Спутниковые системы глобального позиционирования фирмы TRIMBLE
А. В. Фролов, ГНПП «Аэрогеофизика»
Горнодобывающая промышленность, как и любое сложное производство, требует интеграции многих отраслей хозяйства, подчас различных, представляющих собой наиболее передовые технологии и достижения науки и техники. Одними из главных, если не основополагающими составными частями всего комплекса работ по разведке и добыче полезных ископаемых, являются разведка перспективных площадей под месторождения, строительство карьеров, горных выработок.
Одним из важнейших, а зачастую и главным вопросом разведки месторождений является картографическая и геодезическая обеспеченность района работ: оконтуривание и вычисление площадей предполагаемых месторождений, создание геодезической сети при строительстве, наблюдения за просадками, сдвижением бортов карьеров. Эти и множество других видов геодезических работ приходится выполнять на протяжении всего срока разработки месторождений.
Одна из главных проблем, возникающих у специалистов в области геодезии - плохая обеспеченность района работ точной геодезической сетью, а иногда и полное отсутствие таковой. Особенно тяжелое положение сложилось в малонаселенных, необжитых, пустынных районах, где сеть строилась десятилетия назад и в более позднее время не перемерялась, а утраченные геодезические пункты не восстанавливались. Затраты на восстановление геодезической сети до состояния, удовлетворяющего все геодезические, геологические, геофизические и пр. службы, занятые в геологической разведке, с использованием традиционных методов и технологий принятых в геодезии, не только займет громадное количество времени, людских ресурсов, но и потребует гигантских экономических затрат. Тем более, если речь идет о создании новой сети. Постройка геодезических знаков, закладка центров, многомесячные наблюдения и измерения, а затем их обработка, пусть даже с использованием ЭВМ - все это долгий и достаточно дорогой путь.
Даже если в районе месторождения сохранились пункты ГГС (государственной геодезической сети) и их точность вполне удовлетворительна, то требуется провести работы по т.н. сгущению сети (т.е. заложить новые пункты и определить их координаты, опираясь на ГГС) непосредственно в районе месторождения. Но и этот вид работ с применением традиционной геодезии грозит обернуться громадными затратами времени и средств. Основным препятствием на пути уменьшения потерь при производстве геодезических работ является сама их технология, главным условием которой является прямая видимость между пунктами, что зачастую невозможно в силу целого ряда причин и обстоятельств, основным из которых является географическое положение района работ. Поэтому, залесенная, пересеченная местность является природной преградой в ходе работ. Если учесть непостоянство погоды, сложные климатические условия: туман, дождь, пыльные бури, которые осложняют или делают невозможным сам процесс измерений, то становится очевидным, что применение традиционных методов может сильно замедлить ход работ, а, следовательно, привести к неоправданным экономическим потерям.
Поэтому применение совершенно новой революционной технологии в геодезическом производстве может коренным образом повлиять на процесс разведки. Такой новой технологией является спутниковая система глобального позиционирования (GPS - Global Positioning System). В настоящее время с 1978 г. в мире действует спутниковая навигационная система NAVSTAR (США), представляющая собой три взаимодействующих сегмента:
• космический сегмент, состоящий из 24 навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ), расположенных на почти круговых орбитах на высоте 20 тыс. км;
• наземный сегмент слежения и управления, состоящий из сети станций слежения за НИСЗ и центров по обработке информации и поддержанию спутников в рабочем состоянии;
• сегмент пользователей, состоящий из навигационных приемников для определения координат.
Принцип определения координат заключается в следующем: с борта НИСЗ, имеющего радиопередатчик, передаются радиосигналы, которые принимаются на Земле навигационными приемниками. По задержке времени прохождения радиосигнала от спутника до приемника можно вычислить расстояние между ними и, зная координаты НИСЗ, получить текущие координаты приемника. При помощи этой технологии можно за считанные секунды определить свое трехмерное положение (широта, долгота, высота) и время с точностью атомных часов. Главные преимущества GPS по сравнению с традиционными методами: не требуется взаимной видимости между пунктами; работает в любых погодных условиях, в любое время, в любой точке Земли; обладает высокой точностью определения координат; имеет гораздо более высокое быстродействие; предоставляет трехмерные координаты (в плане и по высоте); сокращение затрат на производство работ в 3-3,5 раза; сокращение сроков работ в 5-10 раз.
В настоящее время несколько десятков фирм производят GPS-приемники различной конфигурации и разнообразного назначения, начиная от портативных ручных (вес 200-300 гр) с точностью определения координат от 50 м, до сверхточных, применяемых при определении смещения литосфер-ных плит Земли и имеющих точность в доли миллиметра, находящие применение и спрос не только в специализированных отраслях, но даже гражданских потребителей.
