобного рода задач являются работы по реконструкции опорной маркшейдерско-геодезической сети, выполненные Институтом горного дела для Киембаевского ГОКа в 1998-1999 г.г.
Геодезическими работами была охвачена площадь более чем 120 км2. При построении геодезической сети было использовано 10 пунктов государственной триангуляционной сети 2-4 классов и 18 пунктов опорной маркшейдерско-геодезической сети карьера.
В результате проделанной работы были достигнуты две основные цели: во-первых, маркшейдерской службе комбината были предоставлены высокоточные координаты пунктов опорной сети, как переопределенных, так и вновь заложенных, во-вторых, были определены фоновые и техногенные деформации верхней части земной коры в районе месторождения. Полученные результаты позволяют по смещениям и деформациям земной поверхности получить с высокой степенью надежности параметры приращений фоновых и техногенных напряжений в целом для исследуемого района и для отдельных его участков.
Инструментальные наблюдения за процессом сдвижения
Не менее важным аспектом применения спутниковых систем в маркшейдерском деле являются инструментальные наблюдения за процессом сдвижения на горных предприятиях. Комплекс работ включает в себя наблюдения за устойчивостью бортов карьеров при открытой разработке и наблюдения за сдвижениями земной поверхности при подземной разработке месторождений полезных ископаемых. При этом, во-первых существенно снижаются трудозатраты при производстве полевых и камеральных работ, а во-вторых, экспериментальным данным придается качественно более высокое содержание.
Следует заметить, что полученные с применением существующей методики результаты измерений не совсем полно отражают реальные процессы, происходящие во время сдвижения земной поверхности. Это вызвано тем, что в настоящее время инструментальные наблюдения за развитием процесса сдвижения ведутся только в плоской двухмерной системе координат. Фиксируются только те сдвижения, которые происходят в вертикальной плоскости и в направлении профильной линии. Хотя нормативными документами и предусмотрено в некоторых случаях наблюдение за сдвижением реперов в направлении, перпендикулярном к профильной линии, но такие наблюдения как правило, на практике не производятся.
Единственным путем преодоления недостатков в существующих методиках инструментального наблюдения за сдвижениями земной поверхности является применение для этих целей новейших высокоточных и высокопроизводительных геодезических приборов, так как приборы традиционной геодезии уже не могут обеспечить требуемую точность и производительность выполнения полевых и камеральных работ. Поставленная задача может быть решена только с использованием для инструментальных наблюдений комплексов спутниковой геодезии GPS, которые сочетают в себе высокую производительность и необходимую точность определения пространственных координат реперов наблюдательной станции.
Применение для решения задач геомеханики методов спутниковой геодезии позволяет во-первых, отказаться от измерений деформаций массива горных пород по профильным линиям и получать в результате измерений полный вектор смещения реперов, а во-вторых, значительно расширить границы исследуемых областей влияния горных работ, что в итоге позволяет на качественно новом уровне изучать деформирование верхней части земной коры, вызванное техногенными факторами.
В настоящее время мониторинг за сдвижениями и деформациями земной поверхности ведется на следующих горных предприятиях:
Высокогорский ГОК. На шахтах "Магнетитовая" и "Естюнинская" в течение двух лет ведутся наблюдения за сдвижениями земной поверхности с применением как комплексов спутниковой геодезии, так и с применением традиционных методов. Ежегодными спутниковыми геодезическими наблюдениями охвачено более ста рабочих реперов двух наблюдательных станций для исследования общих закономерностей развития процесса сдвижения.
Коршуновский ГОК. На Главном карьере ГОКа оборудованы две наблюдательные станции для исследования устойчивости Южного и Северного бортов карьера, состоящая из более чем 30 реперов. Также вокруг карьера создана специальная геодезическая сеть, охватившая 12 пунктов опорного обоснования карьера для мониторинга напряженного состояния массива горных пород. В 1999 г. была проведена начальная серия наблюдений на данной станции, летом 2000 г. планируется провести повторную серию наблюдений.
Шахта Сарановская-Рудная. На данном горном предприятии, ведущем добычу хромитовых руд подземным способом, оборудована самая большая наблюдательная станция на Урале и уникальная специальная наблюдательная станция. Спутниковыми геодезическими наблюдениями охвачено более чем 130 реперов. Одновременно на станции ведутся наблюдения за процессом сдвижения с применением традиционных методов, что позволяет сравнить достоинства и недостатки каждой технологии. На данной станции наблюдения ведутся ежегодно уже более трех лет, а на специальной наблюдательной станции рабочие серии наблюдений проводились четыре раза в год.
