Разработка технологии навигационно-геодезического обеспечения морских геофизических исследований на основе дифференциальных методов GPS

В настоящее время происходит реализация мощного потенциала глобальных спутниковых систем позиционирования GPS и GL0NASS в ходе юрских геофизических исследований месторождений нефти и газа. Спу-гниковые системы позиционирования используются как на этапе сейсми-5еских работ, так и в процессе постройки морских буровых платформ с *елыо их точной привязки. Проведение этих работ требует дальнейшего развития технологии навигационно-геодезического обеспечения с гаюльзованиием систем GPS и GL0NASS.

Цель работы и задачи исследований. Основной целью настоящей заботы является разработка технологии использования спутниковых 5истем GPS и GL0NASS при проведении морских геофизических исследований, а также совершенствование алгоритмов решения задач навигаци->нно-геодезического обеспечения. С этой целью необходимо решить следующий ряд научных и научно-технических задач:

— разработать алгоритмы интегральной целостности приёмной аппараты GPS;

— исследовать точностные характеристики приёмников GPS в нормальном [ дифференциальном режимах — разработать алгоритмы решения основных навигационных задач управления судном на профиле;

• разработать алгоритмы комплексной обработки навигационных данных системы GPS и судовых датчиков счисленияразработать методики установки и настройки дифференциальной: истемы DGPS. 5.

Методы проведения исследований. Исследования проводились с использованием теории спутниковых радионавигационных средств, теории вероятностей и математической статистики, методов морской геодезии и методов вычислительной математики. Автор провел обзор зарубежных печатных источников по исследуемой теме. Для отладки численных алгоритмов использовался персональный компьютер Pentium-100.

Научная новизна. В настоящей работе впервые представлен рабочий алгоритм мониторинга интегральной целостности приёмной аппаратуры GPS для полного комбинированного созвездия спутников GPS и GL0NASS. Автором разработаны также алгоритмы вычисления положения судна на профиле, прошедшие апробацию в условиях морских геофизических работ. Проведен анализ зарубежных технологий GPS навигацион-ногеодезического обеспечения морских геофизических работ, результаты котог-рого затем были использованы в практике морских сейсмических работ на Каспийском море.

Реализация результатов работы. Разработанная автором система алгоритмов была реализована в программно-математическом обеспечении морских сейсмических работ на Каспийском море на НИС Геофизик-2 в 1996 году. Методика работ с дифференциальной системой’GPS была использована при установке опорной станции DGPS в г. Логань на побережье Каспийского моря, а также на геофизических судах «Геофизик-2» и «Профессор Рябинкин» .

Публикация работы. По материалам диссертационной работы опубликовано 3 статьи [1, 3, 4 ]. Результаты работы представлены в виде докладов на 52 и 53 научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых МИМГАиК в 1997 и 1998 гг. соответственно.

6 .

выход.

Рис. 20 Структура модуля ЫАУ.

82.

5.3 Алгоритм расчета навигационных характеристик судна на профиле DEVIAT.

DEVIAT является алгоритмом расчета параметров положения судна на профиле (рис.21). Его основной процедурой является программа решения обратной геодезической задачи. При разработке, процедуры DEVIAT автор решил задачу соответствия расчетного отклонения судна от профиля его положению на экране монитора для длинных профилей (более 60 км). Последовательность вычислений в алгоритме DEVIAT следующая:

1. Определение длины профиля, а также прямого и обратного азимута из точки «1» начала профиля до точки «2» его конца.

2. Решение обратной геодезической задачи с целью получения расстояния s 10 и азимута из точки «1» до точки действительного положения судна «0» .

3. Определение азимута, а 100 на точку «3», зеркально расположенную относительно точки «О» .

4. Решение прямой геодезической задачи из начальной точки «1» до отраженной точки «3» с использованием расстояния s 10, полученного на шаге 2 и азимутом, а 100, определенного на этапе 3.

5. Решение обратной геодезической задачи для точки «0» и точки «3» с получением расстояния s03, прямого и обратного азимутов аОЗ, аЗО.

6. Решение прямой геодезической задачи для точки «3» с использованием расстояния su3/2 в точку «t», которая лежит на линии профиля и определение ее координат.