Пионером в области GPS-технологий по праву считается американская компания TRIMBLE, созданная в 1978 г. и одной из первых изготовившая навигационные приемники GPS. В 1984 г. компания TRIMBLE выпустила на рынок первый серийный GPS-приемник геодезического класса. В настоящее время спектр аппаратуры весьма широк и составляет около 150 различных моделей и модификаций для использования в геодезии, морской и авиационной навигации, картографии и пр.
Как правило, точность геодезических работ в горной и горнодобывающей промышленности достаточно высока и составляет в различных видах определений единицы сантиметров.
Естественно, что для достижения подобной точности необходимо использовать наиболее точную и совершенную геодезическую GPS-аппаратуру, позволяющую уверенно определять координаты с субсантиметровой точностью.
Технология точных GPS-определе-ний представляет собой относительное определение координат двух (или более) приемников, относительно друг друга. Т.е. результатом измерений и последующей обработки является вектор между фазовыми центрами антенн двух приемников. Если один из них считать базовым (с заданными координатами), то координаты второго приемника вычисляются исходя из принципов пространственной геометрии. Точность определения базовой линии точными геодезическими приемниками порядка 5мм+1мм*D (где D - длина базовой линии в км).
К приемникам данного типа относятся фазовые приемники 4000Si (SSi), 4600LS, 4800. С помощью этого оборудования можно решать целый комплекс задач от создания новой сети, топографической съемки карьера или месторождения до наиболее трудоемкого и дорогостоящего вида работ -координатного выноса проекта в натуру . Решение этой задачи с использованием традиционной технологии (све-тодальномеров и теодолитов) требует привлечения большого количества исполнителей и недостаточно эффективно в силу естественных ограничений этого метода, а именно прямой видимости между точкой стояния прибора и выносимой точкой, температурным диапазоном работы аппаратуры (как правило, не ниже -20°С). Это достаточно важно в местах с резко континентальным климатом. Такая технология с использованием системы GPS получила название RTK-съемка (Real-Time Kinematic, съемка в реальном времени). Оператор в поле получает координаты в местной системе или любой другой (система координат карьера) непосредственно на экране ручного контроллера-накопителя, с помощью которого ведется управление съемкой и работой прибора. Перед полевой работой в память контроллера можно загрузить координаты всех точек из проекта и, используя режим навигации, выйти к этим точкам с ошибкой в 2-3 см! Кроме информации о текущих координатах, на экран контроллера выводится и ошибка определения координат в плане и по высоте. Преимущество использования
GPS-технологии в задачах выноса в натуру является: возможность работы без наличия прямой видимости, в единой системе координат, не отягощенной ошибками традиционных определений; работа в более тяжелых климатических условиях (рабочий диапазон приемника до -40°С, контроллера до -30°С); сокращение числа исполнителей; увеличение производительности; повышение точности.
Кроме уже перечисленных основных видов геодезических работ технология GPS может быть использована в высокоточных измерениях подвижек пластов, бортов карьеров, сооружений, причем точность, получаемая с ее помощью несравнимо выше, чем при традиционных измерениях (порядка 10-7 и точнее). Одним из главных преимуществ является представление линейного вектора сдвига именно как вектора (в трехмерной пространственной системе, с разложением по всем трем составляющим), а не просто как линейный сдвиг. Подобный мониторинг не требует особенных затрат и может быть поставлен на непрерывную основу.
Несмотря на кажущуюся сложность овладеть техникой GPS-съемки можно (в зависимости от типа аппаратуры и решаемых задач) за 5-10 рабочих дней. Причем пользователь может выбрать наиболее удобную форму обучения либо на своей территории или на территории фирмы-поставщика оборудования, либо за границей в учебных центрах с получением сертификата.
В последние два-три года рынок GPS-технологий в России претерпел качественное изменение благодаря появлению на рынке ряда фирм, взваливших на себя достаточно тяжелую ношу не только по продаже приемников, но и по «раскрутке» самой технологии. На сегодняшний день она еще не вполне знакома, а зачастую непонятна многим, если не большинству специалистов, работающих в областях непосредственно связанными с геодезическим или картографическим производством. Как правило, такие фирмы имеют в своем составе квалифицированных специалистов в области навигации, геодезии, геофизики, знакомых с методикой геодезических работ. Хотя в настоящее время эти российские фирмы можно буквально пересчитать по пальцам, в ближайшем будущем следует ожидать бурного всплеска интереса к GPS-технологиям в первую очередь со стороны потребителей, а как следствие, и рост их числа, а также услуг, оказываемых потребителям, таких как: аренда оборудования, проведение работ с его использованием, обучение пользователей, стыковка с технологическими комплексами.