Мониторинг состояния транспортных путей
На горных предприятиях, ведущих добычу полезных ископаемых открытым способом, как правило, существует широкая сеть транспортных путей, требующих проведения регулярного мониторинга за их состоянием. От качества и своевременности проведения мониторинговых работ зависит не только безопасность горно-технологических работ, но и жизнь и здоровье работников горного предприятия. Однако проведение мониторинга транспортных путей это чрезвычайно трудоемкая задача, осложненная тем обстоятельством, что большая часть транспортных путей находится в движении - пути постоянно перемещаются вслед за подвиганием горных работ.
Однако эта задача довольно просто решается при применении для мониторинга состояния транспортных путей комплексов спутниковой геодезии. В этом случае передвижной приемник устанавливается на специальной самоходной каретке и перемещается с постоянной скоростью по транспортным путям. При этом ведется непрерывная запись пространственных координат во внутреннюю память приемника. В случае установки на самоходной каретке двух и более GPS приемников, мониторинг может вестись одновременно в трех плоскостях. После камеральной обработки результатов измерений составляются профили транспортных путей, которые в дальнейшем анализируются, и на основании анализа делаются выводы о техническом состоянии транспортных путей предприятия. Как показывает практика, такой способ мониторинга во много раз эффективнее и точнее традиционных методов.
7. Применение GPS в горной промышленности
Многолетний опыт работы компании Trimble Navigation в области технологии систем управления механизмами позволил лучше определить основные принципы и методики, необходимые для решения практически любой проблемы интеграции GPS. Специальное программное обеспечение включает в себя трехмерное моделирование поверхности карьера и комплексную CAD - систему, что позволяет логически перенести запланированные проекты из камеральных условий в полевые. Ниже приводится информация по некоторым основным направлениям использования спутниковых систем в горной промышленности:
Управление буровым оборудованием
Управление буровыми станками с помощью GPS позволяет повысить как точность, так и производительность буровых работ. В этом случае GPS приемник устанавливается на буровом станке, и используя дифференциальную коррекцию спутникового радиосигнала в режиме реального времени, непрерывно вычисляет координаты стрелы станка. Система управления работает круглосуточно и при любых погодных условиях, поэтому работа не будет сдерживаться из-за плохой погоды или отсутствия маркшейдеров. Буровые станки могут передвигаться по запланированной сетке бурения без необходимости ее предварительной разметки на местности, что исключает целый этап буровых работ. Необходимую для этого информацию бортовой компьютер бурового станка получает по радиоканалу из диспетчерского центра. Точные координаты пробуренных скважин в дальнейшем могут быть включены в состав данных мониторинга буровых работ для создания подробных итоговых отчетов.
Управление экскаваторами и погрузчиками
Установка на борту экскаваторов и погрузчиков систем управления, обеспечивающих сантиметровую точность, исключает дорогостоящие работы маркшейдерских бригад по разметке местности. Машинисты оборудования могут с высокой точностью выдерживать проектные отметки, используя визуальную информацию на специальных дисплеях, которые монтируются в кабине экскаватора. Поскольку GPS приемник непрерывно определяет точное местоположение ковша, информация о границах выработки и о структуре рудного тела может автоматически поступать в единую систему управления карьерными работами. В этом случае также отпадает необходимость в текущей маркшейдерской съемке экскаваторного забоя, поскольку эта съемка ведется в автоматическом режиме. Наличие постоянной цифровой радиосвязи с диспетчерским пунктом позволяет оперативно изменять техническое задание. Возможность точного управления рабочими органами драг позволяет произвести оценку наиболее экономичной геометрии выработки, а также иметь цифровую карту дражного забоя на любой момент времени.
Земляные работы
Знание точного местоположения ножа бульдозера или грейдера в любой момент времени позволяет существенно снизить стоимость работ, связанных с разработкой и рекультивацией участков земной поверхности. Действия машинистов бульдозеров и грейдеров могут направляться без необходимости выноса в натуру проектной поверхности или переделки работы. Непрерывно обновляемая реальная цифровая карта рабочего участка сравнивается с проектной, при этом определяется оптимальный маршрут движения рабочего механизма, заглубление ножа и другие рабочие параметры. Это сохранит дорогостоящее время и топливо, а также повысит качество работы и отчетной документации. Работы по рекультивации проводятся с минимальными затратами, при этом гарантируется упорядоченное наложение нижних и верхних слоев почвы.
Заключение
В заключение следует отметить, что несмотря на очевидное отставание отечественной технологии горных работ от мирового уровня, в настоящее время имеются все предпосылки для того, чтобы ликвидировать это отставание. Для этого необходимо широко использовать богатых зарубежный опыт технологии ведения горных работ, маркшейдерского обслуживания горных предприятий и управления технологическими процессами предприятия с использованием современных спутниковых навигационных технологий. По мнению авторов данной статьи, только в этом случае отечественная горная промышленность сможет выйти на уровень развития, сопоставимый с общемировым. В противном случае, отечественная горная промышленность еще долго будет оставаться в том плачевном состоянии, в котором она пребывает в настоящий промежуток времени.
© 2000 Андрей А. Панжин, Борис П. Голубко