7. Определение расстояний от точки «t» до точек «1» и «2» .

8. Обработка ситуаций при подходе и удалении от профиля.

Рис. 21.

Схема параметров положения судна на профиле при использовании процедуры DEVIAT.

84 .

5.4 Алгоритмы решения прямой и обратной геодезических задач.

Эффективная работа программы DEVIAT зависит в значительной степени от точности, надежности и быстродействия вычислительной процедуры решения прямой (ПГЗ) и обратной геодезической задач (ОГЗ) на больших расстояниях. Автором разработаны алгоритмы и составлены программы для решения этих задач методом Бесселя [10] и методом Томаса [15 L Для выбора рабочего варианта программ и включения их в систему математического обеспечения навигационной системы судна автор провел исследование характеристик этих программ (табл.3). Параметр быстродействия алгоритмов ОГЗ и ПГЗ приведены к скорости работы алгоритмов метода Бесселя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящей работе автор дает описание современной технологии навигационно-геодезического обеспечения морских геофизических работ. Приводятся основные положения морского права, а также вводится концепция федеральной целевой программы «Мировой океан1'. Автор отмечает большое значение Конвенции ООН по морскому праву для создания юридического обоснования геофизических работ на море на рубеже XXI века. Во второй главе автор делает обзор применения дифференциальных методов GPS, приводит международные стандарты точности и качества навигационных данных для морских сейсмических работ, обсуждает перспективы использования морских электронных карт, а также перспективных технологий DGPS.

Центральное место работы занимает исследование интегральности спутниковых радионавигационных систем. Показана возможность улучшения точности навигационных определений включением в обработку наблюдений ИСЗ результатов, полученных высокоточными наземными методами. Предложен алгоритм контроля интегральной целостности приёмной аппаратуры GPS и ГЛОНАСС проверкой статистических гипотез с использованием хи-квадрат распределения. На основе избыточных измерений построен обнаружитель ошибочного сигнала определяющий спутник рабочего созвездия передающий ошибку. Изучены характеристики обнаружителя для различных значений вероятности ложной тревоги (PFA) и вероятности пропуска ошибки (PMD). Получена таблица значений хи-квадрат распределения для различных значений PFA и PMD.

В четвёртой главе даётся описание технологии навигационно-геодезического обеспечения морских сейсморазведочных работ которую автор использовал на геофизическом судне Геофизик-2 на Каспийском море. Подробно описан состав аппаратуры опорной дифференциальной станции GTS, а также параметры и методика её- настройки. Параметры передатчика дифференциальных поправок DeltaFix LR подбирались с учётом проведенных исследований надёжности и качества прохождения сигнала на расстояниях до 140 км.

В пятой главе автор представляет описание программно-аппаратного комплекса геофизического судна Геофизик-2. Дается описание алгоритмов и программ для решения навигационных задач управления судном на профиле и на маршруте, проводится сравнение эффективности работы различных алгоритмов решения прямой и обратной геодезических задач.

В заключение автор исследует работу алгоритма фильтра Калмана 3-го порядка с экспоненциальным затуханием с учётом общей концепции надёжности и устойчивости вычислительных процедур на основе метода ортогональных отражений Хаусхолдера. Проверка работы алгоритма на численной модели и полевых данных показало его достаточную эффективность и устойчивость.

Актуальность результатов исследований выполненных автором в диссертационной работе обосновывается.

— необходимостью обеспечения устойчивого и сбалансированного развития экономики России, в том числе, за счёт активного включения в её- экономический потенциал углеводородных ресурсов континентального шельфа;

— важностью проблемы выявления и освоения таких ресурсов опережающими темпами на основе использования совершенных геофизических, навигационно-геодезических и других технологий;

— ростом потребности многочисленных отраслей народного хозяйства России в прогрессивных спутниковых технологиях, обеспечивающих эффективное и оптимальное решение задач геодезического цикла, являющегося составной частью, в том числе комплексных исследований Мировго океана.

Актуальность работы объясняется также тем, что ее отдельные фрагменты обеспечивают решение важной в настоящее время задачи совместного использования в работах навигационного и геодезического направлений спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS.

1. Будранов А. Е., Мельников C.B. Проблемы использования дифференциальных GPS в морской геофизике. Изв. высших учебн. заведений, Геодезия и аэрофотосъёмка, № 5, 1997 г.

2. Будранов А. Е., Интегральность спутниковых радионавигационных систем. 53-я Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных. М. МШГАиК, 1998 г.

3. Будранов А. Е., Современное применение DGPS в морской навигации и геодезии. 52-я Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных. М. МИИГАиК, 1997 г.

4. Будранов А. Е., Глумов В. П., Шестопалов В. Л., Алгоритм мониторинга интегральности аппара турного комплекса GPS и ГЛОНАСС. Изв. высших учебн. заведений, Геодезия и аэрофотосъёмка, № 6, 1998 г.

5. Глумов В. П., Основы морской геодезии, М.: Недра, 1983 г.

6. Глумов й.Ф., Автоматизированные геофизические комплексы для изучения геологии и минеральных ресурсов Мирового океана.-М.: Недра, 1986.-344 с.

7. Глумов В. П., Морская геодезия, Итоги науки и техн. ВИНИТИ. Геод. и аэросъёмка, 1983, 21, 3−65 (1984, 1.52.144К).

8.Инструкция по топографо-геодезическому обеспечению геологоразведочных работ ИНГГ0−86.-М.: Недра, 1986.-104.

9. Конвенция ООН по морскому праву 1982 года.

10. Морозов В. П., Курс сфероидической геодезии, М., Недра, 1979.

Н. Справочник по специальным функциям под ред. М. Абрамовича и.

И. Стигана, М., Наука 1979.

12. Лоусон Ч., Хенсон Р. Численное решение задач метода наименьших квадратов. M., Наука, 1986 г.

13. А. Я. Хинчин, Цепные дроби. М. Наука, 1978 г. 111 с.

14. Дж. Форсайт, М. Малькольм, К. Моулер Машинные методы математических вычислений. М., МИР, 1980 стр. 172.

15. В. Л. Шестопалов, Котяшкин С. И. Сравнительная оценка эффективности прямого и итеративного алгоритмов определения местоположения в системах дальней радионавигации. Геленджик, 1988. -24 стр. Деп. в ВИНИТИ № 3126-В88.

16.01естопалов В.Л., Разработка методов математического обеспечения наземных и спутниковых радиотехнических средств для решения задач морской геодезии. Диссерт. на соискание учёной степени канд. технических наук. Библиотека МйИГАиК 1991 г.

17. UM Chronical, New-York-Geneva, 1.982, June, v. XIX, № 6, p.l.

18. McKendrick J.D., Satellites: Their use and potential for offshore communications, navigation and envlrernental monitoring.

101.

23. Austin A. DOTS with NASA’s ACTS GPS World, June, 1995, 42−50.

24. P. Loomis, L Sheiblat, and T.Mueller. «Differential GPS Network Design». Proc. of I0N-91, September 11−13,1991, p.511−520.

25. C. Kee, B.W. Parkinson and p Axelrad «Wide Area Differential GPS». Navigation, v.32, N 2, p.123−146.

26.M.Sturza Navigation System Integrity Monitoring using Redantant Measurement, Journal of the Institute of Navigation v .35,N 4 Winter 1988;89, p.483.

27. R.B.Larigley The Orbits of GPS Satellitesn. GPS World, March 1991, p.50.

28. R.B.Larigley The GPS Error Budget,. GPS World, March 1997, p .51.

29.Report of the SC-159 Integrity Working Group, RTCA paper N 220−87/SG 159−95, May 1987.

30. Klobuchar J.A. Ionospheric Effects on GPS. GPS World, April, 1991, 48−51.

31. 1998 Ree lever Survey. GPS World, January 1998, p.46−59.

32. Statman J.I. Simplified solution for a class of fading memory filter.- IEE Trans. Aerosp .Electr.Syst., AES-23, 1987, N 5, p. 315−319.

33. Hurd W.J., Statman I.J., Vllnrotter V.A., High dynamic GPS receiver using maximum likelihood estimation and frequency tracking. IEEE Trans. Aerosp., Electr., Syst., AES-23, 1987, N 4, 425ог.